книги из ГПНТБ / Корытов Н.В. Расчеты по динамике корабля учеб. пособие
.pdfполучающийся при работающем гребном винте, называется эффективным. Скорость эффективного попутного потока представляет собой разность между средней скоростью протекания жидкости через движитель при работе его за корпусом и средней скоростью того же движителя в свобод ной воде (без корпуса) при условии равенства в обоих случаях площадей гидравлического сечения движителя и вызванных осевых скоростей на бесконечном удалении за ним. Определение величины эффективного попутного пото
ка экспериментальным путем связано с большими трудностя
ми, |
обусловленными необходимостью разделения скоростей, |
||||
вызванных винтом и корпусом. Поэтому на практике поль |
|||||
зуются понятием о расчетном попутном потоке. |
|
||||
|
Расчетная скорость попутного потока v w |
принимается |
|||
равной разности скорости невозмущенного потока далеко |
|||||
перед кораблем |
v и условной средней скорости протека |
||||
ния воды |
vP |
через сечение диска винта: |
(2.20) |
||
Значение |
v w |
|
v w = v - v P . |
||
|
принято выражать в долях скорости корабля |
||||
v , |
т. е. |
|
|
|
|
|
|
|
W = ^ = - ^ - = i - ^ - , |
(2.21) |
|
и называть коэффициентом расчетного попутного потока. |
|||||
|
Величина |
w |
определяется из условия эквивалентности |
||
работы гребного винта за корпусом и в свободной воде, |
|||||
предполагающего равенство значений упора и потребляемой |
|||||
мощности в обоих случаях. Используя формулы |
(2.20) и |
||||
(2.21) можно получить зависимости, связывающие расчетную
скорость движителя v p и скорость корабля v : |
|
v p = v ( l - w ) ; |
(2.22) |
P |
|
V |
|
Засасывание. Гребной винт, работающий за корпусом ко рабля, увеличивает скорость обтекания его кормовой части,
40
вследствие чего там понижается давление. Уменьшение давле ния в корме корабля приводит к появлению дополнительной силы, действующей на корпус в направлении,обратном движе нию корабля и увеличивающей его сопротивление. Это допол нительное сопротивление корпуса, вызванное работающим позади него винтом, принято называть силой засасывания.
Наличие силы засасывания приводит к тому, что для движения корабля с некоторой скоростью гребные винты должны развивать упор, превышающий по величине тягу, необходимую для буксирования корабля с той же скоростью, но без гребных винтов. Таким образом, часть упора затра чивается на преодоление буксировочного сопротивления, а другая часть - на преодоление силы засасывания.
Если Р - упор гребного винта, а |
Ре - полезная тя |
га, то силу засасывания можно записать в виде |
|
ДР=Р-Ре . |
(2.23) |
При равномерном движении корабля полезная тяга движи телей уравновешивает силу сопротивления корпуса корабля.
Если на корабле установлено Zp |
одинаковых движителей, |
|||
то соотношение между полезной тягой и сопротивлением |
||||
воды движению корабля будет zp Pe =R. |
к упору движителя |
|||
Отношение силы засасывания |
ДР |
|||
называется коэффициентом засасывания: |
||||
Из выражения (2.24) следует, что при z p = i |
||||
pe=pu-t)-,l |
|
|||
|
|
|
|
( 2 ' 2 5 ) |
i |
- |
t |
|
|
При установке на корабле |
Zp |
движителей |
||
P = Z p W |
J |
( 2 - 2 6 ) |
||
При расчете гребных винтов принято полезную, тягу выра жать безразмерным коэффициентом полезной тяги Ке *.
41
Ке = |
f h i — ' |
(2-27) |
Коэффициенты упора и полезной тяги связаны следующим
соотношением:
Ke =K4 U-t).
Неравномерное распределение скоростей в попутном по токе приводит к изменению углов атаки элементов лопасти гребного винта, работающего за корпусом, во времени.
Вследствие этого происходят колебания значений упора и момента винта в течение оборота по сравнению с характе ристиками винта в свободной воде, т. е. при работе в равномерном поле скоростей потока.
Влияние неравномерности поля скоростей потока на ра боту винта учитывается коэффициентами
где |
, К г |
- коэффициенты упора и момента для винта |
К4 ? |
К а |
за корпусом;. |
- коэффициенты упора и момента для изолиро |
||
|
|
ванного винта. |
Эти коэффициенты называются коэффициентами влияния неравномерности потока на упор (ц) и на момент(ia ") винта. При принятой в отечественной практике методике обра
ботки результатов самоходных испытаний коэффициент 1А предполагается равным единице. Значение коэффициента 1 а зависит от формы обводов корпуса в кормовой оконечности, расположения винта, формы сечений лопасти, нагрузки винта. По данным опытов для кораблей при обычной неравномерности поля скоростей в месте расположения гребных винтов чис ленные значения коэффициента Ц находятся в пределах 0,98-1,02. Поэтому при выполнении расчетов ходкости в дипломном проектировании можно принимать Ц = 1 , 0 •
42
Эмпирические данные о характеристиках взаимодействия
Наиболее надежным способом определения коэффициентов взаимодействия является проведение в опытовом бассейне испытаний самоходных моделей. При отсутствии данных мо дельных испытаний проектируемого корабля или сходного с ним корабля-прототипа для определения характеристик
взаимодействия пользуются эмпирическими формулами, полу ченными по результатам обработки и анализа систематиче ских модельных и натурных испытаний.
В отечественной практике для определения среднего значения расчетного коэффициента попутного потока широко используется формула, полученная Э.Э.Папмелем:
w = ( V 6 6 - 3 * / - ^ |
Д w , |
(2.28) |
|
где |
б - коэффициент общей полноты; |
||
|
Y - объемное водоизмещение корабля, |
||
|
м3 ; |
|
|
|
D - диаметр гребного винта, м; |
||
|
X - показатель степени (для винтов |
||
|
в диаметральной плоскости х=4-> |
||
|
для бортовых винтов |
х=&)', |
|
Aw = 0,36(-p=;-0,2}- поправка на влияние волнообра- |
|||
" |
зования, которая учитывается |
||
|
только для кораблей, расчетная |
||
|
скорость хода которых соответ |
||
|
ствует числам Фруда |
|
|
(при F r ^ 0,2 можно считать Д\л/=0).
Если диаметр винта D не известен, то его значение рекомендуется принимать в зависимости от осадки корабля
кормой Т к |
из условий размещения винта за корпусом, |
|
43 |
используя в качестве первого приближения следующие соот ношения:
при одновальной установке
D = (0,7тО,8)ТК ;
при двухвальной установке
Т ) = (0,6^-0,7)ТК ,
при этом нижний предел следует принимать для небуксирных судов, верхний - для буксирных.
Для ориентировочной оценки среднего значения расчет ного коэффициента попутного потока могут быть использова ны также формулы, предложенные Тейлором для морских тран спортных судов, в зависимости от коэффициента общей пол ноты б
для одновинтовых судов
|
|
|
W = 0,5 8 |
- 0,05', |
(2.29) |
||
|
для двухвинтовыхсудов |
- 0,20. |
(2.30) |
||||
|
|
|
W = 0,555 |
||||
|
Величина коэффициента засасывания t |
определяется |
|||||
по приведенным ниже формулам в зависимости от значения |
|||||||
коэффициента попутного потока. При использовании формул |
|||||||
Тейлора (2.29) и |
(2.30) для расчета |
w |
величину |
||||
коэффициента |
t |
можно определить по формулам: |
|||||
|
для одновинтовых кораблей |
|
|
(2.31 |
|||
где |
|
|
|
t = Ct-W , |
|
|
|
а- коэффициент (при установке за винтом обтекае |
|||||||
|
мого руля |
а= 0,54-0,7; при установке пластин |
|||||
|
чатого необтекаемого руля |
а =0,94-1,05); |
|||||
|
для двухвинтовых кораблей с выкружками гребных |
||||||
валов или с |
валоподдерживающими кронштейнами, соответ |
||||||
ственно: |
|
t = 0,25W |
+ 0,14; |
|
|||
|
|
|
(2.32) |
||||
|
|
|
t = |
0,70 W |
+ 0,06. |
||
|
|
|
|
||||
|
Для винтов в туннелях и полностью погруженных под |
||||||
ватерлинию |
t*»W . |
У быстроходных кораблей с двухваль- |
|||||
44
ными силовыми установками коэффициент засасывания колеб лется в пределах
t = 0 , 0 5 r 0,12..
Коэффициент засасывания зависит от нагрузки винта. Поэтому при расчете ходовых характеристик корабля на
режимах работы |
винта, отличающихся от расчетного, |
|||||
необходимо учитывать изменение коэффициента засасывания |
||||||
в зависимости от скольжения или относительной поступи |
||||||
винта. Чтобы учесть это изменение коэффициента |
t |
, можно |
||||
воспользоваться формулой, полученной Э.Э.Папмелем на ос |
||||||
нове обработки данных испытаний самоходных моделей: |
||||||
|
t 0 |
_ |
to |
|
(2.33) |
|
|
|
L - |
J |
^ |
|
|
н |
н |
~ш а |
|
|
нулевого упора |
|
где |
" i r 5 4 " ^ |
г о |
в о е о т н о ш е н и е |
|||
|
приближенно принимаемое равным кон |
|||||
|
структивному шаговому отношению; |
|||||
|
t 0 - коэффициент засасывания при работе |
|||||
|
винта на швартовах, который обычно |
|||||
|
принимают |
|
t a = ( 0 , 3 r 0 , 7 ) |
W |
|
|
|
или определяют по формуле по извест |
|||||
|
ным значениям |
Ар,t и |
• |
для |
||
|
расчетного режима |
|
|
|||
|
t 0 »t(i -- ^M - |
|
(2.34) |
|||
45
§ 6. Методы проектирования гребных винтов по диаграммам серийных модельных испытаний
Современные методы расчета гребных винтов и ходкости корабля базируются в основном на результатах серийных испытаний моделей винтов в свободной воде, представлен ных в виде диаграмм. Эти диаграммы позволяют также выпол нять проектировочный расчет гребных винтов, работающих за корпусом корабля, путем введения специальных поправок, учитывающих влияние корпуса.
Существует ряд способов изображения результатов серий ных испытаний моделей гребных винтов. В отечественной ко раблестроительной практике наибольшее применение получили диаграммы, построенные в форме, предложенной Э.Э.Папмелем.
В курсе лекций по корабельным движителям был рассмот рен метод построения диаграмм Палмеля, основанный на ис пользовании кривых действия гребного винта. На рис.2 изображена диаграмма, построенная в осях К<-Л.р. Исполь
зуя эту |
диаграмму, можно определить величину шагового |
||
|
ц |
и к. п. д. т^р винта по заданным зна |
|
отношения |
|||
чениям упора Р |
, скорости поступательного перемещения |
||
v P ) диаметра винта Б |
или числа оборотов- п . диаграмма |
||
в осях |
К4-71р |
удобна при расчете гребных винтов, когда |
|
характеристики главного двигателя выбираются по заданному упору.
Диаграмма, построенная в осях К г - \р (или /К^-А.Р для сокращения масштаба, СРЛ. рис. 3) позволяет определить
|
Н |
|
|
значение шагового отношения |
и к. п. д. винта г^р, |
||
если заданы вращающий момент винта М |
(или мощность |
||
NР,подведенная к винту), скорость поступательного пере |
|||
мещения |
, число оборотов п |
или диаметр винта Б . |
|
Основное преимущество расчетных диаграмм Папмеля
заключается в том, что они непосредственно позволяют 46
О |
0,1 |
0,2 |
0,5 |
0,4 |
0,5 |
0,е |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,4 |
4,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
Ар |
Рис.3 Диаграмма Ка-Лр серии гр»5ных. бинтоЬ
спроектировать оптимальный винт, который имеет наивыгод нейшие элементы, т. е. обеспечивает наибольший к. п. д. при заданных условиях.
Определение элементов оптимального винта по диаграм мам основано на введении так называемых коэффициентов задания (или расчетных коэффициентов), которые приняты в виде:
а)_для диаграммы в осях Кч—7Lp
( 2 . 3 5)
б) для диаграммы в осях К4-Д.р
(2 . 36)
1ККг
Коэффициенты Км и Ка имеют следующие названия: K j - коэффициент упора-диаметра;
коэффициент упора-числа оборотов; К'^- коэффициент мощности-диаметра; К'^- коэффициент мощности-числа оборотов.
На каждую из диаграмм нанесены две сетки кривых - парабол той или иной степени, соответствующих постоянным значениям коэффициентов задания. В частности, сетка кри
вых |
К^=const |
|
представляет собой семейство парабол |
||
вида |
К4= 1 |
|
Каждой точке этих парабол на диаграмме |
||
в осях К<-Л.р |
отвечают гребные винты с вполне определен- |
||||
ными значениями |
Н |
, Т 1 |
Р |
\ Р и К. .Общим свойством таких |
|
|
|
D |
|
|
|
винтов является то, что все они удовлетворяют условиям задания, т. е. развивают необходимый упор Р. при за-
49