ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ С КОРПУСОМ СУДНА

<4 5 678 9 10 >

При работе за корпусом судна гребной винт связан с ним кинематически и динамически, а также взаимодействует с ним гидродинамически. Кинематическая связь выражается в равенстве абсолютных поступательных скоростей судна и движителя; динамическая — в равенстве полезной тяги движителя силе сопротивления воды движению судна. Более сложным является гидродинамическое взаимодействие, которое заключается во взаимовлиянии полей скоростей, создаваемых корпусом судна и вызванных работой гребного винта. Основными факторами, определяющими это взаимодействие, являются расположение гребного винта за корпусом, форма кормовых обводов, конструктивные особенности и режим работы гребного винта.

Возмущения в районе расположения гребного винта, вызываемые корпусом, могут существенно изменить условия обтекания его элементов; однако и гребной винт изменяет окружающий его поток, а следовательно, и условия обтекания корпуса. По этой причине гидродинамические характеристики одного и того же гребного винта, работающего в свободной воде и за корпусом судна, будут различными, а сопротивление воды движению судна в присутствии работающего гребного винта будет отличаться от его буксировочного сопротивления.

Строгое изучение гидродинамического взаимодействия между гребным винтом и корпусом является весьма сложной теоретической задачей; поэтому обычно используют изложенный ниже искусственный прием: гребной винт условно рассматривают как изолированный, но работающий в потоке, измененном корпусом, а корпус судна рассматривают соответственно как буксируемый в потоке, измененном работой гребного винта.

Попутный поток.При движении" судно увлекает за собой близлежащие частицы воды, формируя так называемый попутный поток, направленный в сторону движения судна (рис. 3.30). Попутный поток, создаваемый корпусом судна и работающим за ним гребным винтом, называется эффективным попутным потоком. Его экспериментальное, а тем более теоретическое определение сопряжено с большими трудностями. Поэтому обычно определяют номинальный попутный поток, возникающий в месте расположения гребного винта у судна, буксируемого без винта. Номинальный попутный поток несколько отличается от эффективного, но в инженерных расчетах этим отличием, как правило, пренебрегают.

Попутный поток за корпусом судна неравномерен по величине и направлению; его скорости изменяются по радиусу и по окружности. Например, интенсивность попутного потока достигает максимума за ахтерштевнем, кронштейном гребного вала или кромкой руля, а минимума — по линиям, расположенным примерно по нормали к ахтерштевню.

При определении характеристик гребного винта в целом практически принято учитывать только осевой попутный поток, в результате возникновения которого скорость воды в месте расположения диска винта (при обращенном движении) будет меньше скорости невозмущенного потока далеко перед судном, т. е. скорость гребного винта относительно набегающего на него потока будет меньше скорости судна.

Средняя скорость попутного потока и в диске винта равна разности между скоростью судна v и осевой скоростью потока v_p в диске винта

Отношение средней скорости попутного потока к скорости судна

называется коэффициентом попутного потока.

Из формулы (3.72) нетрудно получить следующее выражение для скорости потока в диске винта:

Неравномерность попутного потока в месте расположения гребного винта объясняется главным образом неоднородностью его структуры, т. е. тем, что он состоит из нескольких, относительно независимых составляющих, каждая из которых обладает своим характерным распределением скоростей.

Одной из таких составляющих является потенциальный попутный поток, обусловленный полем скоростей вокруг изолированного корпуса, движущегося в идеальной жидкости при отсутствии трения и волнообразования. В этом случае судно при своем движении вытесняет частицы воды, которые в носу движутся вперед и в стороны, а в корме — вперед и внутрь, заполняя пустоту, непрерывно обращающуюся за кормой.

Вторая составляющая попутного потока за кормой судна имеет вязкостную природу и обусловлена силами трения. Она называется поэтому попутным потоком трения.

Величина потенциального попутного потока зависит, кроме того, от волнообразования в корме судна. Поэтому третьей, относительно небольшой по величине составляющей попутного потока, которую следует рассматривать как поправку к потенциальной составляющей, является волновой попутный поток, причем если вершина кормовой поперечной волны располагается позади диска гребного винта, то эта надбавка положительна; если же в районе диска винта располагается подошва волны, то она отрицательна.

Таким образом, коэффициент номинального осевого попутного потока можно представить в виде суммы

где Ψ — коэффициент потенциального попутного потока;Ψ_f — коэффициент попутного потока трения; Ψ_р — поправка к коэффициенту потенциального попутного потока, обусловленная волнообразованием.

Коэффициент попутного потока меняется с изменением осадки судна и увеличивается с ростом шероховатости корпуса.

Для определения коэффициента попутного потока были получены эмпирические зависимости путем обработки результатов испытаний моделей различных судов в опытовых бассейнах. В частности, для одновинтовых транспортных судов может быть использована следующая формула Шенхерра

где χ — коэффициент вертикальной полноты судна; L, В, Т — длина, ширина и осадка судна; Е — высота оси гребного вала над основной линией; D — диаметр винта; q\ — коэффициент, равный 0,3для судов с обычной кормой и 0,5—0,6— для судов с подрезанным дейдвудом; fi—угол наклона образующей лопасти, рад.

Для двухвинтовых судов с выкружками гребных валов ивращением винтов наружу

здесь σ— коэффициент общей полноты судна; f₂ — угол наклона выкружек к горизонту.

Для двухвинтовых судов с кронштейнами гребных валов

Коэффициент попутного потока одновинтового судна можнс найти также с помощью диаграмм Харвальда, представленных на рис. 3.31, по формуле

где Ψ₀— коэффициент попутного потока, определяемый по диаграмме (рис. 3.31, а) в зависимости от коэффициента общей полноты судна б и отношения L/B; ΔΨ₁— поправка, учитывающая влияние формы кормовых образований судна и определяемая по диаграмме (рис. 3.31,6);ΔΨ₂ — поправка, учитывающая влияние отношения диаметра винта D к длине судна и определяемая по рис. 3.31, в.

Коэффициент попутного потока двухвинтового судна может быть найден по рис. 3.31, г (без введения поправок (ΔΨ₁и ΔΨ₂)

Неравномерность попутного потока оказывает влияние на схему расчета геометрических и гидродинамических характеристик гребного винта и весьма существенно влияет на эксплуатационные свойства гребного винта и судна в целом.

Неравномерность потока в диске винта.Поле скоростей в диске гребного винта, особенно у одновальных судов, характеризуется весьма неоднородным распределением осевой составляющей скорости, что вызывает изменения за один оборот гребного винта углов атаки и скорости обтекания отдельных элементов лопасти и неблагоприятно сказывается на работе винта и про-пульсивных качествах судна в целом.

Неоднородность потока по радиусу винта приводит к распределению упора и момента по длине лопасти, отличающемуся от их распределения в свободной воде. В практике проектирования гребных винтов это явление компенсируется соответствующим распределением шага вдоль лопасти, приспособленным к изменениям скорости потока, т. е. приводит к гребным винтам с радиально-переменным шагом.

Неравномерность потока по окружности обусловливает периодически изменяющиеся силы и моменты, вызывающие вибрацию корпуса, циклические нагрузки на валопровод, дейдвуд-иое устройство в лопасти гребного винта.

В результате неравномерности потока в диске винта коэффициенты упора К₁ и момента К₂ гребного винта, работающего за корпусом судна, будут отличаться от соответствующих коэффициентов К\ и Кг в свободной воде. В расчетах гребных винтов

jto различие обычно учитывают следующими коэффициентами:

а) коэффициентом i= K ₁/K ₂влияния неравномерности потока на упор;

б) коэффициентом i=К₂/К₂ влияния неравномерности потока на момент;

в) коэффициентом i=i₁/i₂ влияния неравномерности потока на КПД винта.

Поле скоростей номинального попутного потока у одно-пальных судов характеризуется повышенной неравномерностью осевой составляющей v_a, изменяющейся от 0 до 1,0, и существенным изменением тангенциальной и радиальной составляющих v_e и v_r. Вследствие этого изменения упора и момента гребного винта носят циклический характер, причем главный вектор п главный момент возникающих на гребном винте гидродинамических сил имеют составляющие по всем осям координатной системы Oxyz (рис. 3.32).

Неравномерная осевая сила Р_х является причиной продольных колебаний валопровода, момент М_х — крутильных колебаний, сила Р_у и момент М_у вызывают вибрацию в вертикальной

Рис. 3.32. Разложение гидродинамических сил и моментов, возникающих на лопастях, на составляющие по координатным осям

плоскости, а сила Р_г и момент M_z — вибрацию в поперечном направлении.

Амплитуды колебаний упора Р и момента М_р в большой степени зависят от числа лопастей гребного винта. Чем больше абсолютное число лопастей, тем амплитуды колебаний Р и М_рменьше. Вследствие того, что на одновальном судне за один оборот каждая лопасть проходит зону повышенной неравномерности попутного потока (вдоль рудерпоста или вдоль кромки руля) и каждая лопасть — зону наименьшей неравномерности потока, силы, действующие на отдельную лопасть в течение одного оборота, различны, поэтому равнодействующая сила упора не совпадает с осью винта. Эксцентриситет приложения упора приводит к появлению постоянного момента М_шз, изгибающего гребной вал.

При четном числе лопастей (z = 4, 6, 8) вследствие симметричности поля скоростей амплитуды изменения Р и М_р оказываются существенно больше, чем при нечетном числе лопастей (z = 3, 5, 7) и могут достигать 20% от средних значений, в то время как амплитуды момента М_ш, изгибающего вал, наоборот, для винта с четным числом лопастей меньше и обычно не превосходят 3% от среднего значения крутящего момента (рис. 3.33). Характер изменения момента М_р аналогичен представленному на рис. 3.33 характеру изменения упора. Чтобы снизить амплитуды колебаний упора в лопастях гребного винта и уменьшить вероятность их усталостных разрушений, следует выбрать повышенное число лопастей, а для уменьшения амплитуды колебаний изгибающего вал момента необходимо принять повышенное четное число лопастей. На крупных одновальных судах с большим коэффициентом полноты б и высокой неравномерностью попутного потока (супертанкеры, супербалккэриеры) с целью снижения колебаний упора или момента, изгибающего вал, выбирают повышенные числа лопастей Z = 6, 7 и 8.

Во избежание усталостного разрушения впроцессе эксплуатации лопасти гребных винтов и гребные валы должны обладать необходимым запасом усталостной прочности и для этого должны рассчитываться на циклическую прочность. Недостаточный учет циклических нагрузок, действующих на лопасти гребных винтов и на гребные валы, приводит к усталостному разрушению лопастей, равносильному выходу судна из строя (см. §31).

Другим фактором взаимодействия гребного винта с корпусом является засасывание.

Засасывание.Как правило, гребные винты располагаются вкормовой оконечности судна (исключением являются некоторые морские паромы и ледоколы). 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, охва-

ченной подсасывающим действием винта, что увеличивает сопротивление формы (рис. 3.34). Кроме того, повышение скорости обтекания кормовой оконечности приводит к возрастанию сопротивления трения. Заштрихованное поле на рис. 3.34 со-

ответствует уменьшению давления в корме от работы гребного винта.

В результате этих явлений появляется дополнительная сила АР, действующая на корпус и увеличивающая сопротивление воды движению судна. Эту силу принято называть силой засасывания. Таким образом, часть упора гребного винта, называемая обычно полезной тягой Р_е, затрачивается на преодоление

скорость набегающего потока будет равна скорости судна v, а упор — тяге Р_е. Коэффициент нагрузки в этом случае будет равен

очевидно, что КПД винта ц_р падает при наличии попутного потока и засасывания, причем рост попутного потока снижает его быстрее, чем рост засасывания. Для судов с традиционными главными размерениями и коэффициентами полноты с возрастанием коэффициента попутного потока увеличивается про-пульсивный коэффициент. Однако для судов с повышенным коэффициентом полноты и соответственно высокими значениями φпадение КПД винта может превалировать над увеличением ƞ.

<4 5 678 9 10 >

Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 6794;