Назначение и устройство судовых движителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Назначение и устройство судовых движителей

1. Назначение и классификация судовых движителей

Судовые движители предназначены для преобразования энергии двигателя в движительную силу тяги Ре, которая расходуется на преодоление сопротивления воды движению судна, а в случае необходимости расходуется и на преодоление сопротивления буксируемого воза.

Чем совершеннее движитель, тем меньше требуется мощность судового двигателя для обеспечения скорости движения судна или для создания силы тяги. Созданию рационального движителя уделяется огромное внимание.

Все движители лесосплавных судов создают упор за счёт реакции отбрасываемой ими воды в сторону противоположную движению судна. В силу этого они относятся к реактивным. По характеру работы реактивные движители можно подразделить на лопастные и водопроточные.

К лопастным движителям, которые создают упор благодаря лопастям, укреплённым на несущей конструкции, относятся:

· гребные винты - ось вращения расположена вдоль судна;

· гребные колёса - ось вращения расположена поперёк судна;

· гребные ротаторы - ось вращения расположена вертикально.

Наибольшее распространение на лесосплавных судах получили гребные винты. Это обусловлено простотой движителя, удобством его расположения на судне, так как он не вызывает изменения габаритов судна в плане и оказывается меньше уязвимым от поломок при встрече с плавающими предметами, чем гребное колесо. Совершенно не нашли применения на лесосплавных судах ротаторные двигатели из - за большой их сложности и ненадёжности работы в условиях засорённых и стесненных акваторией.

Водопроточные движители, как очень компактные, не требующие увеличения осадки судна, не боящиеся плавающих предметов, обладающие в связи с этим большой проходимостью, большой манёвренностью и развивающие на малых скоростях хода большой упор, получили широкое распространение в лесосплавном флоте.

2. Гребные винты

В основу образования лопастей гребных винтов положена винтовая поверхность. Каждая лопасть винта представляет собой часть этой винтовой поверхности.

Изобретение гребного винта относится к концу XVII века, однако его промышленное применение началось с 1839 года, когда был установлен первый винт на морском пароходе «Архимед». С тех пор форма лопастей гребных винтов получила большие изменения.

Современные винтовые установки в зависимости от их конструктивного оформления и расположения можно классифицировать по следующим основным признакам:

· по количеству установленных винтов на судне;

· по числу лопастей винтов;

· по способу крепления лопастей;

· по расположению винтов;

· по наличию дополнительных направляющих устройств.

Количество гребных винтов на судне в значительной мере зависит от передаваемой мощности и возможной осадки судна, определяемой глубиной пути.

Следует отметить, что увеличение гребных винтов сопровождается увеличением веса и стоимости винтовой установки, но в то же время при большем количестве винтов обеспечивается лёгкость маневрирования.

При двухвальных установках необходимо иметь винты одинаковых размеров с разным направлением вращения.

По количеству лопастей винты бывают 2-х, 3-х, 4-х лопастные. Двухлопастные винты обычно ставятся на парусно-моторных судах. На судах лесосплавного флота обычно устанавливаются 3-х и 4-х лопастные гребные винты.

По форме лопастей имеется большое разнообразие винтов, что обусловлено в основном различными нагрузками на винт и числом их оборотов в минуту.

Гребной винт характеризуется радиусом R (расстоянием от наиболее удалённой точки лопасти до оси винта), либо диаметром D=2R. Часть лопасти, примыкающая к ступице, называется корнем, а наиболее удалённая - концом лопасти. Боковая кромка лопасти, обращенная в сторону вращения винта при переднем ходе судна, называется входящей кромкой, а противоположная - выходящей. Поверхность лопасти, обращённая к корме судна, называется нагнетающей, а противоположная - засасывающей. Нагнетающая поверхность лопасти является винтовой поверхностью постоянного или переменного шага.

Винтовая поверхность представляет собой совокупность винтовых линий и может быть образована одновременно вращательным и поступательным движением отрезка ав=R вокруг оси 00₁ (рисунок 1).

Точка «в» при вращательно-поступательном движении образует на поверхности цилиндра винтовую линию АвЕ. Величина основного перемещения отрезка «ав» за один оборот вокруг оси 00₁ называется шагом осевой линии и обозначается через Н. При развёртке на плоскость винтовая линия АвЕ будет представлять собой диагональ АС 4-х угольника АВСЕ, являющегося развёрткой боковой поверхности цилиндра. Треугольник АВС носит наименование шагового треугольника, а угол - шагового угла.

Рисунок 1 - Развертка гребного винта

Из треугольника АВС следует, что

,

откуда

Кроме перечисленных, основными геометрическими характеристиками гребного винта являются:

· шаговое отношение Р, представляющее собой отношение шага винта к его диаметру, т.е.

· дисковое отношение , т.е. отношение действительной площади всех лопастей гребного винта А_спр к площади диска винта:

.

Если дисковое отношение больше 1, то нагнетающие поверхности лопастей перекрывают друг друга. Обычно дисковое отношение буксирных судов находится в пределах от 0, 55 - 0, 7.

Форма профиля сечения лопасти характеризуется шириной «в», меняющейся с изменением радиуса лопасти, максимальной толщиной «е», совпадает с осью лопасти и относительной толщиной , меняющейся у корня от 0, 1 до 0, 2 и вблизи конца лопасти в пределах от 0, 020, 05.

По способу расположения гребные винты могут быть погруженными, полупогруженными, тоннельными; а по устройству дополнительных направляющих приспособлений - с контрпропеллерами и в насадке.

Погруженные открытые винты имеют наибольшее распространение в морском транспорте, на озёрах и на глубоководных речных магистралях.

Судоходная практика установила, что для хорошей работы погруженного открытого винта слой воды над верхней его кромкой должен быть равен примерно 0, 20-0, 25 диаметра винта.

При этих условиях глубина погружения центра винта примерно равна 0, 70 - 0, 75 диаметра винта.

Полупогруженные винты можно применять только на мелководных участках при ограниченной осадке судов; распространения эти винты не получили из-за низкого КПД.

Тоннельные винты устанавливают на судах, обслуживающих мелководные пути. Тоннели, в которых располагаются гребные винты, образуются корпусом судна и предохраняют винт от попадания воздуха. Примерное отношение диаметра тоннельных винтов D к осадке судна Т_р.

Исследования работы винта в тоннеле показывают, что при работе винта в тоннеле обеспечивается достаточно удовлетворительный подход воды, причём эффективность тоннельных винтов при ограниченной осадке значительно превышает показатели нормально погруженных винтов (уменьшенного диаметра).

Увеличение упора и КПД винта для существующего судна нетоннельного образования может быть достигнуто путём устройства специальных козырьков, заменяющих тоннель, прикреплённых к корпусу судна и образующих свод над гребным винтом.

Воздушные винты применяются только на быстроходных судах глиссерах, имеющих в значительной степени спортивный характер.

Контрпропеллеры винтов, иначе - направляющие устройства, предназначены для того, чтобы использовать энергию, затраченную винтом на закручивание потока. Из теории и экспериментальных наблюдений известно, что гребной винт не только отбрасывает поток воды, но также сообщает ему вращательное движение. Явление закручивания потока в известной мере можно ликвидировать применением направляющих лопаток, располагаемых позади или впереди винта, а иногда и впереди, и позади.

Направляющая насадка гребного винта представляет собой профилированное коническое кольцо, неподвижно прикреплённое к корпусу судна и охватывающее винт.

Насадки начали широко применятся с 1934 года.

Благодаря применению насадок:

1) сила тяги на швартовых увеличивается до 50% и при обычной скорости буксировки - на 20 - 30%.

Однако с увеличением скорости хода влияние направляющих насадок падает; это последнее обстоятельство предопределило их преимущественное распространение на буксирных судах;

2) сохраняется почти постоянное число оборотов при разных скоростях хода и обеспечивается полное использование мощности при всех режимах работы - от работы на швартовых до порожнего хода; за винтом создаётся спокойный поток, что в известной мере предохраняет ложе каналов от размыва;

3) винт предохраняется от поломок.

Наибольшее распространение на судах лесосплавного флота получили тоннельные винты.

3. Идеальный движитель

При работе движителей в воде создается упор, который расходуется на преодоление сопротивления воды движению судна.

Кажущая простота процесса преобразования мощности двигателя связана с очень сложными явлениями, которые происходят в результате работы движителя в воде. Здесь имеет место очень сложная картина протекания, возмущаемого движителем, потока воды, которая зависит как от конструктивных особенностей самого движителя, так и от взаимной связи движителя с корпусом судна, с габаритами пути. Одновременный учет всех этих факторов весьма сложен и не может дать для каждого реального случая правильного решения. В силу этого оказывается целесообразным предварительно ознакомиться с идеальным движителем, работающим изолированно от корпуса и в идеальной жидкости, т.е. в жидкости, лишенной сил вязкости.

Большая сложность изучаемого вопроса и огромная важность практических результатов исследований работы движителей приковывала к разрешению этого вопроса большое количество исследователей, которыми создано много теорий (более 80). Остановимся кратко на следующих направлениях этих теорий.

Дисковая теория определяет упор движителя из уравнения количества движения проходящей через диск винта воды без учета ее взаимодействия с лопастями винта. Лопастная теория рассматривает упор движителя как реакцию движущейся изолированной пластины, каковой принимается изолированная лопасть винта без учета её толщины. Более совершенной теорией является вихревая теория, разработанная профессором Н.Е. Жуковским, который положил в её основу теорию крыла самолета. Эта теория применима к винту, работающему в воде, поскольку профиль лопасти винта напоминает сечение крыла самолета. Этой теорией величина упора связана с геометрическими размерами лопастей.

Однако разработанные теории идеального движителя, хотя и не позволяют непосредственно производить проектирование винта, все же имеют большое значение, поскольку дают возможность качественно определить зависимость между упорным давлением, К.П.Д., вызванными скоростями и геометрическими характеристиками гребного винта.

4. Уравнение упора идеального движителя

Под идеальным движителем будем понимать изолированный от судна движитель, который вращается в идеальной жидкости, лишенной вязкости. При работе в воде такой движитель сообщает ей добавочную скорость , которая из-за отсутствия сил вязкости распространяется бесконечно далеко.

Представим, что такой движитель (рисунок 2), стоит неподвижно в сечении II-II, а поток, набегая на него со скоростью , из-за вращения винта получает приращение скорости , в силу чего отбрасывается со скоростью _о

Определим упор идеального движителя, применив уравнение Бернулли к элементарной струйке а-в, для чего возьмем три сечения: сечение I-I перед движителем, сечение II-II по движителю и сечение III-III за движителем.

Условимся, что давление в сечении I-I равно Ро, в сечении II-II непосредственно перед движителем и сразу за ним , а в сечении III-III также .

Для участка I-II уравнение Бернулли имеет вид:

Для участка II-III

Вычтя из последнего уравнения предыдущее, будет иметь

Полученное приращение давления дает представление о величине элементарного упора на единицу площади гидравлического сечения движителя для всей площади гребного винта, равной площади диска винта. Общий упор изолированного движителя определится по формуле

,

где Аd - площадь диска винта.

Рисунок 2 - Схема потока, вызванного идеальным движителем

Подставив в выражение для общего упора Р вместо , его значение будет иметь

Таким образом, из последнего выражения следует, что для создания упора движитель должен вызвать в потоке дополнительную скорость Д.

Из выведенного уравнения упора можно определить скорость отбрасываемого движителем воды :

Или

Эпюра скоростей

Рисунок 3 - Эпюры скорости и давления

Выражение заменено безразмерным коэффициентом , называемым коэффициентом нагрузки по упору изолированного движителя.

Величина вызванной движителем дополнительной скорости Д может быть определена из выражения по определению .

Действительно

откуда

Из этой формулы следует, что вызванная скорость возрастает с увеличением нагрузки.

5. Уравнение КПД идеального движителя

КПД идеального движителя может быть определен как отношение полезной мощности, отдаваемой движителем, к мощности затраченной.

Полезная мощность может быть выражена как РV_р.

Затраченная мощность будет, очевидно, равна

,

тогда К.П.Д. идеального движителя з_нз выразится следующим образом:

Подставив в это выражение значение из формулы по определению , после несложных преобразований будет иметь

Из этих двух уравнений видно, что К.П.Д. идеального движителя тем выше, чем меньше величина вызванной им скорости или чем меньше коэффициент нагрузки .

6. Гидродинамические характеристики гребных винтов

При вращении изолированного движителя (гребного винта) в воде с числом оборотов n он за один оборот совершает путь в осевом направлении h, который принято называть абсолютной поступью. Если бы гребной винт с постоянным шагом H вращался в твердой среде как винт в гайке, то он за один оборот продвинулся бы вперед на расстояние, равное шагу винта H. При вращении гребного винта в податливой среде, каковой является вода, аксиальный (осевой) путь винта h естественно меньше шага винта H.

Так как винт проходит в воде за одну сек путь, равный поступательной скорости _р, и совершает в одну сек n оборотов, то, очевидно, абсолютная поступь винта в метрах определится как

Разность между шагом винта H и его поступью h называется скольжением винта S

.

Удобнее поступь и скольжение винта выражать в безразмерных величинах. В частности, поступь выражают в долях диаметра винта и называют относительной поступью винта или просто поступью винта, которая может быть найдена из соотношения

При определении относительного скольжения его выражают в долях шага винта H и обозначают

Произведение nH представляет собой скорость, которую имел бы гребной винт, двигаясь в твердой среде. Так как среда, в которой вращается винт, податливая, то его скорость всегда меньше. В силу этого при изучении работы движителя второй член выражения (119) Vр/nH можно рассматривать как соотношение расчетной скорости движения изолированного движителя V_р к различным скоростям.

В частности, если отнести V_р к скорости отбрасываемого движителем потока, т.е. V_g, то можно получить так называемую величину среднего скольжения S_ср

В формуле (120) отношение скоростей Vр/Vg представляет собой ничто иное, как К.П.Д. идеального движителя, т.е.

.

В этом случае

,

откуда

Таким образом, мы видим, что К.П.Д. идеального движителя является дополнением до единицы величины среднего скольжения. Чем больше оборотов движителя n, тем больше скольжение движителя, тем больше его упор, но тем меньше его К.П.Д. Применив этот вывод к реальным движителям, можно утверждать, что гребные винты обладают большим скольжением, чем гребные колеса, в силу того, что у них число оборотов значительно превышает число оборотов гребных колес; имеют больший упор на единицу площади, но в то же время у них меньше К.П.Д. Скольжение, соответствующее максимальному К.П.Д., называют оптимальным скольжением.

7. Водомётные движители

Водомётные движители работают по следующему принципу. Вода, поступающая через специальные отверстия в днище, с помощью пропеллерного насоса или насоса другого типа засасывается с большой скоростью, по трубопроводу выбрасывается за борт в сторону обратную движению судна. Реакция выбрасываемой воды и создаёт движительную силу. Эти движители имеют целый ряд преимуществ и недостатков по сравнению с рассмотренными ранее. Их преимущество заключается в том, что они полностью защищены, так как в водозаборном двигателе всегда ставится решётка из полосового железа. Суда с водозаборными движителями очень маневренны как в отношении поворота, возможности переключения направления движения с переднего хода на задний, так и возможности остановки. Путь разгона и остановки у них составляет всего лишь несколько метров. Их недостатком является дополнительная потеря мощности на преодоление гидравлических сопротивлений в трубопроводах, а также резкое снижение движительной силы тяги с увеличением скорости хода. Последнее обуславливает наилучшую эксплуатацию таких судов при малых скоростях хода, то есть в качестве буксирных судов, а не разъездных.

У водомётного движителя пропеллерный насос установлен в водоразгонной системе и приводится в движение через вал от главного двигателя. Их отличие состоит в том, что вода забирается и выбрасывается через отверстие в днище. Вода входит в приёмное отверстие у вершины конуса и выбрасывается в выходное отверстие у основания конуса. При одинаковых угловых скоростях вращение воды при входе и выходе, но при разных радиусах отверстий на входе и выходе, окружная скорость воды при выходе всегда больше, чем скорость при входе. Это обуславливает приращение количества движения воды и создаёт упор.

судовый движитель винт сопротивление

Размещено на Allbest.ru