ПРОПУЛЬСИВНЫХ КАЧЕСТВ СУДОВ

Средства, повышающие пропульсивные качества, можно классифицировать как судостроительные, т. е. предусмотренные в процессе проектирования и строительства судна, и эксплуата­ционные. Последние в основном содержат организационно-тех­нические мероприятия, обеспечивающие в эксплуатации под­держание пропульсивных качеств судна.

Возможности увеличения КПД современных гребных вин­тов ограничены. Поэтому повышение пропульсивных качеств проектируемых судов достигается главным образом за счет оп­тимизации всего движительного комплекса, под которым пони­мают конструктивное сочетание обводов корпуса в кормовой оконечности, выступающих частей, руля и гребного винта, обес­печивающее наиболее благоприятное взаимодействие движи­теля с корпусом судна.

Экспериментально установлено, что если удачно спроекти­ровать изолированный гребной винт и создать самые благопри­ятные с точки зрения буксировочного сопротивления обводы корпуса, то при плохом согласовании между ними возможны потери пропульсивного коэффициента до значения 40—50%.

Основные пути совершенствования ходовых качеств судов на стадиях их проектирования и строительства следующие: выбор оптимальных форм обводов и соотношений главных размерений; разработка мероприятий, создающих благоприятную ин­терференцию носовой и кормовой волновых систем; разработка кормовой оконечности, обеспечивающей минимальные величины вязкостного сопротивления формы; создание благоприятных ус­ловий взаимодействия движителей с корпусом; совершенство­вание одновинтовых и двухвинтовых судов.

Получили развитие исследования в области возможности управления пограничным слоем путем отсасывания и введения в него различных микромолекулярных соединений.

При заданных по общепроектным соображениям соотноше­ниях главных размещений и коэффициентах общей полноты кор­пуса существуют и достаточно эффективно используются воз­можности совершенствования формы обводов корпуса с целью снижения сопротивления и улучшения характера попутного по­тока. Наиболее известными из них являются средства снижения волнового сопротивления, меры по снижению общей и местной шероховатости, борьба с обрастанием и коррозией, в том числе с помощью специальных покрытий, применение новых типов движителей, создание благоприятных условий взаимодействия последних с корпусом. В частности, совершенствование форм обводов крупнотоннажных судов с высоким коэффициентом полноты 6 идет в направлении раздельной оптимизации обво­дов носовой и кормовой оконечностей.

Для быстроходных относительно острых грузовых судов бо­лее характерна тенденция оптимизации обводов всего корпуса. В том и другом случае широкое применение находят носовые бульбы таранного, полусферического и других типов, цилиндри­ческие, таранно-конические, носовые обводы и т. д. Целесооб­разность применения носовых бульбов обоснована в § 12 и 15.

При проектировании кормовых обводов крупнотоннажных судов стремятся к предотвращению отрыва пограничного слоя в этой области и улучшению коэффициентов взаимодействия гребного винта с корпусом, в частности путем применения сигарообразных и ряда других форм обводов кормовой око­нечности.

У быстроходных острых судов, так же как и у полных, об­воды кормовой оконечности завершаются транцем, применение которого дает чисто технологические преимущества. С гидро­динамической точки зрения у быстроходных скоростных судов вследствие ходового дифферента площадь погруженной части транца возрастает, что влечет за собой повышение сопротив­ления.

Увеличение размеров судов и повышение нагрузки на греб­ные винты обусловливают ухудшение пропульсивного коэффи­циента из-за использования неоптимальных по диаметру греб­ных винтов, вследствие ограничений, накладываемых техноло­гическими условиями, высоким значением коэффициента попутного потока, повышающим коэффициент влияния корпуса, но в большей степени снижающим КПД винта. Применение греб­ных винтов диаметром более 9,0 м ограничивается тремя фак­торами:

пределом производственных мощностей оборудования, по­зволяющего изготовлять винты диаметром около 8,0—8,5 м;

• превышением массы гребных винтов диаметром более 9,0 м (35—40 т) над грузоподъемностью существующего кранового оборудования доков;

необходимостью обеспечивать при увеличении диаметра до 8—9 м оптимальную частоту вращения в диапазоне 65— 80 об/мин.

Для судов с дизельной энергетической установкой такое уменьшение частоты вращения гребных винтов приводит к росту размеров двигателей внутреннего сгорания или необходимости применения специального редуктора.

Рассмотрим пути повышения КПД гребного винта.

Из теории гребного винта (§ 23) следует, что КПД гребного винта в свободной воде можно представить в виде произведения следующих сомножителей:

Множитель ƞ_ра характеризует индуктивные потери на создание осевых вызванных скоростей; множитель ƞ_Pt— индуктивные потери на окружные вызванные скорости;ƞ\_Рг—конструктивные и профильные потери.

Наряду с указанными при работе гребного винта имеют место следующие потери энергии:

кромочные индуктивные потери, обусловленные перетека­нием жидкости через кромку лопасти из зоны повышенного давления на нагнетательной стороне в зону пониженного дав­ления на засасывающей стороне;

потери на сопротивление ступицы;

индуктивные потери на создание радиальных скоростей.

Все индуктивные потери уменьшаются с уменьшением коэф­фициента нагрузки гребного винта по упору σ_Р.

Баланс мощности, затрачиваемой на работу гребного винта, представлен на рис. 3.61, из которого видны доли составляю­щих потери мощности.

В теории идеального движителя (§ 18) было установлено, что КПД движителя при заданном о_р можно повысить за счет увеличения средней скорости струи, протекающей через диск двигателя. Поэтому для уменьшения потерь, обусловленных осе­выми вызванными скоростями, на судах используются специ­альные конструкции, называемые направляющими насадками. Окружные вызванные скорости приводят к потере энергии на закрутку струи за гребным винтом, поэтому повышение эф­фективности движителей возможно за счет уменьшения окруж­ных вызванных скоростей благодаря установке контрпропелле­ров или применения соосных гребных винтов.

Кромочные потери могут быть уменьшены путем увеличения числа лопастей при постоянном дисковом отношении. Однако эта мера может привести к повышению профильных по­терь и ухудшению кавитационных характеристик за счет увеличения относительной тол­щины лопастей. Кромочные потери существенно уменьша­ются при работе гребного вин­та в направляющей насадке вследствие малых зазоров ме­жду кромкой лопастей и те­лом насадки.

Профильные потери обус­ловлены вязкостью жидкости. С целью уменьшения при про­ектировании гребного винта особое внимание уделяется вы­бору формы профилей лопаст­ных сечений и максимальному уменьшению их толщины. Большое влияние на величину профильных потерь оказывает

технологическая и эксплуатационная шероховатость поверхно­сти лопастей.

Влияние диаметра ступицы на КПД гребного винта начи­нает сказываться с относительного диаметра d_Ст.

При d_CT/D>=0,30 КПД падает на 5% и более.

Существуют устройства и конструкции, позволяющие повы­сить эффективность работы гребных винтов.

Направляющие насадки.Направляющие насадки (рис. 3.62). представляют собой профилированное кольцо, имеющее в ра­диальных сечениях форму профиля крыла и охватывающее с не­большим зазором ( — 0,01R) кромки лопастей гребного винта.

Идея применения насадки впервые была высказана русским инженером Ф. А. Бриксом в 1887 г., ее несправедливо припи­сывают немецкому инженеру Корту.

Площадь F_e входного сечения насадки всегда больше F_a — площади выходного сечения (рис. 3.63). В наиболее узком се­чении F_p располагается гребной винт. Вследствие этого увели­чивается скорость протека­ния жидкости через сече­ние винта и, следовательно, растет КПД винта.

Геометрия насадки характеризуется следующими элементами:

. Наибольший эффект обеспечивается направляю­щей насадкой не за счет увеличения осевой скорости потока и уменьшения кро­мочных потерь, хотя эти обстоятельства достаточно важны, а благодаря созда­нию насадкой дополнитель

ного упора, достигающего у буксирных судов 40—50% на швартовном режиме и 30—40% на ходу с возом от величины упора гребного винта без насадки.

Поскольку каждый элемент профиля работает как элемент крыла, обтекаемого под углом атаки а (рис. 3.63), на нем воз­никают подъемная сила dY и сила профильного сопротивле­ния dX, направленные нормально и вдоль вектора средней ско­рости натекания потока. В результате разложения гидродина­мической силы Д/?„ на вертикальную силу AQ и горизонтальную силу АР„ можно получить результирующую Р_к силу упора гид­родинамического комплекса винт — направляющая насадка

Сила воспринимается конструкцией самой насадки и ее крепления к корпусу.

Конструктивно насадки выполняются стационарными, т. е. жестко связанными с корпусом судна, и поворотными. Крайне редко применяются вращающиеся насадки, выполняемые в виде кольца, закрепленного жестко на лопастях гребного винта.

Поворотная насадка устанавливается на баллере и пово­рачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль.

Для гребного винта без насадки площадь поперечного сечения струи при работе винта в насадке не меньше F_a, вследствие чего КПД комплекса уве­личивается с увеличе­нием Ор. С повышением на­грузки за счет увеличения угла атаки а возрастает и дополнительный упор, раз­виваемый насадкой.

Увеличение аксиальной скорости протекания воды через насадку гидродинами­чески «облегчает» гребной

винт. Возрастание дополнительного упора с повышением на­грузки движителя приводит к тому, что от увеличения собствен­ного сопротивления судна или потребной силы тяги при букси­ровке гребной винт не «утяжеляется» и главный двигатель ра­ботает при постоянных значениях мощности и частоты вращения.

К преимуществам комплекса гребной винт — направляющая насадка относятся также следующие:

направляющая насадка служит своеобразным демпфером при работе гребного винта на волнении, сглаживая колебания сил на лопастях гребного винта;

насадка в значительной мере предотвращает поломку ло­пастей, уменьшая вероятность ударов о битый лед и плаваю­щие предметы;

применением так называемых осенесимметричных насадок со специальным профилированием сечений можно существенно снизить амплитуды нестационарных гидродинамических сил, передаваемых от винта на валопровод.

В настоящее время насадки устанавливают практически на всех буксирных судах, у которых σ_р = 5~8.

Широко применяются они также на судах каботажного пла­вания (σ_р = 2,5-=-4,0), на траулерах (σ_Р = 4-8), а в последнее время и на крупных танкерах. Для последних, вследствие боль­шой полноты кормовой оконечности, характерны высокие значения коэффициентов по­путного потока, что приводит к уменьшению скорости потока в диске винта и обусловли­вает увеличение о_р до 4,0—5,0. Применение насадок на супер­танкерах поэтому позволяет в отдельных случаях повысить скорость с грузом до 0,5 уз. или сэкономить топливо на 6—9%. На отечественных круп­нотоннажных танкерах типа «Крым» установлены осене-симметричные насадки, кото­рые, как показали натурные измерения, практически ис­ключили циклические на­грузки на гребные валы

Выравнивание поля скоростей в этих насадках осу­ществляется увеличением скоростей в верхней части диска за счет увеличения выходного сечения в верхней части насадки и применения ускоряющих профилей. В нижней части диска ско­рость снижается благодаря уменьшению выходного сечения в нижней части и применения замедляющих профилей.

Эффективность применения осенесимметричной насадки по снижению колебаний упора и момента на отечественном грузовом судне отражена на рис. 3.65.

Соосные гребные винты.Увеличение мощностей энергетических установок современных транспортных cyдов,особенно на супертанкерах и супербалккэриерах, гидродинамическая, а

следовательно, и экономическая целесообразность применения одновальных установок делают перспективным применение нового типа движителя-соосных гребных винтов (см 3.2).

Каждый из соосных гребных винтов работает в поле выбранных скоростей другого винта. В плоскости заднего винта действуют осевые и тангенциальные вызванные скорости

создаваемые передним винтом. Задний винт в плоскости переднего обус­ловливает лишь аксиальную вызванную скорость.

При rt₀pt установка соосных гребных винтов в диапазоне нагрузок 0р = 1-г-4 обеспечивает увеличение КПД в свободной воде около 10% по сравнению с одиночным винтом, т. е. эффек­тивность такой системы превышает эффективность комплекса гребной винт — направляющая насадка (при о_р = 1-~2) на 8—9%, приближаясь к ней с увеличением нагрузки.

В случае D_opt при нагрузках, характерных для крупнотон­нажных танкеров, движители всех сопоставляемых типов обес­печивают близкие по величине КПД в свободной воде.

При меньших нагрузках КПД выше, а комплекса винт — насадка

Рис. 3.67. Схема движителей с перекры­вающимися дисками

соосных винтов и а 3—4% на 3% ниже КПД одиноч­ного винта. Следует при этом иметь в виду, что оп­тимальный диаметр гребных винтов соосной системы всегда меньше Z)₀pt одиноч­ного и работающего в на­садке гребных винтов.

На высокоскоростных двухвальных судах типа контейнеровозов примене­ние соосных гребных вин­тов может привести к выиг­рышу в потребной мощно­сти до 20—25 %.

Существенным недостат­ком соосных гребных вин­тов, сдерживающим пока их применение, является сложность конструкции валопровода, систем передачи и уплотнений.

Движители с перекрывающимися дисками.При проектиро­вании получивших в последние годы широкое распространение скоростных двухвальных судов с малым коэффициентом пол­ноты б возникают определенные трудности в размещении глав­ных двигателей и использовании целесообразных с точки зрения кавитации больших по диаметру гребных винтов.

Решение этой проблемы может быть облегчено в случае при­менения винтов с перекрывающимися дисками (рис. 3.67). По результатам испытаний моделей, оборудованных такими движи­телями, можно заключить, что уменьшение потребной мощности при этом может составить до 6% по сравнению с двухвальной компоновкой традиционного типа.

Контрпропеллеры и контрвинты.Потери энергии в гребном винте на закручивание струи могут быть уменьшены использо­ванием специальных направляющих устройств, называемых контрпропеллерами и контрвинтами. С этой целью за винтом или перед ним на рудерпосте или рудерписе устанавливают непо­движные лопасти наподобие направляющего аппарата турбины. Лопасти изогнуты таким образом, что в случае установки их

Контрпропеллеры и контрвинты в настоящее время устанав­ливают редко. Это обусловлено достаточно высоким сопротив­лением таких конструкций и тем обстоятельством, что тонкие консольно расположенные лопасти контрпропеллеров и контр­винтов являются дополнительным источником вибрации. Уста­новка контрвинта, наряду с упомянутыми недостатками, ухуд­шала управляемость судна на заднем ходу

Контрпропеллерный эффект руля. Расположенный за греб­ным винтом струйный руль с авиационным сечением создает эффект, мало отличающийся от эффекта контрвинта, при отсут­ствии всех недостатков последнего.

Принцип действия руля аналогичен действию контрвинта (рис. 3.69). На конце лопастного сечения винта тангенциальная вызванная скорость w_t достигает своей полной величины, в то время как аксиальная вызванная скорость не изменяется и равна wа/2. Скорость и направление отходящей струи относи­тельно плоскости гребного винта будут представлены наклонной ab. Контрпропеллерный эффект руля заключается в том, что он уменьшает потери от закручивания потока путем перевода покидающей струи с направления ab в направление сЬ, при­ближающееся к максиальному db. При этом на профиле руля возникает дополнительный упор АР от составляющей подъемной силы Л, равновеликий сопротивлению руля. Дополнительный упор появляется и на самом гребном винте благодаря воздей­ствию руля на поток — изменению его направления ek на на­правление ес.

С позиций повышения пропульсивных качеств судна хорошо обтекаемый вертикальный руль с относительной толщиной сече­ния //6 = 0,12^-0,16 должен располагаться возможно ближе к диску винта, что обеспечивает наибольшее раскручивание струи. На практике, однако, из-за опасности вибрации должно быть a/d>0,15.

Пропульсивные наделки. Одной из встречающихся в настоя­щее время конструкций, используемых для повышения пропуль­сивных качеств судов, в том числе и при модернизации послед­них, является сигарообразная наделка на перо руля, известная с 1929 г. в иностранной печати под наименованием «груши Коста» по имени изобретшего ее итальянского инженера Коста.

Наделка представляет собой сигарообразное тело, состоя­щее обычно из двух половин, устанавливаемых с обеих сторон пера руля соосно с гребным винтом.

Принцип действия наделки состоит в следующем. В струе за гребным винтом вследствие тангенциальных вызванных ско-

ростеи и соответственно закручивания потока, достигающего максимума в районе ступицы, возникает область пониженного давления в районе корневых сечений лопастей и ступицы. Про-пульсивная наделка, размещаемая в начале струи, отбрасы­ваемой винтом, наоборот, j повышает давление в этой области и, кроме того, уменьшает вихреобра-зование за ступицей (рис. 3.70).

Особенно благоприят­но проявляется влияние пропульсивных наделок при установке сборных гребных винтов с повы­шенным относительным диаметром ступицы. Опыт использования таких наделок на ряде судов отечественного морского флота (рис. 3.71) свиде­тельствует о возможности получения в эксплуата­ции приращения скорости до 0,5—0,6 уз.