8.4 Шляхи зменшення опору руху суден

Одна з найбільших витрат при експлуатації суден – витрати на горюче – мастильні матеріали. Тому всілякі дії, направлені на зменшення опору руху суден, були, є і завжди будуть актуальними.

Існує безліч методів зменшення опору руху суден. Одні реальні , інші на даний час фантастичні.

Методи зменшення опору руху суден поділяються на методи зменшення в’язкістного опору (тертя і форми) і хвильового.

Відомі наступні методи зменшення опору тертя. Реальні – періодичні очищення підводної частини від балянусу і пофарбування. На даний час фантастичні – часткова заміна турбулентного* руху води в приграничному шарі ламінарним за рахунок зміни фізичних властивостей води на поверхні корпусу введенням поверхнево-активних речовин, підігрівом поверхневого шару або введенням в нього повітря. Гасіння в приграничному шарі турбулентності також можливе покриттям поверхні корпусу пружним, легко деформованим матеріалом.

Зменшення опору форми можливо за рахунок покращення обводів кормової кінцівки корпусу і використання носових бульбів.

Ефективним способом зменшення хвильового опору, окрім використання носових бульбів, є побудова напівзанурених суден з малою площею ватерлінії.

8.5 Рушії

Рушій – це пристрій, що долає опір руху судна.

Першими рушіями були і остаються до цього часу вітрило і весло. Перше перетворює енергію вітру в роботу, що долає опір руху судна. Друге – енергію м’язів людини. З появою парових машин з’явилося гребне колесо, яке зараз майже повністю витіснене гребним гвинтом.

Зараз гребний гвинт – рушій переважної більшості суден. Ще на деяких спортивних суднах використовуються водомети (Рисунок 8.4). Як гребний гвинт, так і водомет відкидають від судна маси води і тим створюють силу, яка штовхає судно. Гребні гвинти діляться на гвинти фіксованого і гвинти регульованого кроку. Типовий гребний гвинт фіксованого кроку показаний на рисунку 8.1, регульованого кроку – на рисунку 8.2.

.

Рисунок 8.1 – Гребний гвинт фіксованого кроку (ВФШ) Рисунок 8.2 – Гребний гвинт регульованого кроку (ВРШ)

Рисунок 8.3 – Схема гребного гвинта фіксованого кроку (ВФШ)

Рисунок 8.4 – Схема гребного гвинта регульованого кроку (ВРШ) з поворотно шатунним механізмом зміни кроку

1 – лопасті гвинта, 2 – ступиця, 3 – гребний вал, 4 – повзун зі штангою, 5 – палець шатуна. 6 – підшипник кореневого кінця лопасті, 7 – обтічник.

Основні складові гребного гвинта – ступиця і приєднані до неї лопасті.

Лопасті гребного гвинта – це профільовані крила, які здійснюють одночасно обертальний і поступальний рухи вздовж осі обертання. Число лопастей гребного гвинта може мінятися від 2 до 7, але частіше всього 3 або 4. Форма лопатей різноманітна – від симетричної до шаблевидної.

Діаметр гвинта (D) – це діаметр кола, що умовно проходить через кінці лопастей. Диск гвинта – це круг діаметром, рівним діаметру гвинта D з центром на осі гвинта. Площа диска гвинта

. (8.14)

Відношення площі всіх лопастей до площі диска гвинта називається дисковим відношенням

, (8.15)

де z – число лопастей гвинта;

А – площа поверхні лопасті,

Дискові відношення гребних гвинтів транспортних суден мають значення від 0,35 до 0,80.

Місце примикання лопасті до ступиці називається коренем лопасті.

Гвинти бувають правого і лівого обертання. Якщо, дивлячись в корму судна, що віддаляється, бачимо, що гвинт обертається по годинниковій стрільці – це гвинт правого обертання. Якщо в протилежному напрямку – лівого.

Бокова кромка лопасті, повернута в сторону обертання гвинта, називається вхідною, протилежна – вихідною. Поверхня лопасті, на яку діє при передньому ході реакція води, що відкидається, називається нагнітаючою поверхнею. Протилежна поверхня, що повернена в сторону корпусу судна, – засмоктуючою. Перетин лопасті циліндром, вісь якого співпадає з віссю гвинта, дає профіль лопасті. Для гребних гвинтів застосовуються сегментні і авіаційні профілі.

Поверхні лопастей гребних гвинтів – це гвинтові поверхні. Крок гвинта (Н) – це відстань по осі, на яку переміщається гвинт за один оберт при русі в твердому середовищі (нерухомій гайці).

Гребний гвинт характеризується не кроком, а відношенням кроку до діаметра гвинта. Відношення називається кроковим відношенням.

В воді гвинт, відкидаючи воду, проходить відстань h_p менше кроку Н. Відстань h_p називається лінійною ходою гвинта.

(8.16)

де v_p – швидкість судна в м/с;

n – число обертів гвинта за секунду.

Гребний гвинт працює в потоці води, збаламученої корпусом судна. Це впливає як на роботу гвинта, так і на сили, що діють на корпус судна. Корпус судна при русі захоплює за собою маси води і створює потік, направлений в сторону руху судна. Цей потік називається попутним потоком.

Швидкість попутного потоку оцінюють в долях швидкості судна. Відношення де u – середнє значення швидкості попутного потоку по диску гвинта, називається коефіцієнтом попутного потоку. Для одно гвинтових суден коефіцієнт попутного потоку

w 0,50 – 0,05, (8.17)

де – коефіцієнт загальної повноти судна.

З іншого боку, працюючий за кормою гребний гвинт підсмоктує до себе маси води, внаслідок цього кормова кінцівка судна обмивається водою з більшою швидкістю, ніж в випадку, коли судно просто б буксирували. Тиск при цьому в кормі на підводну поверхню зменшується і з’являється додаткова сила Т, направлена проти руху судна. Ця сила називається силою засмоктування. Відношення , де Р упор гвинта, називається коефіцієнтом засмоктування. Коефіцієнт засмоктування залежить від форми корпусу і приблизно оцінюється в долях попутного потоку.

t ≈ (0,5 – 0,7) w. (8.18)

Відношення потужності, необхідної для буксирування судна, до потужності, що підводиться до гребного гвинта,

, (8.19)

де R – упор гвинта;

v – швидкість судна;

N _p – потужність, що підводиться до гребного гвинта,

називається пропульсивним коефіцієнтом.

Пропульсивний коефіцієнт для одногвинтових суден η ≈ 0,4 – 0,8.

Коефіцієнт корисної дії гребного гвинта зростає із зменшенням числа обертів. Тому на більшості вантажних суден встановлені мало оборотні головні двигуни з прямою передачею на гребний гвинт.

Гребний гвинт, головний двигун і корпус судна зв’язані між собою як кінематично, так і динамічно.

Зв'язок між двигуном і гвинтом полягає в наступному:

кінематичний зв'язок – частота обертання гребного гвинта дорівнює (або кратна) частоті обертання колінчатого валу головного двигуна

n_гв = n_дв; (8.20)

динамічний зв'язок – момент, що крутить гребний гвинт, дорівнює (або кратний) моменту на вихідному фланці колінчатого валу з урахуванням коефіцієнта корисної дії валопроводу

М_гг = η_гв М_гд. (8.21)

При сталому русі судна всі залежності виконуються. Але якщо одна із величин змінюється, то автоматично змінюються і всі інші величини. Наприклад, змінюється число обертів колінчатого вала – змінюється момент на валу, змінюється швидкість судна.

Дуже важливо, щоб гребний гвинт по своїм гідродинамічним характеристикам відповідав головному двигуну. Якщо при певних числах обертів гребний гвинт не вибирає повну потужність головного двигуна то такий гребний гвинт називають гідродинамічно легким гвинтом. Якщо навпаки, головний двигун перевантажений, то гребний гвинт гідродинамічно важкий. І потрібно зменшувати число обертів.

Гребні гвинти регульованого кроку (ВРШ) дозволяють змінювати упор гвинта і його напрям (відповідно швидкість і напрям руху судна) при незмінному числі обертів. ВРШ – це складні механізми, набагато дорожчі від звичайних гвинтів фіксованого кроку. Окрім великої вартості ВРШ менш надійні, маса їх більша, експлуатація і ремонт їх більш дорогі і коефіцієнт корисної дії менший. Тому їх ставлять тільки на судна, в яких при експлуатації значно змінюється опір руху (буксири, риболовні траулери) або необхідно часто змінювати швидкість при проході в вузькостях, портах при швартовці і т.п.

Зараз широко використовується гвинто-рульова колонка Azipod.

У традиційних рухових системах двигун знаходиться всередині корпусу судна і обертання передається на рушій (гвинт) за допомогою проміжних валів, іноді через редуктор.

Гвинто-рульова колонка Azipod складається з високомоментного електродвигуна, розташованого в окремому корпусі - поді. Гребний гвинт встановлений безпосередньо на валу електродвигуна, що дозволило передавати обертовий момент з двигуна безпосередньо на гвинт, минаючи проміжні вали або редуктори. Відмова від проміжних елементів пропульсивної системи дозволила виключити втрати енергії, що виникають в них при передачі енергії з вала двигуна на гвинт. Установка закріплена поза корпусом судна за допомогою шарнірного механізму і може обертатися навколо вертикальної осі на 360°, що дозволяє отримати кращу маневреність судна як за курсом, так і за швидкістю в порівнянні зі звичайними рушійними установками. Крім того, таке технічне рішення скорочує обсяг машинного відділення, підвищуючи тим самим вантажомісткість, що дуже актуально для транспортних суден.

Рисунок 8.3 – Рушій типу «Azipod»

Є і інші типи гвинто-рульових колонок – Steeprop, де чотирьох лопастний гвинт з шаблевидними лопастями знаходиться в насадці, Shottel з подібною.

Водометні рушії застосовуються, як правило, на спортивних суднах, суднах, які працюють на мілководді, або служать в якості підрулюючого пристрою для поліпшення повороткості суден.

Рис. 8.4 – Водометний рушій

Гребні гвинти відливають з латуні, бронзи, алюмінієвих сплавів,легованої сталі. Це складне, високотехнологічне виробництво. Найбільший гребний гвинт виготовлений в Німеччині в 2014 році – п’яти лопастний діаметром Д = 10,4м і масою 113т.

Контрольні питання:

1. Що таке «ходовість» суден?

2. Фактори, що впливають на ходовість?

3. Закон Бернуллі?

4. Що таке опір руху судна, його складові?

5. Що таке опір буксирування?

6. Що таке упор гвинта?

7. Що таке потужність буксирування?

8. Що таке пропульсивний коефіцієнт?

9. З яких складових складається опір води?

10. Від чого залежить опір тертя?

11. Шляхи зменшення опору руху судна?

12. Принцип дії всіх рушіїв?

13. Які рушії ви знаєте?

14. Гребний гвинт. ВФШ та ВРШ?

15. Яка поверхня лопасті гребного гвинта є нагнітаючою поверхнею, яка засмоктуючою.

16. Принцип дії гвинто-рульової колонки Azipod.

17. З яких матеріалів і як виготовляють гребні гвинти?