Судовые движители

Размещено на http://www.allbest.ru/

Судовые движители



1. Общие сведения о судовых движителях

Для обеспечения движения судна необходимо приложить к его корпусу движущую силу - силу тяги, равную по величине и противоположную по направлению силе сопротивления среды (воды и воздуха). Такая постоянно действующая на судно сила может быть создана при помощи различных продолжительно работающих источников энергии: мускулов человека, ветра и разного рода двигателей. Для преобразования энергии двигателей в энергию поступательного движения судна используют специальные механизмы, называемые движителями. Таким образом, основным назначением судовых движителей является создание и поддержание требуемой величины тяги Р_е. При равномерном прямолинейном движении судна суммарная сила тяги его движителей соответствует сопротивлению движения R и направлена в противоположную сторону: Р_е = R.

Подводимая к движителям мощность - суммарная валовая мощность N_р должна быть больше полезной (буксировочной) мощности N_б = R·v из-за неизбежных потерь при работе комплекса движитель - корпус (§2.1.). Степень совершенства движителя, работающего в сочетании с корпусом, оценивается величиной пропульсивного коэффициента движителя: з_д = N_р / N_б. Чем больше пропульсивный коэффициент движителя, тем он совершеннее. Движители судов должны обладать высокой надежностью, обеспечивать судну высокие пропульсивные качества, работать с минимальным уровнем шума и быть простыми в эксплуатации. Эти требования могут быть реализованы только на судостроительных производствах с высоким уровнем конструкторско-технологической базы. Без преувеличения можно считать судовой движитель одним из самых сложных и дорогостоящим механизмом на судне.

По принципу действия современные судовые движители являются гидрореактивными. Они создают силу тяги за счет реактивного воздействия массы воды, захватываемой движителями и отбрасываемой в направлении, противоположном направлению движения судна. Их отличают только по методу сообщения отбрасываемой жидкости кинетической энергии. Различают лопастные и водопроточные движители. К числу лопастных движителей относятся гребные винты и крыльчатые движители, а к числу водопроточных - водометы.

Рис. 100. Гребной винт: а - фиксированного шага; б - регулируемого шага

Самым распространенным судовым движителем является гребной винт. Это объясняется простотой конструкции гребного винта, малым весом, надежностью и высоким КПД. Пропульсивный коэффициент современных гребных винтов составляет 6065%, в отдельных случаях превышая 75%. На морских судах устанавливают гребные винты диаметром от нескольких дециметров до 11 и более метров; мощность, потребляемая гребным винтом, доходит до 70 000 кВт. Гребные винты располагаются обычно в корме и только у некоторых специальных типов судов (ледоколов и паромов челночного типа) - в носу. судовой движитель кавитация винт

Гребной винт представляет собой конструкцию в виде ступицы с размещенными на ней лопастями, которые расположены радиально на равных угловых расстояниях друг от друга. Различают винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ). ВФШ

(рис.100,а) изготавливаются цельнолитыми и со съемными лопастями. ВРШ (рис.100,б) внутри полой ступицы имеют механизм, изменяющий разворот лопастей. Благодаря ряду преимуществ, винты регулируемого шага нашли самое широкое применение на промысловых судах различных назначений. Для повышения эффективности работы гребных винтов используют специальные направляющие устройства (рис.101).

Рис.101. Гребной винт в направляющей насадке

Рис.102. Крыльчатый движитель: 1- привод; 2- передаточный механизм; 3 - корпус; 4- лопасти; 5 - ротор.



Крыльчатый движитель (рис.102) представляет собой диск, установленный заподлицо с плоской частью подзора кормы. В воде находятся только рабочие детали движителя - крылообразные вертикальные лопасти, число которых составляет 48. Если к хордам профилей крыльев провести нормали, то они все пересекутся в единой точке N, расположенной эксцентрично относительно центра диска и называемой центром управления. При вращении диска лопасти устанавливаются в определенное положение относительно потока, совершая по отношению к диску колебательные движения вокруг вертикальной оси. Закон этого колебательного движения выбирается таким, чтобы каждая лопасть за время полного оборота диска создавала силу, направленную всегда в сторону движения судна. Оси всех лопастей совершают движение по циклоиде, и каждая лопасть обтекается циклоидальным (криволинейным) потоком. Это достигается перемещением центра управления лопастями N вдоль диаметра движи теля. Меняя положение точки N, можно создавать силы различной величины.

Перемещением центра управления в стороны от основного диаметра при неизменном направлении вращения можно получить любые направления силы упора движителя. Таким образом, без реверсирования движителя можно изменить направление движения судна на обратное, а также объединить в одном устройстве функции движителя и рулевого органа. Изменение положения центра управления N относительно центра диска О обычно осуществляется дистанционно с мостика.



Рис.103. Схема сил при движении судна с крыльчатым движителем: а - передний ход; б - поворот налево; в - поворот направо; г - движение лагом при двух крыльчатых движителях; N - центр управления; О - центр движителя

На рис. 103 приведены схемы сил, развиваемых на крыльчатом движители при изменении эксцентриситета и обеспечивающих движение судна прямо и повороты налево и направо (рис. 103,а - в).

При установке на судно двух крыльчатых движителей оно получает возможность двигаться лагом (рис.103,г). Благодаря этому свойству крыльчатые движители устанавливают на портовых буксирах, паромах, плавучих кранах и других судах, для которых характерны высокие маневренные качества. Недостатком крыльчатого движителя является сложность его конструкции при невысоком пропульсивном коэффициенте.

Водометный движитель представляют собой установку, которая расположена внутри корпуса судна, состоящую из водопроточной трубы (канала) и мощного насоса. Насос засасывает воду через приемное отверстие в днищевой части корпуса и выбрасывает ее с повышенной скоростью через напорный канал. Реакция выбрасываемой струи и является той силой, которая движет судно в сторону, противоположную направлению выброса струи. Напорный канал водомета, расположенный в кормовой оконечности судна, обычно снабжается на конце поворотными насадками, реверсивными рулями или иными устройствами для управления судном путем изменения направления струи воды.

В качестве рабочего органа водометной установки вместо насоса может использоваться размещенный в канале водомета гребной винт с направляющим аппаратом (контрпропеллером). Такой водометный движитель может быть как одноступенчатым, так и многоступенчатым, т.е. состоять из одного или нескольких гребных винтов специальной конструкции с направляющими устройствами между ними. На рис. 104 показана схема двухступенчатого водомета.

Рис.104. Схема двухступенчатого водометного движителя: 1,2 - первая и вторая ступени (а - винт; б - контрпропеллер); 3 - сопло, обеспечивающее поджатие струи; 4 - водозаборник; 5 - водометная труба

Положительными качествами водометных движителей являются: способность эффективно работать при малых осадках судна; хорошая защищенность от повреждений при движении судна по засоренному фарватеру; лучшие кавитационные и эрозионные качества, меньшие вибрация и шумность по сравнению с обычным гребным винтом; возможность использования без дополнительных передач мощных высокооборотных двигателей.

К недостаткам водометных движителей по сравнению с гребными винтами относятся их более сложная конструкция и несколько меньший КПД.

2. Геометрические характеристики гребного винта

Рабочими органами винта являются лопасти, расположенные радиально на равных угловых расстояниях друг от друга и укрепленные на ступице, насаживаемой на конец гребного вала. Обычно число лопастей z = 36.

Различают винты правого и левого вращения. Винты правого вращения при повороте по часовой стрелке перемещаются в аксиальном направлении от наблюдателя, левого вращения - на наблюдателя. На двухвальных судах на валопроводе правого борта устанавливается винт правого вращения, на валопроводе левого борта - левого вращения. При вращении бортовых винтов в наружную сторону меньше вероятность попадания плавающих предметов между винтом и корпусом, и опасность подсасывания судна к стенке.



Рис.105.Элементы гребного винта

Поверхность лопасти винта, обращенная в корму и воспринимающая при переднем ходе судна повышенное давление, называется нагнетающей (рис.105). Поверхность лопасти, обращенная в нос и воспринимающая при переднем ходе судна пониженное давление, называется засасывающей. Линия пересечения нагнетающей и засасывающей поверхностей образует кромки лопасти. Кромка лопасти, обращенная в сторону вращения винта, - входящая, а противоположная - выходящая. Свободный конец лопасти называется краем, а примыкающий к ступице - корнем.

Диаметр окружности, описываемой краями лопастей, носит название диаметра D винта (радиус винта R = D/2). Площадь круга А_d = рD²/4 принято называть площадью диска винта. Диаметр ступицы d₀ (радиус ступицы r₀), у цельнолитых d₀ = (0,160,18) D, у винтов со съемными лопастями d₀ 0,25 D, винты регулируемого шага имеют d₀ 0,32 D.

Нагнетающая и засасывающая поверхности лопасти представляют собой части винтовых поверхностей. Винтовая поверхность образуется при одновременном поступательном перемещении какого-либо отрезка (образующей) вдоль некоторой оси и вращении его вокруг той же оси (рис.106). Винтовая поверхность имеет двоякую кривизну, и поэтому ее изображают на плоскости системой развернутых винтовых линий для различных значений радиуса. Каждая винтовая линия является траекторией соответствующей точки образующей. Осевое перемещение этой точки за один оборот образующей называется шагом винтовой линии Н_i.

Рис. 106. Образование винтовой поверхности постоянного шага

Если поступательное и вращательное перемещения образующей равномерны, получается правильная винтовая поверхность постоянного шага (рис.106); для нее на любом радиусе Н_i = 2р r _i tgц = const, где ц - шаговый угол. Если движение образующей остается равномерным, но шаг винтовых линий на разных радиусах r _i имеет различные значения Н_i, образуется винтовая поверхность радиально-переменного шага (рис 107,а). Шаг такой поверхности в целом принято характеризовать значением Н на радиусе на 0,7R.



Рис.107. Винтовые поверхности переменного шага: а - радиально-переменного шага; б - осе-переменного шага; в - осе-радиально- переменного шага

При неравномерном перемещении образующей винтовая поверхность будет осе-переменного шага (рис.107,б). Если шаг винтовых линий изменяется как вдоль оси, так и по радиусу, получается винтовая поверхность осе-радиально-переменного шага (рис.107,в).

Шаг правильной винтовой линии, проходящей через кромки лопасти на данном радиусе, называется геометрическим шагом лопасти (винта) Н на этом радиусе. Иначе он называется кромочным или конструктивным шагом. Отношение Н/D называется конструктивным шаговым отношением винта; оно изменяется в пределах 0,61,8.

Профили сечений лопастей винтов бывают, как правило, двух видов - сегментные и авиационные (рис.108). У сегментных профилей наибольшая толщина приходится на середину хорды профиля, у авиационных она смещена к передней кромке в район трети хорды профиля. Сегментные и авиационные профили могут быть плосковыпуклыми, двояковыпуклыми и выпукло-вогнутыми. Форма спрямленной поверхности (форма контура лопасти) может быть симметричной или саблевидной (рис.109). Суммарная площадь спрямленных поверхностей обозначается F_с. Отношение площади спрямленной поверхности всех лопастей к площади диска винта называется дисковым отношением гребного винта, т.е. И = F_с/ А_d = F_с/ (рD²/4) (у винтов промысловых судов И = 0,300,70).

Материалом для гребных винтов служат специальные марки бронзы и латуни. Для изготовления гребных винтов судов высокого ледового класса, а также быстроходных судов используются также высокопрочные, коррозионно-устойчивые нержавеющие стали.

Рис.108.Профили сечений лопастей Рис.109. Формы контура лопастей винтов а - сегментные; а - симметричная; б - авиационные б - саблевидная

3. Кинематические характеристики гребного винта

При изучении работы винта каждая лопасть рассматривается как совокупность отдельных элементов, обтекаемых независимо друг от друга плоским потоком (движение предполагается обращенным, т.е. элемент лопасти считается неподвижным, а поток воды - набегающим на него). Картина обтекания спрямленного элемента лопасти, заключенного между двумя соосными цилиндрическими поверхностями радиусов r и dr, приведена на рис.110. Поток набегает на рассматриваемый элемент лопасти с осевой скоростью х_p и окружной скоростью щr = 2рnr, где щ = 2рn - угловая скорость вращения, а n - частота вращения винта. Работающий винт, как и всякий реактивный движитель, сообщает воде дополнительные (вызванные) скорости: он подсасывает воду к себе, а затем отбрасывает ее назад, создавая вызванную осевую скорость х_а, и закручивает в направлении вращения, создавая вызванную окружную скорость х_t. Вызванная скорость х_а увеличивает осевую скорость, а вызванная скорость v_t уменьшает окружную скорость элемента лопасти относительно воды. В плоскости диска винта вызванные скорости составляют х_а1 = х_а/2 и х_t1 = х_t/2. Результирующая скорость потока, набегающего на элемент лопасти:

х =.

Рис.110. Многоугольник скоростей Рис.1 Треугольник пути и сил для сечения пройденного гребным винтом элемента лопасти за один оборот

Окружные скорости для элементов лопасти, расположенные на разных радиусах, различны. Различна и результирующая скорость х - она увеличивается от корневого сечения к краю лопасти.

Угол между направлением скорости х и направлением нулевой подъемной силы (ННПС) называется углом атаки для элемента лопасти.

Если предположить, что винт движется в воде, как в гайке, т.е. без проскальзывания, то за один оборот он переместится в направлении оси вращения на величину геометрического шага Н. Фактически винт за один оборот перемещается в воде в осевом направлении на расстояние h_р, называемой поступью винта, причем h_р < H. При частоте вращения n винта его осевые (поступательные) скорости в твердой гайке и в жидкой среде соответственно равны Hn и х_p = h_рn.

Отношение поступи винта к его диаметру называют относительной поступью винта:

л_р = h_р/D = х_p/nD.

Относительная поступь является универсальной кинематической характеристикой режима работы винта, поскольку изменение л_р обусловливает изменение угла атаки набегающего на элемент лопасти потока как за счет изменения осевой скорости х_p, так и окружной скорости 2рrn.

Разность H - h_р = S называется линейным скольжением винта. Из рис.111 видно, что линейное скольжение, как и поступь h_р, определяет угол атаки, а значит, и режим работы винта.

Важной кинематической характеристикой винта является относительное скольжение

s = S/H = (H - h_р)/ H = 1- h_р/ H = 1- х_p/nH.

Между относительной поступью и относительным скольжением существует связь, которая определяется зависимостями

s = 1- ; л_р =(1- s).

Из зависимостей следует, что при s = 0: л_р =,

а при х_p = 0: л_р = 0; s = 1.

4. Гидродинамические характеристики гребного винта

На выделенный элемент лопасти, который обтекается со скоростью х под углом атаки (см. рис.38), действуют гидродинамические силы. Результирующую этих сил обозначим через dF. Проекция dF на осевое направление есть сила упора элемента лопасти dР, а проекция на окружное направление - сила сопротивления вращению элемента лопасти dQ. Момент сопротивления вращению элемента лопасти: dМ = dQr, где r - радиус, на котором расположен рассматриваемый элемент лопасти.

Для всего винта сила упора:

Р = z,

где z - число лопастей; r ₀ - радиус ступицы; R - радиус винта.

Момент сопротивления вращению винта:

М = z.

Этот момент равен по величине и противоположен по знаку вращающему моменту, который необходимо приложить к винту для обеспечения его вращения с заданной частотой n и создания требуемого упора Р.

Валовая мощность, потребная для равномерного вращения винта с угловой скоростью щ = 2рn,

N_р = М щ = 2рnМ.

Так как сила упора создается в результате обтекания лопастей потоком жидкости, то в соответствии с общей формулой для гидродинамических сил можно считать, что величина сила Р пропорциональна плотности жидкости, характерной площади винта и квадрату характерной скорости. Для винта в качестве характерной площади принимают D², а в качестве характерной скорости - nD. Тогда, обозначив через ₁ коэффициент упора, для силы упора получим следующую зависимость:

Р = сn² D⁴,

откуда безразмерный коэффициент упора

= Р /сn² D⁴.

По аналогии момент

М = сn² D⁵,

безразмерный коэффициент момента

= М /сn² D⁵.

Коэффициент полезного действия гребного винта з_р, работающего в свободной воде (при отсутствии влияния корпуса судна и поверхности воды (з_к = 1)), определяется отношением полезной мощности к затраченной мощности:

з_р = Р х_p/2рnМ,

или с учетом формул для упора и момента:



з_р =.

Упор, момент и к.п.д. являются гидродинамическими характеристиками гребного винта. Величины их зависят от относительной поступи винта л_р = х_p/nD, которая характеризует режим работы гребного винта. График, выражающий функциональную зависимость гидродинамических характеристик винта ,, и з_р от относительной л_р, называется кривыми действия винта (рис.112).

При отсутствии влияния корпуса, свободной поверхности воды и кавитации винта кривые действия будут одинаковыми для геометрически подобных винтов, так как л_р является при этих условиях критерием динамического подобия винтов.

Рис.112. Кривые действия гребного винта в свободной воде



5. Работа гребного винта на разных режимах

Для оценки условий работы двигателей судна надо знать основные характеристики винта: упор Р, момент М и к.п.д. з_р на разных режимах, т.е. при любых значениях поступательной скорости х_p и частоте вращения n (при разных значениях л_р = х_p/nD). Рассмотрим некоторые характерные режимы работы винта, условно заменив его одним эквивалентным элементом лопасти, расположенным на радиусе центра тяжести площади спрямленной поверхности лопасти (при r = 0,7R).

Швартовный режим (рис.113,а). Этот режим работы винта наблюдается при снятии судна с мели, движении в ледяных торосах. В швартовном режиме х_p = 0 и л_р = х_p/nD = 0, т.е. винт работает на месте не совершая полезной работы, КПД его з_р = Р х_p/2рnМ = 0. Так как угол атаки для элемента лопасти достигает наибольшей величины, упор винта Р и момент М (коэффициенты и ) оказываются наибольшими (рис.112). В этом режиме работа винта с полной частотой вращения недопустима из-за перегрузки двигателей и опасности повреждения валопроводов по причине больших осевых усилий и крутящих моментов. Максимальная частота вращения винта на швартовном режиме составляет 60 0,65% частоты вращения расчетного режима полного хода, т.е. n_шв < (0,600,65) n_п.



Рис.113. Режимы работы элемента лопасти

Основной (расчетный) режим переднего хода (рис.113,б). Этот режим соответствует относительной поступи л_р >0, при которой винт создает полезный упор Р (>0) за счет подведенного от двигателя вращающего момента М (>0), причем КПД з_р находится в области максимальных для данного винта значений (рис.112). Угол атаки элемента лопасти, коэффициенты и в рассматриваемом режиме меньше, чем в швартовом режиме.

Режим нулевого упора (рис.113,в). С дальнейшим увеличением относительной поступи угол атаки для элемента лопасти продолжает уменьшаться, в в связи с чем снижаются значения упора и момента винта. При некотором л_р = л_р1 упор Р (коэффициент упора) обращается в нуль и з_р = Р х_p/2рnМ = 0, т.е. винт не совершает полезной работы (рис.112). Момент М (коэффициент момента) остается положительным, т.е. винт требует подведения от двигателя некоторого вращающего момента, который целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Относительную поступь л_р1 принято обозначать называют Н₁/D и называть шаговым отношением нулевого упора или гидродинамическим шаговым отношением, а величину Н₁ - шагом нулевого упора или гидродинамическим шагом. Шаговое отношение нулевого упора Н₁/D превышает конструктивное Н/D, и их численное соотношение специфично для каждой серии гребных винтов. Режим нулевого упора наблюдается при реверсе винта и является кратковременным.

Режим нулевого момента (рис.113,г). При увеличении относительной поступи за режимом нулевого упора при л_р = л_р2 наступает режим нулевого момента винта, когда коэффициент момента становится равным нулю. Понятие КПД винта з_р здесь не имеет смысла, так как к винту от двигателя вращающий момент не подводится. Винт вращается под действием набегающего на него потока, а возникающий при этом момент целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Работающий винт оказывает набегающему потоку сопротивление, которое соответствует отрицательному значению упора Р (коэффициент упора). Таким образом, в пределах относительной поступи от л_р = л_р1 до л_р = л_р2 гребной винт уже не является движителем, он как бы “парализован” или находится в так называемой зоне Параля (рис.112).

Дальнейшее увеличение относительной поступи за предел л_р2 приводит к тому, что не только упор Р, но и момент М оказываются отрицательными, т.е. гребной винт из движителя превращается гидротурбину (рис.113,д), что соответствует турбинному режиму работы винта.



6. Диаграммы для расчета гребных винтов

Диаграммы для расчета гребных винтов позволяют решать многие эксплуатационные задачи, в том числе задачи, необходимые судоводителю. В частности, с помощью этих диаграмм определяют достижимую скорость судна, упор гребного винта, стоят паспортные диаграммы.

Диаграммы для расчета гребных винтов являются результатом испытаний моделей гребных винтов в опытовых бассейнах или специальных лабораториях - в кавитационных трубах. Эти испытания позволяют установить взаимосвязь всех геометрических характеристик (Н/D; d₀/D; z; И и др.) и их влияние на эффективность работы гребных винтов.

Рис.114. Диаграммы Э.Э.Пампеля для расчета гребных винтов серии В.4.40 (z = 4, И = 0,40)

Широко распространены диаграммы в форме предложенной Э.Э. Пампелем. Для каждой серии винтов с одинаковым числом z лопастей и дисковым отношением И, представлены две расчетные диаграммы (рис.114): на верхней дана зависимость от л_р при различных значениях Н/D, на нижней - (л_р) при тех же значениях Н/D.

На диаграммах также нанесены кривые равных значений з_р, которые получают, проведя плавные кривые через точки с постоянными значениями КПД, отмеченные предварительно на кривых и , относящихся к различным шаговым отношениям.

Диаграмму (л_р) используют для расчетов элементов винта и скорости судна при заданной мощности двигателя; если задана скорость судна, то для определения двигателя используют диаграмму (л_р). По обеим диаграммам легко определить оптимальные диаметр винта или частоту его вращения, скорость судна или упор винта, его шаговое отношение, потребляемую мощность двигателя и т.д. Если диаметр или частота вращения не известны, то такую задачу решают с использованием расчетных коэффициентов:

- упора - диаметра

'_d = х_pD;

- мощности - диаметра

" _d = 0,274х_pD;

- упора - частоты вращения

'_n = ;



- мощности - частоты вращения

"_n = 0,523.

7. Взаимодействие гребного винта и корпуса судна. Пропульсивный коэффициент

Винт и корпус судна находятся в сложном гидродинамическом взаимодействии. Сущность его заключается в следующем:

- на винт, работающий за корпусом, набегает поток воды, возмущенный движением корпуса, в результате чего гидродинамические характеристики винта изменяются по сравнению с их значениями в свободной воде;

- работающий винт изменяет величины давлений и касательных напряжений на поверхности кормовой оконечности корпуса, в результате чего изменяется сопротивление воды движению судна.

Следовательно, гидродинамические характеристики одного и того же гребного винта, работающего в свободной воде и за корпусом судна, будут различны, а сопротивление воды движению судна в присутствии работающего гребного винта будет отличаться от его буксировочного сопротивления.

Попутный поток. При движении судна часть окружающей его воды увлекается в направлении движения, образуя попутный поток (рис.115). Попутный поток за корпусом судна имеет в разных точках различное значение и направление, т.е. гребной винт работает в неравномерном поле скоростей, которое характеризуется осевыми, окружными и радиальными составляющими скорости попутного потока. При определении характеристик винта, как правило, учитывают только осевой попутный поток.

Из-за наличия попутного потока осевая скорость винта х_p оказывается ниже скорости судна:

v_щ = v - х_p,

где v_щ - осевая составляющая скорости попутного потока.

Отношение скорости попутного потока к скорости судна

v_щ / v = (v - х_p)/v = 1- х_p/v = щ

называют коэффициентом попутного потока.

С учетом коэффициента попутного потока, нетрудно получить следующее выражение для осевой скорости винта:

х_p = (1 - щ)v.

В результате неравномерности потока по диску винта коэффициенты упора и момента винта за корпусом судна будут иными, чем в свободной воде. Указанное влияние учитывается:

- коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на упор

i₁ = ;

- коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на момент

i₂ = ;



- коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на КПД винта

i = = i₁/i₂.

В практических расчетах принимают i =1, основываясь на том, что коэффициенты неравномерности потока i₁ и i₂ изменяются в пределах 0,96 1,02.

Рис.115. Попутный поток за корпусом судна при отсутствии давления

Рис.116. Формирование силы засасывания на корпусе судна: А - эпюра давления гребного винта; В- зона при работающем винте

Засасывание. Работая за корпусом судна, гребной винт подсасывает воду и увеличивает скорость обтекания кормовой оконечности судна. При этом в соответствии с законом Бернулли понижается давление во всей зоне, охваченной подсасывающим действием винта, что увеличивает сопротивление формы (рис. 116). Кроме того, повышение скорости обтекания кормовой оконечности приводит к возрастанию сопротивления трения. Заштрихованная на рис. 116 область соответствует уменьшению давления в корме от работы гребного винта. В результате этих явлений появляется дополнительная сила ДR, действующая на корпус и увеличивающая сопротивление воды движению судна. Эту силу принято называть силой засасывания. С учетом силы засасывания сопротивление движению судна

R' = R + ДR,

где R - буксировочное сопротивление судна без гребного винта

Таким образом, часть упора гребного винта, именуемой полезной тягой Р_е, затрачивается на преодоление буксировочного сопротивления R, а остальная часть упора идет на преодоление силы засасывания, т.е.

Р = Р_е + ДР.

Влияние засасывания принято учитывать с помощью коэффициента засасывания.

t = ДР / Р = Р - Р_е = 1 - Р_е / Р.

С учетом коэффициента засасывания, упор винта Р

Р = Р_е /1 - t .

Значения коэффициентов взаимодействия. Коэффициенты щ и t весьма сложным образом зависят от формы корпуса судна, формы и расположения выступающих частей, от числа винтов, их геометрических характеристик и расположения по отношению к корпусу, от режима работы винтов, степени неравномерности поля скоростей в месте расположения винтов и других факторов.

Коэффициенты взаимодействия определяют экспериментальным путем или по приближенным формулам.

Для режимов работы винта, отличающихся от расчетного, коэффициент засасывания может быть определен по приближенной формуле Э.Э. Пампеля

t = ,

где л_р - относительная поступь винта на рассматриваемом режиме; H/D - конструктивное шаговое отношение, t₀ - коэффициент засасывания на швартовом режиме (при л_р = 0), который принимается равным (0,30,6)щ или подсчитывается, если известны t и л_р для расчетного режима, по формуле t₀ = t [1 - л_р/(H/D)]; щ - коэффициент попутного потока для расчетного ходового режима.

Коэффициенты щ и t для расчетного ходового режима приближенно могут быть вычислены по формулам:

- для одновинтовых судов с обтекаемыми рулями

щ = 0,50д - 0, 05; t = 0,80 щ,

- для двухвинтовых судов

щ = 0,55д - 0,2; t = 0,25щ + 0,14 (с выкружками гребных валов),

t = 0,7щ + 0,06 (с кронштейнами гребных валов),

где д - коэффициент общей полноты корпуса судна.

Пропульсивный коэффициент. Совершенство гидродинамического комплекса винт-корпус оценивается пропульсивным коэффициентом движителя з_д, который представляет собой отношение буксировочной мощности к валовой мощности затрачиваемой на вращение винта ( §10.1.):

з_д = N_б / N_р = Rv/2рnM.

С учетом, что Р = Р_е /1 - t и х_p = (1 - щ)v, получим

з_д = ? (1 - t)/(1 - щ) = з_р з_к,

где з_р = Р х_p/2рnМ - КПД гребного винта, работающего в свободной воде (§4.), а коэффициент з_к = (1 - t)/(1 - щ) - коэффициент влияния корпуса (§10.1.).

8. Кавитация гребных винтов

Природа кавитации. Кавитацией называется явление разрыва сплошности течения капельной жидкости при понижении местного давления до некоторого критического значения р_кр. Область разрыва (кавитационная каверна) представляет собой объем, заполненный парами жидкости и растворенными в ней газами. Давление внутри каверны близко к давлению насыщенных паров р_d при данной температуре. Отсюда кавитацию гребного винта обычно рассматривают как явление вскипания воды в потоке, вызванном винтом, при снижении местных давлений до давления насыщенных паров, полагая р_кр р_d.

Природу кавитации можно проследить на примере элемента лопасти обтекаемого под углом атаки потоком жидкости, имеющим на бесконечности в точке А скорость х₀ и давление р₀ (рис.117). Выделим на одной линии тока с точкой А точку В у поверхности элемента лопасти. Скорость и давление в точке В обозначим соответственно через х₁ и р₁. Тогда уравнение Бернулли для линии тока запишется так:

р₀ + сх₀/2 = р₁ + сх₁/2,

или

др = р₁ - р₀ = [1 - (х₁/х₀)²].

Из формулы видно, что в тех точках поверхности элемента, где х₁>х₀ , давление понижается др<0; в местах, где х₁<х₀ давление повышается др>0. В результате на нагнетающей стороне лопасти вращающегося винта создается зона повышенного давления, на засасывающей стороне - зона пониженного давления.

Характерное распределений давлений на засасывающей и нагнетающей поверхности лопасти работающего гребного винта показано на рис.117. Как следует из рисунка, площадь эпюры давлений, а следовательно, и величина упора, развиваемого гребным винтом, на 7080% определяется разряжением на засасывающей поверхности и только на 2030% - повышением давления на нагнетающей поверхности лопасти.

Рис.117. Схема обтекания элемента крыла

При определенной частоте вращения гребного винта скорость обтекания лопасти достигает значения в 35 раз превышающего поступательную скорость судна. При этом давление на засасывающей поверхности понижается до давления насыщенных паров. В результате холодного кипения воды из нее выделяются растворенные газы. Пары и газы оттесняют воду от поверхности лопасти и образуют на ее засасывающей стороне кавитационную каверну.

Стадии кавитации и влияние кавитации на работу гребного винта. Различают две стадии кавитации. Первая характерна тем, что каверна захватывает только часть засасывающей поверхности лопасти, где скорость частиц наибольшая. На этой стадии гидродинамические характеристики гребного винта изменяются незначительно по сравнению с их значениями при безкавитационном обтекании. Объясняется это тем, что площади эпюр давлений при безкавитационной работе винта и в условиях первой стадии кавитации практически равны. Однако первая стадия кавитации нежелательна, так как является причиной механического разрушения материала лопасти - эрозии. Пары воды, переходя из области каверны в область более высоких давлений, конденсируются. Процесс конденсации пара и смыкания (разрушения) кавитационных пузырьков происходит с большой скоростью. В момент конденсации пузырьков пара вода мгновенно заполняет образующую пустоту, нанося по лопасти гидродинамические удары, причем местные давления достигают больших значений. В результате, в местах замыкания каверны, поверхность лопасти разрушается.

На второй стадии кавитационная каверна захватывает всю засасывающую сторону лопасти и замыкается в потоке за гребным винтом. На этой стадии кавитации эрозии не происходит, так как пары конденсируются за пределами лопасти. Однако гидродинамические качества винта по сравнению с безкавитационным обтеканием заметно ухудшаются. Увеличение частоты вращения винта уже не приводит к уменьшению давления на засасывающей поверхности лопасти, где р р_d, отчего упор винта практически не растет. Кроме того, потоком обтекается профиль более низкого гидродинамического качества (за счет каверны). Это вызывает увеличение вращающего момента, приложенного к винту, и уменьшение КПД движителя. Представление об ухудшении гидродинамических качеств винта, можно составить по кривым действия винта, отвечающим безкавитационному обтеканию и кавитации различной степени развития (рис.118). Сплошными линиями нанесены зависимости коэффициентов упора , момента , и КПД з_р винта от относительной поступи л_р при безкавитационнном обтекании и в первой стадии кавитации. Пунктирные линии представляют те же зависимости при наступлении второй стадии кавитации. Видно, что ухудшение гидродинамических характеристик наблюдается с уменьшением л_р (например, с увеличением частоты вращения винта n при х_p = const), что обусловлено увеличением углом атаки на лопастях. Величины, и з_р во второй стадии кавитации зависят не только от л_р, но и от параметра ч, называемого числом кавитации. Последнее характеризует величину предельного разряжения на лопасти, (в долях скоростного напора), которое может быть достигнуто в воде в заданных условиях:

ч = ,

где р_а - атмосферное давление; h_с - глубина погружения винта (рис.117).



Рис.118.Кривые действия кавитирующего винта

Число кавитации определяется только внешними факторами (р_а, h_с плотностью и температурой воды от которой зависит р_d), поступательной скоростью х_p и не зависит от геометрических элементов гребного винта.

Критическое число кавитации ч_кр соответствует возможному наибольшему разрежению на лопастях при докавитационных режимах их обтекания. Начало кавитации гребного винта определяется условием ч = ч_кр. При ч > ч_кр кавитация отсутствует, при ч < ч_кр винт кавитирует, причем тем больше, чем меньше число ч по сравнению ч_кр (рис.118).

В какой бы стадии не протекала кавитация, она всегда приводит к нежелательным последствиям: усиливает шум работающего винта, вызывает эрозию лопастей, снижает гидродинамические характеристики гребного винта, увеличивает неравномерность загрузки лопастей, что является одной из причин вибрации гребного вала и, как следствие, корпуса судна. Поэтому при проектировании винтов стремятся обеспечить их безкавитационную работу. С этой целью применяют профили с более равномерным распределением давлений по лопасти, увеличивают дисковое отношение, уменьшают относительную толщину лопасти, повышают давление на засасывающей стороне лопасти за счет погружения оси винта и т.п.

Для быстроходных судов (глиссирующие катера, катера на подводных крыльях и т.п.) во многих случаях не удается избежать кавитации гребных винтов, поэтому они оборудуются суперкавитирующими винтами (СКВ). Под суперкавитацией понимают сильно развитую вторую стадию кавитации, когда обтекание лопастей винта происходит со срывом струй и каверна уходит за пределы лопастей. Исходя из того, что при суперкавитации основная часть упора создается за счет давления на нагнетающей поверхности лопасти и форма засасывающей поверхности не играет существенной роли, СКВ имеют клиновидный профиль сечения лопасти и искривленную нагнетающую поверхность (рис.119). Такая форма лопасти, с одной стороны, способствует образованию каверны оптимальных размеров, с другой - обладает наименьшим сопротивлением вращению гребного винта. В условиях суперкавитации такие винты обладают более высокими гидродинамическими качествами по сравнению с некавитирующими гребными винтами.

Рис.119.Профили сечений лопастей суперкавитирующих винтов

Конструктивной особенностью СКВ является также острая входящая кромка лопасти и смещение наибольшей толщины профиля к выходящей кромке. Клиновидные профили такой формы позволяют уменьшить толщину каверн, образующихся в междулопастном пространстве, снизить их взаимное влияние и тем самым повысить гидродинамические характеристики винта. СКВ имеют сравнительно небольшое дисковое отношение И = 0,400,55, узкие лопасти, их число z = 23, что уменьшает возможность взаимного влияния каверн каждой лопастей.

Положительные качества СКВ проявляются при работе их на расчетном режиме в условиях полностью развитой кавитации. Для режимов, отличных от расчетных, когда кавитация отсутствует или развита частично, происходит повышенное вихреобразование позади тупой выходящей кромки лопасти СКВ, вследствие чего его КПД становится ниже, чем у обычных винтов. Начиная с ч = 0,4 и выше, СКВ уже уступают обычным гребным винтам.

9. Взаимосвязь между работой гребного винта и двигателем

Двигатель, работающий на винт, не является независимым: его мощность может изменяться только по винтовой характеристике N_е(n), которая определяет для него величину противодействующего момента. Мощность на валу двигателя N_е, обеспечивающую мощность N_р потребляемую винтом:

N_е = N_р/ з_в з_п = 2рсn³D⁵/ з_в з_п,

где з_в, з_п - КПД валопровода и передачи.

При заданных буксировочном сопротивлении и пропульсивном коэффициенте скорость судна v зависит от частоты вращения винта n. Можно считать, что v меняется пропорционально n, т.е. относительная поступь л_р = const. Так как в этом случае также является постоянной величиной, можно записать, что N_е = Сn³, где С - постоянный коэффициент.

Из изложенного следует, что с изменением буксировочного сопротивления винтовая характеристика меняется. При увеличении сопротивления винтовые характеристики будут резко возрастать, так как уменьшение относительной поступи винта л_р приведет к росту коэффициента момента и, следовательно, коэффициента С. Наиболее крутую винтовую характеристику судно будет иметь на швартовом режиме. При снижении сопротивления винтовые характеристики вследствие увеличения л_р и уменьшениястановятся более пологи ми. Наиболее пологую винтовую характеристику судно имеет при плавании в балласте. Как видим, в процессе эксплуатации судна его винтовые характеристики изменяются в широких пределах.

Рис.120. Взаимодействие гребного винта с двигателем внутреннего сгорания

Для оценки связи между винтом и двигателем, помимо винтовых характеристик, необходимо иметь характеристики двигателя, которые получают при стендовых испытаниях и представляют в координатах N_е - n виде кривых, определяющих поле возможных сочетаний N_е и n. Рассмотрим характеристики наиболее распространенного на промысловых судах двигателя внутреннего сгорания. Работа двигателя данного типа характеризуется следующими кривыми (рис.120): кривая 1 устанавливает минимально устойчивую частоту вращения двигателя; кривая 2, называемая верхней ограничительной характеристикой, определяет зависимость N_е от n при постоянном положении аппаратуры подачи топлива, соответствующем получению номинальной мощности N_е.н при номинальной частоте вращения n_н; кривая 3, именуемая регуляторной характеристикой, показывает частоту вращения двигателя при снижении нагрузки; кривая 4 является характеристикой холостого хода. Верхняя ограничительная характеристика является линией постоянного номинального крутящего момента М _кр.н, определяющей верхний предел длительной механической напряженности деталей двигателей.

Чтобы установить режимы совместной работы винта и двигателя, необходимо наложить винтовые характеристики на характеристики двигателя (рис.120). Если винтовая характеристика для расчетного режима плавания (кривая I) проходит через точку Н с координатами N_е.н и n_н, то гребной винт соответствует двигателю. С ростом сопротивления из-за увеличения осадки судна, обрастания корпуса, волнения и тому подобного изменяется винтовая характеристика (кривая II), поэтому при нормальной эксплуатации двигателя, не допускающей его загрузку выше верхней ограничительной характеристики, взаимосвязь между винтом и двигателем будет наблюдаться в точке Т. В рассматриваемом случае винт становится гидродинамически «тяжелым». При тяжелом винте частота вращения n_т двигателя меньше номинальной. С уменьшением сопротивления судна винт оказывается гидродинамически «легким». Винтовая характеристика (кривая III), построенная для этого варианта, пересечет регуляторную характеристику двигателя в точке Л, которой соответствует частота вращения n_л, равная или несколько больше номинальной. Как видно из рис.120, всякое несоответствие винта двигателю связано с уменьшением располагаемой мощности двигателя и приводит к снижению скорости судна. Согласованность винта и двигателя окончательно проверяется при натурных (скоростных) испытаниях судна. Практически следует считать, что винт согласован с двигателем, если двигатель при работе на винт развивает номинальную мощность при частоте вращения, которая отличается от номинальной не более чем на 13%. Для согласования винта с двигателем корректируется его шаговое отношение: для «легкого» винта - увеличивается, а для «тяжелого» - уменьшается Н/D. Обычно гребные винты проектируют несколько облегченными по сравнению с требуемыми для идеальных условий эксплуатации (при этом имеют в виду, что по мере обрастания корпуса и увеличения сопротивления в реальных эксплуатационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).

В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (промысловые суда, буксиры, паромы), вместо винтов фиксированного шага (ВФШ) применяют винты регулируемого шага (ВРШ).

10. Винты регулируемого шага

Для промысловых судов в эксплуатационных условиях характерны частые изменения буксировочного сопротивления, скорости и осадки при применении орудий лова, подъеме улова на борт, приеме и расходовании топлива и воды и других операциях. В этих изменяющихся условиях плавания ВФШ не позволяют снимать с двигателя полную мощность, что приводит к снижению скорости траления и свободного хода. Кроме того, на добывающих судах с ВФШ за одни сутки промысловой работы приходится десятки раз реверсировать двигатель, в результате чего резко снижается срок его службы. При дрифтерном и ярусном лове, подъеме улова и т.п. судно должно двигаться с малой скоростью, однако на судах с ВРШ это практически невозможно, так как минимально устойчивая частота вращения двигателя довольна велика. Поэтому приходится с интервалом в несколько минут запускать и останавливать двигатель. Такая работа двигателя вызывает ускоренный износ ее движущихся частей, т.е. уменьшает моторесурс двигателя.

Рис.121. Принципиальная схема ВРШ 1- лопасть; 2 - ступица; 3 - ползун; 4 - штанга; 5 - гребной вал; 6 - поршень; 7 - цилиндр

Винты регулируемого шага (ВРШ), лопасти которых специальным механизмом поворачиваются относительно осей, перпендикулярных оси вала, не имеют большинства недостатков, присущих ВФШ. Путем разворота лопасти (изменив шаговое отношение), всегда можно привести винт в соответствие с двигателем; без изменения направления вращения двигателя осуществить реверс судна и получить самые малые, и даже нулевую скорости судна при любой частоте вращения винта.

ВРШ (рис.121) состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) и привода механизма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе. Управление ВРШ осуществляется с местного поста и дистанционно. Пост дистанционного управления ВРШ устанавливается в ходовой рубке.

Механизм поворота лопастей управляется механизмом изменения шага. Наиболее распространенные механизмы поворота лопастей показаны на рис.122. На морских судах применяются обычно механизмы двух последних типов, как наиболее надежные. В механизме кулисного типа (рис.122, в) с поступательно движущейся штангой МИШ связан ползун, по направляющим которого перемещается сухарь. В сухарь вставлен эксцентрично закрепленный на лопасти палец. При поступательном движении штанги ползун передвигает палец и разворачивает лопасть. В механизме шатунного типа (рис.122, г) движение штанги передается шатуну, который поворачивает лопасть.

Рис.122. Механизм поворота лопастей: а - шестеренчатый; б - винтовой; в - кулисный; г - шатунный

Механизмы изменения шага по типу привода могут ручными, механическими, гидравлическими, электромеханическими и электрогидравлическими. Ручные и механические приводы применяются на винтах небольших размеров. Большинство ВРШ имеют гидравлические приводы, так как они обладают простотой, высокой надежностью, малыми габаритами и развивают большие усилия. Механизм изменения шага винта размещают внутри ступицы, внутри валопровода и вне валопровода и винта. На промысловых судах МИШ устанавливается, как правило, в валопроводе, реже в ступице. На рис.49 приведена схема ВРШ с МИШ, расположенным в валопроводе. Штанга, поворачивающая лопасть, проходит через полый гребной вал. Кормовой конец штанги связан с ползуном, носовой - с поршнем, который под давлением рабочей жидкости, подаваемой в одну из полостей цилиндра, передает через штангу поступательное движение ползуну. При большой длине штанги и значительных деформациях валопровода может возникнуть опасность несрабатывания механизма поворота лопастей и аварии МИШ. Этот недостаток устраняют, размещая МИШ в ступице несколько больших размеров или в кормовом подзоре судна.

ВРШ обладают следующими преимуществами по сравнению с ВФШ:

- обеспечивают полную мощность двигателя при широком диапазоне изменения скоростей, что важно при движении судна во льдах, при различных водоизмещениях, при тралении, при буксировке других судов и т.п.;

- обеспечивают любое значение скорости от наибольшего переднего до наибольшего заднего хода, без реверсирования двигателя и изменения направления и частоты вращения гребного винта;

- реализуют экономический ход судна по заданной оптимальной программе, обеспечивающей наилучшую комбинацию шага и частоты вращения.

Помимо перечисленных, ВРШ позволяют получить и другие менее принципиальные, но важные преимущества по сравнению с ВФШ, облегчающие управление судном с мостика. К ним относятся:

- существенное сокращение времени и расстояния, проходимого судном при экстренной остановке (в 1,5 раза меньше выбег) и реверсе;

- обеспечение только дистанционного управления с мостика;

- применение повышенного уровня автоматизации управления системой судно - двигатель - ВРШ;

- повышение маневренных качеств судна, в частности облегчение швартовок, исключение рывков при буксировке и т.п.;

- облегчение пуска двигателей, который осуществляется при положении лопастей ВРШ в нулевом шаге; при этом уменьшается число пусков и увеличивается моторесурс двигателя;

- возможность судна, оборудованного ВРШ, продолжительное время стоять на месте в ожидании лоцмана, для ориентации в обстановке, не останавливая вращения гребных винтов и прогревая двигатели; это обеспечивает установкой шага лопастей в нулевое положение;