Лекція № 6

Тема: Робота гребного гвинта на різних режимах

1. Криві дії гребного гвинта.

2. Режими роботи гребного гвинта на передньому ходу.

3. Робота гребного гвинта при реверсі.

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

4. 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 забезпечення поступального руху корабля з заданою швидкістю необхідно прикласти до нього силу, рівну по силі опору R і спрямовану убік його руху. Ця сила називається рушійною (силою тяги), створюється при роботі корабельного рушія. Чим вище ефективність корабельного рушія, тим досконаліше відбувається процес перетворення енергії, що затрачається, тим більше швидкість та маневреність корабля і менше витрата палива при тій же потужності енергетичної установки.

Актуальність лекції полягає у вивченні теорії роботи на передньому ходу та при реверсі найпоширенішого на даний момент часу рушія кораблів - гребного гвинта.

1. Криві дії гребного гвинта

Залежність основних гідродинамічних характеристик гребного гвинта (коефіцієнта упору К₁ коефіцієнт моменту К ₂ і ККД _р) від його режиму роботи, обумовленого відносною ходою _р, прийнято представляти графічно у вигляді криві дії гвинта К₁(_р), К₂(_р) і _р(_р) (рис.1).

Кривими дії гребного гвинта називаються графічні залежності основних гідродинамічних характеристик гребного гвинта К₁ = f (λ_р), К₂ = f (λ_р) і η_р = f (λ_р) від його режиму роботи, обумовленого відносною ходою λ_р.

Криві дії гребного гвинта одержують або розрахунком, або шляхом буксирування моделі гвинта в опитовом басейні або при випробуваннях у кавітаційної трубі. При проведенні випробувань модель гвинта обертається із заданою частотою n. Здійснюючи буксирування з різними швидкостями V_p (у кавітаційної трубі, змінюючи швидкість потоку, що набігає) при постійній частоті обертання одержують різні значення відносної ходи λ_р. У процесі випробуванні виміряються упор моделі гвинта Р и момент М с допомогою гвинтового динамометра.

2. Режими роботи гребного гвинта на передньому ходу

При розгляді кривих дії гвинта (рис. 1) і характеру обтікання елемента лопаті гвинта (кута атаки α) (рис. 2) можна виділити окремі характерні режими роботи гребного гвинта.

Рисунок 1. Криві дії гребного гвинта.

Рисунок 2. Характер обтікання елемента лопаті гвинта.

Швартовний режим (точка 1). Даний режим має місце при проведенні швартовних випробувань або при зрушуванні корабля з мілини своїм ходом. У цьому режимі швидкість води в диску гвинта V_p = 0. Відповідно відносна хода λ_р = V_p / (n ∙ D) = 0, та ККД гвинта η_р = (Р ∙ V_p) / (2π ∙ n ∙ М) = 0, тобто гвинт працює на місці та не робить корисної роботи. Внаслідок того, що V_p = 0 кут атаки α для кожного елемента лопати досягає найбільшої величини. Відповідно упор Р (коефіцієнт К₁) і момент М (коефіцієнт К₂) гребні гвинти мають максимальне значення.

При швартовному режимі тривала робота гвинта з повною частотою обертання неприпустима через перевантаження двигунів. Припустима частота обертання гвинта на швартовному режимі становить 0,60 ÷ 0,65 від частоти обертання в розрахунковому режимі повного ходу.

Основний (розрахунковий) режим роботи (точка 2). Зі збільшенням відносної ходи λ_р кут атаки α кожного елемента лопати зменшуються. У результаті цього падають упор Р (коефіцієнт К₁) і момент М (коефіцієнт К₂) гребного гвинта. ККД гвинта η_р спочатку зростає, досягаючи максимуму (точка 2 рис.1) при деякому значенні η_р, а потім падає. Значення відносної ходи гвинта λ_р при яких величина ККД η_р найбільша, відповідають оптимальному режиму роботи гребного гвинта й повинні відповідати його розрахунковому режиму для заданої швидкості ходу корабля.

Режим нульового упору (точка 3). З подальшим збільшенням відносної ходи λ_р кут атаки α триває зменшуватися, відповідно продовжують знижуватися упор Р (коефіцієнт К₁) і момент М (коефіцієнт К₂) гребного гвинта. При певнім значенні λ_р = λ_р1 значення упору Р (коефіцієнта К₁) гребного гвинта стає рівним нулю. Відповідно ККД гребного гвинта η_р = (Р ∙ V_p) / (2π ∙ n ∙ М) = 0, тобто гребний гвинт більше не робить корисної роботи.

Підведений при цьому від двигуна обертаючий момент М (коефіцієнт К₂) залишається позитивним і витрачається на подолання опору обертанню гребного гвинта. Відповідна відносна хода λ_р1 позначається Н₁ / D і називається кроковим відношенням нульового упору.

Подібний режим роботи гребного гвинта практично може мати місце, коли на двогвинтовому кораблі при роботі двох гвинтів на передній хід відключається один з них з переходом на вільне обертання. При такому переході гребний гвинт проходить через крапку нульового упору. Аналогічний режим короткочасно спостерігається й у процесі реверса, коли до гвинтів ще підводить крутний момент, але швидкість потоку, що набігає, при русі корабля по інерції така, що створюваний гвинтами упор дорівнює нулю.

Режим нульового моменту (точка 4). Якщо після режиму нульового упору й далі збільшувати відносну ходу λ_р, те при деякому значенні λ_р = λ_р2 момент М (коефіцієнт моменту К₂) стає рівним нулю.

Настання режиму нульового моменту обумовлено зміною знака кута атаки α. Відносна хода λ_р2 позначається H₂/D і називається кроковим відношенням нульового моменту. У цьому випадку поняття ККД гребного гвинта η_р не має змісту, тому що до гвинта від двигуна не підводиться обертаючий момент, а він обертається під дією потоку, що набігає на нього, і виникаючий момент витрачається на подолання опору обертанню гвинта. Гвинт робить потоку, що набігає, деякий опір, що відповідає негативному значенню упору Р (коефіцієнту упору К₁).

Турбінний режим (точка 5). При λ_р > λ_р2 негативними є й упор Р и момент М, що відповідає турбінному режиму роботи гвинта. Він може мати місце при вільному обертанні відключеного гвинта.

Залежно від величини відносної ходи розрізняють наступні області роботи гребного гвинта:

а) При 0 < λ_р < Н₁ /D (область I на рис. 1) гребний гвинт працює як рушій, що розвиває позитивний упор (К₁ > 0) за рахунок підведеного до нього обертаючого моменту (К₂ > 0). У цій області розташовуються значення λ_р, що відповідають оптимальному (розрахунковому) режиму роботи гребного гвинта. Робочий діапазон значень відносної ходи гребного гвинта відповідає λ_р = 0,8 ÷ 1,1.

б) При Н₁ /D < λ_р < Н₂ /D (область II на рис. 1) гребний гвинт «паралізований», тобто не є не рушієм, не турбіною. Гребний гвинт не створює ні корисного упору, ні корисного обертаючого моменту.

в) При λ_р > Н₂ /D (область III на рис. 1) гребний гвинт працює в турбінному режимі. Він гальмує рух корабля (К₁ < 0) і може передавати гребному валу деякий обертаючий момент.