Лекція № 5

Тема: Загальні відомості про корабельні рушії. Характеристика гребних гвинтів

1. Загальні відомості про корабельні рушії.

2. Геометричні характеристики гребних гвинтів.

3. Кінематичні характеристики гребних гвинтів.

4. Гідродинамічні характеристики гребних гвинтів.

Навчальна література:

1. В.П.Шостак та ін.; за ред. В.П.Шостака. Проектування пропульсивної установки суден з прямою передачею потужності на гвинт. Навчальний посібник. - Миколаїв; УДМТУ, 2003. - 500 с. іл.

2. Ф.М.Кацман, Д.В. Дорогостайский. Теория судна и движители. - Л.: Судостроение. 1979. – 279 с. §§ 10 ÷ 16.

3. Г.И.Ваганов, В.Ф.Воронин, В.К.Шанчурова. Тяга судов.– М.: Транспорт. 1986. – 199 с.

4. В.К.Ломоть та ін., Теория корабля.–Л.: ЛВВМИУ, 1983. – 453 с.

5. Лучанский И.А. ВРШ на вашем судне. –М.: Транспорт, 1970. -121 с.

6. Методичні вказівки щодо самостійної підготовки та самоконтролю курсантів по засвоєнню навчального матеріалу з дисципліни «Корабельні газотурбінні, дизель-газотурбінні і дизельні енергетичні установки». –С.: СВМІ, 2007 р.

Вступ

Для того щоб корабель міг рухатися в бажаному напрямку, необхідно мати на ньому двигун і рушій. Двигуном називається пристрій, що перетворить теплову або електричну енергію або енергію іншого виду в енергію механічну, здатну робити роботу. Рушієм же є такий пристрій, що, використовуючи роботу двигуна, створює силу, здатну пересувати корабель.

Для пересування по воді застосовуються рушії різних типів: тичина, весло, вітрило, гребне колесо, гребний гвинт, крильчатий рушій, водомет і інші. Найбільше поширення в цей час має гребний гвинт.

Актуальність лекції полягає у вивченні теорії роботи та основних характеристик найпоширенішого на даний момент часу рушія - гребного гвинта. Чим вище ефективність корабельного рушія, тим досконаліше відбувається процес перетворення енергії, що затрачається, тим більше швидкість корабля і менше витрата палива при тій же потужності енергетичної установки.

1. Загальні відомості про гребний гвинт

Гребний гвинт складається з маточини, що являє собою тіло обертання та з декількох лопатей, які розташовані на ній радіально на однаковій відстані друг від друга. Лопаті гребного гвинта являють собою закручені крила малого подовження, які при обертанні гребного гвинта у воді перетворять енергію що підводиться до них, в упор (силу тяги). При роботі гребного гвинта на передньому ходу зусилля, що розвивається їм, сприймається конусом гребного вала, а на задньому ходу - гайкою.

Рисунок 1. Конструктивні елементи гребного гвинта.

Для поліпшення обтічності та захисту конуса, гайки і різьблення від корозії та механічних ушкоджень, на маточину встановлюється ковпак-обтічник. Його герметично закріплюють на болтах і заповнюють консистентним змащенням.

Носовий кінець маточини має, як правило, більший діаметр, чим кормовий. На носовому торці маточини також передбачається ущільнення для виключення проникнення морської води до гребного валу.

Діаметр маточини гвинта звичайно становить d_ст = (0,18  0,22)D. Довжина маточини звичайно вибирається так, щоб гребний гвинт при зберіганні опирався на її торець, а не на крайки лопатей.

Частина лопаті, який вона примикає до маточини, називається коренем лопати, а її протилежний вільний кінець краєм лопаті. Плавне сполучення поверхонь лопатей та маточини досягається за допомогою галтельного переходу.

Поверхня лопаті, що звернена в корму корабля та сприймаючу реакцію струменя, що відкидається, називається нагнітальною поверхнею, а протилежна їй - засмоктуючою поверхнею.

Лінія перетинання нагнітаючої та засмоктуючої поверхонь утворить крайки лопаті. Бічна крайка лопаті, що звернена убік обертання гребного гвинта називається вхідною кромка, а протилежна її крайка – вихідною кромка (рис. 1).

Розрізняють гвинти правого та лівого обертання. Напрямок обертання гребного гвинта визначається зі сторони корми корабля: за годинниковою стрілкою - правого обертання, проти годинникової стрілки - лівого обертання.

В основі геометричної форми лопати гребного гвинта лежить гвинтова поверхня. Таку поверхню утворить, наприклад, горизонтальний відрізок А-В при його одночасному обертанні навколо вертикальної осі А-А₁ і поступальному переміщенні уздовж її. Відрізок А-В називається утворюючої гвинтової поверхні, а траєкторія кожної його крапки є гвинтовою лінією. Така лінія В-В₁-В₂ описана крапкою В на циліндричній поверхні радіуса r₁, називається напрямної гвинтової поверхні. Шлях, прохідний в аксіальному напрямку уздовж осі А-А₁ будь-якою крапкою утворюючої А-В за один повний її оберт, називається геометричним (гвинтовим) кроком Н гвинтової поверхні. Якщо розгорнути циліндричну поверхню, отриману при умовному розрізуванні циліндра уздовж утворюючої В-В₂ на площину, то вийде прямокутник з підставою, рівною довжині окружності 2 ∙ π ∙ r і висотою Н, діагоналлю якого буде розгорнута напрямна гвинтової поверхні. Отримані при цьому трикутники А-В-В₂ і А-С-С₂ називаються кроковими трикутниками. Кут нахилу цієї діагоналі (гіпотенузи) називається кроковим кутом:

.

При рівномірному поступальному та обертовому руху утворюючої, розташованої під прямим кутом до осі обертання, виходить гвинтова поверхня постійного кроку (рис. 2). Таким чином, гвинтова поверхня, у якої в кожній крапці напрямної гвинтової поверхні конструктивний крок постійний, називається правильною гвинтовою поверхнею. При цьому конструктивний крок гвинтових ліній є одночасно і геометричним кроком гвинтової поверхні в цілому.

Рисунок 2. Схема утворення гвинтової поверхні гвинта постійного кроку.

Таким чином, гвинтом постійного кроку прийнято вважати такий гвинт, у якого геометричний крок для всіх перетинів однаковий, тобто не залежить від радіуса.

Так, якщо рух утворюючої залишається рівномірним, а конструктивний крок гвинтових ліній на різних радіусах має різні значення, то виходить гвинтова поверхня радіальнозмінного кроку (рис. 3).

Рисунок 3. Схема утворення гвинтової поверхні гвинта радіально-змінного кроку.

Таким чином, гвинтом радіально-змінного кроку вважається гвинт, у якого конструктивний крок змінюється по довжині лопати. Для гребних гвинтів радіально змінного кроку за номінальну величину геометричного кроку умовно приймається конструктивний крок перетину лопати на радіусі

r = 0,7 ∙ R.

Якщо поступальний і обертовий рухи утворюючої відбуваються зі змінними швидкостями, то конструктивний крок гвинтової лінії не буде постійним. При розгортанні циліндричної поверхні така гвинтова лінія зобразиться у вигляді деякої кривої. У цьому випадку необхідно визначати крок у кожній крапці лінії. Таким чином, якщо крок гвинтової лінії змінюється як уздовж осі, так і по радіусі, виходить гвинтова поверхня аксіально-радіально-змінного кроку (рис. 4).

Рисунок 4. Схема утворення гвинтової поверхні гвинта аксіально-змінного кроку.

Таким чином, гвинтом аксіально-радіально-змінного кроку вважається гвинт, у якого конструктивний крок і кроковий кут змінюється як по довжині, так і по ширині лопати.

Як правило, правильну гвинтову поверхню має тільки нагнітаюча сторона лопати. У зв'язку з тим, що лопаті гребного гвинта сприймають значні гідродинамічні сили, вони повинні мати достатню міцність. Тому засмоктуючій стороні надають форму неправильної гвинтової поверхні, забезпечуючи міцність лопати та зручно обтічний профіль її перетинів.

Рисунок 5. Сегментні (а), авіаційні (б) профілі перетинів та типові форми контуру спрямленої поверхні (в) лопаті гребного гвинта: 1 – симетричний; 2 – симетричний еліптичний; 3 – шаблеподібний; 4 – криголамний; 5 – насадочний.

Форма лопаті характеризується її контуром, що утвориться перетинанням нагнітальної й засмоктуючої поверхонь. Залежно від типу та умов роботи гребного гвинта застосовують два типи профілів, що розрізняються між собою положенням максимальної товщини: сегментні та авіаційні. Відрізок, що з'єднує найбільш віддалені крапки профілю, які розташовані на крайках лопат, називається його хордою b. Довжина хорди визначає ширину лопати на даному радіусі. Найбільша товщина профілю перетину лопати е₀ виміряється по перпендикулярі до хорди. У сегментних профілів найбільша товщина розташована посередині хорди, а в авіаційних профілів вона зміщена до вхідної крайки і перебуває від її приблизно на 1/3 довжини хорди. Як сегментні, так і авіаційні профілі можуть бути плоскоопуклими, двоопуклими та опукло-вгнутими.

Рисунок 6. Форми лопатей сучасних гребних гвинтів.

Шаблеподібні лопаті звичайно використовуються з метою віддалення лопат гвинта від виступаючих частин кормового краю; зсув перетинів робіться убік, протилежний обертанню гвинта.

Авіаційні профілі перетинів звичайно застосовуються для важко навантажених гребних гвинтів, що працюють, головним чином, на передньому ходу. Симетричні профілі застосовуються для гребних гвинтів, що працюють в умовах частого реверсування (криголами, буксири). Найбільше поширення, у силу їх технологічної простоти, мають авіаційні та сегментні плоско-опуклі профілі.

В останні роки широко застосовуються гребні гвинти з дуже несиметричним шаблеподібним контуром лопаті. При цьому, якщо зберігати твірну гвинтової поверхні прямолінійною (що характерно для симетричних і мало несиметричних лопатей), край лопаті набуває небажаної "ложкоподібності".

У таких випадках застосовують змінний уздовж лопаті перехід перетинів. Його зменшують для кінцевих перетинів, які зміщують до площини диска гвинта назад, і збільшують для кореневих перетинів, які зсовуються вбік засмоктуючої поверхні. При цьому твірна гвинтової поверхні стає криволінійною, а осьовий габарит лопаті зростає (рис. 6).