2. Судовой движитель

2.1. Общие положения

Прямолинейное равномерное движение судна происходит под действием движущей силы Т, уравновешивающей силу сопротивленияR_x, следовательно, силаTдолжна быть равна силеR_xпо величине и направлена в противоположную ей сторону.

Для создания и поддержания движущей силы Tна судне устанавливают специальное устройство, которое носит название движителя. Как правило, движитель является механическим. Поэтому на судне располагают также источники механической энергии, которую движитель преобразует в энергию поступательного движения судна. Часть ее при разгоне судна запасается в виде кинетической энергии, а другая часть расходуется на работу по преодолению силы сопротивления. Как было отмечено ранее, при установившемся движении судна эта работа характеризуется буксировочной мощностью, буксировочная мощностьP_δобеспечивается движителем. Она меньше мощностиP_T, подводимой к движителю. Отношение называют пропульсивным коэффициентом или КПД комплекса движитель - корпус судна.

Движитель расположен вне судна в непосредственной близости от его корпуса. Форма корпуса, влияя на картину обтекания движителя потоком воды, может ухудшать, а иногда и улучшать условия работы движителя, снижая или повышая его эффективность, что учитывается коэффициентом влияния корпуса η_к. Потери мощности в самом движителе учитываются его КПД –η_в. Таким образом, , где,аη_кможет быть как меньше, так и больше единицы.

Мощность P_T, подведенная к движителю, всегда меньше мощности на валу главного двигателяP_е, на величину потерь в линии валопровода (в сальниковых уплотнениях дейдвута, в опорных и упорном подшипниках), что учитывается через КПД валоаровода –η_вп, а также в передаче (зубчатой, электрической и др.), если она имеется, через КПД передачи -η_пер.

Следовательно, P_T=P_eη_впη_пер, или

Движители судов во принципу действия являются реактивными. Их движущая сила создается за счет отбрасывания с ускорением в сторону, противоположную направлению движения судна, масс жидкости или газа, захватываемых движителем из окружающей среды. Отбрасывание жидкости или газа осуществляется специально сконструированннми рабочими элементами, воспринимающими силу реакции отброшенных масс. Составляющая реактивной силы, совпадающая с направлением движения судна, называется силой упора или упором движителя.

Силы, возникающие на лопастях движителя обусловливаются сопротивлением лопастей движению их в жидкости (газе) и их подъемной силой. У большинства движителей основная часть силы упора создается за счет подъемной силы на лопастных элементах.

2.2. Идеальный движитель

Допустим, что массы жидкости, захватываемые движителем, отбрасываются в виде струи, в которой на достаточном удалении от движителя наблюдаются лишь скорости, противоположные направлению движения судна и равномерно распределенные по сечению струи. Если пренебречь потерями, обусловленными вязкостью, можно получить гидродинамическую схему, позволяющую вывести простые зависимости, характеризующие работу движителя. Такую схему называют схемой идеального движителя (рис.2.1). Теория идеального движителя основана на следующих допущениях: 1) жидкость идеальна, несжимаема, безгранична, течение в системе координат, связанной с движителем, стационарное; 2) размеры движителя в осевом направлении равны нулю, а сечение потока в движителе, называемое рабочим, или гидравлическим, принимается равным габариту рабочих деталей движителя в направлении, поперечном к направлению движения; 3) струя движителя далеко за ним имеет цилиндрическую форму, а давление там такое же, как и далеко перед ним [2,9].

Введем следующие обозначения (рис.2.1);

р₀,V_s- давление и скорость потока на достаточном удалении перед движителем;

V_ρ- скорость протекания жидкости через рабочее сечение;

V_a- вызванная скорость на достаточном удалении за движителем;

ρ₁,ρ₂- давление непосредственно перед движителем и за ним;

Sp- гидравлическое сечение движителя;

I и IV - cечения потока на достаточном удалении перед и за движителем соответственно;

II и III - сечения потока, совпадающие с передней и задней пo отношению к направлению движения судна, поверхностями лопастного движителя.

Поскольку размеры движителя в аксиальном направлении приняты равными нулю, эти сечения совпадают с рабочим сечением.

Применим уравнение Бернулли сначала к участку линии тока от сечения I до сечения II

Аналогично для второго участка от сечения IIIдо сеченияIV

Уравнение Бернулли нельзя применить ко всей линии тока, поскольку в плоскости рабочего сечения подводится энергия, обусловливающая скачок давления и изменение постоянной Бернулли. Из (2.2) и (2.3) имеем соответственно

Скачок давления в плоскости рабочего сечения будет

Упор, действующий на элемент dS_pплощади рабочего сечения движителя, запишется в виде

а упор движителя в целом

Применим теперь для определения упора закон количества движения. Пусть dm– масса жидкости, протекающая за единицу времени через сечениеdS_p. ТогдаdT=dmV_a. Величинаdm=ρV_pdS_p, следовательно,dT=ρV_pV_adS_pи

(2.5)

Приравнивая правые части (2.4) и (2.5) имеем

V_p=V_s+V_a/2

откуда следует, что аксиальная вызванная скорость в рабочем сечении идеального движителя равна половине вызванной скорости на достаточном удалении за ним.

Полезная мощность, развиваемая движителем при установившемся движении P_б=TV_s, так какR_x=T. Затрачиваемая идеальным движителем мощностьР_ТбольшеР_б, поскольку часть ее расходуется на ускорение отбрасываемых масс воды. Масса жидкостиdmприобретает дополнительную скоростьV_а, и, следовательно, кинетическую энергию

Всей массе жидкости, проходящей через рабочее сечение идеального движителя, сообщается кинетическая энергия

КПД идеального движителя будет

Из (2.4) и (2.6) следует, что чем выше вызванная скорость Va , тем больше сила упора и тем меньше КПД движителя.

2.3. Реальные движители

Судовые движители подразделяют на лопастные и водометные. У лопастных сила реакции воспринимается подвижными рабочими элемен­тами, передается на упорный подшипник, а через него и на корпус судна. У водометных движителей значительная часть рекции отбрасы­ваемых масс, а в некоторых конструкциях и вся, воспринимается не­подвижными элементами и через них передается на корпус судна.

Между собой лопастные движители отличаются расположением оси вращения относительно осей судна, а также формой, расположением и числом лопастей. К лопастным движителям относятся: а) гребное ко­лесо, б) гребной винт, в)крыльчатый движитель и г)воздушный винт. Наиболее распространенным движителем в настоящее время является гребней винт. Поэтому целесообразно остановиться на нем более под­робно, выделив этот вопрос в отдельный параграф. А теперь кратко остановимся на менее распространенных.

Гребное колесо.Этот тип движителя является частично погру­женным и располагается, как правило, по бортам судна. Имеет ось вращения, параллельную поперечной оси судна. Известны две конструк­тивные схемы гребных колес: с неподвижными (рис.2.2а) и поворотны­ми (рис.2.26) плицами (лопастями).

На плицы работающего колеса (рис.2.2а) набегает поток, ско­рость которого V₀, является геометрической суммой скоростиωr, обусловленной вращением колеса, и скоростиV₃, поступательного дви­жения судна. В результате обтекания плиц потоком на них развивают­ся гидродинамические силыR, примерно перпендикулярные поверхно­сти плиц. Приложив к оси вращения две противоположные силыR₁иR₂, равные и параллельные силеR, получим пару силRиR₂, мо­мент которой преодолевается двигателем. Проекция силыR₁, на на­правление движения даст силу упораТ.

При работе гребного колеса с неподвижными плицами возникают значительные потери энергии при входе плицы в воду и выходе ее из воды. С целью уменьшения потерь применяют колеса с поворотными плицами. Их снабжают эксцентриковым механизмом, обеспечивающим по­ворот плиц и уменьшение углов входа их в воду и выхода из воды. В итоге КПД колес повышается (0,5 - 0,6), однако их устройство усложняется, а масса увеличивается.

Схема колеса с поворотными плицами показана на рис.2.2б. Каж­дая плица шарнирно укреплена на оси А.

Рис. 2.2

К задней стороне плицы жестко прикреплен рычаг "b" (костыль), соединенный шарниром с тя­гой "d". Другой конец тяги "d" соединен с шарниром "с" эксцент­рика, ось которого отстоит от оси колеса на расстоянии "e". Кине­матика движения плицы ясна из рисунка.

Гребные колеса были первыми механическими движителями. В на­стоящее время они находят применение на мелкосидящих речных букси­рах и грузопассажирских судах. Эти движители имеет большой упор, низкую частоту вращения (0,3 - 0,5 с-1) и плохие массо-габаритные показатели. Суда с такими движителями очень рыскливы при качке, в связи с чем от использования их на открытых водных пространствах отказались.

Крыльчатый движитель.Этот тал движителя с осью вращения, па­раллельной или почти параллельной вертикальной оси судна распола­гается в кормовой части днища судна. Представляет собой бара­бан, ось которого является осью вращения движителя. Барабан уста­навливается так, чтобы его нижняя поверхность располагалась запод­лицо с днищевой частью судна. По окружности барабана на равных угловых расстояниях расположены 4-7 лопастей, которые могут совер­шать колебательные движения вокруг своих осей. Форма лопасти в

Рис. 2.3

плане напоминает форму самолетного крыла. Профиль поперечного сечения лопасти кры­лообразный, симметричный относительно ду­ги окружности барабана с закруглённой пе­редней кромкой. Все элементы кинематиче­ской схемы, приводящей в действие лопасти движителя, размещаются внутри корпуса судна. За один оборот диска каждая ло­пасть совершит одно полное колебание. Кинематическая схема движителя представлена на рис.2.3. Угол поворота лопастей изменяется с помощью механизма, расположенного внутри корпуса движителя и устроенного так, что центр управления Nможет быть установлен в любой точке внутри окружности. Как видно из рисунка, лопасти поворачиваются так, что перпендикуляры и их хордам пересекаются в точкеN. Ре­зультирующая скорость потока, набегающего на лопасть, складываемся на вектора скорости,V₃счет поступательного движения судна и вектораωrза счет вращения движители и образует с хордой лопасти угол атакиα_к. При этом на лопасти возникает подъемная силаР. Проекция ее на направление движения дает упорТ. Проекция на ка­сательную к окружностиQобразует момент, преодолеваемый двигате­лем. Сила упора является функцией длины отрезкаON, а направление - перпендикулярно ему. Перемещая центр управления в ту или иную точку окружности, можно изменить упор от нулевого до максимального значения по величине и от 0° до 360° по направлению.

Эта возмож­ность иллюстрируется рис.2.4. Применение этого движителя не требу­ет рулевого устройства и изменения частоты вращения двигателя. Судно, имеющее два крыльчатых движителя (рис.2.5) может двигаться лагом. Для этого упоры движителей Т₁иТ₂направляют так, чтобы на­правление их действия проходило через точку ЦБС (проекция центра бокового сопротивления на продольную ось). Результирующий упор в этом случае будет направлен перпендикулярно продольной оси судна. Такие движители целесообразно применять на судах с высокой манев­ренностью. Они эксплуатируются на буксирах, плавучих кранах и дру­гих судах технического флота.

Водометный движитель.Он состоит из водопроточных каналов, внутри которых расположен насос того или иного типа. Насос засасывает воду черва водозаборное отверстие и выбрасывает ее через выходное сопло (рис.2.6 .где 1,2- первая и вторая ступени насоса (а,б - винт и контрпропеллер), 3 - водометная труба, 4 - выходное сопло, 5 - водозаборный). Реакция струи, выбрасываемой в сторону, противоположную движению, и является силой, движущей судно. Выброс струи может производиться в атмосферу, под воду или быть полуподводным. В качестве рабочего органа применяют осевые пропеллеры либо центробежные насосы.

Часто водометные дви­жители оборудуются устрой­ствами для поворота отбра­сываемой струи, а также специальными заслонками, обеспечивающими ее реверс. Последние позволяют изменять направление движения судна (с переднего хода на задний) при неизменном направлении вращения главного двигателя.

По КПД водометные движители на умеренных скоростях движения уступают гребным винтам. Применяются на судах, плавающих в условиях мелководья и загрязненной акватории, когда малая осадка и луч­шая защищенность рабочего органа играют определяющую роль. При больших скоростях движения эффективность водометных движителей оказывается близкой к эффективности гребных винтов. Поскольку их применение обеспечивает ряд конструктивных и эксплуатационных пре­имуществ, в последние годы они стали применяться на судах с под­водными крыльями я скеговых судах на воздушной подушке.

Разгон воды в проточной части водометного движителя можно осуществлять не только с помощью насоса. Водометные движители, не имеющие насосного рабочего органа, часто называют гидрореактивны­ми. Такое название не является точным, поскольку все движители по своему принципу действия являются гидрорекактивными. Схемы движи­телей без насосного рабочего органа весьма разнообразны. Их можно подразделить на две основные группы: прямоточные и пульсирующие. Прямоточный движитель (рис.2.7) состоит из трубы переменного сечения, в которую поступает вода и подается газ под давлением. Об­разующаяся в трубе двухфазная смесь выбрасывается в сторону, про­тивоположную движению судна. Пря­моточный движитель создает тягу при движении, а начать движение с его помощью нельзя.

Пульсирующие движители (рис.2.8) лишены этого недостатка. На­личие клапана 1, позволяющего периодически перекрывать водоприем­ный канал, обеспечивает получение тяги и при отсутствии движения. Но такой движитель созда­ет упор лишь при закрытом клапане, когда в трубу 2 подается газ. Поэтому его КПД ниже, чем у прямоточного движителя.

2.4. Гребной винт

Это наиболее распространенный тип движителя. Он применяется на судах всех типов, от­ягчается простотой конструкции, надежностью в эксплуатации, высоким КПД (0,7 - 0,75) и относительно малой массой. Осью вращения его является гребной вал, параллельный оси судна или имеющий небольшой наклон к ней. Один из его концов, выходящий за пределы корпуса судна, заканчивается ступицей (рис.2.9 ,1 - ступица, 2 - лопасть), которая имеет ряд лопастей (от 2-х до 8-и), установлен­ных радиально на одинаковом угловом расстоянии друг от друга.

Гребные винты располагаются в кормовой оконечности судна. Лишь на некоторых тинах судов (паромы, ледоколы) могут дополнитель­но устанавливаться носовые винты. Обычно суда оборудуются либо одним винтом в диа­метральной плоскости, либо двумя, располо­женными симметрично по бортам. Реже встре­чаются трех- и четырехвивтовые суда.

Как правило, на каждом гребном валу устанавливают один гребной винт. Однако, в целях повышения КПД иногда применяют два соосных винта, вращающихся в противоположные стороны. В этом случае внутри полого вала размещает второй вал и один из винтов приводится во вращение наружным валом, а другой - внутренним. Подобные гребные винты называют "парными". Еще реже используют конструкцию с двумя винтами, вращающимися в одну сторону; такие винты принято называть винтами "тандем".

Особенности геометрии и конструкции гребного винта.Возьмем отрезок ОВ (рис. 2.10) и будем его вращать вокруг00΄. Одновременно будем его перемещать поступательно вдоль оси00΄.ОтрезокАВпри этом описывает винтовую поверх­ность и носит название об­разующей этой поверхности. При равномерных поступа­тельном и вращательном движениях образующей любой формы и произвольном угле наклона к оси получается винтовая поверхность постоянного шага. Если эту поверхность пересечь несколькими соосными цилиндрами, по­лучим соответствующее число винтовых линий постоянного геометриче­ского шага. Одну из таких линий опишет точкаСобразующейАВ, ле­жащая на радиусеr. Развернув винтовые линии постоянного шага на плоскость, получим для каждого сечены шаговый треугольник, катетами которого служат шаг винтовой линии Н и развертка основания соосного цилиндра2πr.Угол наклона винтовой линии, образующей ги­потенузу треугольника, назначают шаговым углом, который определяет­ся соотношениемtgν=H/2πr. Винтовая поверхность постоянного шага называется правильной, если ее образующая прямолинейна и перпенди­кулярна оси вращения.

Лопасти гребного винта представляют собой тела, образованные винтовыми поверхностями. Поверхность лопасти винта, обращенную в корму судна при движении его передним ходом, называют нагнетающей поверхностью. На ней возникает повышенное давление. Поверхность лопасти, на которой создается пониженное давление, называется за­сасывающей, эта поверхность обращена в нос судна. При движении задним ходом засасывающая и нагнетающая поверхности меняются мес­тами. У винтов наиболее простой геометрии нагнетающая поверхность представляет собой винтовую поверхность постоянного шага. Засасы­вающая поверхность всегда образуется неправильной винтовой поверх­ностью, шаг которой изменяется и по радиусу, и вдоль оси.

Линия пересечения нагнетающей и засасывающей поверхностей об­разует контур лопасти. Наиболее удаленная от оси вращения точка контура лопасти называется концом лопасти. Расстояние от конца до оси вращения представляет собой радиус винта R.Площадь круга, ометаемого лопастями винта при его вращении, рассматривают как гидравлическое сечение гребного винта.

Область примыкания лопасти к ступице называют корнем лопасти, а расстояние от корня лопасти до ее конца, измеренное по радиусу, - длиной лопасти l=R-r_o (r_o- радиус ступицы). Кромка лопасти, встречающая поток воды при движении судна передним ходом, называ­ется входящей, а противоположная - выходящей. В зависимости от на­правления вращения образующей винты могут быть левого и правого вращения.

Контур спрямленной поверхности лопасти может иметь различный характер (рис.2.11). Если рассечь лопасть соосным с винтом цилинд­ром и полученное сечение развернуть на плоскость, то образуется профиль сечения лопасти на данном радиусе. На рис. 2.11 представ­лены типичные формы контуров спрямленных поверхностей лопастей и их профили: I - симметричный (эллиптический), 2 - несимметричный (саблевидный), 3 - ледокольный, 4 - усеченный, а) - симметричный авиационный, б) - несимметричный авиационный, в) – двояковыпуклый сегментный, г) - выпукло-вогнутый, д) - сегментный, е) - ледоколь­ный, ж) - клиновой. В зависимости от типа гребного винта и его на­значения профили могут быть различной формы. Их можно подразделить на три группы профилей - сег­ментные, авиационные и клино­вые.

Для посадки винта на гребной вал в ступице имеется конусное отверстие с пазами для одной или нескольких шпо­нок.

Для изготовления гребных винтов широко используются бронзы и латуни, отличающиеся высокими механическими характеристиками и коррозийной стойкостью. На быстроходных судах иногда устанавливают гребные винты из тита­на. Нержавеющие стали используют для изготовления гребных вистов судов ледового плавания, чугун и углеродистые стали - для гребных винтов малых тихоходных судов. Некоторое распространение получили гребные винты из пластических материалов - полиамидов и стекло­пластиков на эпоксидно-фенольной основе.

Некоторые гребные винты представляют собой монолитную кон­струкцию, другие выполняются со съемными лопастями. Металлические гребные винты изготовляют путем литья с последующей механической обработкой. Поэтому монолитные винты, кстати наиболее распростра­ненные, называют цельнолитыми. Винты со съемными лопастями уста­навливают в основном на судах ледового плавания, где существует повышенная вероятность поломки лопастей. Съемные лопасти имеют в корневом сечения фланец и крепятся с помощью болтов или шпилек. Из-за наличия фланцев диаметр ступицы винта относительно больше, чем у цельнолитого, а форма ступицы гидродинамически менее благо­приятна. Поэтому КПД таких винтов на 2-5 % ниже, чем у цельноли­тых. Цельнолитые винты и винты со съемными лопастями часто называ­ют винтами фиксированного шага (ВФШ).

Упор гребного винта на переднем ходу судна воспринимается ко­нусом гребного вала, а на заднем - гайкой, навинчиваемой на нарез­ном конце вала.

Образование силы упора гребного винта. Если принять, что греб­ной винт вращается в твердой среде, как болт в гайке, то за один оборот он переместится в осевом направлении на расстояние, равное геометрическому шагуН. Но гребной винт работает в жидкости, поэ­тому за один оборот, он переместится в осевом направлении на рас­стояниеh₃< Н. Величинуh₃называют абсолютной поступью греб­ного винта. Если осевая скорость винта в жидкостиV₃, то абсолют­ная поступь определяется соотношениемh₃ = V₃ /n, гдеn- частота вращения винта.

Отношение абсолютной поступи h₃к диаметру винтаDназывают от­носительной поступью

и рассматривают как основную безразмерную кинетическую характерис­тику, определяющую режим работы винта в жидкости.

Гребной винт, вращаясь вокруг своей оси и перемещаясь поступа­тельно, воздействует на жидкость, проходящую через его рабочее се­чение. Прямолинейный поток, протекая через диск винта, ускоряется в осевом направлении (рис.2.12). Это приводит к сжатию струи, про­текающей через винт. В диске винта поток получает приращение мо­мента количества движения относительно оси винта и струя жидкости закручивается в сторону его вращения.

Таким образом, помимо образования осевых вызванных скоростей, возникают также тангенциальные скорости, направлен­ные в сторону вращения винта и являющиеся источником дополнительных потерь.

Рассмотрим многоугольник скоростей элемента лопасти гребного винта (рис.2.13), расположенного на радиусе r. Обозначим вызван­ную осевую скорость в диске винтаV_a1, окружную -V_t1, а их резуль­тирующую – V₁, Будем полагать элемент неподвижным, а жидкость - набегающей на него с осевой скоростьюV₃вследствие движения судна и окружнойV_n=2πrnвследствие вращения винта.

Геометрическая суммаV₃, V_n, V_a1,V_t1является результирую­щей скоростьюV_iпотока, набегающего на рассматриваемый элемент лопасти. Эта скорость образует с элементом некоторый угол атаки. Примем, что силы, действующие на рассматриваемый элемент и элемент крыла бесконечного размаха с профилем той же формы, равны при одинаковых углах атаки. Известно, что на крыло, обтекаемое потоком под некоторым углом атаки, действует подъемная силаУ, перпендикулярная скорости набегающего потокаV_i, и сила профильного сопротивленияX, противоположная по направлению этой скорости.

Гидродинамические характеристики профиля крыла определяются безразмерными коэффициентами подъемной силы С_у и силы сопротивленияС_х

икоэффициентом обратного качестваε, который обычно называют "обратным качеством":ε = X/У = С_х / С_у, гдеS- площадь крыла,р- плотность среды.

Коэффициенты С_у и С_хдля данного профиля являются функциями угла атаки. Угол атаки, при котором коэффициентС_уобращается в нуль, называют углом нулевой подъемной силы, а направление по­тока, соответствующее этому углу, называют направлением нулевой подъемной силы (HНПC). Угол атаки удобнее отсчитывать от ННПС. Его называют гидродинамическим углом атакиα_i, а образован он вектором скорости набегающего потока и ННПС. Характерные зависимостиС_у.

С_хиεот гидродинамического угла атакиα_iпоказаны на рис. 2.14. Коэффициентε, характеризующий эффективность профиля, зависит от его формы, угла атаки и степени шероховатости поверхности. Существует такое значениеα_i=α_опт, при которомε= ε_min принимает минимальное значение. Этот угол называют наивыгоднейшим или оптимальным углом атаки. Из рис.2.13 следует, что

а

Угол β_i, в свою очередь, является проекцией углаβ, характериюущего соотношение между осевой и окружной составляющими скорости потока без учета вызванных скоростей.

Если скорость V_i образует с ННПС элемента уголα_i, на нем, как на крыле, возникает подъемная силаС_у и профильное сопротивле­ниеС_х. Проектируя эти силы на направление оси винта, получим упор, создаваемый элементом лопасти.

Проектируя силы dYиdXна направление окружной силы, получим ка­сательную силыdQ, момент которойdMотносительно оси винта прео­долевается двигателем и составляет

Из (2.8) и (2.9) следует, что упор элемента лопасти созда­ется за счет его подъемной силы, а профильное сопротивление умень­шает упор и увеличивает касательную силу, а, следовательно, потреб­ный момент на валу гребного винта.

Полагая площадь элемента крыла dS = bdr, гдеb- ширина кры­ла, создаваемый им упор и момент можно выразить через безразмерные коэффициенты:

Чтобы определить упор Tи моментM_всопротивления вращению на валу гребного винта, необходимо проинтегрировать (2.10) и (2.11) в пределах длины лопастиl=R-r_o и умножить их на число лопастей винтаz:

Если в (2.12) вынесем за знак интеграла , а в (2.13) множи­тель, выражения упора и момента примут вид:

Интегралы в (2.14) и в (2.15) не имеют размерности. Это поз­воляет считать их коэффициентами k₁иk₂соответственно. Величинуk₁называют коэффициентом упора винта, аk₂- коэффициентом момента винта. Тогда

Мощность, необходимую для вращения винта, можно подсчитать по формуле

КПД винта в соответствии с 2.16, 2.18 и 2.7

Безразмерные гидродинамические характеристики k₁,k₂ иη_в, представленные в функции относительной поступиλ_S, называются кривыми действия винта (рис.2.15). С их помощью можно определить упор, момент и КПД изолированного винта при различных режимах его работы.

Геометрически подобные винты при оди­наковых отношениях V_iиn будут иметь одина­ковые значенияk₁иk₂как интегралов в (2.14) и (2.15). Поэтому кривые действия определяются по результатам бассейновых испытаний моделей гребных винтов.

Винты регулируемого шага.Гребные винты регулируемого шага (ВРШ) имеют съемные лопасти, которые с помощью специального меха­низма можно поворачивать при вращающемся винте. Характеристики ВРШ при установке его лопастей на номинальный шаг, соответствующий расчетному режиму работы, практически совпадают с аналогичными ха­рактеристиками обычного гребного винта. Небольшие различия наблю­даются лишь в коэффициенте полезного действия, который вследствие относительно больших размеров ступицы у ВРШ ниже на 1-2 %.

Для перекладки (поворота) лопастей ВРШ используются гидравли­ческие, электромеханические, механические и ручные приводы. Наибо­лее распространенными являются гидравлические приводы.

Поворот лопастей производят перемещением штанги, расположен­ной э полом гребном валу. Для ВРШ гидравлического типа наиболее характерно расположение силового органа в линии валопровода внутри судна. В некоторых ВРШ гидравлический силовой орган расположен в ступице, а внутри гребного вала проходит штанга золотника и пода­ется масло под давлением.

По характеру работы ВРШ являются всережимными и обеспечивают получение всех ходов от полных вперед до полных назад.

Основными узлами ВРШ с гидравлическим приводом является винт с поворотными лопастями (ВПЛ), полый гребной вал, механизм измене­ния шага (МИШ), который используется, если силовой орган находится в линии валопровода внутри судна. Если цилиндр с поршнем располо­жены в ступице, то в линии валопровода монтируется масловвод. Си­стему ВРШ обслуживает гидравлическая установка с масляными насоса­ми и специальная система управления, связанная с постом управления в рулевой рубке.

Применение ВРШ позволяет производить пуск гребного двигателя при минимальном моменте сопротивления, так как лопасти для пуска устанавливаются в положение "СТОП", соответствующее нулевому упо­ру. Судно с ВРШ может двигаться с какой угодно малой скоростью, при неизменной частоте вращения главного двигателя. При наличии ВРШ реверс главного двигателя производится как аварийная мера при отказе гидравлической системы управления перекладкой лопастей. Применение ВРШ на буксире позволяет производить натяжение буксир­ного троса чрезвычайно плавно, что исключает обрыв троса.

К недостаткам ВРШ следует отвести сложность конструкции, вы­сокую стоимость, которая выше стоимости такого же ВФШ в 3-4 раза, сложность обслуживания и ремонта и повышенный момент трогания с места.

Работа гребного винта с направляющей насадкой. Направляющая насадка представляет собой кольцевое крыло, соосное с гребным вин­том и охватывающее с небольшим зазором концы лопастей гребного винта. Профиль крыла обращен выпуклой поверхностью внутрь насадки, закругленная кромка профиля направлена в сторону движения судна. Площадь входного отверстия насадки больше площади выходного отвер­стия. В наиболее узком сечении насадки - в ее средней части распо­лагается гребной винт. Если насадка жестко закреплена на корпусе судна, она называется неподвижной. Когда насадка используется как орган управления, она может поворачиваться с помощью баллера, рас­положенного на 0,35-0,4 длины насадки от входящей кромки ее профиля. Такие насадки называют поворотными.

Между работающим гребным винтом и насадкой развивается взаи­модействие, в результате которого на насадке создается дополни­тельная сила упора. Благодаря поджатию потока, подтекающему к гребному винту, обтекание профиля направляющей насадки, происходит под некоторым углом атаки αи профиль работает как элемент крыла (рис.2.16). Вследствие этого на элементе насадки возникает подъем­ной сила и сила профильного сопротивления. При соответствующем углеαпроекция подъем­ной силы на направление движения оказывает­ся больше проекции профильного сопротивле­ния и дает составлявшую элементной силы упораΔТ_Н. Сумма элементных упоров опреде­ляет упор насадкиТ_Н.

Таким образом упорТ_К, комплекса винт-насадка можно представить как суммуТ_К=Т+Т_Н, гдеТ- упор винта.

На ходовых режимах буксирных судов насадка позволяет повысить КПД комплекса на 20-30 %. Упор же при неподвижном судне (на швартовном режиме) увеличивается на 40-50 %.

2.5. Механические характеристики гребного винта

Режим работы винта подбирается так, чтобы винт в основном ра­ботал при максимальном значении η_в(рис.2.15), или близком к нему. В условиях спокойного состояния морской поверхности судно будет двигаться под действием силы упора с такой установившейся скоро­стью, при которой сила упора будет уравновешена только силой со­противления движению самого судна. Зависимость между моментом на винтеМ_Ви частотой его вращенияη_впри таких условиях носит на­звание характеристики винта в "свободной воде" (рис,2.17). В соот­ветствии с (2.17) она имеет вид квадратичной параболы. Каждой точ­ке этой характеристики соответствует определенная установившаяся скорость движения судна. Чем дальше от начала координат находится точка, тем выше скорость судна.

Если судно неподвижно при работающем винте, значение k₂в (2.Г7) выше, чем в предыдущем случав (λ_S= 0; рис.2.15). При тех же значениях частоты вращения винта значенияМ_В будут больше. Механи­ческая характеристика, соответствующая неподвижному судну, называется «швартовной»М_шв = а_ш n_в². Любой точке соответствует скорость судна

V₃ = 0.

Между швартовной характеристикой и характеристикой в свободной воде распола­гаются так называемые буксировочные ха­рактеристикиМ_δi=а_δi n_в². Оки наблюдают­ся в том случае, если сопротивление судна по тем или иным причинам возрастает. Так же как и для характеристики в свободной воде, на буксировочных характеристиках каждой точке соответствует свое определен­ное значение скорости. В период ледостава в воде находится много частиц снега, отдельных кристаллов льда или мелких частиц его. Такое состояние воды имеет несколько, как правило, местных названий: "ледяная каша", "шуга", "сало" и др. Работа винта в таких условиях вше напряженнее. Швартовная характе­ристика в "шуге"М_шш = а_шш n_в²проходит несколько вышеМ_шв, так как плотность среды в этом случае возрастает.

При заднем ходе судна характеристики аналогичны.

Рассмотренные характеристики относились к судну, движущемуся однонаправленно либо "вперед", либо "назад". При атом ходу "вперед" соответствует одно направление вращения винта, а ходу "назад" - противоположное. Швартовная характеристика может рассматриваться как частный случай движения со скоростью V₃ = 0.

Рассмотрим характеристики при изменении направления вращения винта. Изменение направления вращения ВФШ производится с целью из­менения направления движения судна на обратное. Такой маневр назы­вают реверсом судна. Маневр изменения направления вращения винта называют реверсом винта. Поскольку гребной винт механически связан с главным двигателем, реверс винта производится путем реверсирова­ния главного двигателя.

Время реверса зависит от инерционных масс, совершающих движе­ние. Инерционность судна, движущегося поступательно, во много раз больше инерционности вращающегося винта и связанных с ним вала, присоединенных касс воды и движущихся частей главного двигателя. Они могут быть охарактеризованы их постоянными времени. Вследствие того, что постоянная времени судна на 1-2 порядка выше постоянной времени масс, связанных с вращательным движением винта, за время реверса винта скорость судна изменится незначительно, всего лишь на 2-5 %. Таким изменением скорости судна можно пренебречь, что позволит рассматривать реверс винта при неизменной поступательной скорости движения судна.

Из рис.2.13 и 2.15 можно видеть, что при работе гребного винта на швартовахλ_S = 0, аk₁иk₂ будут наибольшими, поскольку углыα_i достигают при этом максимальных значений. КПД винтаη_в = 0, посколькуλ_S = 0. С увеличениемλ_Sуглы на всех элементах ло­пасти возрастают, что приводит к уменьшению угла атакиα_i, сил, действующих на эти элементы, и коэффициентовk₁иk₂ винта в целом. При некотором значенииλ_S = λ₁, коэффициент упораk₁, обращается в нуль, а коэффициент моментаk₂>0, т.е.Т=0, аМ_в≠0.Условие, которым определяется режим нулевого упора элемента лопасти винтаdТ=0, может быть записано в видеdYcos β_i =dXsin β_i(рис.2.18а); КПД элемента лопасти в этом режиме будет ра­вен нулю.

При некотором значении λ_S = λ₀, причемλ₁ < λ_S < λ₂ угол атаки элементаα_i= 0 и подъемная сила на нем не создаетсяdY= 0(рис.2.18б). Гребной винт в этом случае рабо­тает в режиме нулевой подъемной силы.

При дальнейшем росте λ_Sдо значенияλ_S= λ коэффициентk₂=0, аk₁<0. Угол атакиα_i<0 и подъемная сила на элементе лопасти также меня­ет свой знак (рис.2.18в). Гребной винт при этом работает в режиме нулевого момента. Он определяется условиемdМ_в = 0, илиdYcos β_i =dXsin β_iприdY<0.

Анализируя кривые действия винта, можно заметить, что в диапазоне 0< λ_S < λ₁гребной винт развивает положительный упор и работает как движитель. При λ_S >λ₁винт работает в режи­ме гидротурбины, создавая вращающий момент. В диапазоне поступейλ₁ < λ_S < λ₂, гребной винт не может быть использован ни как движитель (Т<0), ни как турбина (М>0).

Зависимость момента сопротивления винта от частоты его вращения при реверсе называют реверсивной характеристикой. На рис.2.19 показан типичный вид реверсивных характеристик ( ---- при направлении вращения винта, соответствующем ходу "вперед" и реверсу с хода "вперед" на ход "назад"; - - - - - обратного направления). Точками 1-5 показано значение частоты вращения, с которой начинается реверс. Каждой из точек соответствует свое зна­чение скорости движения судна, причем V_S1 >V_S2 >V_S3 >V_S4 >V_S5. Для каждой из реверсивных характеристикM_Р1–M_Р5 считаем, что скорость суднаV_S1 –V_S5остается неиз­менной.

Чтобы среверсировать винт, уменьшают его частоту вращения. При этом довольно быстро падает момент сопротивления (см., напри­мер, характеристику M_Р1,при которой реверс начинаем с точки I иV_S1). Если принять координаты точки за единицу, то уже приn_в=0.6 – 0.75М_в=0 (точка А). При дальнейшем уменьшенииn_вмомент становится

отрицательным, т.е. сам винт переходит в режим гидро­турбины. Если продолжать снижать частоту вращения максимальное значение момента в режиме гидротурбины наступит в точке В, приn_в=0.35.М_вможет достигать при этом 1,0 и даже выше. Если винт затормозить (n_в=0; точка С) значение момента при этом будет по-прежнему отрицательным и равным 0,2-0,4. При вращении винта в обратную сторону отрицательный номинальный момент достигается уже пои частоте вращенияn_в = - (0,3 – 0,35). По мере накопления опытного материала относительно поведения гребных винтов в режиме их ревер­сирования выяснилось, что обобщенной реверсивной характеристики не существует. Особенно это относится к участку, характеризующему ре­жим работы гидротурбиной.

2.6. Взаимодействие гребного винта со льдом

Удары лопастей о лед и заклинивание винта являются наиболее тяжелыми режимами работы гребной установки. Чаще всего именно они вызывают повреждения винтов и валов.

При работе ледоколов в полях ровного льда каждая лопасть в соприкосновение со льдом, разрушает его и далее поворачивается в свободной воде. Соответственно этому меняется и момент сопротивле­ния. Он значительно увеличивается во время разрушения льда лопас­тью.

Если момент сопротивления больше некоторого предельного зна­чения, то установке не будет в состоянии преодолевать дополнитель­ную ледовую нагрузку. Гребной винт окажется заклиненным попавшей под его лопасти льдиной.

Наблюдения при плавании ледоколов в ледяных полях показали, что лопасти гребного винта фрезеруют попавшие под них льдины. Ког­да под лопасть попадает льдина, которую винт не в состоянии разру­шить, она "буксируется" судном. Если она упрется в ледовое поле, силы, воспринимаемые лопастью, могут оказаться настолько большими, что повредят винт (чаще всего его лопасть) или даже вал.

В соответствии со свойствами льда (текучесть и хрупкость) он разрушается или вследствие смятия, или за счет скалывания с одно­временным смятием. Не рассматривая вопроса, как определить необхо­димые для разрушения льда моменты на винте, обратимся к рис.2.20.

Помимо характеристик винта в свободной воде и швартовной, на нем представлен характер граничных значений моментов на винте, необходимых для разрушения льда |4].

Теоретическая зависимость значений момента разрушения льда смятием показана кривой М_см. Аналогичная зависимость за счет смятия и скалывания изображена какМ_см+скПроверка этих зависимостей на опыте показала, что суще­ствует некоторое значение моментаМ_min, ниже которо­го разрушение льда не проис­ходит. Результирующее значе­ние момента, которое должно быть обеспечено для разруше­ния льда, показfно кривойM_вл, В диапазоне частот вращения винта0 ≤ n < n₁она получается как суммаМ_шв и левой ветвиМ_см. На участкеn₁ ≤ n < n₂- как суммаМ_швиМ_min. На участкеn₂ ≤ n < n₃- за счет сложенияМ_швс правой ветвьюМ_см, а приn ≤ n₃, как суммаМ_шв+ М_см+ск.

Вращающиеся части системы двигатель-валопровод-движителъ можно рассматривать, как некоторые материальные массы (двигателя и движителя), соединенные между собой механической связью (валопроводом). Валопровод же обладает упругими свойствами. Эта система, как и любая другая механическая система, имеет собственную резонансную частоту колебаний. Резонансные колебания возникают при определенной частоте вращения гребного вала. При резонансных явлениях возникают повышенные напряжения в материале механической системы. Если в диапазоне рабочих частот вращения действующие механические напряжения превышают допускаемые для длительной работы. Регистр СССР требует назначить запретную зону частот вращения. Она должна быть не меньше определенной по формуле

где n_p - расчетная частота вращения,n_зап - запретные частоты вращения,n_рез - резонансная частота вращения,τ_рез- механическое напряжение приn_резτ_допдопустимое механическое напряжение [7].

Резонансные колебания, возникавшие при вращательном движении, носят название крутильных колебаний. Причиной их возникновения яв­ляется неравномерность действующего в системе какого-либо механи­ческого момента. Источником такой неравномерности, например, явля­ется двигатель внутреннего сгорания.

На судах ледового плавания источником неравномерности момента является гребной винт, взаимодействующий со льдом. Возникающие при крутильных колебаниях напряжения создают опасность внезапного раз­рушения элементов системы.

Бороться с такими явлениями можно либо пассивным, либо актив­ным способом. К пассивному способу борьбы относится изменение па­раметров колеблющегося элемента, что позволяет сместить резонанс­ную частоту и вывести ее за пределы рабочего диапазона. В рассма­триваемом случае такой способ неприемлем, поскольку для смещения резонансной частоты за верхний предел рабочего диапазона, необхо­димо увеличивать диаметр вала, который уже у современных ледоколов достигает примерно метра.

Активный способ борьбы предполагает установку колебательной системы, создающей колебания той же частоты, но в противофазе. Та­ким способом можно уменьшить (сдемпфировать) переменную составляю­щую механических напряжений.

Очевидно, что энергетическая характеристика такой системы должна соответствовать энергетической характеристике источника крутильных колебаний. Поэтому такое решение либо малоприемлемо, либо совсем неприемлемо. Учитывая, что почти на всех ледоколах и судах активного ледового плавания подвод мощности от первичных двигателей к гребным винтам осуществляется с помощью электропере­дачи, целесообразно использовать ее демпфирующие свойства. Это возможно, поскольку при колебательном процессе между механической и электрической частями электропривода возникает обмен энергией, часть которой при этом теряется.