Выбор геометрических характеристик, числа винтов и направления их вращения. Для морских транспортных судов обычно КПД винта увеличивается с ростом его диаметра. Это объясняется снижением коэффициента нагрузки при фиксированных значениях упора и скорости движения. Поэтому диаметр винта выбирают максимально возможным из условия его размещения в кормовой оконечности судна. В первом приближении для винта в ДП судна можно принимать D = (0,680,75)Т, для бортового, при двухвальной установке, D = (0,62 0,70) Т, где Т -- осадка судна.

При выборе числа лопастей гребного винта руководствуются соображениями, чтобы лопастная и удвоенная лопастная частоты не совпадали с собственными частотами первых трех тонов колебаний корпуса и основных его конструкций. В этом, случае удается избежать интенсивной вибрации корпуса, вызываемой работой гребного винта. Если информация об указанных частотах отсутствует, для винтов в ДП принимают Z p 4, а для бортовых в зависимости от нагрузки: при K dt >2 (или K nt >1), что соответствует слабонагруженным винтам, берут Z p = 3, для меньших значений этих коэффициентов

Zp = 4. Необоснованное увеличение Zp нерационально по двум причинам: возрастает трудоемкость изготовления винта и несколько снижается его КПД. Последнее обстоятельство имеет место в связи с тем, что для обеспечения равного запаса на кавитацию увеличение числа лопастей влечет за собой и увеличение дискового отношения.

Относительная толщина лопасти в самом широком месте (г = 0,6 - 0,7) не должна превышать предельного значения б mах, до которого КПД еще имеет приемлемое значение. При соблюдении этого условия минимальное дисковое отношение обеспечивающее прочность винт

где d H , D -- диаметр ступицы и винта соответственно, м; бmах =0,080,09; m-коэффициент, учитывающий условия работы винта (m=-1,15 для транспортных судов; m=1,5 для буксиров, m = 1,75 для судов ледового плавания, m = 2,0 для ледоколов); Т -- упор винта, кН; [у] --допускаемые напряжения, для винтов транспортных судов можно принимать [у] =6·10 4 кПа.

Увеличение дискового отношения приводит к падению КПД. Поэтому его выбирают так, чтобы выполнить требования обеспечения прочности (20.1) и отсутствия вредных последствий кавитации (19.24). Как правило, у гребных винтов транспортных судов определяющим является последнее.

Пропульсивный коэффициент винта в ДП обычно больше, чем при бортовом расположении. В связи с этим одновальной установке следует отдать предпочтение перед многовальной. В пользу последней, однако, говорит повышенные живучесть и маневренность, возможность осуществления парциальных режимов.

При выборе количества винтов определяющими могут стать и следующие обстоятельства: наличие подходящих двигателей, возможность их рационального размещения в корпусе, первоначальная стоимость установки и ее эксплуатации.

Что касается морских транспортных судов, то тут превалируют соображения экономического характера, поэтому большинство из них -- одновальные. Исключение составляют крупные быстроходные суда: пассажирские и грузовые лайнеры и др. Необходимая мощность может оказаться слишком велика, чтобы ее можно было получить в одном агрегате либо эффективно переработать одним винтом.

Направление вращения гребного винта не сказывается на его эффективности. Для одновинтовых судов оно определяется устанавливаемым двигателем. Бортовые винты должны вращаться в противоположные стороны во избежание уваливания судна с прямого курса. При этом считается, что во избежание попадания плавающих предметов между корпусом и винтами вращение последних должно быть наружным, т. е. лопасти в верхнем положении должны двигаться от корпуса.

Подбор гребных винтов по диаграммам. Проектирование гребных винтов транспортных судов, как правило, сводится к выбору оптимального винта. При этом он должен обладать необходимой прочностью и удовлетворять условию отсутствия негативных последствий кавитации. В случае, когда требуется обеспечить судну заданную скорость, оптимальность винта означает минимальную мощность механической установки. Если заданы характеристики двигателя, оптимальный винт позволяет судну двигаться с наибольшей скоростью.

Все задачи, связанные с проектированием гребного винта, в том числе и оптимального, эффективно могут решаться с помощью диаграмм для расчета гребных винтов. Исходной информацией при этом являются известные геометрические элементы гребного винта: D max , Z p , A e /A q и характеристики взаимодействия W T , t, i Q . Практически все многообразие заданий на проектирование гребных винтов можно свести к четырем основным типам, для каждого из которых используется своя расчетная схема.

Схема I. Заданы: скорость судна и; расчетное сопротивление R, диаметр винта D. Оптимальный гребной винт находится с помощью коэффициента задания K dt (см. (18.8)), вычисляемого с учетом того, что винт работает за корпусом судна:

На диаграмме, соответствующей элементам задания А е /А 0 , Z p на линии K bt opt находят точку, отвечающую рассчитанному значению (20.2) этого коэффициента, снимают величины P/D, J, Кт, з 0 . Искомые значения оптимальной частоты вращения двигателя и его мощности P S находятся по очевидным формулам:

где з D =з н з 0 -- пропульсивный коэффициент; з s - КПД передачи мощности.

Потери энергии в валопроводе зависят от его длины (МО в середине, в корме, промежуточное положение) и составляют (1-3) %. Соответственно при прямой передаче мощности: двигатель--вал--движитель з s - 0,99 - 0,97. Наличие дополнительного звена -- механического редуктора либо гидромуфты -- увеличивает потери мощности, при этом з s= 0,940,96. Еще меньшие значения КПД имеют место при электрической (дизель-генератор--электродвигатель--вал--винт) передаче мощности: з s = 0,880,90.

Использование коэффициента K dt фактически означает задание коэффициента нагрузки, а вместе с ним и предела коэффициента полезного действия з 0 , что ограничивает возможности оптимизации винта. Поэтому часто ту же задачу решают с помощью коэффициента задания K nt .

Схема 2. Исходные величины те же, что и в схеме 1. Задавая ряд значений частоты вращения винта п, для каждой из них с учетом взаимодействия винта и корпуса определяют

находят на линии K nt opt диаграммы соответствующую точку, снимают относительную поступь J, а затем ее корректируют:

Указанная корректировка необходима для учета влияния корпуса: в связи с тем, что t(J) максимумы функций з 0 (J) и з D (J) не совпадают, т. е. диаметр оптимального винта в свободной воде и за корпусом не одинаковы. Корректировка поступи фактически означает корректировку оптимального диаметра.

Для гребных винтов в ДП б =1,05, для бортовых винтов, где влияние корпуса слабее, б=1,03. Последовательность дальнейших расчетов: J" Dopt Кт P/D з 0 P s ; их удобнее выполнять в табличной форме.

По результатам расчетов строят графические зависимости Ps(n) и Dopt(n), а затем выбирают гребной винт, обеспечивающий P s min. Очевидно, что практический интерес представляют только те варианты, при которых Dopt < Dmax. Для винтов транспортных судов обычно искомый вариант P S min соответствует максимальной величине диаметра.

Пример реализации указанной схемы расчета оптимального гребного винта -- см. в таблицу 22.2. Схема 3. Заданы R, v, D и n. Находят значения К т и J (с учетом взаимодействия), которые однозначно определяют координаты точки, соответствующей искомому винту. С диаграммы снимаются величины P/D, з 0 затем рассчитывают мощность механической установки P s .

Рассматриваемая схема исключает любые вариации, полученный гребной винт не является оптимальным.

В приведенных выше схемах заданы характеристики корпуса -- скорость и сопротивление, а искомой является мощность двигателя. Для решения таких задач и предназначены корпусные диаграммы.

В том случае, когда задаются характеристики двигателя, логичнее было бы использовать машинные диаграммы. Однако и эти задачи могут столь же эффективно решаться с помощью корпусных диаграмм.

Схема 4. Исходные данные: зависимость сопротивления судна от скорости R(v) и характеристики главной механической установки Ps, n.

В районе предполагаемой скорости задаются несколькими ее значениями и для каждого из них рассчитывают коэффициент задания Кот. Дальнейший расчет идентичен таковому в схеме 2. Построив по его данным зависимости Ps (v), D(v) и P/D = f(v), находят искомые характеристики винта в точке, где мощность равна заданной P s (v) =Р s зад. В этом варианте предполагается, что диаметр винта не ограничен. В наиболее интересном с практической точки зрения случае диаметр винта всегда имеет верхний предел D max . Тогда для скоростей, при которых Dopt Dmax, расчет ведется по схеме 2, а при Dopt > Dmax -- по схеме 3. В последнем случае принимают D = D max и выбранный винт, строго говоря, уже не будет оптимальным.

Пример такого расчета -- см. в таблице 22.3, в первых четырех столбцах которой Dopt < Dmax и принимается D = Dopt, а в пятом Dopt > Dmax, в связи с чем принято D=Dmax. В последнем случае КПД винта мало отличается от з 0max , поскольку невелики и различия в Dopt и Dmax. Однако, если ограничение диаметра винта при заданных характеристиках двигателя (P s , n) приводит к существенному снижению пропульсивного коэффициента, то решается вопрос о редукции частоты вращения. Такая ситуация возможна, когда по каким-либо причинам не удается подобрать подходящий двигатель. В этом случае расчет винта можно вести по схеме I для нескольких скоростей движения.

Обычно проектирование гребного винта выполняется в несколько этапов. На первом определяются основные геометрические параметры (D, A E /A 0 , Z p) и коэффициенты взаимодействия винтаи корпуса (Wt, t, i q). Далее рассчитывают гребной винт, обеспечивающий заданному судну заданную скорость (схемы 1 или 2) и находят необходимые для этого характеристики (P s , n) главной механической установки. Затем выбирают двигатель, мощность и частота вращения которого в наибольшей степени отвечают требуемым. На заключительном этапе рассчитывают гребной винт, обеспечивающий проектируемому судну с выбранным двигателем максимальную достижимую скорость.

Для подбора двигателя можно пользоваться каталогами отечественных и зарубежных фирм, а также таблица 20.1, где приведены основные характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей, выпускаемых консорциумом «МАН-Бурмейстер и Вайн». ДВС этой фирмы широко применяют на отечественных судах.

Расчет гребного винта с использованием вихревой теории. Проектирование гребных винтов с помощью диаграмм имеет и недостатки: выбирается оптимальный винт в пределах рассматриваемой серии, не учитывается неравномерность поля скоростей за корпусом судна. В связи с первым обстоятельством не гарантировано получение максимально возможного КПД, второе может привести к повышенной виброактивности гребного винта и его неудовлетворительным кави-тационным качествам. Последнее особенно важно для винтов быстроходных судов. Указанных недостатков можно избежать, используя вихревую теорию гребного винта. В ее основе -- вихревая теория крыла, в которой воздействие крыла на окружающую жидкость заменяется воздействием эквивалентного вихря. Из курса гидромеханики известно, что крыло бесконечного размаха с неизменной хордой может быть заменено присоединенным вихрем, имеющим такую же циркуляцию. Крыло конечного размаха заменяется П-образным вихрем постоянной циркуляции, состоящим, из присоединенного (в пределах крыла) вихря и двух свободных, распространяющихся в бесконечность по направлению скорости набегающего потока. Если хорда не постоянна по размаху крыла, оно заменяется присоединенным вихрем переменной циркуляции, а сбегающие с каждой его точки свободные вихри образуют вихревую пелену. И, наконец, крыло можно заменить системой присоединенных вихрей переменной циркуляции. Последняя схема в наибольшей степени подходит для широких крыльев сложной формы.

Указанные операции преследуют одну цель -- с помощью теоремы Био-Савара определить вызванные свободными вихрями скорости в любой точке потока. Эти скорости направлены по нормали к скорости набегающего потока. Они приводят к уменьшению угла атаки -- скосу потока, что влечет за собой снижение подъемной силы крыла и увеличение его сопротивления. Таким образом, задача определения сил, действующих на крыло конечного размаха, практически сводится к нахождению вызванных свободными вихрями скоростей. Лопасти те же крылья малого удлинения, следовательно, вихревая теория может с успехом применяться и для расчета гребного винта. Впервые эта идея была высказана в начале нашего века Н. Е. Жуковским, который считается родоначальником вихревой теории гребного винта. С ее помощью решаются обе задачи: прямая -- поверочный и обратная -- проектировочный расчет гребного винта. В обоих случаях учитываются индивидуальные особенности поля скоростей за корпусом судна.

Таблица 20.1 Характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей (МОД)

Марка дизеля	Частота вращения n, об/мин	Агрегатная мощность Р тыс. кВт, при числе цилиндров

Примечания: 1. Двигатели типа ДКРН -- двухтактные крейцкопфные, с газотурбонаддувом, цифры за буквенным обозначением означают диаметр цилиндра и ход поршня, см.

2. В таблице приведены номинальные значения мощности Р зи и частоты вращения п н.
3. Пример записи характеристик 12-цилиндрового двигателя: 12 ДКРН 90/292, P SH =34 900 кВт, п н =58 об/мин.

Условие оптимальности винта при его проектировочном расчете-- достижение наивысшего пропульсивного коэффициента при выполнении требований задания и отсутствии вредных последствий кавитации. Другими словами, проектируется гребной винт, приспособленный к заданному попутному потоку. В результате такого расчета получают геометрические характеристики гребного винта -- распределение относительной кривизны профиля лопасти и шагового отношения по радиусу: и

Результатом поверочного расчета является распределение нагрузки по радиусу винта заданной геометрии в функции от его режима работы, относительной поступи:

В свою очередь эти зависимости позволяют найти силы, действующие на отдельные лопасти:

и на винт в целом:

Выражение (20.6) учитывает, что в общем случае при работе в неравномерном поле скоростей упоры и моменты, создаваемые отдельными лопастями, не одинаковы.

Рассчитав упор и момент для различных фиксированных значений относительной поступи винта, можно получить его ГДХ в свободной воде.

Поверочный расчет гребного винта широко используется при анализе его прочности, проверке на кавитацию, при изучении периодических усилий, возникающих на лопастях в неравномерном поле скоростей.

Ледовые гребные винты и их особенности. К гребным винтам ледоколов и судов активного ледового плавания предъявляются следующие специфические требования: высокая прочность, обеспечивающая работу в ледовых условиях, достаточная эффективность при движении передним и задним ходом с малыми скоростями, т. е. на режимах, близких к швартовному. Желательно, чтобы винты имели съемные лопасти, замена которых в случае поломки могла осуществляться судовыми средствами. В отечественной практике широкое применение находят ледовые гребные винты, разработанные М. А. Игнатьевым. Эти винты имеют четыре лопасти -- поломка одной изкрупные льдины. Контур спрямленной поверхности имеет симметричную форму, профиль сечения лопасти двояковыпуклый, обеспечивающий прочность и достаточную эффективность на заднем ходу. Увеличенный диаметр ступицы dн = 0,28 позволяет устанавливать съемные лопасти. На основании испытания серии моделей М. А. Игнатьевым были созданы расчетные диаграммы для проектирования гребных винтов ледоколов (Z p = 4; А е /А 0 =0,5; P/D = 0,41,2), которые можно найти в специальной литературе.

При проектировании гребных винтов ледоколов их элементы выбирают таким образом, чтобы в расчетном режиме можно было обеспечить максимальный упор на единицу мощности главной механической установки. В качестве расчетного обычно принимают режим движения в тяжелых либо предельных льдах с малой скоростью.

При заданных мощности двигателя и диаметре гребного винта максимальный удельный упор достигается при условии

Тогда выбор ледового винта сводится к построению по данным диаграммы зависимости q = f(P/D) при расчетном значении относительной поступи. Максимум этой функции будет соответствовать оптимальному с указанных позиций шаговому отношению. Для ледовых винтов расчетная поступь лежит в пределах J = 00,2, оптимальное шаговое отношение при этом составляет P/D = 0,700,80.

Диаметр винта ледокола выбирают максимально возможным, при этом максимален должен быть и удельный упор. Однако практика позволила выработать рекомендации: чтобы уменьшить вероятность взаимодействия гребного винта с плавающими на поверхности воды крупными льдинами, его ось должна быть достаточно заглублена, что возможно при условии, когда диаметр не превышает (55--60) % осадки.

Большая подводимая к ледовому винту мощность, повышенная толщина лопасти, малые значения относительной поступи на рабочих режимах -- все это способствует возникновению кавитации. Основной способ ее отделения -- увеличение дискового отношения.

При работе во льдах существенно изменяются ГДХ гребного винта: упор падает, момент возрастает, заметно снижается КПД. Достоверная оценка этих изменений -- одна из проблем, возникающих при расчете ледовых гребных винтов. Проектирование осложняет и то обстоятельство, что практически не существует систематических данных о взаимодействии гребного винта и корпуса в водно-ледяном потоке.

Гребные винты для судов активного ледового плавания занимают промежуточное положение между винтами транспортных судов и ледоколов.

Сегодня на ледоколах в основном используются винты фиксированного шага (ВФШ). Лучшим приводом в этом случае является гребной электродвигатель, обеспечивающий значительное повышение момента на валу при взаимодействии винта со льдом и тем самым снижающий вероятность заклинки винта. Кроме того, электродвигатель уменьшает время реверса, повышает маневренность судна. Поэтому, даже несмотря на довольно высокие потери мощности в передаче, электродвижение находит широкое распространение на ледоколах и судах активного ледового плавания.

В последнее время наблюдается тенденция использования на этих судах ВРШ, в том числе и в насадках. Применение таких винтов в сочетании с двигателем внутреннего сгорания или турбиной снизит потери энергии в передаче. Насадка обеспечивает повышение упора на швартовах, управление лопастями-- достаточную маневренность. Однако подобная пропульсивная установка имеет и ряд существенных недостатков: обломки льда, попадая в насадку, приводят к резкому усилению вибрации кормовой оконечности; начальная стоимость, эксплуатация и ремонт в случае поломки ВРШ существенно выше, чем у ВФШ,

Прочность гребных винтов. Лопасть представляет собой винтообразной формы оболочку, имеющую переменную вдоль радиуса ширину, толщину и кривизну. Ее можно рассматривать как консольную балку, жестко заделанную в корневом сечении. Под действием внешних нагрузок: упора, сопротивления вращению, центробежных сил -- лопасть подвергается кручению, изгибу, растяжению, т. е. испытывает сложное напряженное состояние. них представляет не слишком большую опасность, а в межлопастное пространство не могут попасть

Расчет прочности лопасти, как обычно, включает три задачи: определение внешних сил и внутренних напряжений, назначение обоснованного запаса прочности.

Внешние силы обычно разделяют на две категории: стационарные и периодические, возникающие в основном вследствие неравномерности поля скоростей.

На сегодняшний день проблему определения внешних сил можно считать практически решенной. Для гребного винта заданной геометрии, работающего в заданном поле скоростей, поверочный расчет позволяет определить как средние, так и амплитудные значениях всех перечисленных выше видов нагрузок, действующих на лопасть.

Несколько сложнее обстоит дело с определением сил внутренних, однако для винтов с не слишком большим дисковым отношением существуют достаточно надежные способы расчета этих напряжений.

Расчеты, выполненные для гребных винтов транспортных судов, показыва...

В заключение отметим, что точное определение напряжений в лопастях в различных условиях эксплуатации (реверс, движение на волнении и др.) пока еще не всегда возможно. Это компенсируется значительными запасами прочности, вводимыми при назначении допускаемых напряжений.

На предварительных стадиях расчета винта для оценки его прочности можно использовать выражение (20.1).

Тюменский муниципальный район

Школьный этап Всероссийской олимпиады школьников по физической культуре

2016 -2017 учебный год

9-11 классов

Время выполнения - 45 минут, максимальное количество баллов -53.

ТЕОРЕТИКО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ТУР

Инструкция по выполнению заданий

Вам предлагаются задания, соответствующие требованиям к уровню знаний учащихся общеобразовательных школ по предмету «Физическая культура».

1 . Задания в закрытой форме , то есть с предложенными вариантами ответов.

При выполнении этих заданий необходимо выбрать один из предложенных вариантов. Среди них содержатся как правильные, так и неправильные завершения, а также частично соответствующие смыслу утверждения. Правильным является только одно - то, которое наиболее полно соответствует смыслу утверждения. Выбранные варианты отмечаются, зачёркиванием соответствующего квадрата в бланке ответов: «а», «б», «в» или «г». Внимательно читайте задания и предлагаемые варианты ответов. Старайтесь не угадывать, а логически обосновывать сделанный Вами выбор. Пропускайте незнакомые задания. Это позволит сэкономить время для выполнения других заданий. Впоследствии Вы сможете вернуться к пропущенному заданию. Правильно выполненные задания этой группы оцениваются в 1 балл .

Задания в открытой форме , то есть без предложенных вариантов ответов. При выполнении этих заданий необходимо самостоятельно подобрать определение, которое, завершая высказывание, образует истинное утверждение. Подобранное определение вписывайте в соответствующую графу бланка ответов. Правильно выполненные задания этой группы оцениваются в 2 балла .

3.Задания, связанные с сопоставлением , в которых необходимо сопоставить буквы с цифрами. Выбранные варианты отмечаются добавлением цифр в соответствующее поле бланков ответов. Правильно выполненные задания этой группы оцениваются в 4 балла .

4.Задание, связанное с перечислением известных Вам факторов, характеристик и тому подобное. Жюри оценивает каждую представленную позицию. Записи должны быть разборчивыми. Правильно выполненные задания этой группы оцениваются в 3 балла .

5.Задание, связанное с графическим изображением рядом с описанием элемента изобразить соответствующую пиктограмму. Правильно выполненные задания этой группы оцениваются в 3 балла .

Внимательно читайте задания и предлагаемые варианты ответов. Старайтесь не угадывать, а логически обосновывать сделанный Вами выбор. Пропускайте незнакомые задания вместо их выполнения путем догадки. Это позволит сэкономить время для выполнения других заданий. Впоследствии можно вернуться к пропущенному заданию.

Будьте внимательны, делая записи в бланке ответов. Исправления и подчистки оцениваются как неправильный ответ. Заполните шифр: разборчиво

Желаем успеха!

Контрольные вопросы по инструкции к заданию:

Инструкция к тесту мне…

а. Понятна.

б. Понятна отчасти.

в. Понятна не полностью.

г. Не понятна.

Вы хотели бы задать вопросы для уточнения задания?

а. Да. б. Нет. в . Не знаю. г. Да, но стесняюсь.

Теоретико-методические задания школьного этапа Всероссийской олимпиады по физической культуре

для 9-11 классов

Задания в закрытой форме

Источником знаний в процессе физического воспитания является…

А. информация, получаемая от преподавателя.

Б. сама двигательная деятельность.

В. компьютерная игра.

Г. изучение учебников.

Отметьте все позиции.

Реализация основных принципов государственной политики в области физической культуры и спорта дает возможность осуществлять физическую подготовку человека…

А. через систему образовательных учреждений.

Б. через физкультурно-спортивные клубы.

В. непрерывно в течении жизни.

Г. самостоятельно.

3 . В раннем детском возраста, когда происходит формирование физического здоровья и практических навыков, обеспечивающих его совершенствование, физическое воспитание осуществляется в форме…

А. закаливающих процедур.

Б. обязательных занятий.

В. секционных занятий.

Г. прогулок.

Отметьте все позиции.

В период обучения в общеобразовательной школе физическое воспитание осуществляется в форме….

А. обязательных уроков физической культуры.

Б. внеклассных занятий.

В. занятий в системе дополнительного образования.

Г. прогулок и дискотек.

Отметьте все позиции.

Какими рекомендациями не следует руководствоваться при организации самостоятельных занятий физическим упражнениями…

А. использовать предварительно освоенные упражнения.

Б. стремиться к достижению сдвигов в короткие сроки.

В. регулировать величину нагрузки в соответствии с реакциями организма.

Г. выполнять только те упражнения, которые стимулируют рост результатов.

Отметьте все позиции.

В каких видах спорта из приведенного перечня соревновались женщины во время первых зимних олимпийских игр…

А. лыжные гонки.

Б. конькобежный спорт.

В. фигурное катание.

Г. биатлон.

В волейболе в заявку на матч можно включить не более…

А. 9 игроков (+ либеро).

Б. 10 игроков.

В. 12 игроков.

Г. 14 игроков.

В качестве праздника Всесоюзный день физкультурника был введен…

В современный Всероссийский физкультурно-спортивный комплекс « Готов к труду и обороне» включены:

А. 5 ступеней.

Б. 7 ступеней.

В. 9 ступеней.

Г. 11 ступеней.

Кто из советских футболистов был признан лучшим футболистом Европы?

А. Лев Яшин.

Б. Эдуард Стрельцов.

В. Игорь Нетто.

Г. Олег Блохин.

Задания в открытой форме

11 . Сила, с которой тело действует на опору, препятствующую его свободному падению, обозначается как…

Движитель гребного судна, обеспечивающий передачу усилий, развиваемых гребцом, для продвижения лодки, обеспечивается как…

13 . Основное рабочее движение, обеспечивающее продвижение пловца в воде, обозначается как…

14 . Вид основного скользящего шага, оставляющего характерный рисунок на льду, применяемый фигуристами для набора скорости или перехода от одного элемента к другому, называется…

Закрытая механическая травма мягких тканей с нарушением их анатомической целостности в результате действия сил, превышающих предел эластичности этих тканей, обозначается как…

16 . Функциональные изменения в организме, обусловленные выполнением упражнений, обозначаются как тренировочный …

Задания связанные с сопоставлением

17.Сопоставьте способы организации занимающихся, обозначенные цифрами с их основными характеристиками, обозначенными буквами, вписав в бланк ответов соответствующие цифры.

Фронтальный.
Групповой.
Индивидуальный

А. Последовательное выполнение занимающимися серий заданий на специально подготовленных местах.

Б. Одновременное выполнение несколькими занимающимися разных заданий.

В. Занимающиеся выполняют задания самостоятельно.

Г. Выполнение занимающимися одного задания, независимо от форм построения.

18.Сопоставьте имена и фамилии, представленные в списке ученых с их вкладом в совершенствование физического воспитания, обозначенном буквами, вписав в бланк ответов соответствующие цифры.

Витторино де Фельтре
Леонардо да Винчи.
Франсуа Рабле.
Ян Амос Каменский.

А. Изучил пропорции тела человека и механику его движений.

Б. Высказал ряд ценных мыслей по методике применения физических упражнений.

В. Содействовал распространению идей физического воспитания.

Г. Представил взаимосвязь умственного, нравственного и физического воспитания.

Установите соответствие между физическими способностями и их определениями,обозначенными буквами, вписав в бланк ответов соответствующие цифры.
« Взрывная сила».
« Амортизационная сила»
Общая выносливость.
Силовая выносливость.

А. способность длительно выполнять работу умеренной интенсивности с использованием всего мышечного аппарата.

Б. Способность как можно быстрее закончить движение при его осуществлении с максимальной скоростью.

В. Возможности индивида, определяющие его готовность к оптимальному управлению и регулировке двигательного действия.

Г. Способность противостоять утомлению в мышечной работе, требующей значительных силовых напряжений.

Д. Способность человека удержать максимальную и субмаксимальную интенсивность работы.

Е. способность по ходу выполнения двигательного действия достигать максимальных показателей силы в возможно короткое время.

Сопоставьте направленность основных разновидностей физической культуры и спорта с их принятыми обозначениями,обозначенными буквами, вписав в бланк ответов соответствующие цифры
Обеспечение физической подготовленности человека.
Достижение индивидуального максимума развития.
Подготовка к профессиональной деятельности.
Сохранение и восстановление здоровья.

Основные понятия:

А. Базовая физическая культура

В. Лечебная физическая культура

Г. Профессионально прикладная физическая культура

Задания, связанные с перечислением

Перечислите известные Вам показатели тренировочной нагрузки, характеризующие её с «внешней стороны».

Перечислите разновидности силовых способностей спортсмена.

23 . Перечислите факторы, обуславливающие воздействие физических упражнений.

Задания, связанные с графическим изображением

24 . Изобразите графически:

А. Стойка, руки на пояс.

Б. Стойка ноги врозь, руки в стороны.

В. Стойка на коленях.

Г. Стойка на лопатках

25. Изобразите графически:

Б. Присед, руки на пояс.

В. Сед углом, ноги врозь.

Г. Упор лежа сзади прогнувшись.

При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна, можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна. Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим результирующую сил трения - сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая -волновое сопротивление RB зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВ.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:

R = RТР + RB + RФ+ RВ.Ч. + RВОЗ (1)

Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:

R = C × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ), (2)

где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
SВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:

C = CТР + CB + CФ+ CВ.Ч. + CВОЗ или C = CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ

где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:
R = (CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ) × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ) (3).

Движущая сила Pe создается и поддерживается судовыми движителями, преобразующими механическую энергию поступательного движения судна.

В процессе работы движитель воздействует на окружающий судно поток, а корпус судна изменяет поток в районе расположения движителя.

Полезная мощность, которую развивает движитель: N=Pvp

Поторебляемая движителем мощность Np=Mw

(М-момент, передаваемый движителю от двигателя, w-угловая скорость вращения гребного винта)

Судовые движители по принципу действия являются гидравлическими или гидрореактивными. В последнее время применяются воздушные движители (суда на воздушной подушке оборудуют воздушными винтами).

Действие основано на отбрасывании в сторону, обратную направлению движения судна, масс окуржающей среды: воды или воздуха. Это осуществляется засчет сообщения массам, перерабатываемым рабочими элементами движителяколичества движения. Реакция отброшенных масс воспринимается деталями движителя. Ее составляющая в направлении движения судна ности назвоние упора движителя. Силы, возникающие на элементах движителей, могут создаваться как за счет сил сопротивления при движении движителя в окружающей среде, так и за счет подъемной силы- по природе аналогичной подъемной силе несущего крыла.

Гребные винты применяются на судах различного типа и назначения, они отличаются простотой конструкции, удовлетворительной эксплуатационной надежностью и относительно высоким КПД. Разновидностями гребного винта являются винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения,гребные винтытандем.

Крыльчатый движитель обладает специфическими свойствами.

Водометные движители

Существуют другие типы движителей, среди которых можно отметить газоводометные и роторные.

Судовыми движителями называются специальные устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к. они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную движению судна. В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и водометный движители. Гребной винт служит основным типом движителя
для морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш). Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта называется расстояние, на которое переместится точка винта за один полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме движения судна. Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей), обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному - наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом: возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что усложняет их крепление.

К основным геометрическим элементам и характеристикам, определяющим действие гребного лодочного винта, относятся:
1. Диамерт винта D=2R, представляющий собой диаметр окружности, описываемой самой удаленной от оси винта точкой лопаси. Диаметр лодочного винта определяется площадью гидравлического , или рабочего , сечения движителя.
2. Радиус лодочного винта R=0,5D - расстояние от оси гребного винта до наиболее удаленной точнки, называемой краем лопасти.
3. Геометрический , или конструктивный , шаг винта - H, характеризующий возможное перемещение винта за один оборот при движении бе скольжения. Конструктивный шаг винта определяется шагом винтовых линий, образующих нагнетательную (кормовую) поверхность лопасти гребного лодочного винта, и находится по формуле: H=2πrtgѵ,

где r - радиус рассматриваемого сечения лопасти; tgѵ - тангенс шагового угла на радиусе r.
Различают лодочные винты постоянного шага H = const и переменного H = ϝ(r), у которых шаг вдоль радиуса лопасти изменяется по какому-либо закону.
4. Конструктивное шаговоре отношение H/D - отношение конструктивного шага винта к его диаметру.
5. Дисковое отношение Θ, представляющее отношение суммарной площади всех z лопастей к площади диска, ометаемого винтом, Θ=A/Ad=(2zbcp(D-dc))/(πDD),

6. Приведенный , или относительный , радиус лопасти, представляющий собой отношение радиуса ента давления лопасти R0 к наибольшему радиусу гребного винта R. Обычно принимается, что центр давления, характеризующий точку приложения к лопасти равнодействующей всех сил, совпадает с центром тяжести спрямленной поверхности лопасти.
7. Профиль сечения лопасти , под которым понимается спрямленный на плоскость след сечения лопасти лодочного винта соосным с ним круговым цилиндром на заданном радиусе.

Для характеристики режима работы гребного винта в целом используют понятие поступи. Линейной поступью hp винта называется путь, проходимый винтом в осевом направлении за время одного оборота=vp/hp

Отношение линейной поступи к диаметру винта называется относительной поступью или просто поступью винта. λp=hp /D=Vp/nD

Шаг винта- расстояние, которое проходит винт за один оборот в твоердом теле.

Безразмерные гидродинамические характеристики гребного винта, представленные в виде кривых в функции от относительной поступи, называются кривыми действия. С их помощью можно определить упор, момент, КПД винта при различных режимах работы.

На графике изображается также λ1=H1/D- шаговое отношение нулевого упора или гидродинамическое шаговое отношение.

λ2=H2/D- шаговое отношение нулевого момента.

При λp ›λ2, k2‹ 0, винт работает в режиме турбины, создавая вращающий момент за счет энергии потока.

В диапозоне изменения относительной поступи λ1 ‹ λp‹ λ2 винт не может быть использован ни как движитель, ни как турбина. Рабочей областью гребного винта, как судового движителя является диапозон относительных поступей 0 ‹ λp ‹ λ1, где P› 0

В каждом конкретном случае на расчетных режимах гребной винт должен работать в диапозоне относительных поступей, соответствующих высоким значениям КПД, что обеспечивается надлежащим выбором геометрических характеристик гребных винтов.

Одна из наиболее важных целей модельных гидродинамических испытаний винтов- получить систематизированные экспериментальныематериалы, необходимые для проектирования гребных винтов. Эти материалы получают в результате испытаний определенных серий винтов. При разработке серий моделей стремятся получить систематическое изменение их важнейших конструктивных элементов, существенно влияющихна гидродинамические характеристики винта.

Такими элементами являются: шаговое отношение H/D, дисковое отношение A/Ad, число лопастей Z, относительная толщина лопасти Ω, форма сечений лопасти, ее контур.

Материалы испыьаний представляются на диаграммах, содержащих кривые действия винтов серии, отличющихся только шаговым отношением. На диаграмме изображаются кривые коэффициента упора К1 и КПД в функции относительно поступи.

Каждая серия винтов, отличающихся шаговым отношением, представляется двумя диаграммами: диаграммой, посторенной в осях k1-λp и диаграммой, построенной в осях k2- λp.

Первую диаграмму называют корпусной, она используется, когда исходными для расчета гребного винта служит буксировочное сопротивление корпуса судна, а мощность энергетической установки, необходимая для обеспечения указанной в техническом задании на проектировании скорости судна. Диаграмму, построенную в осях k2- λp, называют машинной. Эта диаграмма используется, когда мощность энергетической установки проектируемого судна задана, а достежимая скорость является искомой величиной.

Простейшей формой задания на проектирование винта, позволяющей однозначно определить геометрические элементы винта в пределах заданной серии, является случай, когда указаны частота вращения n, диаметр винта D, скорость поступательного движения винта Vp, а также требуемый упор или располагаемая мощность на винте Np. Ная эти величины, можно вычислить относительную поступь λp и коэффициент упора k2, определяющие на поле диаграмм единственную точку, которая однозначно определяет шаговое отношение и КПД винта.

Изобретение относится к судостроению, в частности к приводной системе гребного винта, а также к способу обеспечения движения судна и управления им по курсу. Система содержит азимутальную силовую установку (6) и приводные средства для разворота азимутальной силовой установки (6) с целью управления судном по курсу. Приводные средства содержат электродвигатель (20) для разворота указанной азимутальной силовой установки (6) через механическую силовую передачу (40), связанную с указанным электродвигателем. Источник питания (30) обеспечивает подачу на указанный электродвигатель (20) электрической энергии. Модуль (34) управления осуществляет управление работой электродвигателя (20) посредством управления указанным источником питания (30). Система включает в себя также датчик (16) для определения углового положения указанной азимутальной силовой установки (6). Модуль (34) управления выполнен с возможностью совместной обработки команды рулевого управления, поступающей от устройства (38) рулевого управления, и позиционной информации об угловом положении, поступающей от указанного датчика (16), и с возможностью управления работой указанного электродвигателя (20) на основе результатов указанной обработки. Изобретение направлено на упрощение конструкции приводной системы, повышение ее экономичности и безопасности. 2 н. и 10 з.п.ф-лы, 5 ил.

Область техники, к которой относится изобретениеНастоящее изобретение относится к приводной системе гребного винта надводного судна и в особенности к системе, которая включает в себя силовую установку, выполненную с возможностью разворота относительно корпуса судна. Изобретение относится также к способу обеспечения движения судна и управления им по курсу.Уровень техникиВ большинстве случаев корабли, или суда (включая пассажирские суда и паромы, грузовые суда, лихтеры, нефтеналивные танкеры, ледоколы, суда прибрежного плавания, военные корабли и т.д.), приводятся в движение посредством полезной тяги, создаваемой вращающимся гребным винтом или несколькими винтами. Управление судами по курсу обычно осуществляется посредством отдельного рулевого устройства.Традиционно приводы гребного винта, т.е. установки для обеспечения его вращения, включали размещенный внутри судового корпуса судовой двигатель (дизельную, газовую или электрическую силовую энергетическую установку). С двигателем связан гребной вал, проходящий через дейдвудное устройство, обеспечивающее уплотнение гребного винта в месте выхода из корпуса. Сам гребной винт находится на противоположном конце гребного вала, т.е. на конце, удаленном от корпуса. Гребной вал может быть связан с судовым двигателем либо непосредственно, либо через зубчатую передачу (редуктор). Подобная схема используется на большинстве надводных судов для того, чтобы развить тягу, необходимую для движения судна.Недавно начали появляться суда с гребными валами, в которых двигатель (обычно электрический), обеспечивающий выработку необходимой мощности для гребного винта, вместе с необходимыми передачами находится вне корпуса судна внутри специальной камеры или силовой гондолы, выполненной с возможностью вращения относительно корпуса. Подобный узел может быть развернут относительно корпуса, и это означает, что он может быть использован вместо отдельного рулевого устройства также для руления судном (управления по курсу). Более конкретно, силовая гондола, содержащая двигатель, устанавливается на специальном трубчатом или каком-либо ином валу с возможностью разворота относительно корпуса судна; при этом данный вал проходит сквозь днище корпуса. Более подробно подобная судовая установка описана в патенте Финляндии №76977, принадлежащем заявителю данной заявки. Подобные установки получили название азимутальных силовых установок, причем заявитель данной заявки выпускает азимутальные установки этого типа под торговым наименованием AZIPOD.Было обнаружено, что, помимо выгод, обусловленных отказом от длинного гребного вала и отдельного рулевого устройства, оборудование описанного типа дает также фундаментальное преимущество в отношении управляемости судном по курсу. Оказалось также, что достигается и экономия энергии. Применение азимутальных судовых установок на различных надводных судах в последние годы стало обычным и предполагается, что рост их популярности продолжится.В соответствии с известными решениями устройства разворота азимутальных судовых установок обычно выполнялись таким образом, что зубчатое кольцо баллера руля или какая-либо другая кромка баллера прикреплялась к трубчатому валу, который образует ось разворота установки. Баллер разворачивается с помощью гидродвигателей, специально приспособленных для взаимодействия с баллером. Движение разворота баллера может быть остановлено в заданном положении, когда с помощью упомянутых гидродвигателей не производится выполнение никаких команд рулевого управления. По этой причине в гидравлической системе всегда поддерживается рабочее давление, даже когда судно движется по прямой.В соответствии с одним известным решением используются четыре гидродвигателя, которые установлены с возможностью взаимодействия с поворотным ободом. Приводная система, которая обеспечивает гидравлическое давление, необходимое для работы гидродвигателей, содержит также гидравлический насос и электродвигатель, приводящий его во вращение. Чтобы повысить эксплуатационную надежность вращающихся зубчатых колес, гидродвигатели могут быть сгруппированы в двух отдельных гидравлических контурах, в каждом из которых используются собственные компоненты, обеспечивающие создание гидравлического давления.Применение гидравлической системы было обусловлено, в частности, тем, что гидравлика позволяет получить довольно высокий вращательный момент при относительно низкой скорости вращения, необходимый для разворота азимутальной силовой установки. Кроме того, при использовании гидравлики управление судном по курсу путем разворота силовой установки может быть осуществлено довольно просто и достаточно точно с помощью традиционных клапанных распределителей и других соответствующих компонентов гидравлики. Как уже было упомянуто, одно из преимуществ, достигаемых в случае применения гидравлики, заключается в возможности быстро и точно остановить движение разворота силовой установки в заданном положении. При этом установка может удерживаться в таком положении, что рассматривается в качестве важного условия управления судном по курсу.Однако было обнаружено, что с известной гидравлической системой, которая сама по себе может считаться эффективной и надежной, связан целый ряд проблем и недостатков. Для того чтобы реализовать известную систему разворота, суда должны оснащаться специальной, дорогой и сложной системой гидравлики, включающей в себя большое количество различных компонентов, хотя вращение самого гребного винта обеспечивается с помощью электродвигателя. Это, помимо прочего, означает потерю части выигрыша, обусловленного более эффективным использованием внутреннего объема судна, достигаемого в случае внешней азимутальной силовой установки. Кроме того, гидравлические системы требуют регулярного и довольно частого обслуживания и проверки, что ведет к повышению эксплуатационных затрат и может даже привести к снятию судна с эксплуатации на срок проведения мероприятий по его обслуживанию. Еще один недостаток гидравлических систем состоит в том, что для них характерна тенденция к утечкам масла или другой гидравлической жидкости, особенно из различных шлангов, стыков и зон уплотнений. Помимо дополнительных издержек, обусловленных утечками и, следовательно, дополнительным расходом гидравлической жидкости, это создает также проблемы охраны и очистки окружающей среды. Кроме того, утечки могут приводить к серьезным проблемам безопасности, поскольку поверхности, смоченные гидравлической жидкостью, становятся скользкими и вследствие этого опасными, кроме того, утечки гидравлической жидкости могут повышать пожароопасность. Внутреннее давление в гидравлической системе является довольно высоким, так что утечка в шланге может привести к возникновению тонкой струи масла под высоким давлением, которая может нанести серьезные повреждения обслуживающему персоналу. В процессе своего функционирования гидравлическая система может создавать значительные шумы, что, помимо прочего, ухудшает условия работы обслуживающего персонала. Этот шум является непрерывным, поскольку система должна быть в рабочем состоянии все то время, пока судно находится в движении. Далее, при использовании гидравлической системы движение разворота силовой установки происходит только с постоянной (т.е. единственной) скоростью. Однако существуют ситуации, в которых желательно обеспечить, по меньшей мере, еще одну скорость разворота.Сущность изобретенияТаким образом, основная задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в устранении недостатков известной технологии и в разработке нового варианта обеспечения разворота азимутальной силовой установки относительно корпуса судна.Одна из задач, решаемых настоящим изобретением, состоит в том, чтобы устранить необходимость использования отдельной гидравлической системы и избежать при осуществлении разворота азимутальной силовой установки всех проблем, связанных с применением такой системы.Еще одной задачей является решение проблемы повышения надежности и экономичности оборудования, применяемого для осуществления разворота азимутальной силовой установки, по сравнению с известными решениями.Следующей задачей является решение проблемы снижения уровня шума, создаваемого оборудованием при развороте азимутальной силовой установки, по сравнению с известными решениями.Еще одна задача состоит в разработке решения, позволяющего изменять и/или регулировать скорость разворота азимутальной силовой установки.Дальнейшей задачей является решение проблемы снижения экологического риска, связанного с эксплуатацией оборудования для разворота азимутальной силовой установки, и повышения общего уровня чистоты и безопасности по сравнению с известными решениями.Изобретение основано на новом принципе, заключающемся в том, что разворот азимутальной силовой установки обеспечивается связанным с ней напрямую электроприводом, который управляется от модуля управления, выполненного с возможностью обрабатывать как команды рулевого управления судном, так и информацию, поступающую от датчика, который определяет угловое положение азимутальной силовой установки.Более конкретно, в соответствии с настоящим изобретением приводная система гребного винта для обеспечения движения надводного судна и управления им по курсу содержит азимутальную силовую установку, в состав которой входят силовая гондола, расположенная вне корпуса судна ниже ватерлинии, первый электродвигатель или аналогичный приводной агрегат, установленный внутри указанной гондолы для обеспечения вращения гребного винта, связанного с указанной гондолой, и узел вала, связанный с указанной гондолой и несущий ее с возможностью разворота гондолы относительно корпуса судна, а также приводные средства для обеспечения разворота указанной азимутальной силовой установки относительно корпуса указанного судна для управления судном по курсу в соответствии с командой рулевого управления, поступающей от устройства рулевого управления судном.Одна из главных отличительных особенностей приводной системы по изобретению состоит в том, что приводные средства содержат второй электродвигатель для разворота указанной азимутальной силовой установки через механическую силовую передачу, связанную со вторым электродвигателем. При этом система дополнительно содержит источник питания для подачи электрической энергии на указанный второй электродвигатель и модуль управления для управления работой указанного второго электродвигателя посредством управления указанным источником питания.Как уже упоминалось, модуль управления выполнен с возможностью совместной обработки команды рулевого управления, поступающей от указанного устройства рулевого управления судном, и позиционной информации об угловом положении, поступающей от указанного датчика, и с возможностью управления работой указанного второго электродвигателя на основе результатов указанной обработки.В соответствии с одним из предпочтительных вариантов реализации изобретения в состав приводных средств, или силовой передачи, с помощью которой обеспечивается разворот азимутальной силовой установки, входят круговой зубчатый обод, закрепленный на узле вала, а также шестерня, червяк или аналогичный зубчатый компонент, выполненные с возможностью взаимодействия с указанным зубчатым ободом. В этом случае поворот зубчатого компонента производится посредством редуктора, установленного между зубчатым ободом и вторым электродвигателем.Желательно также снабдить систему по изобретению соответствующим средством торможения для обеспечения остановки разворота азимутальной силовой установки и удержания ее в заданном положении, а также обеспечить функциональную связь между этим средством торможения и модулем управления с целью передачи на это средство команд управления. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов средство торможения, с помощью которого регулируется скорость разворота, функционально связано с инвертором переменного тока (ПТ-инвертором), который входит в состав источника питания. Указанное средство торможения может представлять собой тормоз, например фрикционный или магнитный, выполненный отдельно от второго электродвигателя.Решение задач, поставленных перед изобретением, предусматривает также создание нового способа обеспечения движения и управления по курсу надводным судном. Согласно данному способу судно приводят в движение посредством азимутальной силовой установки, содержащей силовую гондолу, расположенную вне корпуса судна ниже ватерлинии, первый электродвигатель или аналогичный приводной агрегат, установленный внутри гондолы для обеспечения вращения гребного винта, связанного с указанной гондолой, и узел вала, связанный с гондолой и несущий ее с возможностью разворота гондолы относительно корпуса судна. При этом азимутальную силовую установку разворачивают относительно корпуса указанного судна в соответствии с командой рулевого управления, поступающей от устройства рулевого управления судном.Основной отличительной особенностью способа по изобретению является наличие в нем следующих операций:посредством датчика, функционально связанного с модулем управления, определяют угловое положение азимутальной силовой установки по курсу,в модуле управления производят обработку информации, содержащейся в команде рулевого управления, поступившей от указанного устройства управления, и информации об угловом положении, поступающей от указанного датчика,основываясь на результатах указанной обработки, разворачивают азимутальную силовую установку через механическую силовую передачу, связанную с вторым электродвигателем, иподают электрическую мощность на второй электродвигатель также на основе результатов указанной обработки.Разворот азимутальной силовой установки предпочтительно осуществляют посредством кругового зубчатого обода, шестерни или червяка, выполненных с возможностью взаимодействия с указанным зубчатым ободом, и редуктора, установленного между указанным зубчатым ободом и указанным вторым электродвигателем.Питание указанного второго электродвигателя целесообразно осуществлять через ПТ-инвертор, а требуемую регулировку скорости разворота указанной азимутальной силовой установки производить посредством соответствующей регулировки электрической мощности, поступающей от указанного ПТ-инвертора. В этом случае остановку разворота указанной азимутальной силовой установки и/или ее удержание в развернутом положении осуществляют с помощью средства торможения, управляемого от ПТ-инвертора. В одном из вариантов предлагаемого способа торможение разворота указанной азимутальной силовой установки осуществляют посредством электрического генератора, связанного с азимутальной силовой установкой через механическую силовую передачу, с подачей генерируемой при этом электрической энергии в электрическую сеть. При этом в качестве электрического генератора используют указанный второй электродвигатель, работающий в режиме генератора.Кроме того, согласно предпочтительному варианту реализации способа по изобретению обработку указанной команды рулевого управления и указанной позиционной информации в модуле управления производят посредством устройства обработки данных, такого как микропроцессор или модуль управления мощностью.Настоящее изобретение обеспечивает получение нескольких существенных преимуществ. Благодаря ему становится возможным отказаться от известной системы, основанной на использовании гидравлики, и тем самым устранить названные выше проблемы, связанные с таким использованием. Суммарная экономия, достигаемая применением электродвигателя, значительна, а требования по обслуживанию практически отсутствуют. Система разворота на основе электропривода является, кроме того, высоконадежной. На современных судах обеспечение электроэнергией не является проблемой, причем она используется во многих частях судна (в частности, азимутальная силовая установка также содержит электродвигатель). Следовательно, устраняется необходимость применения отдельной (дорогостоящей) гидравлической системы. Появляется также возможность использования электропривода, обеспечивающего разворот азимутальной силовой установки с регулируемой скоростью.Перечень фигур чертежейДалее настоящее изобретение, а также его различные аспекты и преимущества будут подробно описаны на примере предпочтительных вариантов его выполнения и со ссылками на прилагаемые чертежи, где сходные компоненты обозначены на разных фигурах теми же числовыми обозначениями.На фиг.1 дана упрощенная принципиальная схема одного из вариантов выполнения системы по настоящему изобретению.На фиг.2 приведена блок-схема системы по фиг.1.На фиг.3 изображена силовая установка, смонтированная на судне.На фиг.4 в форме диаграммы представлено оборудование, входящее в состав системы углового перемещения в соответствии с другим вариантом выполнения изобретения.На фиг.5 дан график последовательности операций, выполняемых системой углового перемещения по настоящему изобретению.Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияНа фиг.1 в виде упрощенной принципиальной схемы, а на фиг.2 в виде блок-схемы представлен один из вариантов системы углового перемещения по настоящему изобретению. На фиг.3 изображена азимутальная силовая установка 6, размещенная на судне 9. Более конкретно, на фиг.1 представлена азимутальная силовая установка 6, в состав которой входит герметичная силовая гондола 1. Внутрь гондолы 1 помещен первый электродвигатель 2 (электродвигатель гребного вала), в качестве которого может быть применен любой подходящий двигатель известного типа. Электродвигатель 2 связан известным способом посредством гребного вала 3 с гребным винтом 4.Согласно одному из альтернативных вариантов внутри указанной гондолы 1 может быть предусмотрена зубчатая передача, входящая в состав установки и расположенная между указанным электродвигателем 2 и гребным валом 4. В одном из вариантов с каждой гондолой связан более чем один гребной винт. В таком случае может иметься, например, два гребных винта, один из которых расположен впереди, а другой позади гондолы.Указанная гондола 1 установлена с возможностью поворота вокруг вертикальной оси и связана с не изображенным на фиг.1 корпусом судна (см. также фиг.3) посредством, по существу, вертикального узла 8 вала (подшипники этого узла на фиг.1 не изображены; один из альтернативных вариантов его выполнения приведен в указанном патенте Финляндии №76977, который включен в данную заявку посредством ссылки на него). Указанный узел 8 (представляющий собой, по сути, полый вал трубчатой конструкции) может иметь достаточно большой диаметр, чтобы обеспечить обслуживание двигателя, расположенного под этим узлом, в гондоле, а также зубчатой передачи, которая может входить в состав установки, и гребного вала.Зубчатый обод 10 или функционально аналогичный зубчатый обод баллера является круговым, т.е. расположенным по всей окружности указанного узла 8 вала; он соединен с указанным узлом 8 для передачи на него мощности, необходимой для осуществления поворота этого узла относительно корпуса судна. Когда узел 8 вала поворачивается, вместе с ним разворачивается и силовая установка 6. В варианте, показанном на фиг.1, комплект оборудования, входящего в силовую передачу 40 для осуществления поворота указанного зубчатого обода 10, включает в себя шестерню 12, коническую зубчатую передачу 14, муфту 24, зубчатый редуктор 22 и второй электродвигатель 20, а также валы 21, 23 между названными элементами. Показано также средство 26 торможения, установленное на валу 21, и вентилятор для охлаждения двигателя 20. В изображенном варианте средство 26 торможения представляет собой дисковый тормоз с соответствующим приводом. Следует отметить, что в рамках настоящего изобретения не все из перечисленных компонентов являются обязательной частью указанной передачи 40; соответственно, некоторые из них могут быть опущены или заменены другими компонентами.Электрическая энергия поступает на электродвигатель 20 по кабелю 28 от ПТ-инвертора 30 (инвертора переменного тока), который работает как источник питания (мощности). Принципы работы инвертора должны быть известны специалисту в данной области техники, поэтому в их изложении нет необходимости. Достаточно отметить, что основными силовыми компонентами инвертора являются выпрямитель, промежуточный контур постоянного тока и инвертирующая схема. В настоящее время инверторы переменного тока находят широкое применение, в том числе и в качестве входных устройств для двигателей переменного тока. Особенно эффективны они для применения в различных управляемых электроприводах. Наиболее распространенными среди ПТ-инверторов являются ШИМ-инверторы, в которых используется широтно-импульсная модуляция и в которых имеется промежуточный контур регулировки напряжения.Использование ПТ-инвертора эффективно, в том числе и потому, что он позволяет регулировать угловую скорость поворотного оборудования, входящего в комплект 40, и следовательно, скорость вращения указанного узла 8. В соответствии с одним из вариантов используется, по меньшей мере, две различные скорости. Согласно другому варианту скорость вращения может регулироваться в пределах некоторого интервала скоростей, например от 0 до номинальной скорости вращения.Управление работой ПТ-инвертора 30 обеспечивается модулем 34 управления (таким, как сервопривод рулевого управления) по линии 32. Указанный модуль 34 управления, в свою очередь, функционально связан с устройством рулевого управления, например со штурвалом 38, установленным на капитанском мостике или в другой соответствующей части судна. Команды управления по курсу, выдаваемые вручную, т.е. поворотом штурвала, преобразуются, например, посредством отдельных аналоговых сервомеханизмов в команды рулевого управления. В соответствии с другим вариантом команды управления с помощью соответствующего преобразователя, связанного со штурвалом, преобразуются в цифровые курсовые сигналы, которые по линии 36 посылаются на модуль 34 управления.Указанный модуль 34 управления использует информацию, содержащуюся в командах управления по курсу, формируемых штурвалом 36, для управления ПТ-инвертором. Инвертор, в свою очередь, обеспечивает питание двигателя 20 током. Результирующее вращение двигателя (с заданной скоростью) в направлении по или против часовой стрелки приводит к желаемому изменению углового положения указанного узла 8 вала и, следовательно, силовой установки 6.Модуль 34 управления может представлять собой любое подходящее устройство обработки данных и/или управляющее устройство, сервопривод рулевого управления (например, так называемый аналоговый сервомеханизм) или другое соответствующее устройство, способное осуществлять обработку команд рулевого управления и другой информации, связанной с рулением (которая будет рассмотрена далее), а также управлять ПТ-инвертором или аналогичным силовым модулем на основе результатов указанной обработки.На фиг.1 и 2 показан также датчик 16 углового положения, механически связанный с азимутальной силовой установкой 6 (в частном случае он установлен на зубчатом ободе 10) и предназначенный для определения угла поворота указанного узла 8. Для этой цели могут быть использованы различные датчики, которые сами по себе известны. Так, датчик 16 может быть построен на основе фотооптического датчика, так называемого сельсина, или датчика, основанного на системах машинного или компьютерного зрения, способных измерять угол поворота. Следует заметить, что конкретный тип датчика 16 не оказывает существенного влияния на воплощение настоящего изобретения; важно лишь, чтобы с помощью применяемого датчика надежно определялось направление, по которому ориентирована азимутальная силовая установка.Датчик 16 углового положения имеет функциональную связь 18 с модулем 34 управления для того, чтобы передавать на этот модуль позиционные сигналы. Указанная связь 18 может представлять собой, например, кабель или радиоканал. Система по изобретению может также содержать аналого-цифровой преобразователь 35 (АЦП) для преобразования аналогового позиционного сигнала, поступающего от датчика 16, в цифровой формат, в котором возможна его обработка в модуле 34 управления (если данный модуль требует выполнения подобного преобразования).Модуль 34 управления выполнен с возможностью совместной обработки в процессоре 33 или в аналогичном ему устройстве обработки данных информации, которую он получил от указанного датчика 16 положения, с командами рулевого управления, полученными от указанного устройства 38 рулевого управления, и с возможностью управления на основе полученных результатов работой ПТ-инвертора 30 или аналогичного силового модуля, как это показано на фиг.2.На фиг.1 и 2 представлено уже упоминавшееся средство 26 торможения. Оно предназначено для того, чтобы останавливать движение поворота силовой установки 6 в заданном положении и удерживать установку в зафиксированном положении все то время, пока не выдается никаких команд рулевого управления. Управление функционированием указанного средства 26 торможения (в частности, временными характеристиками и усилием при торможении и удержании) может осуществляться благодаря наличию функциональной связи между этим средством и модулем управления, осуществляющим управление системой. Согласно предпочтительному варианту, изображенному на фиг.2, управление работой указанного средства 26 торможения обеспечивается с помощью указанного ПТ-инвертора 30, который, в свою очередь, получает команды рулевого управления от модуля 34 управления. Описанный вариант обеспечения торможения позволяет использовать для управления торможением также информацию, исходящую от датчика 16. В результате ориентация гребного винта, т.е. направление тягового усилия, которое обеспечивает движение судна, может быть отрегулирована с высокой точностью.Средство торможения может представлять собой механический фрикционный тормоз (в частности, дисковый или барабанный тормоз, тормозные башмаки) или же магнитный тормоз, который может быть размещен в соответствующей части комплекта оборудования силовой передачи 40 или даже обеспечивать торможение/удержание непосредственно узла 8 вала силовой установки 6. В соответствии с одной из возможных альтернатив указанный редуктор 22 или шестерня, непосредственно взаимодействующая с зубчатым ободом 10, выполняются таким образом, чтобы обеспечить торможение любого углового перемещения, исходящего от силовой установки 6, но способствовать движению поворота, исходящего от указанного двигателя 20. Другими словами, эти компоненты выполнены таким образом, что допускают передачу вращательного движения только в одном направлении.Еще один возможный вариант состоит в том, чтобы использовать для торможения/удержания сам электродвигатель 20. В этом случае с помощью указанного ПТ-инвертора 30 и указанного модуля 34 управления обеспечивается управление усилием, формируемым двигателем 20, таким образом, чтобы достичь получения желательного контролируемого эффекта торможения/удержания. Торможение/удержание может полностью обеспечиваться с помощью электродвигателя 20. Альтернативно, двигатель может генерировать только какую-то долю от требуемого усилия торможения/удержания. В этом случае торможение завершается с помощью отдельных средств торможения. В последнем случае достигается уменьшение усилия торможения, которое должен развивать механический тормоз. В соответствии с еще одним вариантом указанный электродвигатель 20 во время торможения работает как генератор, причем электрическая энергия, генерируемая при торможении, подается в электрическую сеть. Желательно, чтобы электрическая сеть была той же самой сетью, которая обеспечивает питание электрической машины, входящей в состав комплекта оборудования, когда она функционирует как электродвигатель.На фиг.4 представлен вариант системы по изобретению, ориентированный на получение наиболее компактной и простой структуры. Как показано на фиг.4, указанный зубчатый обод 10 приводится во вращение посредством червяка 12, непосредственно связанного с указанным зубчатым редуктором 22. Однако при этом следует отметить, что хотя в вариантах, представленных на фиг.1 и 4, имеется зубчатый обод 10 и средства 12 для обеспечения его поворота, применение зубчатого обода не является обязательным. Возможны и другие решения, обеспечивающие передачу мощности от указанного двигателя к указанному узлу 8. К таким решениям, например, относится использование электродвигателя, статорная обмотка которого охватывает по периметру узел 8 вала. В этом случае под силовой передачей подразумеваются любые средства, обеспечивающие передачу мощности от указанного двигателя на указанный узел 8.Фиг.4 иллюстрирует также другой вариант выполнения датчика. В этом варианте использован бесконтактный датчик 16, установленный вблизи, но тем не менее отдельно от узла вала силовой установки. Указанный датчик воспринимает метки, распределенные по периферии узла вала, и на основе этой информации вырабатывает позиционный сигнал.На фиг.5 приведен график последовательности операций, выполняемых системой согласно настоящему изобретению. В соответствии с принципами изобретения движение судна обеспечивается посредством азимутальной силовой установки. Ориентация (направление по курсу) силовой установки отслеживается посредством датчика. Информация, поступающая от датчика, может использоваться в аналоговом формате или, если это необходимо, преобразовываться в цифровую форму. До поступления новой команды на изменение курса положение азимутальной силовой установки удерживается соответствующим последней команде, полученной с капитанского мостика. Если анализ позиционной информации указывает на необходимость коррекции положения (вследствие отклонения от заданного курса, проскальзывания в тормозе или каких-либо иных причин), она может быть проведена автоматически.Когда необходимо произвести поворот судна, в модуль управления поступает соответствующая команда. Эта команда обрабатывается в модуле управления согласно установленному порядку. При этом используется новейшая позиционная информация, полученная от датчика. По завершении указанной обработки модуль управления выдает команду на разворот азимутальной силовой установки на соответствующие компоненты системы по изобретению, в состав которой входит электродвигатель. Управление электродвигателем осуществляется посредством управления источником мощности, таким как инвертор. Обеспеченное таким образом вращение электродвигателя через механическую передачу преобразуется в заданный разворот азимутальной силовой установки; в результате судно соответственно изменяет свой курс.Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает создание системы и способа, которые представляют собой новое решение проблемы управления по курсу для судна, оборудованного азимутальной силовой установкой. Данное решение позволяет устранить ряд недостатков, присущих уровню техники, и обладает преимуществами упрощения конструкции, повышенной экономичности, удобством управления и безопасностью. Следует отметить, что описанные варианты осуществления настоящего изобретения не ограничивают объема его правовой охраны, который определяется формулой изобретения. Напротив, формула изобретения охватывает все модификации, эквивалентные и альтернативные варианты, которые соответствуют принципам и объему изобретения, определяемому формулой.

Формула изобретения

1. Приводная система гребного винта для обеспечения движения надводного судна и управления им по курсу, содержащая азимутальную силовую установку (6), в состав которой входят силовая гондола (1), расположенная вне корпуса судна ниже ватерлинии, первый электродвигатель (2) или аналогичный приводной агрегат, установленный внутри указанной гондолы для обеспечения вращения гребного винта (4), связанного с указанной гондолой, и узел (8) вала, связанный с указанной гондолой и несущий ее с возможностью разворота гондолы относительно корпуса судна (9), приводные средства для обеспечения разворота указанной азимутальной силовой установки (6) относительно корпуса указанного судна (9) для управления судном по курсу в соответствии с командой рулевого управления, поступающей от устройства (38) рулевого управления судном, отличающаяся тем, что указанные приводные средства содержат второй электродвигатель (20) для разворота указанной азимутальной силовой установки (6) через механическую силовую передачу (40), связанную с указанным вторым электродвигателем, при этом система дополнительно содержит источник питания (30) для подачи электрической энергии на указанный второй электродвигатель (20), модуль (34) управления для управления работой указанного второго электродвигателя (20) посредством управления указанным источником питания (30), датчик (16), функционально связанный с указанным модулем (34) управления для определения углового положения указанной азимутальной силовой установки (6), причем указанный модуль (34) управления выполнен с возможностью совместной обработки команды рулевого управления, поступающей от указанного устройства (38) рулевого управления судном, и позиционной информации об угловом положении, поступающей от указанного датчика (16), и с возможностью управления работой указанного второго электродвигателя (20) на основе результатов указанной обработки.2. Приводная система гребного винта по п.1, отличающаяся тем, что механическая силовая передача включает в себя круговой зубчатый обод (10), соединенный с узлом (8) вала, шестерню или червяк (12), выполненные с возможностью взаимодействия с указанным зубчатым ободом, и редуктор (22), установленный между указанным зубчатым ободом и указанным вторым электродвигателем (20).3. Приводная система гребного винта по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный источник питания (30) содержит инвертор переменного тока (ПТ-инвертор).4. Приводная система гребного винта по п.3, отличающаяся тем, что содержит средство (26) торможения, функционально связанное с указанным ПТ-инвертором для передачи команд управления на средство (26) торможения.5. Приводная система гребного винта по п.4, отличающаяся тем, что указанное средство (26) торможения представляет собой тормоз, например фрикционный или магнитный, выполненный отдельно от указанного второго электродвигателя.6. Способ обеспечения движения и управления по курсу надводным судном, согласно которому судно приводят в движение посредством азимутальной силовой установки (6), содержащей силовую гондолу (1), расположенную вне корпуса судна ниже ватерлинии, первый электродвигатель (2) или аналогичный приводной агрегат, установленный внутри указанной гондолы для обеспечения вращения гребного винта (4), связанного с указанной гондолой, и узел (8) вала, связанный с указанной гондолой и несущий ее с возможностью разворота гондолы относительно корпуса судна (9), при этом указанную азимутальную силовую установку (6) разворачивают относительно корпуса указанного судна (9) в соответствии с командой рулевого управления, поступающей от устройства (38) рулевого управления судном, отличающийся тем, что посредством датчика (16), функционально связанного с модулем (34) управления, определяют угловое положение азимутальной силовой установки (6) по курсу, в модуле (34) управления производят обработку информации, содержащейся в команде рулевого управления, поступившей от указанного устройства (38) управления, и информации об угловом положении, поступающей от указанного датчика (16), основываясь на результатах указанной обработки, произведенной в указанном модуле (34) управления, разворачивают указанную азимутальную силовую установку (6) через механическую силовую передачу (40), связанную с указанным вторым электродвигателем (20), и подают электрическую мощность на указанный второй электродвигатель (20) также на основе результатов указанной обработки.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что разворот указанной азимутальной силовой установки (6) осуществляют посредством кругового зубчатого обода (10), шестерни или червяка (12), выполненных с возможностью взаимодействия с указанным зубчатым ободом, и редуктора (22), установленного между указанным зубчатым ободом и указанным вторым электродвигателем (20).8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что питание указанного второго электродвигателя осуществляют через ПТ-инвертор, а требуемую регулировку скорости разворота указанной азимутальной силовой установки (6) производят посредством соответствующей регулировки электрической мощности, поступающей от указанного ПТ-инвертора.9. Способ по п.8, отличающийся тем, что остановку разворота указанной азимутальной силовой установки (6) и/или ее удержание в развернутом положении осуществляют с помощью средства (26) торможения, управляемого от ПТ-инвертора.10. Способ по любому из пп.6-9, отличающийся тем, что обработку указанной команды рулевого управления и указанной позиционной информации в указанном модуле управления производят посредством устройства обработки данных, такого как микропроцессор или модуль управления мощностью.11. Способ по любому из пп.6-10, отличающийся тем, что торможение разворота указанной азимутальной силовой установки осуществляют посредством электрического генератора, связанного с азимутальной силовой установкой (6) через механическую силовую передачу (40), с подачей генерируемой при этом электрической энергии в электрическую сеть.12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве электрического генератора используют указанный второй электродвигатель (20), работающий в режиме генератора.

Похожие патенты:

Интерес как специалистов-судостроителей, так и любителей к судовым движителям, которые вместе с двигателем и корпусом судна составляют пропульсивный комплекс (ПК) судна, в последнее время заметно возрос. Например, в газете «Известия» от 4 апреля 1988 г. под заголовком «Революция в судостроении» был опубликован материал, посвященный магнитогидродинамическому ПК со сверхпроводимостью, разрабатываемому японскими специалистами. Ряд материалов, рассказывающих о необычных, не похожих на гребные винты или водометы движителях, появился и в «КиЯ»: «ленточный движитель» (), движители «аквасипеда» (), «гидролета» ( и ) и использующие энергию волн () и т. д. Словом, ведутся довольно интенсивные поиски движителей, которые бы могли заменить винт и водомет.

Значит ли это, что на сегодня возможности этих традиционных для судостроения движителей исчерпаны? Отнюдь нет.

После того, как в прошлом веке винт полностью вытеснил гребное колесо, он постоянно совершенствовался и получил преимущественное распространение на всех видах транспортных средств, движущихся под, на и над поверхностью воды. И сегодня этот тип движителя в судостроении остается самым эффективным.

В авиации с появлением реактивной техники в середине 40-х годов пропульсивный комплекс, состоящий из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и воздушного гребного винта, уступил свое место турбореактивному и реактивному пропульсивным комплексам, объединяющим в одном агрегате двигатель и движитель (часто эти ПК называют не совсем правильно воздушно-реактивными двигателями - ВРД). Гребной винт в авиации полностью сохранил свои позиции лишь на вертолетах, на легкомоторных самолетах, на мотодельтапланах, а в составе турбовинтового пропульсивного комплекса - на среднескоростных и тяжелых грузовых самолетах.

На рис. 1 приведены зависимости реальных значений к. п. д. от скорости для судовых движителей различных типов. По данным автора, наибольшее экспериментальное значение к. п. д. - 0,915 достигнуто для узколопастного авиационного гребного винта. Судовые гребные винты из-за большей ширины лопастей имеют большие потери на трение о воду. При испытаниях изолированных винтов их к. п. д. достигает величины 0,8. Однако у винтов, установленных на реальные суда, из-за ограниченного диаметра обусловленного осадкой судна, к. п. д. редко превышает 0,60. Величина полного пропульсивного коэффициента при этом составляет около 0,3 (к. п. д. двигателя внутреннего сгорания обычно находится в диапазоне 0,40-0,50).

Для турбореактивных пропульсивных комплексов современных самолетов величина полного пропульсивного коэффициента достигает 0,25. Для речного СПК «Буревестник» с авиационным турбовинтовым двигателем и водометным движителем пропульсивный коэффициент вдвое меньше - 0,121.

Прежде чем начать знакомство с нетрадиционными типами пропульсивных комплексов, т. е. ПК исключающими применение гребного винта или лопастного насоса, попробуем классифицировать все известные движители. Удобно их разделить на две основных группы (рис. 2): не имеющие подвижных относительно корпуса элементов (т. е. лопастей) и ПК с подвижными элементами движителя. Представителем второго вида является гребной винт. Хорошо известны основные проблемы, обусловленные наличием лопастей. За счет вращения винта скорость обтекания лопастей во много раз превышает скорость судна. При таких скоростях возникает явление кавитации (), отрицательно сказывающееся на к. п. д. движителя, разрушающее поверхность лопастей. Для уменьшения влияния кавитации нужно уменьшить толщину лопастей и увеличить их площадь но здесь судостроители оказываются перед проблемой обеспечения прочности сильно нагруженных лопастей, консольно закрепленных на ступице винта.

В той или иной степени эти проблемы присущи и другим видам лопастных движителей - водометному ПК и др. А если взять воздушный винт, то возникает проблема борьбы с шумом, резко усиливающимся при сверхзвуковых скоростях обтекания периферийных элементов лопастей. Излишне говорить об эксплуатационных неудобствах, которые создают подвижные относительно корпуса элементы пропульсивного комплекса.

Однако возможно ли вообще создать пропульсивный комплекс без подвижных элементов! Оказывается, возможно и вполне реально. Пока такие комплексы еще не нашли широкого применения в судостроении, но в авиации и космонавтике они используются давно и успешно. Это, прежде всего, прямоточный реактивный авиационный ПК и ракетный ПК . В судостроении аналог реактивного авиационного ПК обычно называют гидрореактивным, хотя, если говорить точно, по принципу создание тяги и гребной винт является тоже гидрореактивным движителем.

По мере развития авиации установили, что масса поршневого ДВС, работающего на винт, приблизительно пропорциональна его мощности. А поскольку с увеличением скорости самолета требуемая тяга растет пропорционально квадрату, а мощность - кубу скорости, то и масса поршневого двигателя растет пропорционально кубу скорости. Таким образом, для самолета, летящего со скоростью 1000 км/ч. потребовался бы ДВС, масса которого равнялась бы общей полетной массе самолета, не оставляя ничего на конструкцию, запас горючего и полезную нагрузку. Масса же турбореактивного или реактивного ПК оказывается примерно пропорциональной их тяге. Поэтому такие ПК для той же скорости 1000 км/ч обладают вполне приемлемой массой - около 10% массы самолета (без учета топлива) и около 35% с топливом.

Столь продуктивная в авиации техническая идея «заразила» и судостроителей, которые ведут серьезные исследования по созданию прямоточного гидрореактивного ПК.

В зависимости от способа подачи энергии в зону взаимодействия с потоком, обтекающим корпус судна, различают тепловой, газоводометный и магнитогидродинамический (МГД) прямоточные гидрореактивные ПК.

Из этих типов наибольшую эффективность пока удалось получить для газоводометного ПК, с описания которого мы и начнем. С принципами работы такого ПК познакомимся на примере модели, описанной в книге В. А. Башкатова и др. Модель движителя имела длину 0,223 м и диаметр 0.078 м (рис. 3). Она состояла из водозаборника. камеры смешения и сопла. Сжатый до избыточного давления 0,34 кг см 2 воздух из компрессора, установленного вне движителя, через ресивер поступал в коллектор, выполненный в виде кольцевого канала между диффузором и обтекателем, откуда через 550 отверстий диаметром 0,8. мм подавался в камеру смешения, расположенную сразу за диффузором. Поток воды, поступая в расширяющийся диффузор, замедляет свое движение, вследствие чего повышается статическое давление в нем. В камере смешения, имеющей постоянное поперечное сечение, сжатый до этого давления воздух смешивается с водой и образовавшаяся водовоздушная смесь выбрасывается через сопло. Если сечения на входе (водозаборника) и выходе (сопла) имеют одинаковую площадь, то из-за меньшей плотности водовоздушной смеси по сравнению с плотностью воды, скорость струи, истекающей из сопла, оказывается больше, чем на входе.

Описываемая модель имела диаметр сопла 0.034 м и развивала на расчетном режиме тягу около 0,2 кг, имея на этом режиме к. п. д., равный 0,35. Более полные исследования показали, что к. п. д. прямоточных гидрореактивных ПК подобного типа не превышает 0,4, а их тяга на швартовах (при отсутствии хода) равна нулю и судну для разгона необходим еще и другой движитель. Например, были предложены двухступенчатые водометно-газоводометные движители, состоящие из размещенных в одном канапе осевого насоса и камеры смешения. Однако такие движители по эффективности оказались хуже водомета и не сулят каких-либо эксплуатационных преимуществ.

В 1971 г. директор Голландского опытового бассейна Ван Манен опубликовал анализ целесообразности применения газоводометного ПК для судна на подводных крыльях, имеющего скорость от 40 до 80 уз и водоизмещение от 20 до 180 т. Проектные проработки были доведены до сравнения экономических показателей СПК, оборудованных соответственно газоводометным ПК и ПК с суперкавитирующим гребным винтом. Удельные приведенные затраты при скорости 60 уз у газоводометного варианта оказались больше примерно в 1,5 раза.

До сих пор остаются неприемлемыми на судах по своим экономическим показателям воздушные турбореактивные пропульсивные комплексы, хотя за последние 34 года они не раз применялись на глиссерах для заездов на побитие абсолютного рекорда скорости на воде. Именно турбореактивный ПК, установленный на «Синей птице III» Дональда Кэмпбелла, позволил поднять рекорд сразу на 120 км ч, а затем и до нынешних 511,11 км/ч, которые развил в 1978 г. австралиец Кен Ворби на глиссере «Спирит оф Австралия». Но к. п. д. турбореактивного ПК на обычных, не рекордных скоростях, пока еще остается довольно низким.

Правда, определенные перспективы открывает идея подачи распыленной воды в сопло воздушно-реактивного ПК. Как показали проведенные в 1973 г. модельные эксперименты, этот прием позволяет повысить тягу на 50-80% без изменения расхода топлива и режима работы самого ПК. Американский специалист Куандт теоретически рассчитал, что при скорости 100 узлов (185 км/ч) подобный ПК может достичь довольно высокого пролульсивного коэффициента, равного 0,48. При этом масса впрыскиваемой воды должна составлять около 10 % от массы используемого воздуха, движение которого можно обеспечивать не только при помощи авиационного турбореактивного ПК, но и при помощи воздушного вентиляторного ПК. В отечественной литературе последний из указанных тип ПК получил название газоводометного движителя с малым расходом воды (рис. 4).

Оригинальной разновидностью газоводомета является двухфазный воздушно-водяной ПК, основанный на использовании гравитационных эффектов. Основательное экспериментальное исследование такого ПК в 1968 г. провел финский исследователь Костилайнен. Принцип действия и конструкция устройства предельно просты (рис. 5). Компрессор подает через ресивер воздух к отверстиям, расположенным в нижней части плоской наклонной кормовой оконечности судна. Воздух в виде пузырьков всплывает под действием архимедовой силы и. скользя по наклонной плоскости кормы и увлекая вместе с собой массы оды вверх и назад, создает таким образом тягу. Испытания модели длиной 1.6 м, шириной 0,5 м и осадкой 0,19 м в опытовом бассейне показали, что пропульсивный коэффициент для такого ПК может достигать значения 0,35 без учета потерь в компрессоре и воздуховодах. Тяга ПК достигала 2 кг, а скорость хода модели - 0,85 м с. Воздух при этом подавался через 7 отверстий диаметром 10 мм. Подача воздуха через 49 отверстий диаметром 5 мм приводила к некоторому уменьшению скорости хода, но к повышению пропульсивного коэффициента. Однако изобретателю было ясно, что эффективность ПК явно недостаточна для его использования на судах. Поэтому Костилайнен сделал попытку применить свой движитель на судне с вентилируемым днищем (подробнее о нем см. в «КиЯ» №129). Исследователь рассчитывал, что движитель окажется более эффективным, чем гребной винт при его работе за воздушной каверной. На испытаниях трехметровой модели удалось получить максимальное значение пропульсивного коэффициента 0,55. Для транспортных судов такая эффективность явно низка, однако простота и экологическая чистота воздушно-водяного ПК могут оказаться полезными для создания спортивных и исследовательских самоходных плавсредств.

В 1974 г. французские исследователи P.-Ж. Балкю и М. Курубль провели испытания баржи водоизмещением 600 т, оборудованной аналогичным описанному выше двухфазным ПК. Для более интенсивного перемешивания воздуха с водой они предложили установить на днище смеситель в виде крыльевой наделки с прорезями. Во время испытаний скорость баржи составила 14 уз, а наивысшее значение пропульсивного коэффициента - 0,4, т. е. введенные новшества на эффективность практически не повлияли.

Очевидно, что давление в камере смешения прямоточного гидрореактивного движителя должно быть больше статического давления на глубине расположения сопла и меньше суммы этого статического давления и скоростного напора. Но были попытки создания движителей с более высокими давлениями в камере смешения и клапанной системой, регулирующей величину давления на подходе рабочей жидкости к впускному окну. Истечение из сопла в таком движителе становится пульсирующим. В 1955 г. Л. А. Юткин предложил электрогидравлический пульсирующий движитель, в котором для создания повышенного давления в камере смешения используется энергия высоковольтного электрического разряда в воде, а вход и выход снабжены клапанной системой. Но до практического применения на судах, несмотря на большой интерес к этому типу движителей многих изобретателей, дело не дошло - эффектность газоводометных ПК пока слишком низка.

Среди предлагаемых прямоточных гидрореактивных ПК есть и такие, в которых тепловая энергия преобразуется в тягу непосредственно в камере смешения - аналогично работе авиационных реактивных ПК, где в камеру смешения и сгорания подается топливо. Роль топлива, выделяющего тепловую энергию i воде, может играть гидрореагирующее горючее - литий, натрий, калий, алюминий, магний. (Например, при реакции 1 кг лития с забортной водой выделяется 28 300 кДж тепла, что в 10 раз больше. чем при сгорании 1 кг керосина в воздухе). Такое гидрореагирующее топливо представляет собой твердое тело, поэтому проблемами становятся непрерывная подача его в камеру смешения и сгорания, обе печение полного сгорания. Гидрореагирующее горючее трудно хранить, т. к. оно легко соединяется с кислородом и влагой воздуха, выделяя взрывоопасный водород. Частично эти проблемы решаются, если для сгорания топлива использовать не забортную воду, а специальный окислитель. Такие ПК получили название ракетных .

Наиболее перспективным из различных видов прямоточных гидрореактивных ПК, по общему признанию, является магнитогидродинамический комплекс (МГД ПК). Сравнительно недавно, благодаря усиленной рекламе японских специалистов, он стал предметом ряда «сенсационных» сообщений (см., например, «Известия» за 12 марта и 4 апреля 1988 г.). Что же представляет собой этот ПК?

Идея МГД ПК появилась в 1961 г. одновременно с идеей МГД-генератора, способного преобразовывать тепловую энергию в электрическую без двигателей внутреннего сгорания или паротурбинных установок. Необходимая эффективность подобных устройств достигается только при использовании эффекта сверхпроводимости.

Принцип действия так называемого кондукционного МГД-движителя заключается в следующем. Пусть имеется канал прямоугольного сечения (рис. 6), по которому может протекать электролит, скажем, соленая морская вода.

Верхняя и нижняя стенки канала являются соответственно разноименными магнитными полюсами, а боковые стенки, изолированные от остальных, находятся в контакте с электролитом и подключены к источнику постоянного тока. Между боковыми стенками потечет постоянный ток, т. е. начнется направленное движение ионов. На положительно заряженный ион, который движется от анода к катоду и находится в вертикальном магнитном поле, будет действовать так называемая сила Лоренца. Ее направление можно найти по правилу левой руки: если четыре пальца левой руки направить в сторону движения положительных ионов, а ладонь расположить перпендикулярно направлению от северного магнитного полюса к южному (внутренняя сторона ладони при этом смотрит на северный полюс магнита), то большой палец укажет направление силы Лоренца. Под действием этой силы положительные ионы будут отклоняться, взаимодействуя при этом с атомами и молекулами электролита, и вся жидкость начнет перемещаться в указанном направлении. На магниты, создающие магнитное попе, будут действовать силы, противоположные по направлению силе Лоренца, в результате чего возникнет необходимый для движения судна упор. В отличие от всех других типов движителей, здесь упор создается за счет действия на жидкость объемных, а не поверхностных сил, что позволяет ускорить ее поток без изменения давления.

Однако чтобы сила Лоренца имела достаточно высокое значение, необходимо иметь весьма большую напряженность магнитного поля и, соответственно, магнитную индукцию. Чтобы представить, каковы порядки этих величин, укажем, что попе соленоида, имеющего 1 миллион ампер-витков на метр, создает в пустоте магнитную индукцию, равную 1,26 тесла (Тл). А для того чтобы получить высокую эффективность МГД-движителя, необходима индукция 7-10 Тл; при этом потери энергии (в основном на нагрев воды) составят около 20%.

Реальная конструкция, разработанная японскими специалистами, должна развивать тягу на швартовном режиме до 2500 т. Испытания двух моделей судов (SEMD-1 и ST-500) с МГД-движителями прошли успешно, и было решено приступить к проектированию МГД-движителей для пяти различных судов водоизмещением от 30 до 10 000 т.

Реальность создания МГД ПК зависит прежде всего от решения трех проблем: разработки больших сверхпроводящих магнитных систем, способных создавать мощное магнитное поле; экранирования внешних магнитных попей; обеспечения эффективной работы электродов при неизбежном в процессе их работы электролизе, т. е. выделении газов.

Последние сообщения свидетельствуют о том, что Японская ассоциация содействия судостроению утвердила проект создания модели судна водоизмещением 150 т, оборудованной МГД ПК. Расчетная скорость модели составляет 8 уз, упор - 800 кг. Специалисты надеются. что это будет первый шаг по созданию «бесшумного и сверхскоростного судна XXI века со скоростью 100 узлов». В некоторых сообщениях эта японская программа названа «Революцией в судостроении».

Однако, если оставить в стороне рекламную шумиху, то можно заметить, что проработки и даже испытания моделей, оборудованных МГД ПК, правда без использования сверхпроводимости, ведутся уже давно. Например в 1966 г. на механическом факультете Калифорнийского университета испытывалась трехметровая модель подводной лодки EMS-1 водоизмещением 408 кг с МГД ПК (рис. 7). Для создания магнитного поля по обмотке магнитной системы пропускался ток силой 110-120 А. Корпус и магнитная система имели непроводящую облицовку, поверх которой были установлены два электрода (анод и катод), соприкасающиеся с морской водой. На электроды подавалось постоянное напряжение 27,8 В, при этом между электродами возникал ток 91,4 А. Электропитание обеспечивалось свинцово-щелочными аккумуляторными батареями, емкости которых хватало для работы ПК в течение 20 минут.

Модель развивала скорость 0,5 м/с }

Трудовые отношения