RU2763086C1

RU2763086C1 - Method for manufacturing a screw propeller

Info

Publication number: RU2763086C1
Application number: RU2020134766A
Authority: RU
Inventors: Валентин Федорович Васильев; Алексей Сергеевич Ионкин; Яна Юрьевна Соловьева
Original assignee: Акционерное общество "Центр судоремонта "Звездочка" (АО "ЦС "Звездочка")
Priority date: 2020-10-22
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2021-12-27

Abstract

FIELD: shipbuilding.

SUBSTANCE: invention relates to the field of shipbuilding and can be used in production of ship propulsors, namely, in manufacture of screw propellers. Manufacture of a screw propeller includes stage-wise formation of the outer structural contours of the screw propeller and the internal structure thereof. At each stage or within one stage, both metallic and non-metallic structural materials are used to form the mass of the screw propeller, differing by physical and mechanical characteristics and providing a change in said characteristics for different areas of the blades and/or the hub of the screw propeller. The outer contours of the screw propeller and the internal structure thereof are formed at each stage or within one stage by the additive method.

EFFECT: reduction in the weight of the screw propeller and increase in the reliability of operation thereof are achieved.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в производстве судовых движителей, а именно, при изготовлении гребных винтов.The invention relates to the field of shipbuilding and can be used in the production of ship propellers, namely, in the manufacture of propellers.

Известен способ изготовления гребного винта, включающий раздельную отливку лопастей и ступицы, последующую их обработку и приварку лопастей к ступице (см., например, авторское свидетельство СССР №123860 «Способ изготовления гребного винта», МКИ В63Н 1/38, 1959 г.). Недостатком известного способа изготовления гребного винта является сложность обеспечения его надежности в движителях большой мощности и большой вес монолитного гребного винта. Дело в том, что движителях большой мощности используются гребные винты, диаметр которых доходит до девяти и более метров. Изготовление монолитных гребных винтов такого диаметра представляет серьезные технологические трудности.A known method of manufacturing a propeller, including separate casting of the blades and the hub, their subsequent processing and welding of the blades to the hub (see, for example, USSR author's certificate No. 123860 "Method of manufacturing a propeller", MKI V63N 1/38, 1959). The disadvantage of the known method of manufacturing a propeller is the complexity of ensuring its reliability in high-power propellers and the large weight of a monolithic propeller. The fact is that propellers of high power use propellers with a diameter of up to nine meters or more. The manufacture of monolithic propellers of this diameter presents serious technological difficulties.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления гребного винта, описанный в патенте РФ №2368534 «Пустотелая лопасть судового гребного винта», МПК В63Н 1/14, 2009 г. Данная лопасть, входящая в состав гребного винта, выполнена литосварной. На начальном этапе отливаются отдельные металлические фрагменты, которые свариваются между собой с образованием пустотелой лопасти, состоящей из отдельных секций. Внутреннее пространство лопасти заполняют композитным вибродемпфирующим гранулированным материалом. Недостатком данного способа изготовления гребного винта является относительно низкая его прочность, что обусловлено применением одного конструкционного материала. Для обеспечения требуемого уровня прочности приходится увеличивать толщину стенок. Это ведет к высокому удельному весу гребного винта. Дело в том, что при работе гребного винта напряжения, возникающие в лопасти, распределены по ее высоте неравномерно. В нижней части лопасти, примыкающей к ступице и до расстояния 0,7 радиуса гребного винта эти напряжения являются максимальными, а к вершине лопасти напряжения снижаются. Поэтому изготовление лопасти из одного материала даже с различными его толщинами приводит к утяжелению конструкции гребного винта.The closest to the claimed invention in terms of technical essence and the achieved result is a method of manufacturing a propeller described in RF patent No. 2368534 "Hollow blade of a ship propeller", IPC V63N 1/14, 2009. This blade, which is part of the propeller, is made litho-welded. At the initial stage, separate metal fragments are cast, which are welded together to form a hollow blade, consisting of separate sections. The inner space of the blade is filled with a composite vibration-damping granular material. The disadvantage of this method of manufacturing a propeller is its relatively low strength, which is due to the use of one structural material. To ensure the required level of strength, it is necessary to increase the wall thickness. This leads to a high propeller specific gravity. The fact is that during the operation of the propeller, the stresses arising in the blade are unevenly distributed along its height. In the lower part of the blade adjacent to the hub and up to a distance of 0.7 of the propeller radius, these stresses are maximum, and at the top of the blade, the stresses decrease. Therefore, the manufacture of a blade from the same material, even with different thicknesses, leads to a heavier propeller design.

Цель изобретения - снижение веса гребного винта и его стоимости, а также повышение надежности работы.The purpose of the invention is to reduce the weight of the propeller and its cost, as well as to increase the reliability of work.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе изготовления гребного винта, состоящего из ступицы и лопастей и включающего поэтапное формирование внешних обводов конструкции гребного винта и его внутренней структуры, в нем на каждом этапе или в пределах одного этапа для формирования внешних обводов гребного винта и его внутренней структуры используют различные как металлические, так и неметаллические конструкционные материалы, отличающиеся друг от друга физико-механическими характеристиками и обеспечивающие изменение этих характеристик по различным зонам лопастей и/или ступицы гребного винта. Формирование внешних обводов гребного винта и его внутренней структуры на каждом этапе или в пределах одного этапа может быть осуществлено аддитивным методом.This goal is achieved by the fact that in the known method of manufacturing a propeller, consisting of a hub and blades and including the phased formation of the outer contours of the propeller structure and its internal structure, in it at each stage or within one stage for the formation of the outer contours of the propeller and its of the internal structure, various metallic and non-metallic structural materials are used, differing from each other in physical and mechanical characteristics and providing a change in these characteristics in different zones of the blades and / or the propeller hub. The formation of the outer contours of the propeller and its internal structure at each stage or within one stage can be carried out by the additive method.

При создании гребного винта к нему предъявляются большое число требований, таких как: работоспособность в течение всего срока службы, коррозионная стойкость в водной среде, особенно, морской, устойчивость к кавитационному воздействию, малый удельный вес, низкий уровень виброактивности при работе и многие другие. Обеспечить выполнение всех этих требований в достаточной степени при изготовлении гребного винта из одного материала невозможно. Однако, было бы целесообразно, если бы каждая зона гребного винта была выполнена из своего материала. Сама поверхность винта должна быть выполнена из материала, устойчивого к кавитационному и коррозионному воздействию, например, из неметаллического материала. Нижняя часть лопастей, примыкающая к ступице должна быть выполнена из стального сплава, обладающего высокими прочностными свойствами, а периферийная часть лопастей уже может быть выполнена из титанового или алюминиевого сплава. Вибродемпфирующий материал, заполняющий внутреннею полость лопасти тоже может иметь различные свойства по высоте лопасти. В нижней части лопасти вибродемпфирующий материал должен иметь более плотную структуру, чем в периферийной зоне. Таким образом, оптимальная конструкция гребного винта может быть достигнута, если на каждом этапе или в пределах одного этапа для формирования внешних обводов гребного винта и его внутренней структуры используют различные как металлические (стальные, титановые и алюминиевые сплавы), так и неметаллические конструкционные материалы (композиционные полимерные материалы, углерод-углеродные материалы и др.), отличающиеся друг от друга физико-механическими характеристиками и обеспечивающие изменение этих характеристик по различным зонам лопастей и/или ступицы гребного винта. Таким образом, лопасть гребного винта или ступица или весь гребной винт могут быть выполнены из пяти-шести конструкционных материалов и более. Чем больше материалов используется при изготовлении гребного винта, тем выше его весовое совершенство.When creating a propeller, a large number of requirements are imposed on it, such as: performance throughout the entire service life, corrosion resistance in an aqueous medium, especially marine, resistance to cavitation, low specific gravity, low vibration activity during operation, and many others. It is impossible to ensure that all these requirements are sufficiently fulfilled in the manufacture of a propeller from one material. However, it would be advisable if each area of the propeller was made of a different material. The surface of the screw itself must be made of a material that is resistant to cavitation and corrosive effects, for example, a non-metallic material. The lower part of the blades adjacent to the hub must be made of a steel alloy with high strength properties, and the peripheral part of the blades can already be made of titanium or aluminum alloy. Vibration damping material filling the inner cavity of the blade can also have different properties along the height of the blade. In the lower part of the blade, the vibration damping material should have a denser structure than in the peripheral zone. Thus, the optimal design of the propeller can be achieved if, at each stage or within one stage, various metal (steel, titanium and aluminum alloys) and non-metallic structural materials (composite polymer materials, carbon-carbon materials, etc.), differing from each other in physical and mechanical characteristics and providing a change in these characteristics in different zones of the blades and / or the propeller hub. Thus, the propeller blade or hub or the entire propeller can be made of five to six materials of construction or more. The more materials are used in the manufacture of a propeller, the higher its weight perfection.

Рассмотрим конкретный пример изготовления гребного винта диаметром 0,96 метра, состоящего из ступицы и четырех лопастей (см. фиг.). На фигуре использованы следующие обозначения:Consider a specific example of manufacturing a propeller with a diameter of 0.96 meters, consisting of a hub and four blades (see Fig.). The figure uses the following designations:

1 - ступица гребного винта;1 - propeller hub;

2 - лопасть гребного винта;2 - propeller blade;

3-7 - зоны лопасти, выполненные из металла;3-7 - blade zones made of metal;

8-10 - зоны внутренней полости лопасти, заполненные полимерным материалом;8-10 - zones of the inner cavity of the blade, filled with polymer material;

11 - перегородки из эпоксидной смолы.11 - epoxy resin partitions.

Предлагаемый способ изготовления гребного винта предполагает его изготовление с применением аддитивных технологий (как вариант) на установке типа «автоматизированный технологический комплекс лазерного выращивания элементов судовых движителей» (КТЛВ). В зону выращивания конструкции гребного винта транспортным газом (аргоном) подается металлический порошок, который плавится лазером в зоне построения. Изготовление требуемой детали происходит послойно, снизу вверх. Сначала формируется первый слой (сечение детали, высотой равное заданному значению шага по высоте) из набора выращенных валиков выбранного размера, уложенных внахлест. После формирования первого слоя рабочая головка КТЛВ поднимается на заданное значение шага, происходит формирование следующего слоя по второму сечению требуемой детали и так далее.The proposed method of manufacturing a propeller involves its manufacture using additive technologies (as an option) on an installation of the type "automated technological complex for laser growing of ship propulsion elements" (KTLV). A metal powder is supplied to the growth area of the propeller structure with a transport gas (argon), which is melted by a laser in the construction area. The required part is manufactured in layers, from bottom to top. First, the first layer is formed (a section of the part with a height equal to the specified value of the step in height) from a set of grown rollers of the selected size, overlapped. After the formation of the first layer, the working head of the KTLV rises by a predetermined step value, the next layer is formed along the second section of the required part, and so on.

В предлагаемом способе возможно осуществить выращивание лопастей гребного винта как на готовую ступицу, выполненную традиционными технологиями, так и изготовить ступицу на аддитивном комплексе КТЛВ совместно с лопастной системой. При дальнейшем рассмотрении конкретного примера будем считать, что ступица уже изготовлена традиционным методом.In the proposed method, it is possible to carry out the cultivation of propeller blades both on a finished hub, made by traditional technologies, and to manufacture the hub on the additive complex KTLV together with the blade system. In the further consideration of a specific example, we will assume that the hub has already been manufactured by the traditional method.

Первые прикомлевые слои зоны 3 выращиваются с уменьшенным шагом (0,75% от номинального) между выращиваемыми слоями по высоте, при этом скорость выращивания - минимально возможная для выбранного расходного материала (порошка) нержавеющей стали 08Х15Н4ДМ. В следующей зоне 4 лопасти 2 выращивание конструкции производится с увеличением шага (по высоте) до номинального значения для выбранного материала 08Х15Н4ДМ, скорость выращивания как для зоны 3. Конструкцию в зоне 5 выращивают с шагом, как для слоев в зоне 4. При этом скорость выращивания поднимается с минимального значения до номинального для выбранного материала. Таким образом, зона 3, где в процессе работы гребного винта действуют максимальные нагрузки, структура материала имеет максимальную плотность и обеспечивает наилучшие прочностные характеристики материала. В зонах 4 и 5 требования к прочностным характеристикам материала снижаются и за счет увеличения скорости выращивания и увеличения шага, плотность материала снижается и снижаются его прочностные характеристики, большая величина которых для зон 4 и 5 уже не требуется, как для прикомлевой зоны 3. То есть в зонах 4 и 5 конструкционный материал становится более «пористым» и менее прочным, но более легким. В зоне 6 выращивание конструкции производится по режиму зоны 5. Но в качестве строительного порошка используется порошок стали 08Х15Н4ДМ и порошок нержавеющей, но более дешевой стали XI8Т при соотношении 50% на 50%. Это ведет к снижению суммарной стоимости материала и к дальнейшему понижению прочностных характеристик материала. За счет снижения нагрузок на эту зону, требования к прочностным характеристикам также снижаются. В зоне 7, находящейся в вершине лопасти, выращивание конструкции производится по режимам, характерным для зон 5 и 6, но в качестве порошка берется порошок только нержавеющей стали XI8Т. Таким образом, при помощи комплекса КТЛВ формируется внешний обвод полой лопасти гребного винта, имеющий различные характеристики по зонам от комля лопасти к его вершине.The first near-side layers of zone 3 are grown with a reduced step (0.75% of the nominal) between the grown layers in height, while the growth rate is the minimum possible for the selected consumable material (powder) of 08Kh15N4DM stainless steel. In the next zone 4 of the blade 2, the structure is grown with an increase in the step (in height) to the nominal value for the selected material 08X15H4DM, the growth rate is the same as for zone 3. The structure in zone 5 is grown with a step, as for the layers in zone 4. At the same time, the growth rate rises from the minimum value to the nominal value for the selected material. Thus, zone 3, where the maximum loads act during the propeller operation, the structure of the material has the maximum density and provides the best strength characteristics of the material. In zones 4 and 5, the requirements for the strength characteristics of the material are reduced and due to an increase in the growth rate and an increase in the step, the density of the material decreases and its strength characteristics decrease, a large value of which is no longer required for zones 4 and 5, as for the near-edge zone 3. That is in zones 4 and 5, the structural material becomes more "porous" and less durable, but lighter. In zone 6, the structure is grown according to the regime of zone 5. But powder of steel 08X15H4DM and powder of stainless, but cheaper steel XI8T at a ratio of 50% to 50% are used as construction powder. This leads to a decrease in the total cost of the material and to a further decrease in the strength characteristics of the material. By reducing the loads on this zone, the requirements for the strength characteristics are also reduced. In zone 7, located at the top of the blade, the structure is grown according to the modes typical for zones 5 and 6, but only XI8T stainless steel powder is taken as a powder. Thus, with the help of the KTLV complex, the outer contour of the hollow blade of the propeller is formed, which has different characteristics in the zones from the butt of the blade to its apex.

Далее необходимо заполнить внутреннею полость лопасти материалом через технологическое отверстие в ступице винта. Лопасть устанавливается таким образом, чтобы вершина лопасти находилась в самой нижней точке.Next, it is necessary to fill the inner cavity of the blade with material through the technological hole in the propeller hub. The blade is positioned so that the tip of the blade is at its lowest point.

Первоначально в лопасть вводится сыпучий вибродемпфирующий материал 8 с наименьшим удельным весом на 1/3 часть полости. Далее в полость вводится небольшое количество эпоксидной смолы с отвердителем и после выдержки данная смола образует перегородку 11. После этого в полость вводится другой вибродемпфирующий материал 9, имеющий же большую плотность, чем материал 8 на величину 1/3 части полости. Аналогично этот материал фиксируется перегородкой 11 из эпоксидной смолы. И в завершение в полость лопасти вводится третий вибродемпфирующий материал с максимальной плотностью или несыпучий вибродемпфирующий материал типа пенополиуретана или пенополистирола. Такое заполнение полости обеспечивает максимальное снижение виброактивности гребного винта в процессе его работы.Initially, a loose vibration damping material 8 with the lowest specific gravity per 1/3 of the cavity is introduced into the blade. Next, a small amount of epoxy resin with a hardener is introduced into the cavity, and after exposure, this resin forms a septum 11. After that, another vibration damping material 9 is introduced into the cavity, which has a greater density than material 8 by 1/3 of the cavity. Similarly, this material is fixed with an epoxy partition 11. And finally, a third vibration-damping material with maximum density or a non-flowing vibration-damping material such as polyurethane foam or expanded polystyrene is introduced into the blade cavity. Such filling of the cavity ensures the maximum reduction in the vibration activity of the propeller during its operation.

На последнем этапе, уже методом плазменного напыления на внешнею поверхность наносится антикавитационный материал, например, керамический порошковый материал на основе оксида алюминия и диоксида циркония фракцией до 100 мкм. Толщина наносимого материала - 0,25 - 0,3 мм.At the last stage, already by plasma spraying, an anti-cavitation material is applied to the outer surface, for example, a ceramic powder material based on aluminum oxide and zirconium dioxide with a fraction of up to 100 microns. The thickness of the applied material is 0.25 - 0.3 mm.

Проведенные расчеты показывают, если на каждом этапе или в пределах одного этапа для формирования внешних обводов гребного винта и его внутренней структуры использовать различные как металлические, так и неметаллические конструкционные материалы, отличающиеся друг от друга физико-механическими характеристиками и обеспечивающие изменение этих характеристик по различным зонам лопастей и/или ступицы гребного винта это позволит уменьшить вес гребного винта на (15 - 20)%.The calculations show that, at each stage or within one stage, for the formation of the outer contours of the propeller and its internal structure, various metallic and non-metallic structural materials are used that differ from each other in physical and mechanical characteristics and provide a change in these characteristics in different zones blades and / or propeller hub, this will reduce the propeller weight by (15 - 20)%.

В настоящее время появилось много новых технологий формирования изделий сложной формы. Например, технология прямого лазерного выращивания с использованием газопорошковой струи, специальным образом сформированной в пространстве, что позволяет обеспечить пространственную объемную кристаллизацию и получить мелкозернистую структуру материала. Производительность такого метода составляет килограммы конструкции в час. При этом появляется возможность обеспечить непрерывный плавный переход от одного конструкционного материала к другому.Currently, many new technologies have appeared for the formation of products with complex shapes. For example, the technology of direct laser growth using a gas-powder jet specially formed in space, which makes it possible to provide spatial volumetric crystallization and obtain a fine-grained structure of the material. The productivity of this method is kilograms of structure per hour. In this case, it becomes possible to ensure a continuous smooth transition from one structural material to another.

Аналогичная технология может быть применена при изготовлении гребного винта из полимерных композиционных материалов. В этом случае создание конструкции лопастей гребного винта из различных полимерных композиционных материалов позволяет обеспечить такую структуру лопастей, которая даст возможность ей подстраиваться под обтекающий гидродинамический поток в зависимости от скорости плавучего средства.A similar technology can be applied in the manufacture of a propeller from polymer composite materials. In this case, the creation of the design of the propeller blades from various polymer composite materials allows you to provide such a structure of the blades, which will enable it to adapt to the flowing hydrodynamic flow, depending on the speed of the floating vehicle.

Использование предложенного технического решения позволяет изготавливать высокоэффективные гребные винты с высоким весовым совершенством и высокой надежностью работы.The use of the proposed technical solution makes it possible to manufacture highly efficient propellers with high weight perfection and high operational reliability.

Claims

A method of manufacturing a propeller, consisting of a hub and blades, including the stage-by-stage formation of the outer contours of the propeller structure and its internal structure, characterized in that at each stage or within one stage, various as metal are used to form the outer contours of the propeller and its internal structure and non-metallic structural materials that differ from each other in physical and mechanical characteristics and provide a change in these characteristics in different zones of the blades and / or the propeller hub, while the formation of the outer contours of the propeller and its internal structure at each stage or within one stage carried out by an additive method.