Устройства, предназначенные для создания упорного давления, воспринимаемого судном и являющегося основой его движения, называются движителями. Существуют движители различных видов: лопастные колеса, крыльчатые движители, гребные винты и т. д.
Крыльчатый движитель представляет собой диск, снабженный тремя-четырьмя вертикальными поворотными лопастями и расположенный горизонтально под кормой судна на вертикальном валу. Диск приводится во вращение от электродвигателя через коническую зубчатую передачу. Использование крыльчатых движителей обеспечивает высокую маневренность судна при отсутствии рулевого устройства и позволяет осуществлять задний ход без реверса двигателя. Однако конструктивная сложность таких движителей и их габариты, возрастающие с увеличением мощности энергетической установки судна, не позволяют применять их для крупных
судов. В последнее время крыльчатыми движителями типа «Фойтшнейдер» снабжают самоходные грузовые краны, некоторые мелкие суда и подруливающие устройства более крупных судов.
Наибольшее распространение в качестве движителя для судов получил гребной винт. Основными частями гребного винта (рис. 81) являются: ступица 1 винта с конусным отверстием внутри и лопасти 2, число которых может быть от двух до шести. Гребные винты выполняют с цельнолитыми, со съемными и с поворотными лопастями.
Рис. 81. Гребной винт с цельнолитыми лопастями.
Винты с цельнолитыми лопастями (рис. 81) применяют в основном на судах морского торгового флота. Такие винты отличаются небольшими весом и габаритом ступицы, а также более высокой прочностью в нормальных условиях эксплуатации.
Винты со съемными лопастями устанавливают на судах арктического флота, где по условиям эксплуатации замена поврежденной лопасти целой более удобна, чем замена всего винта. Кроме того, такие винты применяют в том случае, когда диаметр винта велик и отливка его затруднительна.
Винты с поворотными лопастями, иначе называемые винтами регулируемого шага (ВРШ), отличаются от обычных тем, что их лопасти закрепляются подвижно в ступице винта и могут поворачиваться вокруг своей оси на заданный угол при помощи особого привода. Этот привод, или механизм изменения шага (МИШ), обычно располагается внутри ступицы винта, поэтому ступица значительно больше, чем у обычных винтов. Механизм изменения шага бывает ручным, механическим, электромеханическим, гидравлическим и электрогидравлическим. В состав МИШ, за исключением ручного, входят: механизм поворота лопастей, размещаемый, как правило, в ступице винта; сервомотор, создающий усилия для поворота лопастей и располагаемый на участке между гребным валом и главным двигателем; обратная связь или устройство, показывающее величину нового шага винта.
Механизм поворота лопастей (рис. 82) бывает двух видов: зубчатый и кривошипный, причем последний более надежен и применяется во всех напряженных конструкциях винтов (больших мощностей и диаметров, высокооборотных ВРШ малых диаметров и др.).
Рис. 82. Механизм поворота лопастей: а - зубчатый; б - кривошипный.
Наиболее распространенным в настоящее время является гидравлический МИШ (рис. 83), обычно располагаемый в линии валопровода. Для поворота лопастей винта здесь используется энергия жидкости (чаще всего масла с малой вязкостью) под давлением. Гидравлический привод МИШ отличается относительной простотой устройства и возможностью создавать значительные рабочие усилия при сравнительно небольших габаритах и весе установки.
Рис. 83. Конструкция МИШ с гидравлическим приводом.
В ступице 4 винта находится поводок 1 штанги 5, помещенной внутри пустотелого гребного вала 6. Поводком 1, в пазу которого расположен палец 2 на комле лопасти, производится поворот последней вокруг своей оси. Для облегчения поворота комель лопасти посажен в гнездо ступицы на двухрядных конических роликоподшипниках 3. На другом конце штанги 5 располагается поршень сервомотора 7, соединенный обратной связью 8 с подвижной муфтой 12 и поршнем распределительного золотника 11. Масло в распределительный золотник 11 и сервомотор 7 подается через трубки 10 от масляного насоса. Управление изменением шага лопастей винта осуществляется рычагом 9, нижний конец которого скользит в пазу подвижной муфты. Гидравлический МИШ позволяет производить управление шагом винта с ходового мостика при помощи дистанционной пневматической системы.
Применение винтов регулируемого шага позволило значительно упростить управление судном, уменьшить габариты и вес главных двигателей за счет устранения ступеней и устройства заднего хода, давать судну обратный ход без перемены направления вращения гребного вала. Кроме того, применение ВРШ на таких судах, как буксиры, танкеры и лесовозы, позволяет привести шаг винта в соответствие с любой скоростью. Это повышает экономичность работы энергетической установки и дает возможность более полно использовать мощность главных двигателей на различных режимах работы.
Чтобы заставить лодку, как и любое судно, двигаться с постоянной скоростью, надо приложить к ней постоянно действующее усилие (тягу), которое было бы достаточным для преодоления сопротивления воды.
На малых судах для создания тяги наибольшее распространение получил гребной винт - легкий, компактный, высокоэффективный, простой в изготовлении и удобный в эксплуатации движитель. Поговорим о нем поподробнее, разберемся в принципе работы и устройстве гребного винта.
Гребной винт (рис. 1) состоит из втулки - ступицы и нескольких лопастей , отлитых заодно с нею или изготовленных отдельно и закрепленных на ней. Винт обычно располагается в корме судна и приводится во вращение двигателем через гребной вал. Своим названием он обязан тому, что при работе любая точка его лопасти движется по винтовой линии - вращается и одновременно перемещается вперед вместе с судном. В основу теории, объясняющей работу гребного винта, положен принцип гидродинамического крыла . На первый взгляд это кажется странным - причем здесь крыло?, - но не торопитесь с выводом.
Посмотрим на лопасть винта сбоку (рис. 2) и представим направление, в котором она движется в воде (или, применив принцип обратимости движения, направление потока, обтекающего лопасть).
Скорость W потока воды относительно лопасти можно получить геометрическим сложением двух векторов: вызываемой вращением винта окружной скорости V r =2πrn (π=3,14; r - отстояние рассматриваемого сечения лопасти от оси винта; n - число оборотов винта в секунду) и поступательной скорости движения вместе с судном V а. Вектор суммарной скорости W направлен к нижней поверхности лопасти под углом α, называемым в теории крыла углом атаки . При этом на нижней поверхности лопасти (ее называют нагнетающей) создается повышенное давление воды, а на верхней (засасывающей) - разрежение. В результате разности давлений на лопасти, как на крыле, возникает подъемная сила Y. Если разложить ее на составляющие, одна из которых направлена в сторону движения судна, а вторая перпендикулярна ему, то получим соответственно силу Р, создающую упор гребного винта, и силу T, создающую крутящий момент, который и приходится преодолевать двигателю для того, чтобы винт вращался и двигал судно.
Упор гребного винта, создаваемый подъемной силой, зависит не столько от площади лопасти, сколько - в полной аналогии с крылом - от таких ее параметров, как угол атаки, профиль сечения, длина лопасти.
Познакомимся же с этими и другими основными характеристиками гребного винта.
Диаметр винта D определяется по окружности, описываемой наиболее удаленной от оси винта точкой лопасти.
Геометрический шаг гребного винта H - это шаг винтовой поверхности, с которой совпадает нагнетающая сторона лопасти. Если бы винт ввинчивался в воду, как в гайку, то за один его оборот судно прошло бы расстояние, равное шагу винта, а его скорость была бы равна Hn.
Почему лопасть должна иметь винтовую поверхность? Посмотрим на рис. 2. Очевидно, винт даст наибольший упор, если сечения лопасти на любом радиусе r будут расположены под одним и тем же оптимальным углом атаки к набегающему потоку α. Однако вблизи ступицы окружная скорость V r =2πrn будет меньше, чем у конца лопасти, в то время как осевая скорость винта Hn везде одинакова. В результате изменится величина и направление скорости W. Чтобы сохранить угол α неизменным, лопасть у ступицы следует развернуть под большим углом к V r , чем у конца. Это хорошо видно также и из другого рисунка (рис. 3), где показан способ образования и проверки винтовой поверхности лопасти с помощью шаговых угольников.
Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит возможность наиболее полного использования мощности двигателя, и, следовательно, достижения наибольшей скорости хода судна.
Если шаг винта слишком велик для данных скорости и числа оборотов, лопасти будут захватывать и отбрасывать назад слишком большое количество воды, упор винта возрастет, но зато одновременно увеличится крутящий момент на гребном валу и двигателю не хватит мощности, чтобы развить полные обороты. В этом случае говорят, что винт тяжелый .
Наоборот, если шаг мал, двигатель легко будет вращать винт на полном числе оборотов, но упор будет невелик, и судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт считается легким .
Шаг и диаметр рассчитывают с учетом сопротивления воды движению корпуса, заданной скорости хода судна, числа оборотов и мощности устанавливаемого двигателя. Общее правило таково: для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением H/D, для тяжелых и тихоходных - с меньшим. При обычно применяющихся двигателях с числом оборотов 1500-5000 об/мин оптимальное шаговое отношение H/D будет составлять: на гоночных мотолодках и глиссерах 0,9-1,4; легких прогулочных катерах 0,8-1,2; водоизмещающих катерах 0,6-1,0 и очень тяжелых тихоходных катерах 0,55-0,80. Важно иметь в виду, что эти значения справедливы, если гребной вал делает примерно 1000 об мин на каждые 15 км/час скорости лодки. В противных случаях необходимо применять редуктор, соответственно изменяющий число оборотов гребного винта.
Диаметр винта существенно влияет на загрузку двигателя. Например, при увеличении D всего на 5% приходится повышать мощность двигателя почти на 30%, чтобы получить то же число n оборотов винта. Это следует учитывать, если требуется «облегчить» тяжелый винт: иногда бывает достаточно немного подрезать концы лопастей до меньшего диаметра.
За один оборот винт вместе с судном продвигается вперед (рис. 4) не на величину шага Н, а из-за скольжения в воде - на меньшее расстояние, называемое поступью h p . Потеря скорости при этом составит Hn=h p n. Величина скольжения характеризуется отношением:
Скольжение s выражается обычно в процентах.
Поступь и скольжение гребного винта легко определить, зная скорость лодки, шаг винта и число его оборотов, так как:
Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15%) имеют винты легких гоночных мотолодок и скутеров; у винтов глиссирующих катеров скольжение составляет 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%. Чрезмерное скольжение свидетельствует о том, что винт слишком тяжел или судно перегружено, так как с увеличением нагрузки (например, при буксировке мотолодкой воднолыжника) скольжение возрастает.
Для катерных винтов применяются сегментные, авиационные плоско-выпуклые и выпукло-вогнутые профили сечения лопастей. Последние два типа более эффективны, но сложнее в изготовлении и дают меньший упор при реверсировании, т. е. на заднем ходу.
Площадь лопастей , как уже отмечалось, не оказывает существенного влияния на упор винта. Однако чрезмерная площадь приводит к увеличению трения винта о воду и излишним затратам мощности двигателя.
На быстроходных катерах часто приходится сталкиваться с явлением кавитации гребного винта. Известно, что при пониженном давлении (например, высоко в горах) вода закипает при температуре ниже 100° С. У высокооборотных винтов разрежение на засасывающей стороне лопасти достигает такой большой величины, что вода вскипает уже при естественной температуре. Образуются пузырьки и полости, заполненные паром, - это явление и называется кавитацией . Различают две стадии кавитации (рис. 5). На первой стадии полости невелики и на работе винта они практически не сказываются. Однако когда пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления, в результате чего материал лопасти выкрашивается у поверхности. Такие эрозионные разрушения при длительной работе кавитирующего винта могут быть весьма значительными.
При дальнейшем повышении скорости вращения винта наступает вторая стадия кавитации. Образуется сплошная полость (каверна), которая может замыкаться за пределами лопасти. Эрозия прекращается, но развиваемый винтом упор резко падает.
Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от суммарной площади лопастей, толщины и кривизны профиля сечения лопасти, глубины погружения винта под ватерлинией и т. п. Чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньших числах оборотов, т. е. «раньше», наступает кавитация. Отметим, что развитию кавитации способствуют пузыри воздуха и завихрения от находящихся перед винтом кронштейнов, вала, фальшкиля, увеличенный шаг винта и т, п.
Характеристикой площади лопастей винта является его дисковое отношение A/A d , т. е. отношение суммарной площади всех развернутых и спрямленных лопастей A к площади круга A d , описываемого винтом (рис. 6). Для малогабаритных винтов тихоходных судов дисковое отношение обычно составляет 0,35-0,60, для кавитирующих винтов быстроходных катеров 0,80-1,20.
Наибольшее распространение на катерах получили трехлопастные гребные винты, хотя на гоночных судах часто применяют и двухлопастные. Вообще говоря, двухлопастные винты более эффективны. У трехлопастного винта расстояние между кромками соседних лопастей меньше, поэтому в обтекание лопастей вносится большее искажение. Кроме того, крутящий момент у трехлопастного винта несколько больше; соответственно и мощность, потребная для его вращения, выше. Четыре и пять лопастей применяются, главным образом, в тех случаях, когда нужно понизить вибрацию и шум от работы винтов.
В зависимости от направления вращения гребного вала (смотря с кормы) применяют винты правого (по часовой стрелке) и левого вращения.
Конечной оценкой эффективности выбранного гребного винта является его коэффициент полезного действия η p - отношение полезной мощности, затрачиваемой непосредственно на создание упора Р и движение судна со скоростью υ (т. е. Po, 75 л. с.), к мощности двигателя, подводимой к винту.
Потери мощности на гребном винте довольно значительны и достигают 35-50%. Они вызваны затратами на ускорение потока воды за винтом, на закручивание и сужение этого потока, на трение лопастей о воду и др. Получить высокий к. п. д. винта на катерах очень трудно из-за небольшой осадки, ограничивающей диаметр винта, и сложности подбора оптимального числа оборотов.
Винт, расположенный в корме, всегда оказывается в зоне действия попутного потока , увлекаемого корпусом судна, поэтому скорость его встречи с водой меньше, чем скорость судна. У легких глиссирующих судов, на которых винт установлен под плоским днищем, это уменьшение невелико (2-5%), но на тяжелых водоизмещающих катерах, особенно если винт располагается за дейдвудом, оно возрастает до 15- 20%. Очевидно, что попутный поток необходимо учитывать, иначе винт окажется тяжелым.
Винт, засасывая воду как насос, увеличивает скорость обтекания водой кормовой оконечности судна. Вследствие этого здесь образуется зона пониженного давления, которая тормозит движение судна. Для преодоления этой силы засасывания
винт должен развить дополнительный упор. Очевидно, чем полнее обводы и больше осадка судна в районе винта, чем больше диаметр винта и меньше скорость хода, тем больше сила засасывания. Например, на глиссирующем катере она составляет не более 4% основного упора, или тяги, необходимой для движения судна, а на спасательной шлюпке достигает 15-30%.
При работе гребного винта за корпусом судна полезная отдача мощности будет уже характеризоваться не к. п. д. винта, а так называемым пропульсивным коэффициентом :
Средние значения пропульсивного коэффициента на современных катерах 0,45-0,55.
Заканчивая это первое знакомство с гребным винтом, советуем: исследуйте гребной винт вашей лодки, замерьте его диаметр и шаг, оцените скорость лодки, скольжение винта, число оборотов вала и загрузку двигателя. Вполне может оказаться, что вы найдете возможность сделать лодку более быстроходной.
О том, как подобрать оптимальный винт, мы расскажем в ближайших выпусках сборника.
2. У лопастей с несимметричным профилем, обычно применяющимся Для винтов, упор становится равным нулю при отрицательных углах атаки, т. е. когда поступь несколько превышает геометрический шаг винта. Поступь, при которой упор винта равен нулю, называется гидродинамическим шагом винта или шагом нулевого упора .
3. В некоторых случаях η k может быть больше единицы.
Огромные корабельные винты скрывают невиданную мощь. Вы можете считать, что главный двигатель всей жизни - любовь; кораблю нет до этого никакого дела:)Мы уже видели самые большие корабли мира, и даже обратили внимание на носовые фигуры кораблей. Но, кажется, мы упустили едва ли не самое важное - винты.
Интересный факт: когда Эдвард Лион Бертон (Edward Lyon Berthon) изобрел гребной винт в 1834 году, он был отвергнут и воспринят Адмиралтейством как «милая игрушка, которая никогда не смогла бы, и не сможет привести в движение корабль».
Самые огромные корабельные винты в мире
Один из самых больших корабельных винтов в мире изготовила компания Hyundai Heavy Industries для судна грузоподъемностью 7200 двадцатифутовых контейнеров, принадлежавшего Hapag Lloyd. Высотой с трехэтажное здание, 9,1 метра в диаметре, шестилопастевый винт весит 101,5 тонну. На следующей фотографии изображен 72-тонный винт, установленный на танкер Loannis Coloctronis:
Крупнейший на сегодняшний день корабельный винт массой в 131 тонну, изготовленный в городе Варен на реке Мюриц, установлен на Emma Maersk - крупнейшем контейнеровозе в мире, грузоподъемностью до 14 770 двадцатифутовых контейнеров, длиной 397 м, шириной более 56 м и высотой 68 м. Сообща с мощным двигателем, винт позволяет океанскому гиганту набирать скорость в 27 узлов (50 км / ч).
А это массивные винты и рули антарктического ледокола Palmer, научно-исследовательского судна, работающего в самых суровых условиях на Земле:
Винты, установленные на Eurodam - круизном лайнере:
Эти громадные винты принадлежали "Титанику" - одному из самых известных кораблей в истории. Лайнер имел три гребных винта, каждый приводился в действие отдельным двигателем. Два внешних винта весили 38 тонн, а центральный - 17 тонн:
"Титаник" был одним из лучших кораблей своего времени, но "Oasis of the Seas" компании Royal Caribbean размерами превосходит знаменитый лайнер в пять раз, и в настоящее время является крупнейшим пассажирским судном из когда-либо построенных. Естественно, роскошный корабль должен иметь достаточно большие винты, способные доправить его от побережья Финляндии до нового дома "Oasis of the Seas" в городе Форт-Лодердейл, штат Флорида:
"Elation от Carnival Cruise Lines" также был построен в Финляндии, и в настоящее время обосновался в Сан-Диего, штат Калифорния. Рядом с винтами корабля люди, ответственные за их конструирование и установку, кажутся жалкими лилипутами:
А этот винт собирается в сухом доке в Сан-Франциско:
Следующий винт принадлежит другому круизному лайнеру, "Norwegian Epic":
Еще один пример винта гигантского размера, который необходим для передвижения таких огромных круизных судов как "Celebrity Solstice":
А вот винты корабля "Queen Elizabeth 2", известного как QE2. Принадлежавшее Cunard Line (британская компания-оператор трансатлантических и круизных маршрутов океанских лайнеров), судно было спущено на воду в 1969 году и снято со службы в 2008 году:
"Queen Mary 2" сменил QE2 в качестве флагманского судна Cunard в 2004 году. Вот некоторые из запасных винтов QM2, располагающихся на передней палубе судна:
Это винт другого известного в истории корабля. Немецкий линкор "Bismark" был спущен на воду в феврале 1939 года, незадолго до начала Второй мировой войны, и потоплен англичанами в мае 1941 (изображение слева). На фото справа - заводской пейзаж и винт от нефтяного танкера во время его строительства в 1947 году:
Не такие большие, но не менее интересные
Винт японских мини-подводных лодок, атаковавших американские авианосцы во время атаки на Перл-Харбор в декабре 1941 года:
Правый винт USS Fiske, 1946 год:
Технологии, конечно, улучшаются, но большим кораблям до сих пор необходимы большие винты. Этот - от "SS Great Britain", разработанный Isambard Kingdom Brunel для самого большого корабля в мире (на момент его запуска в 1843 году). Корабль пересек Атлантический океан в 1845 году всего за 14 дней, что стало в то время абсолютным рекордом.
Рабочие судостроительного завода изучают один из четырех латунных винтов авианосца USS George Washington. Каждый из винтов весит около 66 000 фунтов и имеет 22 фута в диаметре.
Важна максимальная скорость, уверенный и быстрый выход на глиссер с наибольшей нагрузкой? Или хотите просто подходящую скорость для троллинга?
Часто у владельца катера или моторной лодки возникает вопрос выбора наиболее подходящего гребного винта. Гребной винт - это движитель вашего катера и моторной лодки. Преобразуя вращения вала двигателя в упор (силу, которая толкает судно) гребной винт приводит в движение катер или мотолодку. И от того, какого он вида, из какого материала сделан, и какими характеристиками обладает - зависит то, как будет плыть судно. Рассмотрим возможные варианты и характеристики.
3-х лопастной гребной винт обладает меньшим сопротивлением, у него выше коэффициент полезного действия, однако на 3-х лопастных винтах раньше возникает кавитация - это когда при высоких скоростях возле лопастей происходит парообразование и последующая конденсация пузырьков пара в потоке жидкости. Такие газовые мешочки из пара и воздуха уменьшают осевой упор и вращающий момент, а так же разрушают поверхность гребного винта. 4-х лопастной гребной винт при том же диаметре позволяет переработать большую мощность и снизить вибрацию.
4-х лопастной винт уменьшает время выхода на глиссирование, может экономить топливо при движении на крейсерском ходе. Но максимально достигаемая скорость судна с 4-х лопастным винтом меньше по сравнению с 3-х лопастным винтом того же диаметра и шага.
Диаметр гребного винта
- это диаметр окружности, охватывающей все лопасти винта. Как правило, чем меньше обороты гребного вала, тем больше должен быть диаметр. Для относительно тихоходных судов рекомендован винт с большим диаметром, соответственно для скоростных судов - с меньшим.
Шаг гребного винта - вторая важнейшая техническая характеристика. Шаг винта соответствует расстоянию, на которое винт переместится за один полный оборот в плотной среде (не воде) без проскальзывания. Шаг определяется как угол наклона лопасти к горизонтальной оси крыльчатки и измеряется в дюймах. Чем больше угол наклона лопасти, тем больший упор создает винт при вращении. Поэтому шаг винта напрямую влияет на максимальные обороты мотора. Чем меньше шаг, тем большие обороты может развить двигатель. Маленький шаг винта имеет худшие показатели по скорости, но лучшие по осиливаемой массе. Важно подобрать шаг винта так, чтобы при максимально открытой дроссельной заслонке обороты двигателя были в рабочем диапазоне рекомендованным производителем мотора. Тогда получим хороший выход на глиссирование, приличную максимальную скорость и главное - это правильную работу двигателя, без лишнего износа.
Обладает лучшим КПД по сравнению с алюминиевым аналогом, за счет меньшей толщины лопасти, сложной модели крыльчатки и хорошей зеркальности поверхности. Данный винт меньше подвержен кавитации, как следствие он имеет высокие скоростные характеристики. Высокая прочность стального винта позволяет не стираться о песчаное дно и препятствует образованию на нем выщерблен, не коррозирует в соленой воде. Такой винт может без изменения геометрии лопастей справиться с небольшим ударом о топляк или дно.
Стоимость стального винта выше, чем алюминиевого. В случае удара о камень стальной винт окажет сопротивление, и значительная часть разрушительной энергии удара перейдет на редуктор и вал. Как следствие может быть деформация частей редуктора, что намного хуже повреждения самого винта.
Это в первую очередь относительно недорогая цена. Высокая ремонтопригодность, и в случае жесткого столкновения о камень или топляк - минимальный ущерб для дорогостоящих деталей редуктора двигателя, винт погасит часть энергии удара.
Мягкий алюминиевый винт стирается о песчаное дно, образующиеся на его лопастях выщерблены (от песка, поднимаемого винтом при движении по мелководью) создают дополнительную турбулентность и уменьшают КПД. Геометрия лопастей может меняться при столкновении с незначительными препятствиями, такими как затопленные коряги или бутылки.
Выбор гребного винта - это индивидуальное дело, главное точно определить задачи для своего катера и моторной лодки. Если на вашем судне установлено два двигателя, то не забудьте выставить гребные винты противоположного вращения (как правило от правого борта - правосторонний, левого борта - левосторонний). Не забывайте про такие технические решения как укол откидки (угол наклона лопасти гребного винта по отношению к оси ступицы). Положительный наклон чуть увеличивает КПД и позволяет использовать винт большего диаметра, отрицательный в свою очередь обеспечивает дополнительную прочность лопасти при работе на очень высоких скоростях. Для сильно нагруженных гребных винтов лопасти наклона обычно не имеют, они перпендикулярны ступице.
Для подбора гребного винта максимально соответствующего вашим задачам, конструкции катера и показателям двигателя вы можете получить более подробную профессиональную консультацию в наших магазинах.
Выбор геометрических характеристик, числа винтов и направления их вращения. Для морских транспортных судов обычно КПД винта увеличивается с ростом его диаметра. Это объясняется снижением коэффициента нагрузки при фиксированных значениях упора и скорости движения. Поэтому диаметр винта выбирают максимально возможным из условия его размещения в кормовой оконечности судна. В первом приближении для винта в ДП судна можно принимать D = (0,680,75)Т, для бортового, при двухвальной установке, D = (0,62 0,70) Т, где Т -- осадка судна.
При выборе числа лопастей гребного винта руководствуются соображениями, чтобы лопастная и удвоенная лопастная частоты не совпадали с собственными частотами первых трех тонов колебаний корпуса и основных его конструкций. В этом, случае удается избежать интенсивной вибрации корпуса, вызываемой работой гребного винта. Если информация об указанных частотах отсутствует, для винтов в ДП принимают Z p 4, а для бортовых в зависимости от нагрузки: при K dt >2 (или K nt >1), что соответствует слабонагруженным винтам, берут Z p = 3, для меньших значений этих коэффициентов
Zp = 4. Необоснованное увеличение Zp нерационально по двум причинам: возрастает трудоемкость изготовления винта и несколько снижается его КПД. Последнее обстоятельство имеет место в связи с тем, что для обеспечения равного запаса на кавитацию увеличение числа лопастей влечет за собой и увеличение дискового отношения.
Относительная толщина лопасти в самом широком месте (г = 0,6 - 0,7) не должна превышать предельного значения б mах, до которого КПД еще имеет приемлемое значение. При соблюдении этого условия минимальное дисковое отношение обеспечивающее прочность винт
где d H , D -- диаметр ступицы и винта соответственно, м; бmах =0,080,09; m-коэффициент, учитывающий условия работы винта (m=-1,15 для транспортных судов; m=1,5 для буксиров, m = 1,75 для судов ледового плавания, m = 2,0 для ледоколов); Т -- упор винта, кН; [у] --допускаемые напряжения, для винтов транспортных судов можно принимать [у] =6·10 4 кПа.
Увеличение дискового отношения приводит к падению КПД. Поэтому его выбирают так, чтобы выполнить требования обеспечения прочности (20.1) и отсутствия вредных последствий кавитации (19.24). Как правило, у гребных винтов транспортных судов определяющим является последнее.
Пропульсивный коэффициент винта в ДП обычно больше, чем при бортовом расположении. В связи с этим одновальной установке следует отдать предпочтение перед многовальной. В пользу последней, однако, говорит повышенные живучесть и маневренность, возможность осуществления парциальных режимов.
При выборе количества винтов определяющими могут стать и следующие обстоятельства: наличие подходящих двигателей, возможность их рационального размещения в корпусе, первоначальная стоимость установки и ее эксплуатации.
Что касается морских транспортных судов, то тут превалируют соображения экономического характера, поэтому большинство из них -- одновальные. Исключение составляют крупные быстроходные суда: пассажирские и грузовые лайнеры и др. Необходимая мощность может оказаться слишком велика, чтобы ее можно было получить в одном агрегате либо эффективно переработать одним винтом.
Направление вращения гребного винта не сказывается на его эффективности. Для одновинтовых судов оно определяется устанавливаемым двигателем. Бортовые винты должны вращаться в противоположные стороны во избежание уваливания судна с прямого курса. При этом считается, что во избежание попадания плавающих предметов между корпусом и винтами вращение последних должно быть наружным, т. е. лопасти в верхнем положении должны двигаться от корпуса.
Подбор гребных винтов по диаграммам. Проектирование гребных винтов транспортных судов, как правило, сводится к выбору оптимального винта. При этом он должен обладать необходимой прочностью и удовлетворять условию отсутствия негативных последствий кавитации. В случае, когда требуется обеспечить судну заданную скорость, оптимальность винта означает минимальную мощность механической установки. Если заданы характеристики двигателя, оптимальный винт позволяет судну двигаться с наибольшей скоростью.
Все задачи, связанные с проектированием гребного винта, в том числе и оптимального, эффективно могут решаться с помощью диаграмм для расчета гребных винтов. Исходной информацией при этом являются известные геометрические элементы гребного винта: D max , Z p , A e /A q и характеристики взаимодействия W T , t, i Q . Практически все многообразие заданий на проектирование гребных винтов можно свести к четырем основным типам, для каждого из которых используется своя расчетная схема.
Схема I. Заданы: скорость судна и; расчетное сопротивление R, диаметр винта D. Оптимальный гребной винт находится с помощью коэффициента задания K dt (см. (18.8)), вычисляемого с учетом того, что винт работает за корпусом судна:
На диаграмме, соответствующей элементам задания А е /А 0 , Z p на линии K bt opt находят точку, отвечающую рассчитанному значению (20.2) этого коэффициента, снимают величины P/D, J, Кт, з 0 . Искомые значения оптимальной частоты вращения двигателя и его мощности P S находятся по очевидным формулам:
где з D =з н з 0 -- пропульсивный коэффициент; з s - КПД передачи мощности.
Потери энергии в валопроводе зависят от его длины (МО в середине, в корме, промежуточное положение) и составляют (1-3) %. Соответственно при прямой передаче мощности: двигатель--вал--движитель з s - 0,99 - 0,97. Наличие дополнительного звена -- механического редуктора либо гидромуфты -- увеличивает потери мощности, при этом з s= 0,940,96. Еще меньшие значения КПД имеют место при электрической (дизель-генератор--электродвигатель--вал--винт) передаче мощности: з s = 0,880,90.
Использование коэффициента K dt фактически означает задание коэффициента нагрузки, а вместе с ним и предела коэффициента полезного действия з 0 , что ограничивает возможности оптимизации винта. Поэтому часто ту же задачу решают с помощью коэффициента задания K nt .
Схема 2. Исходные величины те же, что и в схеме 1. Задавая ряд значений частоты вращения винта п, для каждой из них с учетом взаимодействия винта и корпуса определяют
находят на линии K nt opt диаграммы соответствующую точку, снимают относительную поступь J, а затем ее корректируют:
Указанная корректировка необходима для учета влияния корпуса: в связи с тем, что t(J) максимумы функций з 0 (J) и з D (J) не совпадают, т. е. диаметр оптимального винта в свободной воде и за корпусом не одинаковы. Корректировка поступи фактически означает корректировку оптимального диаметра.
Для гребных винтов в ДП б =1,05, для бортовых винтов, где влияние корпуса слабее, б=1,03. Последовательность дальнейших расчетов: J" Dopt Кт P/D з 0 P s ; их удобнее выполнять в табличной форме.
По результатам расчетов строят графические зависимости Ps(n) и Dopt(n), а затем выбирают гребной винт, обеспечивающий P s min. Очевидно, что практический интерес представляют только те варианты, при которых Dopt < Dmax. Для винтов транспортных судов обычно искомый вариант P S min соответствует максимальной величине диаметра.
Пример реализации указанной схемы расчета оптимального гребного винта -- см. в таблицу 22.2. Схема 3. Заданы R, v, D и n. Находят значения К т и J (с учетом взаимодействия), которые однозначно определяют координаты точки, соответствующей искомому винту. С диаграммы снимаются величины P/D, з 0 затем рассчитывают мощность механической установки P s .
Рассматриваемая схема исключает любые вариации, полученный гребной винт не является оптимальным.
В приведенных выше схемах заданы характеристики корпуса -- скорость и сопротивление, а искомой является мощность двигателя. Для решения таких задач и предназначены корпусные диаграммы.
В том случае, когда задаются характеристики двигателя, логичнее было бы использовать машинные диаграммы. Однако и эти задачи могут столь же эффективно решаться с помощью корпусных диаграмм.
Схема 4. Исходные данные: зависимость сопротивления судна от скорости R(v) и характеристики главной механической установки Ps, n.
В районе предполагаемой скорости задаются несколькими ее значениями и для каждого из них рассчитывают коэффициент задания Кот. Дальнейший расчет идентичен таковому в схеме 2. Построив по его данным зависимости Ps (v), D(v) и P/D = f(v), находят искомые характеристики винта в точке, где мощность равна заданной P s (v) =Р s зад. В этом варианте предполагается, что диаметр винта не ограничен. В наиболее интересном с практической точки зрения случае диаметр винта всегда имеет верхний предел D max . Тогда для скоростей, при которых Dopt Dmax, расчет ведется по схеме 2, а при Dopt > Dmax -- по схеме 3. В последнем случае принимают D = D max и выбранный винт, строго говоря, уже не будет оптимальным.
Пример такого расчета -- см. в таблице 22.3, в первых четырех столбцах которой Dopt < Dmax и принимается D = Dopt, а в пятом Dopt > Dmax, в связи с чем принято D=Dmax. В последнем случае КПД винта мало отличается от з 0max , поскольку невелики и различия в Dopt и Dmax. Однако, если ограничение диаметра винта при заданных характеристиках двигателя (P s , n) приводит к существенному снижению пропульсивного коэффициента, то решается вопрос о редукции частоты вращения. Такая ситуация возможна, когда по каким-либо причинам не удается подобрать подходящий двигатель. В этом случае расчет винта можно вести по схеме I для нескольких скоростей движения.
Обычно проектирование гребного винта выполняется в несколько этапов. На первом определяются основные геометрические параметры (D, A E /A 0 , Z p) и коэффициенты взаимодействия винтаи корпуса (Wt, t, i q). Далее рассчитывают гребной винт, обеспечивающий заданному судну заданную скорость (схемы 1 или 2) и находят необходимые для этого характеристики (P s , n) главной механической установки. Затем выбирают двигатель, мощность и частота вращения которого в наибольшей степени отвечают требуемым. На заключительном этапе рассчитывают гребной винт, обеспечивающий проектируемому судну с выбранным двигателем максимальную достижимую скорость.
Для подбора двигателя можно пользоваться каталогами отечественных и зарубежных фирм, а также таблица 20.1, где приведены основные характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей, выпускаемых консорциумом «МАН-Бурмейстер и Вайн». ДВС этой фирмы широко применяют на отечественных судах.
Расчет гребного винта с использованием вихревой теории. Проектирование гребных винтов с помощью диаграмм имеет и недостатки: выбирается оптимальный винт в пределах рассматриваемой серии, не учитывается неравномерность поля скоростей за корпусом судна. В связи с первым обстоятельством не гарантировано получение максимально возможного КПД, второе может привести к повышенной виброактивности гребного винта и его неудовлетворительным кави-тационным качествам. Последнее особенно важно для винтов быстроходных судов. Указанных недостатков можно избежать, используя вихревую теорию гребного винта. В ее основе -- вихревая теория крыла, в которой воздействие крыла на окружающую жидкость заменяется воздействием эквивалентного вихря. Из курса гидромеханики известно, что крыло бесконечного размаха с неизменной хордой может быть заменено присоединенным вихрем, имеющим такую же циркуляцию. Крыло конечного размаха заменяется П-образным вихрем постоянной циркуляции, состоящим, из присоединенного (в пределах крыла) вихря и двух свободных, распространяющихся в бесконечность по направлению скорости набегающего потока. Если хорда не постоянна по размаху крыла, оно заменяется присоединенным вихрем переменной циркуляции, а сбегающие с каждой его точки свободные вихри образуют вихревую пелену. И, наконец, крыло можно заменить системой присоединенных вихрей переменной циркуляции. Последняя схема в наибольшей степени подходит для широких крыльев сложной формы.
Указанные операции преследуют одну цель -- с помощью теоремы Био-Савара определить вызванные свободными вихрями скорости в любой точке потока. Эти скорости направлены по нормали к скорости набегающего потока. Они приводят к уменьшению угла атаки -- скосу потока, что влечет за собой снижение подъемной силы крыла и увеличение его сопротивления. Таким образом, задача определения сил, действующих на крыло конечного размаха, практически сводится к нахождению вызванных свободными вихрями скоростей. Лопасти те же крылья малого удлинения, следовательно, вихревая теория может с успехом применяться и для расчета гребного винта. Впервые эта идея была высказана в начале нашего века Н. Е. Жуковским, который считается родоначальником вихревой теории гребного винта. С ее помощью решаются обе задачи: прямая -- поверочный и обратная -- проектировочный расчет гребного винта. В обоих случаях учитываются индивидуальные особенности поля скоростей за корпусом судна.
Таблица 20.1 Характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей (МОД)
|
Марка дизеля |
Частота вращения n, об/мин |
Агрегатная мощность Р тыс. кВт, при числе цилиндров |
||||||||
Примечания: 1. Двигатели типа ДКРН -- двухтактные крейцкопфные, с газотурбонаддувом, цифры за буквенным обозначением означают диаметр цилиндра и ход поршня, см.
Условие оптимальности винта при его проектировочном расчете-- достижение наивысшего пропульсивного коэффициента при выполнении требований задания и отсутствии вредных последствий кавитации. Другими словами, проектируется гребной винт, приспособленный к заданному попутному потоку. В результате такого расчета получают геометрические характеристики гребного винта -- распределение относительной кривизны профиля лопасти и шагового отношения по радиусу: и
Результатом поверочного расчета является распределение нагрузки по радиусу винта заданной геометрии в функции от его режима работы, относительной поступи:
В свою очередь эти зависимости позволяют найти силы, действующие на отдельные лопасти:
и на винт в целом:
Выражение (20.6) учитывает, что в общем случае при работе в неравномерном поле скоростей упоры и моменты, создаваемые отдельными лопастями, не одинаковы.
Рассчитав упор и момент для различных фиксированных значений относительной поступи винта, можно получить его ГДХ в свободной воде.
Поверочный расчет гребного винта широко используется при анализе его прочности, проверке на кавитацию, при изучении периодических усилий, возникающих на лопастях в неравномерном поле скоростей.
Ледовые гребные винты и их особенности. К гребным винтам ледоколов и судов активного ледового плавания предъявляются следующие специфические требования: высокая прочность, обеспечивающая работу в ледовых условиях, достаточная эффективность при движении передним и задним ходом с малыми скоростями, т. е. на режимах, близких к швартовному. Желательно, чтобы винты имели съемные лопасти, замена которых в случае поломки могла осуществляться судовыми средствами. В отечественной практике широкое применение находят ледовые гребные винты, разработанные М. А. Игнатьевым. Эти винты имеют четыре лопасти -- поломка одной изкрупные льдины. Контур спрямленной поверхности имеет симметричную форму, профиль сечения лопасти двояковыпуклый, обеспечивающий прочность и достаточную эффективность на заднем ходу. Увеличенный диаметр ступицы dн = 0,28 позволяет устанавливать съемные лопасти. На основании испытания серии моделей М. А. Игнатьевым были созданы расчетные диаграммы для проектирования гребных винтов ледоколов (Z p = 4; А е /А 0 =0,5; P/D = 0,41,2), которые можно найти в специальной литературе.
При проектировании гребных винтов ледоколов их элементы выбирают таким образом, чтобы в расчетном режиме можно было обеспечить максимальный упор на единицу мощности главной механической установки. В качестве расчетного обычно принимают режим движения в тяжелых либо предельных льдах с малой скоростью.
При заданных мощности двигателя и диаметре гребного винта максимальный удельный упор достигается при условии
Тогда выбор ледового винта сводится к построению по данным диаграммы зависимости q = f(P/D) при расчетном значении относительной поступи. Максимум этой функции будет соответствовать оптимальному с указанных позиций шаговому отношению. Для ледовых винтов расчетная поступь лежит в пределах J = 00,2, оптимальное шаговое отношение при этом составляет P/D = 0,700,80.
Диаметр винта ледокола выбирают максимально возможным, при этом максимален должен быть и удельный упор. Однако практика позволила выработать рекомендации: чтобы уменьшить вероятность взаимодействия гребного винта с плавающими на поверхности воды крупными льдинами, его ось должна быть достаточно заглублена, что возможно при условии, когда диаметр не превышает (55--60) % осадки.
Большая подводимая к ледовому винту мощность, повышенная толщина лопасти, малые значения относительной поступи на рабочих режимах -- все это способствует возникновению кавитации. Основной способ ее отделения -- увеличение дискового отношения.
При работе во льдах существенно изменяются ГДХ гребного винта: упор падает, момент возрастает, заметно снижается КПД. Достоверная оценка этих изменений -- одна из проблем, возникающих при расчете ледовых гребных винтов. Проектирование осложняет и то обстоятельство, что практически не существует систематических данных о взаимодействии гребного винта и корпуса в водно-ледяном потоке.
Гребные винты для судов активного ледового плавания занимают промежуточное положение между винтами транспортных судов и ледоколов.
Сегодня на ледоколах в основном используются винты фиксированного шага (ВФШ). Лучшим приводом в этом случае является гребной электродвигатель, обеспечивающий значительное повышение момента на валу при взаимодействии винта со льдом и тем самым снижающий вероятность заклинки винта. Кроме того, электродвигатель уменьшает время реверса, повышает маневренность судна. Поэтому, даже несмотря на довольно высокие потери мощности в передаче, электродвижение находит широкое распространение на ледоколах и судах активного ледового плавания.
В последнее время наблюдается тенденция использования на этих судах ВРШ, в том числе и в насадках. Применение таких винтов в сочетании с двигателем внутреннего сгорания или турбиной снизит потери энергии в передаче. Насадка обеспечивает повышение упора на швартовах, управление лопастями-- достаточную маневренность. Однако подобная пропульсивная установка имеет и ряд существенных недостатков: обломки льда, попадая в насадку, приводят к резкому усилению вибрации кормовой оконечности; начальная стоимость, эксплуатация и ремонт в случае поломки ВРШ существенно выше, чем у ВФШ,
Прочность гребных винтов. Лопасть представляет собой винтообразной формы оболочку, имеющую переменную вдоль радиуса ширину, толщину и кривизну. Ее можно рассматривать как консольную балку, жестко заделанную в корневом сечении. Под действием внешних нагрузок: упора, сопротивления вращению, центробежных сил -- лопасть подвергается кручению, изгибу, растяжению, т. е. испытывает сложное напряженное состояние. них представляет не слишком большую опасность, а в межлопастное пространство не могут попасть
Расчет прочности лопасти, как обычно, включает три задачи: определение внешних сил и внутренних напряжений, назначение обоснованного запаса прочности.
Внешние силы обычно разделяют на две категории: стационарные и периодические, возникающие в основном вследствие неравномерности поля скоростей.
На сегодняшний день проблему определения внешних сил можно считать практически решенной. Для гребного винта заданной геометрии, работающего в заданном поле скоростей, поверочный расчет позволяет определить как средние, так и амплитудные значениях всех перечисленных выше видов нагрузок, действующих на лопасть.
Несколько сложнее обстоит дело с определением сил внутренних, однако для винтов с не слишком большим дисковым отношением существуют достаточно надежные способы расчета этих напряжений.
Расчеты, выполненные для гребных винтов транспортных судов, показыва...
В заключение отметим, что точное определение напряжений в лопастях в различных условиях эксплуатации (реверс, движение на волнении и др.) пока еще не всегда возможно. Это компенсируется значительными запасами прочности, вводимыми при назначении допускаемых напряжений.
На предварительных стадиях расчета винта для оценки его прочности можно использовать выражение (20.1).
