3. Предварительный расчёт гребного винта и выбор силовой установки.

Расчёт гребного винта подразделяется на два этапа: предварительный и окончательный. Предварительный расчёт заключается в определении при заданной скорости судна необходимой мощности двигателя и оптимальной частоты вращения гребного винта.

Поскольку найденные в предварительном расчёте мощность и частота вращения не соответствуют мощности и частоте вращения конкретных судовых двигателей, производится окончательный расчёт ходкости судна для определения достижимой скорости и оптимальных элементов гребного винта при выбранном двигателе.

При предварительном расчёте гребного винта используем кривые полного сопротивления и буксировочной мощности.

Расчётный режим работы гребного винта выбирается из того, чтобы в средних эксплутационных условиях винт соответствовал двигателю, т.е. не перегружал его. С этой целью необходимо увеличивать расчётное сопротивление:

- сухогрузных судов дедвейтом до 7000т - на 20%

- сухогрузных судов дедвейтом свыше 7000т - на 15%

- танкеров дедвейтом до 10000т - на 20%

- танкеров дедвейтом свыше 10000т - на 15%

При выборе числа лопастей полагаем, что для одновинтовых судов с целью уменьшения вибрации кормовой оконечности их должно быть не менее четырёх.

3.1. Предельный диаметр гребного винта, исходя из условий его расположения в кормовом подзоре судна, должен быть не более D_пр = 0,7d для одновинтовых судов и D_пр = 0,6d для двухвинтовых судов.

3.2. Для определения коэффицента попутного потока  используется формула Э.Э. Папмеля:

- ( 3.1)

где  – коэффициент общей полноты;

V – объёмное водоизмещение, т;

D_пр – диаметр гребного винта, м;

 – поправка на влияние числа Фруда (вводится только при Fr  0,2).

Показатель степени х = 1 для средних винтов, х = 2 – для бортовых винтов.

Если Fr  0,2, то  = 0,1(Fr – 0,2).

Коэффициент засасывания t определяется в зависимости от коэффициента попутного потока:

t = 0,6 – для одновинтовых судов с обтекаемым рулём;

t = 0,7 – 0,6 –для двухвинтовых судов.

Дисковое отношение должно быть выбрано таким, чтобы исключить кавитацию на лопастях гребного винта. Дисковое отношение снимается с графика на рис.3.1, приведённого в методическом указании, позволяющего определить величину дискового отношения, исключающего вторую стадию кавитации. Входными параметрами являются:

h_s – глубина погружения оси гребного винта, м

h_s = d – 0,6D

– удельная нагрузка на единицу площади диска гребного винта, кг/м²

R – сопротивление воды движению судна ( для данного расчета R берем увеличенное на 15-20% в зависимости от весового водоизмещения).

По графику на рисунке 3.1 находим дисковое отношение .

Для того, чтобы исключить и первую стадию кавитации найденное на рис.3.1 дисковое отношение увеличить на 50-70%. Однако следует иметь в виду, что увеличение дискового отношения свыше 0,75-0,80 для винтов серии Трооста ( по результатам которой будет производиться расчет) не рекомендуется.

Относительная толщина лопасти на оси гребного винта е₀ определяется в зависимости от удельной нагрузки и дискового отношения по формуле:

Для расчета гребных винтов применяются расчетные диаграммы, построенные по результатам серийных испытаний моделей винтов серии Трооста в Вагенингемском бассейне. Эти диаграммы приведены в Приложении 2.

Основные геометрические элементы моделей гребных винтов серии Трооста приведены в таблице 3.1.

Основные геометрические характеристики гребных винтов серии Трооста.

Таблица 3.1.

Число лопастей	Дисковое отношение	Относительная толщина лопасти на оси винта, %	Относительный диа- метр ступицы d/D,%
4	0,40; 0,55; 0,70	4,5	16,7
5	0,45; 0,60	4,0	16,7
6	0,65; 0,80	3,5	16,7

Выбор расчетной диаграммы производится в зависимости от числа лопастей и дискового отношения.

Если дисковое отношение не соответствует табличным, то следует увеличить или слегка уменьшить до ближайшего табличного значения.

Предварительный расчет гребного винта производят в табличной форме (таблица 3.2).

1. В строку 1 таблицы заносят 6 значений диаметра в диапазоне ( 0,6 1,1)D_пред.

2. В строке 2 подсчитываются коэффициенты упора-диаметра гребного винта:

_p=0,514*_s*(1-)=

В этой формуле упор гребного винта (Р) рассчитывается в зависимости от полного сопротивления R , определяемого в зависимости от заданной скорости судна по графику кривой буксировочного сопротивления.

P=R/(i*(1-t)); i=1

3. В третьей строке записываются значения относительной поступи , снятые с выбранной в соответствии с данными гребного винта расчетной диаграммы (Приложение 2).

4. В четвертой строке рассчитывается уточненное значение относительной поступи с учетом работы гребного винта не в свободной воде, а за корпусом судна. При этом коэффициент а = 1,05 для гребных винтов, расположенных в диаметральной плоскости, а = 1,03 для бортовых винтов:

5. В пятой строке рассчитывается оптимальная частота вращения гребного винта, рассчитанная по формуле:

6. В шестой строке рассчитывается коэффициент упора К1:

7. В седьмой и восьмой строках заносятся соответственно шаговое отношение Н/Д и к.п.д. винта, снятые с расчетной диаграммы.

8. В девятой строке рассчитывается пропульсивный коэффициент:

_k=(1-t)/(1-)

В десятой строке рассчитывается потребная эффективная мощность главного двигателя Ne . Коэффициент валопровода принимается равным 0,98.

Расчёт исходных данных для определения оптимального соотношения между мощностью и частотой вращения винта.

Таблица 3.2.

№ п/п	Расчётные величины и формулы.	Числовые значения расчётных величин.						Примечание
1	D	4,3	5,0	5,7	6,4	7,1	7,8	Задаёмся (1знак
2		0,74	0,87	0,99	1,11	1,23	1,35
3		0,347	0,407	0,46	0,514	0,566	0,618	Снимаем с диаграммы Приложение 2.
4		0,36	0,43	0,48	0,54	0,59	0,65
5	об/с	3,66	2,63	2,07	1,64	1,35	1,12
6		0,23	0,25	0,24	0,24	0,23	0,23
7		0,769	0,862	0,884	0,935	0,958	1,012	Снимаем с диаграммы Приложение 2.
8		0,447	0,482	0,519	0,553	0,583	0,579	Снимаем с диаграммы Приложение 2.
9		0,52	0,56	0,6	0,64	0,68	0,67
10	кВт	12206	11334	10578	9917	9650	9473
11	_ n, об/мин	219,6	157,8	124,2	98,4	81,0	67,2
Постоянные величины расчёта. Vs = 15,3 узл. R = 791 кН  = 0,28 t = 0,168 i = 1 z = 5 а = 1,05 Vp=5,66м/с P=1094кН EPS = 6220 кВт  = 1,025 кНс2/м4 в = 0,98 k = 1,16

По результатам расчета строят кривые Ne и n в зависимости от диаметра гребного винта D (рис.3.2).

По этим кривым производят окончательный выбор двигателя по каталогу судовых энергетических установок ( Приложение 4 или 5) и записывают марку двигателя, фирму-изготовитель, его номинальную мощность и номинальную частоту вращения.

Для различных частот вращения по графику рис. 3.2 снимаем значения мощности и сравниваем с табличными для тех же частот вращения. Подбираем наиболее подходящий двигатель ( n_ном = n_треб , N_ном ~ N_треб , погрешность не более 1%). Затем в любом случае производим окончательный расчет гребного винта.

Так для приведённого выше примера придварительного расчета ГВ определены мощность ГД и частота вращения:

- по графику: n=123 об/мин; N_e=10546 кВт;

- по таблицам: n=123 об/мин; N_e=10450 кВт;

Выбираем двигатель B&W с числом цилиндров 10.