1.7 Снижение энергозатрат за счет повышения эффективности работы гребного винта

Работа винта за корпусом судна связана с потерями энергии, вызванными обтеканием его элементов потоком вязкой жидкости и гидродинамическим взаимодействием с корпусом. Структура потока жидкости за винтом, в общем случае, носит пространственный характер. Упор, передаваемый винтом корпусу судна, пропорционален осевой составляющей скорости. Радиальная и окружная составляющие скорости не влияют на упор, а для их поддержания затрачивается часть мощности, передаваемой двигателем и движителю. Эта доля мощности может достигать 12 -15%.

Мерой эффективности использования полезной тяги, создаваемой движительным комплексом, является пропульсивный коэффициент (отношение буксировочной мощности к располагаемой мощности главного двигателя), который характеризует пропульсивные качества судна. Для современных транспортных судов различной быстроходности он достигает 0,65 -0,7.

При разработке новых модификаций движителей, позволяющих повысить энергосбережение на судне, следует учитывать еще одну особенность гидродинамики гребного винта. В потоке за работающим гребным винтом возникает развитая вихревая система, состоящая из концевых вихрей, сбегающих с выходных кромок лопастей и прямолинейного осевого вихря, отходящего от ступицы винта.

Для уменьшения потерь энергии на закручивание потока за гребным винтом используют специальные устройства контрпропеллеры или контрвинты, установка которых обеспечивает экономию мощности до 10%.

В качестве примера можно привести трансатлантический пассажирский лайнер с общей мощностью двухвальной СЭУ 94,5 МВт и номинальной скоростью 28,5 уз. Установка за винтами регулируемого шага двух свободно вращающихся турбопропеллера позволила сэкономить мощность в объеме 7,8%.

Японская фирма Mitsubishi Heavy Industries разработала свободно вращающийся стабилизатор типа Stator Fin, устанавливаемый за гребным винтом перед рулем и создающий экономию мощностью 4%.

Снижение мощности на 12-15% можно получить в результате использования двух соосных винтов противоположного вращения, для привода которых используется соосная инструкция ”вал к валу”. В целях исключения попадания концевых вихрей переднего винта на лопасти заднего, диаметр последнего уменьшают, что уменьшает его эрозионное повреждение. Использование парных винтов противоположного вращения требует усложнения линии валопровода и планетарного редуктора, которые обеспечивают разделение мощности на два винта.

В мировом судостроении применяют новые конструкции гребных винтов, значительно повышающих уровень энергосбережения и эксплуатационные свойства судов.

Наибольшее применение получили две модификации гребных винтов с необычной формой лопастей и ступицы. Характерной особенностью формы винта с нагруженными концевыми сечениями лопастей является уширение к периферии конца лопасти, который отогнут на угол 90 .У такого винта КПД повышен за счет снижения потерь энергии на создание концевых вихрей, а также вследствие перераспределения нагрузки по радиусу лопасти с существенным увеличением ее на периферийных сечениях. Суммарная экономия топлива при этом составляет 8 -15%. Использование винтов с нагруженными концевыми сечениями уменьшает шум винта и вибрацию корпуса, радиус циркуляции, а также улучшены кавитационные свойства. К настоящему времени изготовлено более 250 таких винтов (как ВФШ так и ВРШ), рассчитанные на мощность 75 кВт -26,5 МВт.

Энергосберегающие гребные винты с крыловыми наделками на обтекателе ступицы устраняют осевые вихри сходящие со ступиц работающих винтов, тем самым утилизирующие потери энергии на закрутку потока. Экономия топлива вследствие улучшения гидродинамических характеристик составляет 5%, снижаются шум от работы движителя и вибрация корпуса. Такие гребные винты нашли широкое применение на судах различных типов (грузовых и пассажирских паромах, лайнерных и контейнеровозах с большой мощностью энергетической установки).