Проектирование судов

Окончание табл. 11.2

По результатам расчета строят графики зависимости буксировочного (полного) сопротивления и буксировочной мощности от скорости движения судна.

При заполнении табл. 11.2 значения скорости принимают от 0 до 1,2 расчетной скорости, определенной в техническом задании.

Для судов ледового плавания категорий ЛУ1-ЛУ9 необходимо вычислить дополнительное к сопротивлению воды чистое ледовое сопротивление от движения в обломках битого льда.

В расчетах необходимо учитывать следующее. Судам категории ЛУ1-ЛУ9 допускается самостоятельное плавание в мелкобитом раз-

реженном льду сплоченностью S 5 7 баллов с толщиной льда, указанной в табл. 11.3.

181

Таблица 11.3

Значения толщин льда и допустимой скорости для судов ледового плавания

Расчет сопротивления обломков льда допускается производить по формуле В. Зуева:

где ρ = 0,92 – плотность льда, т/м3; h – толщина льда, м;

Fr – число Фруда по толщине льда;

S – функция сплоченности битого льда, определяемая по выражению

При движении судна на взволнованной поверхности воды необходимо учитывать сопротивление от набегающих волн. Это дополнительное сопротивление можно определить по формуле Давидсона:

182

где с 1,25 – скорость распространения волны, м/с;

hв – высота волны, м;

φн – угол входа носовой ветви КВЛ.

Максимальная высота волны определяется классом судна. Для определения длины волны можно использовать приближенную фор-

мулу h 0,17 0,75.

Способы расчета сопротивления с другими коэффициентами общей полноты δ и соотношениями главных размерений BL , TB приведены и в [18], и в [19].

12.ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

12.1.Расчет гребного винта

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 разд. 11. По результатам расчетов строятся кривые буксировочного сопротивления и буксировочной мощности в рассчитанном диапазоне скоростей.

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

183

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 ряде случаев целесообразно воспользоваться данными прототипа.

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.

Предварительный расчет ведем в следующей последовательности. 1. Определяем коэффициенты взаимодействия винта гребного

0,50 0,05, где δ – коэффициент общей полноты. Коэффициент засасывания для бортового винта t 0,8 1 0,25

или для винта в ДП t 0,6 1 0,67 .

2. Устанавливаем предельный диаметр винта, пользуясь приближенной зависимостью

184

Dв 0,7 0,1 x 1 T,

где х – число движителей; Т – осадка судна.

3. Находим необходимыйупор P и расчетную скорость винта p:

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

4.Оцениваем целесообразность применения направляющей насадки для гребного винта.

5.Оценить целесообразность применения насадки можно с помощью коэффициента нагрузки по упору.

где ρ – плотность воды;

F – площадь, ометаемая гребным винтом.

Если 2, то установка направляющей насадки будет целесообразна. Она повысит КПД движительного комплекса, что приведет

квозрастанию скорости или тяги.

6.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, а для двухвинтовых – 3 или 4. Если

Ad – площадь диска или площадь круга, диаметр которого равен

185

диаметру винта; z – число лопастей у данного винта; Ал – спрямленная площадь одной лопасти; А – спрямленная площадь всех лопастей ) необходимо исходить из обеспечения прочности лопасти и предотвращения кавитации.

Из условий прочности

где d0 – диаметр ступицы; z – число лопастей;

max 0,08 0,09 – относительная толщина лопасти при относи-

тельном радиусе лопасти 0,6÷0,7;

m – коэффициент учитывающий условия работы винта, равный 2,0 для ледоколов; 1,75 – для судов ледового плавания; 1,5 – для буксиров и толкачей; 1,15 – для транспортных судов;

Р – упор винта, кН; 6 104 кПа – допускаемые напряжения

для винтов транспортных судов. Из условий отсутствия кавитации

где p0 pатм ghв – давление в потоке на бесконечности; pатм = 101,3 кПа атмосферное давление;

ρ – плотность воды;

g – ускорение свободного падения;

he – погружение оси винта, принимается по теоретическому чертежу (в курсовом проекте приближенно можно принять половину осадки судна);

p = 2,3 кПа – давление насыщенных паров.

После расчета дисковых отношений по (12.1) и (12.2) выбирают большее. По нему подбирают расчетную диаграмму с ближайшим большим дисковым отношением, которое принимают окончательным.

186

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

Таблица 12.1

Расчет элементов винта при выборе энергетической установки

3Относительная поступь λp (с расчетной диаграммы)

4КПДдиаграммывинта)ηP (с расчетной

5Шаговое отношение HD

(с расчетной диаграммы) Пропульсивный КПД

187

8. По результатам выполненного расчета строят зависимости Nв* 1,15Nв f n , Dв f n , которые служат для окончательного подбора двигателей (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Кривые для выбора двигателя

Двигатель подбирают по каталогам, как ближайший по расчетной мощности и частоте вращения. В табл. 12.4 приведены характеристики некоторых двигателей.

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. 12.2. Если мощность в первом приближении меньше мощности двигателя, переходим ко второму приближению, причем скорость

v2 v1 3 N y ,

Ne1

где Ny – установочная мощность выбранного двигателя; Ny 1 – подведенная к винту мощность.

Окончательным считается приближение, когда выполняется условие N y Ne1. При этом будут определены оптимальные параметры

188

винта: диаметр Dв, дисковое отношение θ, шаговое отношение HD , относительная поступь λp, число лопастей z.

Таблица 12.2

Расчет элементов оптимального гребного винта и достижимой скорости хода

4Относительная поступь λp (с расчетной диаграммы)

5КПД винта ηp (с расчетной диаграммы)

6Шаговое отношение H (с расчетнойD

диаграммы) Диаметр винта

Пропульсивный КПД

81 t p

9Сопротивлениедвижению R f , кН (определяетсяпокривойсопротивления) Мощность на валу одного двигателя

kN = 1,15 – коэффициент запасамощности

189

Если найденное значение DB превышает предельное, то расчет в столбцах табл. 12.2 прекращают и вычисления продолжают по алгоритму в табл. 12.3.

Таблица 12.3

Расчет элементов оптимального гребного винта и достижимой скорости хода при диаметре винта больше предельного

Dв Dвmax

190