4. Расчет гребных винтов

При работе над проектом судна проводятся проверочные расчеты ходкости, подбор и расчеты движителя, подбор главного двигателя. Прежде необходимо рассчитать сопротивление и буксировочную мощность по способам, приведенным в разделе 11 настоящего пособия. По результатам расчетов строятся кривые буксировочного сопротивления и буксировочной мощности в рассчитанном диапазоне скоростей. [2]

Выбор типа движителя. Поскольку назначение движителя — преобразование мощности в полезную тягу, основным критерием для его выбора является степень эффективности этого преобразования, т. е. КПД движителя.

При скоростях хода до 30 км/ч для водоизмещающих судов обычного типа наивысшим КПД обладают гребные винты. Они наиболее просты и в конструктивном отношении, поэтому нашли преимущественное применение на судах. Водометные движители используются при ограниченной осадке и для защиты рабочего органа от повреждений. Жесткие требования к маневренным качествам могут быть причиной установки крыльчатых движителей.

Стремление повысить эффективность гребных винтов при больших нагрузках привело к использованию направляющих насадок.

Выбор числа движителей. Выгодной с точки зрения пропульсивных качеств является одновальная механическая установка. Однако невозможность размещения винта необходимого диаметра заставляет иногда отказываться от нее. Другим основанием для увеличения числа гребных винтов является требование живучести судна. В вопросе о выборе числа движителей необходимо исходить из условий размещения главных механизмов и обеспечения управляемости судна.

При выборе числа движителей в курсовом проекте целесообразно воспользоваться данными прототипа. [2]

1. Расчет элементов движительного комплекса при выборе главной энергетической установки

При выборе элементов проектируемого судна, в первом приближении определена мощность энергетической установки по адмиралтейской формуле. На данном этапе выбираем реальную энергетическую установку, обеспечивающую заданную скорость хода при оптимальном движителе.

Расчет винта для данного судна делят на два этапа: предварительный и окончательный. В предварительном расчете определяется необходимая мощность двигателя и оптимальная частота вращения гребного винта. Найденные в предварительном расчете мощность и частота вращения, как правило, не соответствуют мощности и частоте конкретных двигателей, выпускаемых промышленностью. Поэтому по каталогам выбирают двигатель, проектные мощность и частота вращения которого (с учетом установки редуктора) наиболее близки к требуемым. После этого с учетом выбранного двигателя производят окончательный расчет ходкости, определяя оптимальные элементы гребного винта и достижимую скорость хода судна. [2]

Предварительный расчет ведем в следующей последовательности.

1. Определяем коэффициенты взаимодействия винта гребного винта с корпусом судна.

Коэффициент попутного потока для бортового винта ᴪ=0,55δ-0,20 или винта в диаметральной плоскости (ДП) ᴪ=0,50-0,05, где δ - коэффициент общей полноты.

Коэффициент засасывания для бортового винта t= 0,8ᴪ (1+0,25ᴪ) или для винта в ДП t= 0,6ᴪ (1+0,67ᴪ).

2.Устанавливаем предельный диаметр винта, пользуясь приближенной зависимостью

где x – число движителей; T – осадка судна.

3. Находим необходимый упор P и расчетную скорость винта vр:

где v — скорость судна. Значение сопротивления R(v) принимают для заданной скорости хода.

4. Оцениваем целесообразность применения направляющей насадки для гребного винта. Оценить целесообразность применения насадки можно с помощью коэффициента нагрузки по упору

где - плотность воды, F – площадь, ометаемая гребным винтом.

Если , то установка направляющей насадки будет целесообразна. Она повысит КПД движительного комплекса, что приведет к возрастанию скорости или тяги.

5. Прежде чем выбрать расчетную диаграмму, необходимо установить число лопастей и дисковое отношение. Для одновинтовых судов число лопастей должно быть не менее 4, что связанно с предотвращением недопустимой вибрации, а для двухвинтовых – 3 или 4. Если коэффициент упора-диаметра , число лопастей принимается равным 3, а если , то 4.

При выборе дискового отношения , где – площадь диска или площадь круга, диаметр которого равен диаметру винта; z- число лопастей у данного винта; А_л - спрямленная площадь одной лопасти; А – спрямленная площадь всех лопастей) необходимо исходить из обеспечения прочности лопасти и предотвращения кавитации.

Из условия прочности

где d₀ – диаметр ступицы; z — число лопастей; δ_max = 0,08 0,09 - относительная толщина лопасти при относительном радиусе лопасти 0,6 0,7; т - коэффициент, учитывающий условия работы винта, равный 1,2 для ледоколов, 1,75 для судов ледового плавания, 1,5 для буксиров и толкачей, 1,15 - для транспортных судов; Р - упор винта, кН; [σ]=6^.10⁴кПа – допускаемые напряжения для винтов транспортных судов.

Из условий отсутствия кавитации

где p₀=p_атм + ρgh_в - давление в потоке на бесконечности; p_атм =10кПа атмосферное давление; ρ - плотность воды; g – ускорение свободного падения; h_в – погружение оси винта, принимается по теоретическому чертежу (в курсовом проекте приближенно можно принять половина осадки судна); p_v=2,3 кПа – давление насыщенных паров.

После расчета дисковых отношений по (1.1) и (1.2) выбирают большее. По нему подбирают расчетную диаграмму с ближайшим большим дисковым отношением, которое принимают окончательным. Диаграммы для расчета гребных винтов приведены в приложении 2.

6. Дальнейший расчет требуемой мощности и частоты вращения гребного винта производим по алгоритму, приведенному в табл. 12.1, по выбранной диаграмме.

7. По результатам выполненного расчета строят зависимости Ne*=1,15Ne=f(n), D_в=f(n), которые служат для окончательного подбора двигателей (рис. 1.1).

Двигатель подбирают по каталогам, как ближайший по расчетной мощности и частоте вращения.

Если соотношение между характеристиками выбранного двигателя (мощностью и частотой вращения гребного винта) не отвечает построенным графикам, приступаем к окончательному расчету гребного винта, который производится по алгоритму табл. 1.2. Если мощность в первом приближении меньше мощности двигателя, переходим ко второму приближению, причем скорость где – установочная мощность выбранного двигателя; – подведенная к винту мощность. Окончательным считается приближение, когда выполняется условие . При этом будут определены оптимальные параметры винта: диаметр , дисковое отношение θ, шаговое отношение , относительная поступь λ_р , число лопастей z.

Если найденное значение превышает предельное, то расчётов столбцах таблицы 1.2 прекращают и вычисления продолжают по алгоритму в таблице 1.3.

Таблица 1.1 – Расчет винта при выборе энергетической установки

В таблицах 1.2, 1.3 расчетная мощность N_р (мощность на гребном винте) определяется

где – КПД валопровода (среднестатистическое значение 0,98); – КПД передачи (среднестатистическое значение 0,96 - 0,97 с редуктором ; 1 – без редуктора); – номинальная (эффективная) мощность одного двигателя; = 1,15 – коэффициент запаса мощности. [2]

Таблица 1.2 – Расчет элементов оптимального гребного винта и достижимой скорости хода

Таблица 1.3 – Расчет элементов оптимального гребного винта и достижимой скорости хода при диаметре винта больше предельного ( )