Разработки ДВФУ для защиты винторулевого комплекса судна ледового плавания

В 2016 году ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ, Владивосток) получили 87 патентов на изобретения и полезные модели, 70 свидетельств о регистрации программных продуктов  и четыре зарубежных патента.

В числе ведущих разработчиков вуза — Инженерная школа, Школа естественных наук, Школа биомедицины, Школа экономики и менеджмента. Их специалисты  создают инновации в области судостроения, машиностроения, экологической защиты, нанотехнологий и других сферах.

В части судостроения отличился профессор кафедры кораблестроения и океанотехники Анатолий Аносов (Инженерная школа). В сотрудничестве с коллегами в 2016 году он получил семь патентов на разработки в этой области. В частности, изобретатели предложили новую конструкцию судового рулевого устройства, позволяющую повысить эффективность управления, в том числе при малых скоростях движения. О том, как родилась идея разработки, каковы ее актуальность и перспективы применения, в чем особенности новой конструкции и как она помогает защитить винто-рулевой комплекс судов ледового плавания, Sudostroenie.info удалось узнать у руководителя проекта.

Традиционная проблема, которой занимаются сотрудники кафедры кораблестроения и океанотехники ДВФУ  —  прочность судов плавающих в льдах. Одним из её аспектов является защита винторулевого комплекса судна от воздействия льда как основной причиной повреждений жизненно важных органов движения и управления судном.

— Анатолий Петрович, как возникла идея изобретения, чем обусловлена его актуальность? 

— В 2014 г. тогда еще студентке Шаринковой О.С, проявившей склонность к исследовательской и конструкторской работе, было предложено с перспективой учебы в аспирантуре заняться вопросом защиты винторулевого комплекса судов от повреждений в результате контакта со льдом. Эта проблема очень актуальна, так как в Дальневосточном бассейне значительную часть времени в течении года суда работают в сложной ледовой обстановке.


^{фото: shipsupply.ru}

Во время движения задним ходом при отсутствии специальных защитных устройств льдины упираются в заднюю кромку пера руля, создавая усилия, измеряемые десятками тонн. По нашим расчетам, при изменении скорости судна водоизмещением порядка 5000 тонн от 1 до 3 узлов усилие взаимодействия со льдом изменяется от 25 до 110 тонн соответственно.

На судах ледового плавания для защиты пера руля при движении задним ходом в корму от него на ахтерштевне выполняется специальный выступ (ледовый выступ, ледовый «зуб»). При этом, льдины могут под наклоном уходить под корму и, минуя ледовый выступ, упираться в перо руля, что и приводит к повреждениям, которые могут лишить судно управляемости. Особую опасность представляет ситуация, связанная с перекладкой пера руля, имеющего контакт со льдом.

— Какое техническое решение Вы предлагаете для преодоления этой проблемы?

Его смысл — в защите задней кромки пера руля при движении судна задним ходом от контакта с льдинами по всей его высоте, в том числе, при переложенном пере руля.

Идею формы ограждающего устройства пера руля мы нашли в истории ледокольного флота. Наиболее распространенный принцип ломки льда судном ледового класса состоит в «наползании» корпуса на лед, который проламывается под действием веса судна. В связи с этим ледоколы имеют большой угол наклона форштевня при малом его заострении. Вместе с тем, существовали суда ледового класса, которые использовали иной принцип ломки льда — так называемые ледорезы. Они имели практически вертикальный форштевень и очень острые обводы по ватерлинии.



Наше устройство для защиты винторулевого комплекса судна ледового плавания (рис.1) включает перо руля со смещенной к задней кромке осью вращения, рудерпост-ледорез, который расположен в отличие от традиционной конструкции не впереди, а позади пера руля по всей его высоте. В нижней части рудерпост соединен с пяткой, образуя, тем самым, жесткую замкнутую раму. Рудерпост-ледорез и перо руля при прямом положении руля образуют единый обтекаемый профиль. Для защиты элементов винторулевого комплекса от контакта с льдинами при движении передним ходом предусмотрены отбойники льда, установленные по бокам от винторулевого комплекса.

По данному устройству в апреле 2015 года мы получили патент (№2551638) на изобретение "Кормовая оконечность судна ледового плавания". (Копии патентов имеются в распоряжении редакции Sudostroenie.info).

 Рис. 1. Кормовая оконечность судна ледового плавания

Рис. 2. Принцип взаимодействия элементов защиты со льдом
 


— Как работает такой механизм защиты при движении судна в различных направлениях во льдах?

При движении судна передним ходом движущиеся вдоль бортов льдины, уходя в кормовой подзор, вступают в контакт с отбойниками льда, которые расположены таким образом, что исключается контакт льдин с винтом и пером руля независимо от угла его перекладки.

При движении судна задним ходом льдины вступают в контакт с рудерпостом-ледорезом, который защищает по всей высоте заднюю кромку пера руля, и либо раскалываются на две части, либо смещаются в сторону одного из бортов. Кроме того при перекладке пера руля профиль комплекса «перо руля – рудерпост» принимает вогнуто-выпуклую форму, что существенно увеличивает создаваемое пером руля боковое усилие, улучшая, тем самым, управляемость судна при заднем ходе, которая обычно низка из-за пониженной скорости движения при выполнении этого маневра.

Последнее замечание навело нас на мысль о возможности повышения эффективности рулей, т.е. улучшения управляемости, если разработать механизм изменения профиля руля при его перекладке. Подобный опыт встречается в мировой практике судостроения.

Перо руля судна представляет собой крыло, которое при перекладке (повороте) на тот или другой борт создает подъемную силу, перпендикулярную направлению движения судна, которая и разворачивает судно. Подъемная сила крыла среди прочих факторов зависит от типа профиля, то есть от формы его поперечного сечения. Перо руля судна имеет двояковыпуклый симметричный профиль, который характеризуется низким коэффициентом подъемной силы по сравнению с наиболее эффективным вогнуто-выпуклым профилем.

Придание цельному перу руля вогнуто-выпуклого профиля невозможно из-за необходимости его одинаковой эффективности при повороте в обе стороны, что и обуславливает симметрию профиля пера руля.

Как известно, идея изменения профиля крыла давно решена в авиации. Так, крыло современного скоростного самолета имеет двояковыпуклый профиль с незначительной асимметрией, чего вполне достаточно для создания необходимой подъемной силы при крейсерском полете с высокой скоростью. Создание необходимой подъемной силы при относительно низких скоростях во время взлета и посадки обеспечивается закрылками – подвижными хвостовыми частями крыла и предкрылками – подвижными носовыми частями крыла, которые, отклоняясь вниз, придают крылу вогнуто-выпуклый профиль.

— Возвращаясь к судостроению, как Вы реализовали бы подобную идею?

Да, над этой задачей работают еще четыре наших изобретения. Здесь необходимы различные механизмы для изменения профиля пера руля при его перекладке, которые обеспечат отклонение носовой или кормовой частей пера руля по отдельности или обеих одновременно. В отличие от рулей классической конструкции наше устройство имеет ряд преимуществ. 

Суть механизма отклонения задней части пера руля по патенту (№2551948) «Судовое рулевое устройство» видна из рис. 3.

Рис. 3. Механизм изменения профиля пера руля за счет отклонения его задней части



Механизм отклонения носовой части пера руля по отношению к основной его части нашел отражение в патенте (№2579454) «Судовое рулевое устройство» (рис. 4). За счет крепления подвижной носовой части пера руля с помощью тяг (рычагов) к корпусу при повороте основной части пера руля носовая часть остается параллельной диаметральной плоскости, создавая, тем самым, с основной частью вогнуто-выпуклый профиль.

Рис. 4. Рычажный механизм отклонения носовой части пера руля


 
Техническое решение по патенту (№153733) на полезную модель «Судовое рулевое устройство» обеспечивает одновременный поворот носовой и кормовой частей пера руля относительно основной его части с использованием зубчатых передач (рис. 5). Мы видим, что такая форма профиля пера руля является наиболее эффективной.

 
Рис. 5. Зубчатый механизм одновременного поворота передней и задней частей пера руля



Кроме того, данный механизм позволяет за счет варьирования диаметров элементов зубчатых передач выбрать оптимальные углы отклонения обеих частей пера руля независимо друг от друга.

Одновременный поворот передней и задней частей пера руля обеспечивается еще одним техническим решением по патенту (№2592706) «Судовое рулевое устройство». Особенность этого устройства — в том, что одна из концевых частей пера должна иметь отдельный механизм поворота. Например, задняя (патент №2551948) или передняя (патент №2579454). Тогда вторая подвижная часть поворачивается в зависимости от первой с помощью рычажного механизма (рис. 6), расположенного внутри пера руля.

Рис. 6. Рычажный механизм отклонения обеих концевых частей пера
 


Соотношением длин рычагов можно подобрать оптимальное соотношение углов отклонения передней и задней частей пера руля.

— Какие особенности корпусной конструкции и рулевого устройства стоит учитывать при постройке, а затем эксплуатации судна ледового класса?

Вернемся к патенту «Кормовая оконечность судна ледового плавания». При движении задним ходом переложенное на тот или иной борт перо руля в сочетании с неподвижным ледорезом создает наиболее выгодный вогнуто-выпуклый профиль, повышая, тем самым, эффективность руля при малых скоростях заднего хода. Однако при движении передним ходом профиль пера руля наименее эффективен, т.к. кривизна профиля получается обратной по отношению к той, которая обеспечивает максимальное боковое усилие, создаваемое пером руля.

В связи с этим, мы предложили компенсировать отрицательный эффект, возникающий за счет обратной кривизны профиля системы «перо руля – ледорез» при повороте судна на переднем ходу. Это осуществляется посредством поворотной передней части пера руля, которая образует с пером руля при его повороте наиболее эффективный вогнуто-выпуклый профиль (рис. 7). В целом профиль получается далеко не идеальным, но, по нашему мнению, возникающий вследствие конструктивных особенностей отрицательный эффект в значительной мере компенсируется.

Рис. 7. Рулевое устройство судна ледового плавания



Здесь мы наблюдаем, что при перекладке пера руля находящийся внутри него рычаг поворачивает переднюю часть пера руля так, что в сочетании с основной частью она образует вогнуто-выпуклый профиль.

— Является ли предложенная конструкция рулевого устройства универсальной или выбор типа судна, на котором оно может быть установлено, ограничен?

— Все названные устройства предназначены для повышения эффективности рулевых устройств и их ледовой защиты и применимы на судах любых типов.


^{фото: dvfu.ru}

— Анатолий Петрович, с какими трудностями в ходе работы над изобретениями вам и вашей команде пришлось столкнуться? Достаточно ли поддержки Вы получаете в рамках университета и/или за его пределами?

— Единственная поддержка, которая требовалась при разработке изобретений — это поддержка сотрудников Отдела интеллектуальной собственности ДВФУ при оформлении заявок, которая была получена в полной мере, за что им низкий поклон. Об эффективности и профессионализме их работы можно судить по тому, что ни одна из поданных заявок не была отклонена.

Серьезной проблемой при выполнении опытно-конструкторских разработок, с которыми столкнулись и мы, является отсутствие в ДВФУ экспериментальной базы судостроительного профиля – опытового и ледового бассейнов, гидравлического лотка, экспериментальных мастерских, силовых испытательных стендов. Перед внедрением такого рода разработок на судах наряду с теоретическими проработками необходимы всеобъемлющие лабораторные испытания. Подобные испытания планируются, но для их проведения придется обращаться в другие институты, где есть необходимое оборудование, ближайший из которых находится в Комсомольске-на-Амуре. О натурных испытаниях на судах речь пока не идет.

— На Ваш взгляд, какие доработки могут потребоваться  изобретению (или уже проявились в процессе работы над ним)?

— Необходимость в доработках может появиться по результатам дальнейших исследований. Но они вряд ли коснутся сути и будут носить уточняющий характер в части конкретных параметров для различных судов.

— Каковы сегодня возможности для практической реализации Ваших идей: кооперации с  проектантами, производителями и внедрение изобретения?

Это в первую очередь зависит от заинтересованности проектных организаций и судовладельцев, для которых они работают. На сегодняшний день несмотря на то, что по данной тематике делались доклады на всероссийских конференциях, есть публикации в центральных технических изданиях и, наконец, опубликованы патенты, заинтересованность в их внедрении пока никто не проявил.

Фото: redorbit.com

Редакция портала Sudostroenie.info выражает благодарность пресс-службе Дальневосточного федерального университета за содействие в подготовке материала.