Изменение состояния гребных винтов в эксплуатации

В период эксплуатации изменяется состояние обшивки корпуса и лопастей гребного винта. Возрастает вязкостное сопротивление, одновременно повышается коэффициент попутного потока. При этом несколько компенсируются потери на трение, но возрастает коэффициент нагрузки по упору и, как следствие, снижается КПД винта.

Лопасти гребного винта, отполированные при изготовлении в соответ­ствии с требованиями ГОСТ 8054—72, до зна­чений мкм, в процессе эксплуатации изменяют состояние поверхности домкм; в отдельных случаях макрошероховатость поверхности вследствие корро­зии, эрозии и обрастания достигает нескольких миллиметров. В период достройки судна на лопастях появляется налет карбонатов маг­ния или кальция, что повышает шероховатость лопастей на 100—200 мкм.

Из теории крыла известно, что вследствие роста шероховатости возрастает профильное сопротивление , падает подъемная сила профилей лопасти , возрастает коэффициент обратного качества, причем существенно быстрее, чем падает . Это приводит к увеличению коэффициента момента и па­дению коэффициента упора,т. е. к существенному снижению КПД винта. Шероховатость лопастей даже бронзового гребного винта (исходная величина) может после достройки судна на плаву возрасти домкм, что приведет к снижению КПД винта на 10—15%.

Такие изменения шероховатости винта «утяжеляют» вин­товую характеристику.

Увеличение силы профильного сопро­тивления лопастей вследствие возрастания шероховатости повышает момент гребного винта, т. е. еще более «утяжеляет» винтовую характеристику. С изменением гидродинамических характеристик гребного винта , и относительной поступи изменяются частота вращения греб­ного винта и режим работы двигателя,. Это приводит к потере скорости судна, снижению мощности главных двигателей, увеличению расхода топлива.

Необходима тщательная очистка обшивки корпуса и лопастей гребных винтов при очередных докованиях. Если суда эксплуатируются в тропических и южных мо­рях, рекомендуется очистка переменного пояса корпуса, а луч­ше — всей его подводной поверхности; очистка и шлифовка лопастей гребных винтов обязательны, если обнаружено сниже­ние скорости в пределах 4—5% от спецификационной.

Влияние шагового отношения на изменение упора и момента при шероховатой только нагнетательной стороне

При покраске корпуса судна в доке необходимо следить, чтобы брызги краски не попадали на лопасти винта, так как они играют роль катода по отношению к не защищенной крас­кой поверхности и ускоряют процесс коррозии. Из этих же со­ображений не рекомендуется красить гребные винты, незави­симо от материала, из которого они изготовлены.

Влияние шероховатости входящей кромки на изменение упора и момента 1 – обе стороны; 2 – засасывающая сторона.

Сохранение состояния поверхности лопастей, предотвраще­ние коррозионного разрушения материалов, повышение коррозионно-усталостной прочности зависят от эффективности уста­новленной на судне протекторной или электрохимической защиты.

Гребные винты из латуней всех марок при отсутствии протектор­ной защиты, особенно в тропических водах, подвергаются обесцинкованию, т. е. выделению цинка из сплава. В этом случае металл лопастей, особенно в районах кромок, вследствие избирательной коррозии имеет губкообразный вид и приобретает пониженную прочность.

Шероховатость лопастей резко возрастает из-за обрастания гребного винта зоопланктоном и водорослями. В течение многих лет производились измерения шероховатости гребных винтов судов, проходивших докование и ремонт на заводе, при этом фиксировались: материал винта, даты предыдущих докований, время эксплуатации до очистки поверхности, районы эксплуатации и т. д. Всего было произведено более 3000 измерений на более 250 гребных винтах, включая винты одноименных судов при их многократных докованиях.

Измерение шероховатости всех гребных винтов -проводилось по приведенным ниже схемам. На основании данных осреднений и с учетом времени эксплуата­ции каждого винта были получены приближенные зависимости па­раметра шероховатости от времени эксплуатации за междоковый период применительно к четырем группам винтов, объединенных по материалам.

Схема измерения эксплуатационной шероховатости лопастей гребного винта: а) засасывающая сторона; б) нагнетательная сторона; 1) входящая кромка; 2) выходящая кромка.

Латунь .

Бронза .

Углеродистая сталь .

Нержавеющая сталь .

Здесь - время эксплуатации, мес.

Установлено:

- шероховатость (по значению ) больше на засасывающей по­верхности, чем на нагнетательной;

Зависимость изменения упора, момента и КПД от времени эксплуатации для гребных винтов из латуни ()

- на входящей кромке часто наблюдается большая шероховатость, чем на любом другом участке лопастных сечений;

у бронзовых гребных винтов на нагнетательной поверхности шероховатость равномерно увеличивается от входящей кромки к выходящей и от корня лопастей к ступице. Наибольшая зона шеро­ховатости наблюдается на засасывающей стороне на расстоянии от края лопасти . В средней части засасы­вающей поверхности происходит уменьшение значения. В целом это наиболее качественные материалы. Однако на отдельных греб­ных винтах наблюдаются участки особо повышенной шероховатости и местные язвы эрозионного происхождения;

- у гребных винтов из нержавеющей стали наблюдается сущест­венное увеличение шероховатости на периферийной части лопасти и на входящей кромке при относительно равномерном распределе­нии шероховатости в средней части лопасти;

- лопасти латунных гребных винтов подвержены общему износу и их шероховатость повышается от ступицы к периферии. Наблюда­ется кавитационно-эрозионный износ на засасывающей поверхности. Наибольшая шероховатость наблюдается в зоне входящей кромки и на внешнем радиусе засасывающей стороны. Второй по значению является зона входящей кромки нагнетательной по­верхности. Однако лопасти отдельных винтов через много лет эксплуатации имеют вполне удовлетворительную поверхность;

- лопасти гребных винтов из углеродистой стали через 12—24 месяцев эксплуатации имеют равномерный по поверхности коррозионный из­нос с глубиной язв и каверн 15—25 мм. Это подтверждает то, что углеродистая сталь не должна применяться для изготовле­ния гребных винтов морских судов. Даже у гребных винтов ледоко­лов лопасти из углеродистой стали полностью выходят из строя вследствие коррозионного износа через 10 месяцев эксплуатации.

Зависимость изменения упора , момента и КПД от времени эксплуатации для гребных винтов из углеродистой стали ()

Гидродинамически «тяжелые» гребные винты, шаговое от­ношение которых завышено при проектировании или оказалось больше необходимого вследствие старения корпуса, должны быть приведены в соответствие корпусу и главному двигателю. По данным анализа теплотехнических испытаний и рейсовых отчетов, необходимо установить сначала степень «утяжеления» гребного винта, т. е определить процент частоты вращения, не развиваемой двигателем по сравнению с расчетным значением п при правильной регулировке двигателя и его нормальном техническом состоянии, при спецификационной посадке судна, чистом свежеокрашенном корпусе и заданных метеорологических условиях. Степень увеличения шагового отношения можно затем оценить по винтовым диаграммам, используя как исходные данные результаты анализа теплотехнических испы­таний и материалов эксплуатации.

Для проверки результатов часто используют апробированное эмпирическое правило, согласно которому 1% снижения спецификационной частоты вращения при «тяжелом» гребном винте соответствует увеличению шага гребного винта приблизительно на 1,25%.

Приведение гребных винтов в соответствие двигателю и корпусу: а) «облегчение» винта обрубкой лопастей по радиусу; б) «облегчение» винта подрезкой выходящей кромки; в) «утяжеление» винта приданием вогнутости сечениям; г) «утяжеление» винта подрубкой входящей кромки. ---- линия обрезки или подрубки

У сборных гребных винтов с эллиптическими отверстиями во фланцах во время очередного докования разворачивают лопа­сти и уменьшают шаг на величину , соответствующую уста­новленному недобору по частоте вращения .

Уменьшить шаг «тяжелого» цельнолитого гребного винта невозможно. Для его «облегчения» используется сформулиро­ванное Э. Э. Папмелем эмпирическое правило о том, что для гребных винтов действует соотношение

Для гребных винтов транспортных судов эта зависимость справедлива в пределах 5—10% суммы . Следова­тельно, для гидродинамического «облегчения» гребного винта можно уменьшить его по диаметру на величину избытка шага. Учитывая, что зависимость справедлива только при со­хранении геометрического подобия, а при уменьшении диа­метра возрастает дисковое отношение, обрезку лопастей необ­ходимо произвести на величину. При этом кромка обрезанного по диаметру гребного винта во избежание кавитационной эрозии должна быть утонена до толщины кромки необрезанного винта

Уменьшение диаметра гребного винта обрезкой «облегчит» его, приведет в необходимое соответствие с двигателем, однако КПД такого винта будет ниже оптимального: , где—КПД обрезанного гребного винта;, — поправки к коэффициентам упора и момента необрезанного гребного винта. При обрезке на каждые 0,05R приращения равны: . Гидродинамически «тяжелые» гребные винты из цветных сплавов могут быть «облегчены» подрубкой выходящей кромки лопасти, обеспечивающей уменьшение гидродинамического шага(.

«Утяжеление» гидродинамически «легких» цельнолитых гребных винтов — значительно более сложная и трудоемкая операция. При наличии в лопастях запасов прочности и запасов на кавитацию такое «утяжеление» может быть произ­ведено подрубкой лопастных сечений с приданием вогнутости нагнетательной поверхности или подрубкой входящей кромки с увеличением шаговых углов сечений.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ.

Работа гребного винта связана с потерями энергии как при ее преобразовании (в энергию поступательного движения), так и в результате взаимодействия с корпусом судна. Так как пропульсивный КПД обычно не больше 80%, а для тяжело нагруженных винтов может быть около 50%, то от 20% до 50% энергии теряется.

Экспериментально установлено, что удачно спроектированный винт при плохом согласовании с корпусом, создающим минимальное буксировочное сопротивление , приводит к потере пропульсивного КПД до 40-50%.

Источники потерь:

- создание осевых и окружных вызванных скоростей (индуктивные потери);

- влияние вязкости жидкости на обтекание лопастей и ступицы (конструктивные, или профильные, потери).

Больше всего на величину потерь влияет коэффициент нагрузки винта по упору. При малых коэффициентах нагрузки основные потери - профильные. При больших коэффициентах нагрузки – индуктивные.

Для создания упора необходимы осевые скорости, поэтому потери энергии на их создание неизбежны. Все остальные виды потерь - непроизводительные затраты.

Из теории идеального движителя известно, что КПД движителя при заданном коэффициенте нагрузки по упору можно повысить за счет увеличения средней скорости струи, протекающей через диск винта.. Поэтому для уменьшения потерь, вызванных осевыми скоростями, используются направляющие насадки.

Баланс мощности, затрачиваемой на работу гребного винта: - полная мощность, потребляемая винтом; - полезная мощность;- потеря мощности на осевые вызванные скорости;- потеря мощности на закручивание потока;- потеря мощности на профильное сопротивление лопастей.

Для снижения индуктивных потерь проектируют винты оптимального диаметра. Увеличение диаметра винта при одновременном уменьшении частоты вращения повышает КПД, но возникает опасность аэрации; для предотвращения - корма специальной формы (один из вариантов – туннельная корма). Для повышения КПД используют направляющие насадки. Потери на закручивание струи существенно снижаются при использовании пары соосных винтов противоположного вращения (снижается коэффициент засасывания), также эти потери снижаются при несимметричной кормовой оконечности (обеспечивается предварительное закручивание потока в плоскости диска винта). Контрвинты и контрпропеллеры уменьшают потери энергии на закручивание струи. Необходимо обеспечить правильное профилирование лопастей и улучшать качество обработки поверхности лопасти.

Пропульсивные наделки.(«Груши Коста») на пеое руля в районе корневых сечений и ступицы повышает давление и уменьшает вихреобразование за ступицей.