книги из ГПНТБ / Корытов Н.В. Расчеты по динамике корабля учеб. пособие
.pdfзаданных значений упора, так как его распределение между гребными валами в начальной стадии неизвестно.
Поэтому обычно проектировочный расчет гребных винтов ыяоговального корабля выполняегся методом последователь ных приближений.
Рассмотрим наиболее часто встречающийся случай расчета,
когда заданными величинами являются: |
|
|
- сопротивление корпуса корабля R ; |
; |
|
- мощность на среднем гребнем валу М с |
||
- мощность на бортовом гребном валу Ng |
; |
|
- число оборотов среднего и бортового валов пс ,п5 ; |
||
- к.п.д. газопроводов |
,т\б5 и передачтц,с,гц_ ; |
|
- число средних и бортовых гребных валов Zpc HZP g ; - значения коэффициентов попутного потока wc и w5"T
- коэффициент засасыванияt = ^ | I ^ ~ .
Необходимо отметить, что коэффициент засасывания в рассматриваемом случае характеризует изменение сопротивле ния от работы всех винтов и выделить раздельно влияние каждой группы винтов очень сложно. Поэтому для расчета может быть задан только общий коэффициент засасывания.
Искомыми величинами являются оптимальный диаметр, шаго вое отношение и другие элементы винтов, а также скорость полного хода корабля.
Выполняя расчет в первом приближении, принимают, что сопротивление, преодолеваемое каждым винтом, распределено между гребными валами пропорционально мощности на этих валах. Тогда упор винта можно определить, разделив сум-
R
марный упор Z3?=-j—£- на части, пропорциональные распреде лению мощности по гребным валам.
Дисковое отношение и число лопастей гребных винтов, которые позволяют выбрать соответствующую диаграмму в атласе серийных испытаний моделей, определяют на основе рекомендаций, изложенных в § 7.
90
Последовательность расчета элементов гребных винтов, в случае использования диаграммы К^-АР приведена в табл. 17. По данным строк 13 и 14 строят кривые зависимости потреб ляемой мощности и пропульсивного коэффициента от скорости хода бортовых и средних винтов.
Т а б л и ц а 17
Расчет скорости полного хода и элементов гребных винтов ыноговального корабля
пп. |
Величина и формула |
I V S |
задается |
2EP5=Kvs )
3Урс=0,545и-\^у3
vP B = 0,515 и-\л/БК
5 |
|
|
6 |
145,6-EPSc |
1^5,6 EPS* |
|
|
|
7 |
|
|
8
9
10
I I П Р = ^ ( К ; С ) ; П Р 5 = ^ ( К ; 5 )
12 |
L K C 1-Wc ' |
1-W5 |
13 |
EPS, |
EPS* |
|
||
11 |
c ne nf c v 5 |
п 5 п л |
15 |
|
|
Размер- Средниеt Бортовой ность винт винт
мэ
л.с.
м/с
м/с
Л.С.
кгс
кгс
Л.С.
м
91
Определив точки пересечения линий заданной мощностиI\JC иМ5 с соответствующими кривыми (рис. 16), при найденных таким образом значениях скорости снимают величины пропудь-
сивного коэффициента. Полученные по графи
ку рис.16 скорости хо да бортовых и средних винтов могут оказаться несколько различными. В этом случае расчет ведетоя по той же схе ме во втором приближе нии, принимая, что зна чения ЕР5 для борто вых и средних гребных винтов распределены в
'* соответствии со-зяаче- Рис. 16. Определение скорости хода ниями пропульсивных
МНп^?мЛЬпВр0иГб°лИКжйииМ В коэффициентов, снятыми с графика рис. 16.
Для трехвальных установок расчет распределения E P S ве дется по формулам:
EPS |
(2.48) |
По данным расчета во втором приближении строится гра фик, аналогичный представленному на рис. 16. Бели значе ния Т|<с и г[ъ , найденные во втором приближении, отличаются от данных первого приближения на 2-3%, то дальнейшее уточ нение нет необходимости производить. Тогда на график
Н |
и затем при |
рис. 16 наносят кривые — = f ( v ^ |
выбранном значении v$ определяют необходимый диаметр и шаговое отношение гребного винта. Дальнейший расчет, свя занный с уточнением элементов винтов, ведется-в обычном порядке.
92
Если диаметр гребных винтов задан и требуется опреде лить число их оборотов, то расчет выполняется по схеме, аналогичной указанной в табл. 17, с использованием вспомо гательного коэффициента К'^ .
Расчет элементов гребных винтов может быть выполнен также с использованием диаграммы Кг-Л.Р •
§ 15. Средства повышения пропульсивыых
|
качеств корабля |
|
|
Работа гребного винта за корпусом корабля связана |
с |
||
потерями энергии как в самом винте, так и в результате |
|||
взаимодействия его с корпусом корабля. Кроме того, на |
|
||
многовальиом корабле возможно взаимное влияние гребных |
|||
винтов. |
|
|
|
Мерой эффективности работы комплекса гребные винты - |
|||
корпус корабля является пропульсивный коэффициент |
, ко |
||
торый определяется формулой: |
I |
|
|
^ |
ZPe • V _ |
(2.49) |
|
75ZNP "~1 l -''r l l <'Tr? |
|||
где |
r i \ p — |
к.п.д. гребного винта в с |
|
гцкоэффициент влияния корпуса корабля; |
|||
Ц - |
коэффициент влияния неравномерности |
||
|
поля скоростей да момент, развиваемый |
||
винтом.
Рассмотрим особенноохи изменения к.п.д. винта, коэф фициента влияния корпуса и возможные средства их повыше ния.
Средства повышения к.п.д. изолированного гребного винта
Потери энергии в оамом гребном винте, которые учиты ваются величиной г]_р, слагаются из: потерь на создание
93
осевых и окружных вызванных скоростей; профильных потерь, обусловленных вязкостью жидкости; концевых потерь, связан ных с перетеканием жидкости с нагнетающей поверхности лопасти на засасывающую у конца лопасти; потерь на сопро тивление ступицы винта.
В общем балансе потерь энергии при работе гребного вин та определяющую роль на большинстве режимов играют потери, связанные с образованием вызванных скоростей, так назы ваемые индуктивные потери. Величина этих потерь зависит от нагрузки гребного винта, характеризуемой коэффициентом нагрузки винта по упору:
р |
q V p W |
ос Л? " |
|
Р |
С увеличением бР величина индуктивных потерь возрастает. Уменьшение коэффициента нагрузки d p винта может быть до стигнуто за счет увеличения гидравлического сечения винта (т.е. диаметра винта). Однако увеличение диаметра винта при заданном числе оборотов сверх определенного предела приводит к чрезмерному увеличению профильных потерь. При заданных диаметре и числе оборотов винта индуктивные по тери зависят от распределения нагрузки вдоль лопасти, т.е. от распределения ширины ее и шага по радиусу. Поэто му путем выбора оптимального распределения нагрузки по радиусу лопасти винта может быть достигнуто снижение индуктивных потерь.
Для уменьшения индуктивных потерь, связанных с образо ванием осевых вызванных скоростей, применяют направляющие насадки, которые позволяют также уменьшить концевые поте ри. Однако применение насадок целесообразно лишь для тяжедонагруженяых винтов, имеющих <6^ 2,0.
В целях уменьшения потерь энергии на создание окружных вызванных скоростей (или потерь на закручивание потока) используют специальные направляющие устройства - контрпропеллеры, устанавливаемые позади винта или перед ним.
94
Принцип действия контрпропеллера, устанавливаемого за винтом, заключается в создании на отдельных элементах его дополнительного упора d P за счет использования энергии, затраченной винтом на закручивание струи. При установке контрпропедлера перед винтом поток, до того как он попа дает на винт, получает начальную закрутку в сторону, про тивоположную вращению гребного винта. Винт раскручивает его и в результате поток за винтом имеет осевое направле ние. Эффективность контрпропеллера возрастает с увеличе нием нагрузки винта, применение его оказывается целесооб разным при коэффициентах упора винта К^>0,2.
Недостатками контрпропедлера являются: резкое снижение эффективности при отклонении режима работы винта от рас четного, уменьшение к.п.д. винта на заднем ходу, ухудше ние управляемости корабля вследствие стабилизирующего действия устройства, возрастание сопротивления движению от дополнительных выступающих частей. Поэтому контрпропел леры не получили применения на быстроходных кораблях, они устанавливаются лишь на кораблях и транспортных судах с умеренными скоростями.
Другим конструктивным средством повышения пропудьсивных качеств гребного винта является установка за винтом хорошо спрофилированного удобообтекаемого руля. Руль обтекаемой формы, установленный непосредственно зал винтом, также играет до некоторой степени роль контрпропедлера.
Увеличение к.п.д. винта в этом случае может достигать 5-13%, кроме того, улучшаются маневренные качества кораб ля. Как показали испытания моделей в опытовом бассейне, эффект от установки руля за винтом зависит от относитель ной тодщияы пера руля &=^~ и расстояния от передней
кромки руля до винта. Наибольший выигрыш в к.п.д. винта достигается при величине 8 =0,20, дальнейшее увеличение толщины нецелесообразно, так как ухудшается качество про филя рудя. Благоприятное влияние руля на работу винта
95
уменьшается при увеличении расстояния а от передней кром ки руля до винта (рис. 17,а).
Для практического использования рекомендуются следую щие величины указанных характеристик:
8 = ^ 0 , 2 0 '
^-=0,15-0,20.
Руль обтекаемой формы оказывает благоприятное влияние также на характеристики взаимодействия винта с корпусом корабля: возрастает коэффициент попутного потока и умень шается коэффициент засасывания, что приводит к увеличению коэффициента влияния корпуса и пропудьсивного коэффициен та в целом.
В некоторых случаях на пере руля устанавливают пропульсивную (сигарообразную) наделку, ось которой является продолжением оси гребного вала (рис. 17,6). Эта наделка способствует уменьшению потерь энергии на сужение струи гребного винта, а также неравномерности поля скоростей потока. Особенно эффективно применение наделок за гребны ми винтами с большим относительным диаметром ступицы, в частности на кораблях, оборудованных ВРШ. По данным испы таний моделей, при установке наделки оптимальной формы выигрыш в мощности механической установки может составлять до 3-4%.
Увеличение к.п.д. гребного винта за счет снижения по терь энергии на закручивание потока за винтом может быть достигнуто при использовании соосных гребных винтов про тивоположного вращения. Соосные гребные винты представ ляют собой движительный комплекс, состоящий из двух вин тов, имеющих общую ось вращения и противоположное направ ление вращения и расположенных на близком друг от друга расстоянии (рис. 17,в).
Как показали теоретические и экспериментальные исследо вания, при установке на корабле соосных винтов противопо96
Расположение грешного бин т а относительно руля.
Буль&ообразкал наЭеяка на пере руля
Соосньие гребные бинты, про тивоположного вращение.
Расположение бинта относи тельно корпуса и быступо-
юшдзс частей,
г'ис. 17. Средства повышения прспульсивяых качеств корабля
97
ложного вращения достигаются следующие улучшения пропульсивных качеств корабля:
-более высокий к.п.д. движителя по сравнению с равяоупорньш одиночным винтом за счет использования энер гии, затрачиваемой на закручивание струи потока, отбрасы ваемой винтом;
-меньший оптимальный диаметр (до 10%) и меньшая нагрузка, на лопасти винтов, что обусловливает более высо кую допустимую нагрузку на единицу площади диска винта;
-повышение пропульсивного коэффициента за счет увеличения коэффициента влияния корпуса (до 12%);
-улучшение кавитационных качеств, в частности уменьшение опасности возникновения эрозии на лопастях, вследствие уменьшения нагрузки на лопасти винтов.
Кроме отмеченного,при использовании соосных винтов противоположного вращения улучшаются также эксплуатацион ные качества корабля; увеличивается устойчивость движения корабля вследствие компенсации вращающих моментов винтов; снижается уровень вибрации, передаваемой на корпус, за счет увеличения общего числа лопастей движителя.
Соосные винты пока не получили широкого применения в кораблестроении вследствие трудностей, связанных с разра боткой сложной системы валопровода, обеспечивающей про тивоположное вращение винтов. Кроме того, в настоящее время нет общепринятого метода расчета этих винтов, не исследовано влияние ряда геометрических элементов передне го и заднего винтов на гидродинамические и кавитационные характеристики движительного комплекса.
Рассмотрим возможные средства повышения конструктивно го к.п.д. винта, который учитывает профильные потери, обусловленные вязкостью жидкости. Снижение профильных потерь может быть достигнуто за счет:
а) выбора наивыгоднейшей профилировки лопастей (ре шение задачи о проектировании гребного винта с наимень шими профильными потерями);
98
б) уменьшения диаметра ступицы винта и использова ния рациональной компоновки обтекателя ступицы с рулем; в) применения высокопрочных материалов для изготов ления винта, что позволяет уменьшить относительную толщи ну лопасти, а следовательно, и профильное сопротивление; г) тщательной обработки поверхности лопасти в целях
снижения общей шероховатости их, а следовательно, и со противления трения.
Влияние корпуса на пропульсивный коэффициент
Рассмотрим теперь, как влияют на величину пропудьсивного коэффициента характеристики взаимодействия винта с корпусом и режим работы гребного винта. К.п.д. гребного винта зависит от нагрузки винта: с роотом коэффициента нагрузки бр к.п.д. идеального движителя снижается (см.фор мулу 2.18). При заданном числе оборотов коэффициент на грузки у винта, создающего определенное значение упора, возрастает с увеличением коэффициента попутного потокаw Это объясняется уменьшением скорости перемещения винта
vp =(i-w)v относительно воды. Поэтому, чем больше попутный поток, тем меньше, при прочих равных условиях, .к.п.д. винта. Увеличение коэффициента засасывания-t также при водит к повышению ё? вследствие необходимости возрастания упора; следовательно, и в этом случае к.п.д. винта г\9 снижается. ^
Коэффициент влияния корпуса Чк = "рт^ 1 в м выше, чем больше коэффициент попутного потока и чем меньше коэф фициент засасывания. При постоянном коэффициенте засасыва ния увеличение т\ с возрастанием w обычно превосходит падение т\9 . Поэтому увеличение коэффициента попутного потока, при прочих равных условиях, повышает пропульсивный коэффициент комплекса винт-корпус. Увеличение коэффициен та засасывания всегда приводит к снижению .
99