RU2681411C1

RU2681411C1 - Steerable propeller

Info

Publication number: RU2681411C1
Application number: RU2018107509A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Становской; Сергей Матвеевич Казакявичюс; Олег Анатольевич Цыганов; Алексей Владимирович Попов; Александр Викторович Становской; Александр Шестаков
Original assignee: Виктор Владимирович Становской
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-03-06
Also published as: WO2019168438A1

Abstract

FIELD: shipbuilding.SUBSTANCE: invention relates to the field of shipbuilding and concerns the creation of propulsion, steering and thruster complexes. Steering column contains a rigidly connected vertical stand of the tubular structure and a gondola, which, with the help of a turning mechanism, have the ability to turn around a vertical axis. Propeller drive is located in the gondola, and its elements pass inside the vertical pillar to communicate with the energy source inside the vessel. Pipe rigidly connected to the hull of the vessel is installed inside the vertical upright, and the vertical upright is mounted on it with the help of upper and lower support bearings.EFFECT: results in easier manufacture, use and repair, as well as a reduction in the cost of both support bearings and steering columns in general.3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания движительных, винторулевых и подруливающих комплексов и может быть использовано на судах различного типа и назначения.The invention relates to the field of shipbuilding and relates to the creation of propulsion, propeller and steering systems and can be used on ships of various types and purposes.

Известны судовые поворотные винторулевые колонки, обеспечивающие движение и маневрирование судна в различных условиях, выпускаемые фирмами: ABB Group, Schottel, Rolls Royce, Wartsila, Steerprop и т.д.Known ship's rotary thruster, providing the movement and maneuvering of the vessel in various conditions, produced by firms: ABB Group, Schottel, Rolls Royce, Wartsila, Steerprop, etc.

Традиционная поворотная винторулевая колонка является управляемым движителем, содержащим жестко связанные между собой вертикальную стойку и гондолу, с размещенными внутри них элементами приводного механизма гребного винта. Стойка с гондолой с помощью механизма поворота имеет возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси. Привод гребного винта может быть механическим, гидравлическим или электрическим. В качестве прототипа выбираем конструкцию с механическим приводом (См. Вестник Государственного университета морского и речного флота им. Макарова выпуск 4 (38) 2016 стр. 164-165), хотя настоящее изобретение может быть реализовано в колонках с любым приводом.The traditional rotary rotor-column is a controlled propulsion unit, containing a vertical strut and a nacelle rigidly interconnected with elements of the propeller drive mechanism located inside them. The stand with the gondola using the rotation mechanism has the ability to rotate around a vertical axis. The propeller drive may be mechanical, hydraulic, or electric. As a prototype, we choose a design with a mechanical drive (See Bulletin of the State University of the Sea and River Fleet named after Makarov Issue 4 (38) 2016 p. 164-165), although the present invention can be implemented in columns with any drive.

Винторулевая колонка в прототипе содержит следующие основные узлы: полую вертикальную стойку, соединенную с гондолой. Стойка вмонтирована в днище корпуса с возможностью поворота вокруг вертикальной оси с помощью механизма поворота. Мощность размещенного в корпусе судна двигателя передается от ведущего вала с помощью верхнего редуктора, на вертикальный вал, который проходит внутри вертикальной стойки. На нижнем конце вертикального вала в гондоле смонтирован нижний редуктор, который соединяет вертикальный вал с гребным валом и гребным винтом. Механизм поворота представляет собой зубчатое колесо на верхнем конце вертикальной стойки, которое связано зубчатой передачей с одним или несколькими двигателями. Вертикальная стойка проходит вверх в корпус морского судна сквозь отверстие в днище корпуса. В этом отверстии внутри корпуса судна на опорных подшипниках, установлен верхний конец вертикальной стойки. Так как подшипники располагаются снаружи вертикальной стойки, они имеют большие радиальные размеры, которые иногда достигают полутора метров. Это влечет за собой конструктивную и технологическую сложность в изготовлении и использовании таких подшипников, так как такие подшипники изготавливают только по специальному заказу. А это значительно увеличивает их стоимость, обслуживание и ремонт. Кроме того в процессе эксплуатации винторулевых колонок могут возникать дополнительные статические и динамические усилия от упора винта, приводящие к увеличению консольных нагрузок на подшипники.The helical column in the prototype contains the following main nodes: a hollow vertical strut connected to the gondola. The rack is mounted in the bottom of the housing with the ability to rotate around a vertical axis using the rotation mechanism. The power of the engine located in the hull of the vessel is transmitted from the drive shaft by means of an upper gearbox to the vertical shaft, which extends inside the vertical strut. At the lower end of the vertical shaft, a lower gear is mounted in the nacelle, which connects the vertical shaft to the propeller shaft and the propeller. The rotation mechanism is a gear at the upper end of a vertical strut, which is connected by a gear to one or more engines. A vertical post extends upward into the hull of a marine vessel through an opening in the bottom of the hull. In this hole inside the ship’s hull, on the bearings, the upper end of the upright is installed. Since the bearings are located outside the vertical strut, they have large radial dimensions, which sometimes reach one and a half meters. This entails constructive and technological complexity in the manufacture and use of such bearings, since such bearings are made only by special order. And this significantly increases their cost, maintenance and repair. In addition, during the operation of the propeller columns, additional static and dynamic forces from the stop of the screw may occur, leading to an increase in cantilever loads on the bearings.

Таким образом, задачей изобретения является создание более дешевой в изготовлении и эксплуатации винторулевой колонки.Thus, the object of the invention is to provide a cheaper in the manufacture and operation of a helical column.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в уменьшении диаметральных размеров опорных подшипников, удерживающих вертикальную стойку, что, в свою очередь, облегчит их изготовление и использование, уменьшит консольные нагрузки на подшипники и снизит, как их себестоимость, так и себестоимость винторулевых колонок в целом, улучшит ремонтопригодность.The technical result achieved by the claimed invention is to reduce the diametrical dimensions of the thrust bearings holding the vertical strut, which, in turn, will facilitate their manufacture and use, reduce the cantilever load on the bearings and reduce both their cost and the cost of rotor columns in general , will improve maintainability.

Указанный технический результат достигается тем, что винторулевая колонка, как и прототип, содержит жестко связанные между собой, полую вертикальную стойку и гондолу, которые с помощью механизма поворота имеют возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси. Внутри вертикальной стойки проходят элементы привода гребного винта. Сам привод гребного винта размещен в гондоле. В отличие от прототипа внутри вертикальной стойки, установлена труба, жестко связанная с корпусом судна. На этой трубе с помощью опорных подшипников (верхнего и нижнего) посажена вертикальная стойка. Трубу стоит выполнить максимальной длины, вплоть до нижнего редуктора в гондоле. Тогда плечо между подшипниками будет увеличено, а нагрузка на них уменьшена.The specified technical result is achieved in that the helical column, like the prototype, contains rigidly interconnected, a hollow vertical strut and a nacelle, which with the help of a rotation mechanism have the ability to rotate around a vertical axis. Inside the vertical strut are the propeller drive elements. The propeller drive itself is located in the gondola. Unlike the prototype, a pipe is installed inside the upright, rigidly connected to the hull of the vessel. On this pipe with the help of thrust bearings (upper and lower) a vertical stand is planted. The pipe should be made to the maximum length, up to the lower gear in the gondola. Then the shoulder between the bearings will be increased, and the load on them will be reduced.

Для уменьшения веса и равномерного распределения нагрузки трубу, связанную с корпусом целесообразно выполнить сужающейся книзу в виде конуса.To reduce weight and evenly distribute the load, the pipe connected with the housing should be tapering downward in the form of a cone.

Такая посадка вертикальной стойки на трубу позволяет уменьшить консольные нагрузки на опорные подшипники и значительно сократить их диаметральные размеры, что, в свою очередь, снизит их себестоимость, себестоимость винторулевой колонки и улучшит ремонтопригодность. Привод гребного винта осуществляется через полость трубы и, таким образом, может быть как механическим, через приводные валы и косозубые зубчатые колеса, так и может осуществляться гидравлическими или электрическими средствами.Such a landing of the vertical strut on the pipe reduces the cantilever loads on the thrust bearings and significantly reduces their diametrical dimensions, which, in turn, will reduce their cost, cost of the propeller column and improve maintainability. The propeller is driven through the cavity of the pipe and, thus, can be either mechanical, through drive shafts and helical gears, or it can be carried out by hydraulic or electric means.

Механизм поворота может быть выполнен таким же, как и в прототипе. Он представляет собой закрепленное на верхнем конце вертикальной стойки зубчатое колесо, которое связано зубчатой передачей с одним или несколькими двигателями.The rotation mechanism can be made the same as in the prototype. It is a gear fixed to the upper end of a vertical strut, which is connected by a gear transmission to one or more engines.

Механизм поворота может быть выполнен и в виде аксиального-поршневого гидро- или пневмопривода на основе дифференциального кулачкового механизма (см. Крайнев А.Ф. «Словарь-справочник по механизмам», М., Машиностроение, 1987, стр. 98). В этом случае на поверхности колеса, закрепленного на верхнем конце вертикальной стойки, выполнен многократно повторенный торцовый кулачок (его называют также периодическим торцовым кулачком), с которым взаимодействуют толкатели, связанные с поршнями гидроцилиндров, причем число толкателей отличается от числа циклов торцевого кулачка.The rotation mechanism can also be made in the form of an axial-piston hydraulic or pneumatic drive based on a differential cam mechanism (see Krainev AF “Dictionary-reference book on mechanisms”, M., Mechanical Engineering, 1987, p. 98). In this case, on the surface of the wheel mounted on the upper end of the vertical strut, a multiple-faced face cam (also called a periodic end-face cam) is made, with which pushers associated with the pistons of the hydraulic cylinders interact, and the number of pushers differs from the number of cycles of the end-face cam.

Для иллюстрации изобретения приведем варианты конструкции винторулевой колонки с механическим приводом гребного винта, однако по изобретению может быть выполнена колонка с любым типом привода гребного винта и механизма поворота.To illustrate the invention, we present design options for a helical column with a mechanical propeller drive, however, according to the invention, a column with any type of propeller drive and rotation mechanism can be made.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемой винторулевой колонки с механической передачей мощности на винт и механизмом поворота на основе зубчатого зацепления, приводимым в движение одним двигателем.In FIG. 1 is a schematic diagram of the inventive helical column with mechanical power transmission to the screw and a rotation mechanism based on gearing, driven by one engine.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема заявляемой винторулевой колонки с механизмом поворота в виде аксиального-поршневого гидропривода на основе дифференциального кулачкового механизма.In FIG. 2 presents a schematic diagram of the inventive helical column with a rotation mechanism in the form of an axial-piston hydraulic drive based on a differential cam mechanism.

На фиг. 3 представлен механизм поворота в виде аксиального-поршневого гидропривода на основе дифференциального кулачкового механизма.In FIG. 3 shows the rotation mechanism in the form of an axial-piston hydraulic actuator based on a differential cam mechanism.

Винторулевая колонка (фиг. 1 и 2) содержит вертикальную стойку трубчатой конструкции 1 и гондолу 2, которые жестко связанны между собой. Вертикальная стойка 1 проходит вверх в корпус судна 3 сквозь отверстие в днище корпуса. Ниже верхнего конца вертикальной стойки 1 для предотвращения попадания воды в корпус судна установлено уплотнение 4. С точки зрения механического привода винта, колонка имеет три главные части: верхний конический редуктор 5, вертикальный вал 6 и нижний конический редуктор 7. Механизм передачи вращения от верхнего конического редуктора 5 на нижний конический редуктор 7 показан в упрощенном виде. Верхний конический редуктор 5 расположен внутри корпуса судна 3, он включает зубчатую передачу, которая образована из входного вала 8, заканчивающегося ведущим зубчатым колесом 9, которое находится в зацеплении с ведомым зубчатым колесом 10, установленным на верхнем конце вертикального вала 6. Вертикальный вал 6 расположен в полости трубы 11, жестко связанной с корпусом судна 3. На трубе 11 с помощью верхнего 12 и нижнего 13 опорных подшипников посажена вертикальная стойка 1. При этом консольные нагрузки на опорные подшипники уменьшаются. Для большего уменьшения консольных нагрузок трубу 11 целесообразно выполнить максимальной длины (фиг. 1), вплоть до нижнего редуктора 7 в гондоле 2. Тогда плечо между подшипниками 12 и 13 будет увеличено, а нагрузка на них уменьшена. Кроме того при такой посадке вертикальной стойки 1 значительно уменьшаются диаметральные размеры опорных подшипников 12 и 13, что позволяет использовать подшипники стандартного размера выпускаемые серийно. Это значительно снижает себестоимость и подшипников, и винторулевой колонки в целом, а также уменьшает сроки ремонтных работ при поломке подшипников. КВ гондоле 2 расположен нижний конический редуктор 7, который включает: ведущее зубчатое колесо 14, ведомое зубчатое колесо 15. Колесо 15 установлено на гребном валу 16 привода гребного винта 17. Механизм поворота вертикальной стойки 1 представлен шестерней 18 и зубчатым колесом 19, которое закреплено на верхнем конце вертикальной стойки 1. Шестерня 18 посажена на вал двигателя 20.The helical column (Fig. 1 and 2) contains a vertical column of a tubular structure 1 and a nacelle 2, which are rigidly connected to each other. The vertical post 1 passes up into the hull of the vessel 3 through an opening in the bottom of the hull. A seal 4 is installed below the upper end of the vertical strut 1 to prevent water from entering the ship’s hull. From the point of view of the mechanical drive of the screw, the column has three main parts: the upper bevel gear 5, the vertical shaft 6 and the lower bevel gear 7. The rotation transmission mechanism from the upper bevel gear 5 to the lower bevel gear 7 is shown in a simplified form. The upper bevel gear 5 is located inside the hull of the vessel 3, it includes a gear transmission, which is formed from the input shaft 8, ending with the drive gear 9, which is engaged with the driven gear 10 mounted on the upper end of the vertical shaft 6. The vertical shaft 6 is located in the cavity of the pipe 11, rigidly connected with the hull of the vessel 3. On the pipe 11 with the help of the upper 12 and lower 13 of the thrust bearings, a vertical strut 1 is planted. In this case, the cantilever loads on the thrust bearings are reduced. To reduce cantilever loads to a greater extent, it is advisable to make the pipe 11 of maximum length (Fig. 1), up to the lower gear 7 in the nacelle 2. Then the shoulder between the bearings 12 and 13 will be increased, and the load on them will be reduced. In addition, with such a landing of the vertical strut 1, the diametrical dimensions of the thrust bearings 12 and 13 are significantly reduced, which allows the use of standard-sized bearings produced commercially. This significantly reduces the cost of bearings and the helical column as a whole, and also reduces the time for repair work in the event of a bearing breakdown. To the gondola KV 2, a lower bevel gear 7 is located, which includes: a driving gear 14, a driven gear 15. The wheel 15 is mounted on the propeller shaft 16 of the propeller 17 drive. The rotation mechanism of the vertical strut 1 is represented by a gear 18 and a gear wheel 19, which is mounted on the upper end of the vertical strut 1. Gear 18 is mounted on the shaft of the engine 20.

Винторулевая колонка на фиг. 2 отличается от винторулевой колонки на фиг. 1 тем, что для снижения массы конструкции и для равномерного распределения нагрузки по трубе 11, она выполнена сужающейся книзу, образуя конус. Размер сужения определяется пределом несущей способности опорного подшипника 13.The helical column in FIG. 2 differs from the steering column in FIG. 1 in that in order to reduce the mass of the structure and to evenly distribute the load along the pipe 11, it is made tapering downward, forming a cone. The size of the narrowing is determined by the load bearing capacity of the thrust bearing 13.

Механизм поворота на фиг. 2 выполнен в виде аксиально-поршневого гидропривода на основе дифференциального кулачкового механизма (см. фиг. 3). Механизм поворота в соответствии с изобретением содержит гидроцилиндры 21, толкатели 22 и торцовый кулачок 23. Гидроцилиндры 21 расположены в блоке по окружности, оси гидроцилиндров 21 параллельны друг другу и оси цилиндрового блока. На конце толкателей 22 в сферических лунках установлены шарики 24. Торцовый кулачок 23 имеет периодически повторяющуюся поверхность переменной кривизны. Число толкателей 22 отличается от числа циклов изменения профиля кулачка 23.The rotation mechanism in FIG. 2 is made in the form of an axial piston hydraulic actuator based on a differential cam mechanism (see Fig. 3). The rotation mechanism in accordance with the invention comprises hydraulic cylinders 21, pushers 22 and an end cam 23. The hydraulic cylinders 21 are arranged in a block around the circumference, the axes of the hydraulic cylinders 21 are parallel to each other and to the axis of the cylinder block. At the end of the pushers 22, balls 24 are mounted in the spherical holes. The end cam 23 has a periodically repeating surface of variable curvature. The number of pushers 22 differs from the number of cycles for changing the profile of the cam 23.

Работа заявляемой винторулевой колонки, представленной на фиг. 1, аналогична работе прототипа. Мощность размещенного в корпусе судна 3 двигателя, передается от входного вала 8 с помощью верхнего редуктора 5, на вертикальный вал 6. Вертикальный вал 6 расположен в полости трубы 11. Вращение вертикального вала 6 через нижний конический редуктор 7 передается гребному валу 16 и винту 17. Поскольку заявленная винторулевая колонка является управляемой, то вертикальная стойка 1 с гондолой 2 должна иметь возможность контролируемого поворота вокруг вертикальной оси. Для выполнения этого требования управляемый двигатель 20 вращает шестерню 18, которая поворачивает зубчатое колесо 19, вместе с вертикальной стойкой 1.The operation of the inventive helical column shown in FIG. 1 is similar to the operation of the prototype. The power of the engine located in the ship’s hull 3 is transmitted from the input shaft 8 by means of the upper gearbox 5 to the vertical shaft 6. The vertical shaft 6 is located in the cavity of the pipe 11. The rotation of the vertical shaft 6 through the lower bevel gearbox 7 is transmitted to the propeller shaft 16 and screw 17. Since the claimed helical column is controllable, the vertical strut 1 with the nacelle 2 should be able to control rotation around the vertical axis. To fulfill this requirement, the controlled engine 20 rotates the gear 18, which rotates the gear wheel 19, together with the vertical rack 1.

Механизм поворота на фиг. 2 и 3 работает следующим образом. При последовательном изменении давления в цилиндрах 21 приводятся в движение толкатели 22 с шариками 24, Шарики 24 взаимодействуют с периодическим торцовым кулачком 23. За счет боковой составляющей силы в точке контакта шарика и периодического кулачка создается вращательный момент механизма поворота. При полном цикле последовательных перемещений всех толкателей 22 кулачок 23, а вместе с ним и вертикальная стойка 1 повернутся на один угловой шаг кулачка. Такой механизм незаменим для винторулевых колонок, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Так, к примеру шуга или лед, или другие массивные и твердые объекты на пути судна создают на винты дополнительные нагрузки, под действием которых возникает поток обратной мощности на механизм поворота. Для колонок с механизмом поворота на основе зубчатого зацепления это приводит к жесткому удару и повреждению шестерен и зубчатых колес механизма поворота. Применение аксиально-поршневого гидропривода позволяет уменьшить жесткость удара путем изменения давления в гидроцилиндрах при обратном потоке мощности от винторулевой колонки. В случае поломки механизма поворота аксиально-поршневой привод легко отключается, что облегчает буксировку судна с неисправной винторулевой колонкой.The rotation mechanism in FIG. 2 and 3 works as follows. When the pressure in the cylinders 21 is successively changed, the pushers 22 are driven with balls 24, The balls 24 interact with the periodic end cam 23. Due to the lateral component of the force at the point of contact of the ball and the periodic cam, a rotational moment of the rotation mechanism is created. With a full cycle of successive movements of all the pushers 22, the cam 23, and with it the vertical post 1, will rotate by one angular pitch of the cam. Such a mechanism is indispensable for propeller columns operating in severe operating conditions. So, for example, sludge or ice, or other massive and solid objects on the ship’s path create additional loads on the propellers, under the influence of which a reverse power flow to the rotation mechanism occurs. For columns with a rotation mechanism based on gearing, this leads to a hard impact and damage to the gears and gears of the rotation mechanism. The use of an axial-piston hydraulic drive allows to reduce the stiffness of the impact by changing the pressure in the hydraulic cylinders with a reverse flow of power from the propeller column. In the event of a breakdown of the rotation mechanism, the axial piston drive is easily switched off, which facilitates the towing of a vessel with a faulty propeller column.

Claims

1. A helical column containing rigidly connected to each other a vertical strut of a tubular structure and a nacelle that can be rotated around a vertical axis using a turning mechanism, a propeller drive is placed in the nacelle, and its elements pass inside a vertical strut for communication with an energy source inside the vessel characterized in that a pipe is installed inside the vertical strut that is rigidly connected to the hull of the vessel, and the vertical strut is seated on it with the help of the upper and lower thrust bearings.

2. The helical column according to claim 1, characterized in that the pipe inside the vertical column is made tapering downward, forming a cone.

3. A helical column according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the rotation mechanism is made in the form of an axial-piston hydro-pneumatic actuator based on a differential cam mechanism containing a periodic end cam mounted on a vertical strut, with which the pushers associated with pistons of hydraulic pneumatic cylinders.