ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ С КОРПУСОМ СУДНА


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 vp 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;Ψf — коэффициент попутного потока трения; Ψр — 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 (ΔΨ1 и 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=К22 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 va, изменяющейся от 0 до 1,0, и сущест­венным изменением тангенциальной и радиальной составляю­щих ve и vr. 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 Рх является причиной продоль­ных колебаний валопровода, момент Мх — крутильных колеба­ний, сила Ру и момент Му вызывают вибрацию в вертикальной

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

плоскости, а сила Рг и момент Mz — вибрацию в поперечном направлении.

Амплитуды колебаний упора Р и момента Мр в большой степени зависят от числа лопастей гребного винта. Чем больше абсолютное число лопастей, тем амплитуды колебаний Р и Мр меньше. 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 Мшз, изги­бающего гребной вал.

При четном числе лопастей (z = 4, 6, 8) вследствие симмет­ричности поля скоростей амплитуды изменения Р и Мр 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 Мш, 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 Мр 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 Ре, затрачивается на преодоление

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

очевидно, что КПД винта цр 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.

 



Дата добавления: 2017-03-12; просмотров: 7058;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.021 сек.