Подводный движитель с регулируемым шагом. Проектирование гребных винтов. Механический судовой редуктор
Судовой движитель– устройство для преобразования механической энергии двигателя или другого источника энергии в работу по перемещению транспортной машины (в данном случае – судна).
На судах используют следующие типы судовых движителей:
1. гребной винт, выполненный по поверхности винта Архимеда (он может иметь 2÷9 лопастей от широкой до узкой формы, симметричные в виде лепестка и изогнутые в виде сабли); гребные винты выполняются фиксированного и регулируемого шага, а их количество может быть от одного до трёх (см. рис. 7.1,а ,б );
2. Гребной винт в насадке (рис. 7.1,в ) – позволяет повысить пропульсивный КПД винта, при этом насадка заменяет руль;
3. соосные противоположно вращающиеся гребные винты (рис. 7.1, г ), позволяющие увеличить эффективность судового движителя (имеют сравнительно сложную конструкцию валопровода и главной передачи);
Рис. 7.1. Судовой движитель: а – гребной винт с неподвижными лопастями (винт фиксированного шага); b – винт регулируемого шага; с – гребной винт в насадке; d – соосные гребные винты
4. винторулевая колонка (см. рис. 7.2), позволяющая исключить руль (она может подниматься для уменьшения осадки судна и опускаться, уменьшая возможность кавитации гребного винта);
Рис. 7.2. Угловая поворотная откидная винторулевая колонка (крыло может быть необязательным)
5. крыльчатый движитель (насадка с поворотными лопастями – для изменения скорости и для реверса) – обычно на речных судах и судах типа река–море (см. рис. 7.3);
Рис. 7.3. Крыльчатый движитель: а – принцип действия; b – движитель Фойта–Шнейдера (вид сбоку); с – движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d – буксир с движителем Фойта–Шнейдера в носовой части судна; е – буксир с движителем Фойта–Шнейдера в кормовой части судна:
1 – Стоп; 2 – Передний ход; 3 – Задний ход; 4 – Поворот на левый борт; 5 – Поворот на левый борт (на заднем ходу); 6 – Поворот на правый борт; 7 – управляющий механизм; 8 – привод; 9 – лопасти; 10 – распределительные рычаги и тяги
6. водомётный движитель (см. рис. 7.4)– для небольших пассажирских и специальных судов (его основное преимущество заключается в закрытости рабочего колеса водомёта от различного рода повреждений);
Рис. 7.4. Водомётный движитель:
1 – движение вперёд (струя воды отбрасывается назад); 2 – движение назад (струя воды отбрасывается вперёд с помощью заслонки)
7. воздушные винты фиксированного и изменяемого шага (см. рис. 7.5) – для СПК, СВП и экранопланов;
Рис. 7.5. Воздушный винт изменяемого шага
активные рули (АР) имеют установленные на них вспомогательные винты, расположенные обычно на задней кромке пера руля (см. рис. 7.6); АР перекладывается с борта на борт на углы до 70÷90° и используется на малых скоростях до 5 уз (при больших скоростях винт АР отключается, и перекладка руля осуществляется в обычных пределах – до 35° на каждый борт).
Рис. 7.6. Активный руль
8. Электродвижущаяся система Azipod (Azimuth Pod – азимутальная гондола), которая включает в себя дизель–гене-ратор, электромотор и винт (рис. 7.7), уменьшая количество механических передач и достигая максимального пропульсивного коэффициента; имеет угол разворота до 360°, что повышает управляемость судна (при этом уменьшается расход топлива на 10÷20 % и вибрация корпуса судна);
9. CRP (contra–rotating propeller) технология – винты располагаются друг против друга и имеют противоположное направление вращения, чем достигается наибольший двигательный эффект (см. рис. 7.8), и которая используется для обеспечения большой скорости доставки груза или пассажиров.
Рис. 7.7. Система Azipod
Рис. 7.8. Contra–rotating propeller (CRP)
10. Раздельные поворотные насадки (РПН) – это стальные кольца, профиль которых представляет элемент крыла (площадь входного отверстия насадки больше площади выходного), агребной винт располагается в наиболее узком её сечении, что повышает его КПД (см. рис. 7.9);РПН поворачивается до 40° на каждый борт, что имеет большую эффективность, чем обычный руль (РПН устанавливаются на двухвинтовых судах и имеют конструкцию привода, позволяющую выполнять раздельную их перекладку, обеспечивая высокие манёвренные характеристики);
Рис. 7.9. Раздельные поворотные насадки
11. гребное колесо – как правило для речных судов на реках с малыми глубинами;
12. подруливающие устройства являются эффективным средством управления носовой (иногда и кормовой) оконечностью судна (см. рис. 7.10);они создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства;
13. турбореактивный двигатель (см. рис. 7.11) –в котором сжатиерабочего телана входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха икомпрессора, размещённого в тракте двигателя сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Используется на СПК, СВП и экранопланах.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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 = рD 2 /4 принято называть площадью диска винта . Диаметр ступицы d 0 (радиус ступицы r 0), у цельнолитых d 0 = (0,160,18) D, у винтов со съемными лопастями d 0 0,25 D, винты регулируемого шага имеют d 0 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 / (рD 2 /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 t 1 = х t /2. Результирующая скорость потока, набегающего на элемент лопасти:
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 р n.
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 :
где z - число лопастей; r 0 - радиус ступицы; R - радиус винта.
Момент сопротивления вращению винта:
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 D 2 , а в качестве характерной скорости - nD. Тогда, обозначив через 1 коэффициент упора , для силы упора получим следующую зависимость:
Р = сn 2 D 4 ,
откуда безразмерный коэффициент упора
Р /сn 2 D 4 .
По аналогии момент
М = сn 2 D 5 ,
безразмерный коэффициент момента
М /сn 2 D 5 .
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:
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 Н 1 /D и называть шаговым отношением нулевого упора или гидродинамическим шаговым отношением, а величину Н 1 - шагом нулевого упора или гидродинамическим шагом. Шаговое отношение нулевого упора Н 1 /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; d 0 /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
Мощности - диаметра
" d = 0,274х p D;
Упора - частоты вращения
Мощности - частоты вращения
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
Коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на момент
Коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на КПД винта
i = = i 1 /i 2 .
В практических расчетах принимают i =1, основываясь на том, что коэффициенты неравномерности потока i 1 и i 2 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
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
где л р - относительная поступь винта на рассматриваемом режиме; H/D - конструктивное шаговое отношение, t 0 - 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 t 0 = t ; 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 х 0 и давление р 0 (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 х 1 и р 1 . Тогда уравнение Бернулли для линии тока запишется так:
р 0 + сх 0 /2 = р 1 + сх 1 /2,
др = р 1 - р 0 = .
Из формулы видно, что в тех точках поверхности элемента, где х 1 >х 0 , давление понижается др<0; в местах, где х 1 <х 0 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:
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 = 2рсn 3 D 5 / 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 = Сn 3 , 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;
Подобные документы
Площадь смоченной поверхности судна. Расчет сопротивления трения судна для трех осадок. Расчет сопротивления движению судна с помощью графиков серийных испытаний моделей судов. Определение параметров гребного винта. Профилировка лопасти гребного винта.
курсовая работа , добавлен 19.01.2012
Расчет сопротивления воды движению судна. Расчет контура лопасти гребного винта. Распределение толщин лопасти по ее длине. Профилирование лопасти винта. Построение проекций лопасти винта, параметры ступицы. Определение массы гребного винта судна.
курсовая работа , добавлен 08.03.2015
Основные технические характеристики и мореходные качества рефрижераторного судна "Охотское море". Состав и особенности судовой энергетической установки. Расчет и кинематические характеристики гребного винта. Приемка и учет расхода масла и топлива.
курсовая работа , добавлен 28.11.2011
Выбор главного двигателя, передачи, количества гребных винтов. Определение мощности ГД. Расчёт потребностей судна в электроэнергии, паре и воде. Режимная карта пропульсивного комплекса. Анализ эффективности теплоиспользования в дизельной установке.
курсовая работа , добавлен 05.03.2015
Основные судовые документы. Исключения в отношении наличия судовых документов. Подлинность судовых документов. Документы, выдаваемые компетентными органами, подтверждающие определенные качества судна. Документы, отражающие жизнедеятельность судна.
контрольная работа , добавлен 14.07.2008
Описание технических характеристик и изучение документации по мореходным качествам рефрижераторного судна "Яна". Определение координат центра тяжести судна. Изучение состава и технических характеристик судовой энергетической установки и гребного винта.
курсовая работа , добавлен 12.01.2012
Проверка и анализ судовых систем судовождения во время их создания и в ходе эксплуатации. Средство предсказания поведения судна в различных условиях эксплуатации. Основа компьютерных тренажеров по управлению судном. Система управления судном без экипажа.
статья , добавлен 10.01.2011
Расчёт буксировочных сопротивления и мощности. Выбор главного судового движителя для создания полезной тяги. Расчёт и выбор гребного винта посредством определения его оптимальных параметров и использования высокого коэффициента полезного действия.
курсовая работа , добавлен 26.01.2015
Характеристика судовых вспомогательных механизмов и систем как важной части судовой энергетической установки. Классификация судовых насосов, их основные параметры. Судовые вентиляторы и компрессоры. Механизмы рулевых, якорных и швартовных устройств.
контрольная работа , добавлен 03.07.2015
Основные элементы корпуса судна и системы набора. Архитектурные элементы судов. Судовые помещения и трапы. Водонепроницаемые закрытия. Аварийный выход из машинного отделения. Системы дизельных судовых энергетических установок. Мореходные качества судов.
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 }