15 Гидродинамический расчёт гребного винта

В соответствии с прототипом выбираем одновальную механическую установку в ДП.

Расчёт винта для данного судна будет вести в 2 этапа: предварительный и окончательный. В предварительном расчёте 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 следует выбрать двигатель, проектные мощность и частота вращения которого (с учетом установки редуктора) наиболее близки к требуемым. После этого с учетом выбранного двигателя произвести окончательный расчет ходкости, определяя оптимальные элементы гребного винта и достижимую скорость хода судна. [2]

Предварительный расчёт.

1. Коэффициенты взаимодействия винта гребного винта с корпусом судна.

― Коэффициент попутного потока для винта в ДП, где где δ - коэффициент общей полноты.

― Коэффициент засасывания для винта в ДП

2. Устанавливаем предельный диаметр винта, пользуясь приближенной зависимостью

D_в= (0,7-0,1(x -1))T, где x – число движителей; T – осадка судна.

D_в= (0,7-0,1(1 -1))3.07=2.15 м,

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

v_р=v(1-Ѱ), где v — скорость судна(м/с). Значение сопротивления R(v) принимаем для заданной скорости хода. Согласно расчётам в пункте 13 сопротивление движению судна для скорости 12 узлов(6.17 м/с) равно 90кН.

v_р=v(1-Ѱ) = 6.17(1-0.355)=3.98 м/с

4. Оцениваем целесообразность применения направляющей насадки для гребного винта. Так как судна класса Arc4 – применение насадок – нецелесообразно.

5. Прежде чем выбрать расчетную диаграмму, необходимо установить число лопастей и дисковое отношение. Для одновинтовых судов число лопастей должно быть не менее 4, что связано с предотвращением недопустимой вибрации.

Выбираем число лопастей – 4.

При выборе дискового отношения ϴ ( ), где А_d – 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.[2]

Из условий прочности:

где d0-диаметр ступицы и равный 0,18D=0,18*2.15=0,387 м; 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 = 1,75 для судов ледового плавания; Р - упор винта, кН; [ϭ]= 6х10⁴ кПа – допускаемые напряжения для винтов транспортных судов.

Принимаем диаметр ступицы 0.18 от D_в, d₀=0.36м

Из условий отсутствия кавитации:

где р₀=р_атм+ ρgh_в - давление в потоке на бесконечности; p_атм =101 кПа 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.

Выбираем большее дисковое отношение ϴ ≥ 0.843, округляем до 0.85

Выбираем диаграмму для дальнейшего расчёта гребного винта из материалов

[ ] рисунок (15.1 и 15.2)

Рисунок 15.1 – Диаграмма для расчёта гребных винтов (а)

Рисунок 15.2 – Диаграмма для расчёта гребных винтов (б)

6) Дальнейший расчет требуемой мощности и частоты вращения гребного винта производим по алгоритму, приведенному в таблице 15.1 с использованием выбранной диаграммы.

7) По результатам выполненного расчета строим зависимости:

Ne *=f(n)- мощность от числа оборотов,

Dв= f(n)- диаметр винта от числа оборотов

которые служат для окончательного выбора главного двигателя (рисунок 15.3).

Таблица 15.1 – Расчёт элементов винта при выборе энергетической установки

№ п.п	Расчётная величина	Формула	Численные значения
1	Диаметр винта	―	0,6D	0,7D	0,8D	0,9D	D	1,1D
			1,29	1,505	1,72	1,935	2,15	2,365
2	Коэф. упора диаметра Kd		0,47	0,55	0,63	0,71	0,78	0,86
3	Отн. поступь λр	(с расч. диагр.)	0,26	0,29	0,33	0,36	0,41	0,45
4	КПД винта Ƞр	(с расч. диагр.)	0,28	0,35	0,36	0,4	0,44	0,45
5	Шаговое отношение H/D	(с расч. диагр.)	0,79	0,81	0,83	0,85	0,87	0,9
6	Пропульсв-ный КПД		0,32	0,40	0,41	0,46	0,50	0,51
7	Частота вращения, n		11,87	9,12	7,01	5,71	4,57	3,74
8	Расч. мощность двигателя Ne	кВт	1847	1478	1437	1293	1176	1180
9	Мощность дв. с запасом 15% Ne*	Ne* =1.15*Ne, кВт	2124	1699	1652	1487	1351	1371

По результатам расчётов в таблице 15.1, выбираем двигатель, удовлетворяющий условиям:

Ne=1351кВт

n=5 об/с

Выбираем двигатель судовой двигатель JDEC серии 190, изготавливаемый компанией «Ремдизель» по австрийской лицензии. [16]

Характеристики:

H12V190ZLC2

1500 кВт

1500

3212 х 1597 х 2211

9,3

MG 45.49

300

Модель двигателя

Мощность, кВт

Частота вращения, об/мин

Габаритный размер L x B x H, мм

Масса, т

Модель реверс-редуктора

Число оборотов на выходе редуктора, об/мин

Так как мощность выбранного двигателя отличается от требуемой по диаграмме (рисунок 15.4), то следует сделать расчёт на достижимую скорость хода (таблица 15.2)

Рисунок 15.4 - График зависимости мощности двигателя и диаметра винта от частоты вращения

Таблица 15.2 – Расчёт оптимальных значений винта и достижимой скорости хода

№ п.п	Расч. Величина	Формула	Значения
1	Скорость хода, м/с	―	ν1	ν2	ν3
			6,17	6,58	6,56
2	Расч. скор. в диске винта		3,98	4,24	4,23
3	Коэф. задания		1,26	1,37	1,37
4	Отн. поступь λр	С расч. диаграммы	0,41	0,42	0,43
5	КПД винта Ƞр	С расч. диаграммы	0,48	0,50	0,52
6	Шаговое отношение H/D	С расч. диаграммы	0,75	0,76	0,78
7	Диаметр винта Dв		1,94	2,02	1,97
8	Пропульсивный КПД		0,55	0,57	0,59
9	Сопротивление движению R	По диаграмме	90,00	107	120
10	Мощность на валу двигателя		1239,28	1507	1623

Выполним расчёт достижимой скорости хода:

Таблица 15.3 – Расчёт элементов оптимального гребного винта и достижимой скорости хода при диаметре винта D_B=2.15 м

№ п.п	Расч. Величина	Формула	Значения
1	Скорость хода, м/с	―	ν1	ν2
			6,17	6,39
2	Расч. скор. в диске винта		3,98	4,12
3	Отн. поступь λр		0,37	0,38
4	Коэф. Момента К2		0,041	0,032
5	КПД винта Ƞр	С расч. диаграммы	0,44	0,47
6	Шаговое отношение H/D	С расч. диаграммы	0,88	0,78
7	Пропульсивный КПД		0,50	0,54
8	Сопротивление движению R	По диаграмме	90,00	107,00
9	Мощность на валу двигателя		1351	1557

Из расчёта видно, что достижимая скорость хода судна при данном двигателе будет находится в пределах от 6,17 м/с(12 узлов) до 6,39 м/с(12,4 узла), что удовлетворяет требованиям, так как расчётная скорость судна - 12 узлов.

При расчёте получены характеристики винта:

Dв = 2.15 м

ϴ=0.85

H/D=0.88

λр=0.37

z=4