СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ

Для приведения судна в движение с заданной скоростью к нему необходимо приложить усилие, равное по величине и противоположное 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. Однако наличия только источника энергии для движения недостаточно, необходимо передать эту энергию судну в виде работы постоянной силы. Для преобразования энергии двигателей в энергию поступательного движения судна служат специальные механизмы, называемые движителями.

Чем выше эффективность судового движителя, тем совершеннее происходит процесс преобразования затрачиваемой энергии, тем больше скорость судна, тем меньше расход топ­лива при той же мощности энергетической установки.

Движители разделяются на лопастные и водометные. Применяются четыре типа лопастных движителей: гребное весло, гребное колесо, гребной винт, крыльчатый движитель.

Гребное весло является наиболее примитивным типом движителя; оно появилось на заре человеческой культуры и в настоящее время применяется только на шлюпках и спортивных судах.

Гребное колесо является полупогруженным движителем, у которого рабочим органом служат лопасти (плицы). Находясь часть своего пути в воде, плицы сообщают ей ускорения и воспринимают вследствие этого реактивную силу упора. Гребные колеса вращаются вокруг горизонтальной оси, которая проходит поперек судна над поверхностью воды. В начальной стадии развития гребных колес на них применялись неподвижные плицы. Сейчас, как правило, используются только поворотные плицы, обеспечивающие более высокий КПД (до 0,50 – 0,60). виде работы постоянной силы. Для преобразования энергии двигателей в энергию поступательного движения судна служат специальные механизмы, называемые движителями.

Чем выше эффективность судового движителя, тем совершеннее происходит процесс преобразования затрачиваемой энергии, тем больше скорость судна, тем меньше расход топлива при той же мощности энергетической установки.

Движители разделяются на лопастные и водометные. Применяются четыре типа лопастных движителей: гребное весло, гребное колесо, гребной винт, крыльчатый движитель.

Гребное весло является наиболее примитивным типом движителя; оно появилось на заре человеческой культуры и в настоящее время применяется только на шлюпках и спортивных судах.

Гребное колесо является полупогруженным движителем, у которого рабочим органом служат лопасти (плицы). Находясь часть своего пути в воде, плицы сообщают ей ускорения и воспринимают вследствие этого реактивную силу упора.

Гребные колеса вращаются вокруг горизонтальной оси, которая проходит поперек судна над поверхностью воды. В начальной стадии развития гребных колес на них применялись неподвиж­ные плицы. Сейчас, как правило, исползуются только поворотные плицы, обеспечивающие более высокий КПД (до 0,50—0,60). Гребные колеса - сложный, тяжелый и дорогой тип движителя. Они не приспособлены для работы в условиях морского волнения. Поэтому в настоящее время они применяются иногда, например, на речных буксирах и речных пассажирских судах, плавающих на мелководье.

Гребной винт представляет собой конструкцию в виде ступицы с размещенными на ней лопастями, которые расположен
ы радиально на равных угловых расстояниях друг от друга. Гребные винты изготовляются цельнолитыми или со съемными лопастями.

Различают также винты фиксированного шага (ВФШ) (рис. 3.1, а) и регулируемого шага (ВРШ) (рис. 3.1, б), а также соосные гребные винты (рис. 3.2) и винты «тандем» (см. рис. 3.19). Гребные винты располагаются обычно в корме и только у некоторых специальных типов судов - в носу (у ледоколов и паромов челночного типа). Простота конструкции и передачи крутящего момента на движитель, малое влияние волнения на его гидродинамическую эффективность и ряд других преимуществ обеспечили гребному винту наибольшее распространение среди движителей на морских судах.

Конструктивные особенности гребных винтов фиксированного и регулируемого шага изложены в § 20.

Крыльчатый движитель представляет собой диск, установ­ленный заподлицо с плоской частью подзора кормы. В воде находятся только рабочие детали движителя - крылообразные вертикальные лопасти числом 4-8, расположенные по окружности диска на равных расстояниях одна от другой (рис. 3.3). Если к хордам профилей крыльев провести нормали, то они все пересекутся в единой точке, расположенной эксцентрично относительно центра диска и называемой центром управления N (рис. 3.4). 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 N вдоль диаметра движителя. Меняя положение точки N, можно создавать силы различной величины. Закон поворота лопастей при вращении диска должен быть таким, чтобы в первой половине окружности диска, обращенной в нос, лопасти становились входящими кромками наружу диска, а во второй половине - внутрь.

При таком законе движения ни одна лопасть (в любом по­ложении на окружности) не создает силы, обратной по отноше­нию к направлению движения. Перемещением центра управле­ния в стороны от основного диаметра при неизменном направлении вращения можно получить любые направления сил упора движителя. Таким образом, без реверсирования двигателя можно изменить направление движения судна на обратное,

Рис 3 4 Схема сил при движении судна с крыльчатым движителем: а — передний ход; б — поворот налево; в — поворот направо; г —движение лагом при двух работающих движителях

а также объединить в одном устройстве функции движителя

и рулевого органа.

Изменение положения центра управления N относительно центра диска 0 обычно осуществляется дистанционно с мостика.

На рис. 3.4 приведены схемы сил, развиваемых на крыльча-том движителе при изменении эксцентриситета и обеспечиваю­щих движение судна прямо и повороты налево и направо (рис. 3.4, б, в).

При установке на судне двух крыльчатых движителей оно получает возможность двигаться лагом (рис. 3.4, г). Благодаря этому свойству крыльчатые движители устанавливают на пор­товых буксирах, паромах, плавучих кранах и других судах, для которых характерны высокие маневренные качества. Крыльча­тые движители широко используются также в качестве подру­ливающих устройств.

теорией идеального движителя. Водометным движителем называют размещенный внутри корпуса комплекс, состоящий из водопроточных труб (или ка­налов) и насосов, которые засасывают воду из приемного от­верстия в днище судна и выбрасывают ее через отливной водо­провод. Реакция струи, отбрасываемой движителем с повышен­ной скоростью, является силой, движущей судно. Различают водометные движители с выбросом струи в воду и в атмосферу (рис. 3.5). Чтобы избежать засасывания посторонних предме­тов, приемное отверстие канала защищают специальной сеткой. В зависимости от конструкции насосной установки различают водометные движители с центробежными насосами и с осевыми пропеллерными насосами. Водометные движители широко ис­пользуются в речных условиях, особенно на мелководье. В мор­ских условиях они применяются в качестве подруливающих устройств.

§ 18. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИДЕАЛЬНОГО ДВИЖИТЕЛЯ

Чтобы установить общие закономерности работы всех дви­жителей гидравлического типа, определить верхнюю границу их КПД и выявить условия повышения эффективности, пользу­ются теорией идеального движителя.

Идеальным, называется схематизированный движитель, ра­бота которого сопровождается только потерями на непрерывное приращение скоростей жидкости в его струе, направленной про­тивоположно направлению движения судна.

В теории идеального движителя приняты следующие допу­щения:

1. Жидкость предполагается идеальной и безграничной, вследствие этого струя движителя простирается далеко за ним, а движение жидкости считается установившимся.

2. Движитель представляет собой тонкий проницаемый диск, который способен вызвать непрерывное приращение ско­рости потока за счет скачка давлений, являющегося причиной появления упора.

3. Струя движителя имеет резко очерченные границы, отде­ляющие ее от всего потока, и принимает цилиндрическую форму далеко за движителем.

Важным параметром, характеризующим действие идеального движителя, является площадь его диска, называемая гидравли­ческим сечением Р_р. Изобразим движение жидкости в системе координат, связанной с движителем (рис. 3.6).

4. Движитель представляет собой тонкий проницаемый диск, который способен вызвать непрерывное приращение ско­рости потока за счет скачка давлений, являющегося причиной появления упора.

5. Струя движителя имеет резко очерченные границы, отде­ляющие ее от всего потока, и принимает цилиндрическую форму далеко за движителем.

Важным параметром, характеризующим действие идеального движителя, является площадь его диска, называемая гидравли­ческим сечением Р_р. Изобразим движение жидкости в системе координат, связанной с движителем (рис. 3.6).

Пусть v_p и р_и—соответственно скорость и давление в невоз­мущенной жидкости с плотностью р; v_s — скорость в плоскости движителя; р\ и р₂— давление непосредственно перед движи­телем и за ним. Будем полагать, что скорость, вызванная дви­жителем на бесконечности за ним, равна w_a, а давление далеко за движителем равно р₀- Запишем уравнение Бернулли для участка линии тока от сечения /—/, находящегося в невозму­щенной жидкости, до сечения //—//, расположенного непосред­ственно перед диском. Поскольку жидкость считается безгра­ничной, силами тяжести можно пренебречь:

Для участка от сечения ///—/// до сечения IV—IV, расположен­ного на бесконечности от движителя,

Уравнение Бернулли в данном случае нельзя применить на всей длине линии тока, так как в плоскости диска имеет место скачок давлений. Последний легко находится из уравнений (3.1) и (3.2):

после чего упор можно вычислить с помощью формулы

Для определения упора применим также закон количества движения. Если т— масса жидкости, протекающей через движи­тель в единицу времени, то, записав разность количества движе­ния на бесконечности перед движителем и за ним

и подставив вместо массы т ее значение т = pF_pv_s, где v_s—сред­няя скорость потока, найдем

Отсюда получим

Выражение (3.8) называется теоремой Фруда — Финстер-вальдера, которая формулируется следующим образом: вызван­ная скорость в диске идеального движителя равна половине выз­ванной им скорости на бесконечности.