§ 11.4. Гидродинамические характеристики гребного винта

На выделенный элемент лопасти, который обтекается со скоростью υ под углом атаки (см. рис.38), действуют гидродинамические силы. Результирующую этих сил обозначим черезdF. Проекция dF на осевое направление есть сила упора элемента лопасти dР, а проекция на окружное направление - сила сопротивления вращению элемента лопасти dQ. Момент сопротивления вращению элемента

лопасти: dМ = dQr, где r - радиус, на котором расположен рассматриваемый элемент лопасти.

Для всего винта сила упора: Р = z,

где z - число лопастей; r ₀ - радиус ступицы; R – радиус винта.

Момент сопротивления вращению винта:

М = z.

Этот момент равен по величине и противоположен по знаку вращающему моменту, который необходимо приложить к винту для обеспечения его вращения с заданной частотой n и создания требуемого упора Р.

Валовая мощность, потребная для равномерного вращения винта с угловой скоростью ω = 2πn,

N_р = М ω = 2πnМ.

Так как сила упора создается в результате обтекания лопастей потоком жидкости, то в соответствии с общей формулой для гидродинамических сил можно считать, что величина сила Р пропорциональна плотности жидкости, характерной площади винта и квадрату характерной скорости. Для винта в качестве характерной площади принимают D², а в качестве характерной скорости – nD. Тогда, обозначив через ₁ коэффициент упора, для силы упора получим следующую зависимость:

Р = ρn² D⁴,

откуда безразмерный коэффициент упора

= Р /ρn² D⁴.

По аналогии момент

М = ρn² D⁵,

безразмерный коэффициент момента

= М /ρn² D⁵.

Коэффициент полезного действия гребного винта η_р, работающего в свободной воде (при отсутствии влияния корпуса судна и поверхности воды (η_к = 1)), определяется отношением полезной мощности к затраченной мощности:

η_р = Р υ_p/2πnМ,

или с учетом формул для упора и момента:

η_р =.

Упор, момент и к.п.д. являются гидродинамическими характеристиками гребного винта. Величины их зависят от относительной поступи винта λ_р = υ_p/nD, которая характеризует режим работы гребного винта. График, выражающий функциональную зависимость гидродинамических характеристик винта ,_, и η_р от относительной λ_р, называется кривыми действия винта (рис.112).

При отсутствии влияния корпуса, свободной поверхности воды и кавитации винта кривые действия будут одинаковыми для геометрически подобных винтов, так как λ_р является при этих условиях критерием динамическогоподобия винтов.

Рис.112. Кривые действия гребного

винта в свободной воде

§ 11.5. Работа гребного винта на разных режимах

Для оценки условий работы двигателей судна надо знать основные характеристики винта: упор Р, момент М и к.п.д. η_р на разных режимах, т.е. при любых значениях поступательной скорости υ_p и частоте вращения n (при разных значениях λ_р = υ_p/nD). Рассмотрим некоторые характерные режимы работы винта, условно заменив его одним эквивалентным элементом лопасти, расположенным на радиусе центра тяжести площади спрямленной поверхности лопасти (при r = 0,7R).

11.5.1. Швартовный режим (рис.113,а). Этот режим работы винта наблюдается при снятии судна с мели, движении в ледяных торосах. В швартовном режиме υ_p = 0 и λ_р = υ_p/nD = 0, т.е. винт работает на месте не совершая полезной работы, КПД его η_р = Р υ_p/2πnМ = 0. Так как угол атаки для элемента лопасти достигает наибольшей

величины, упор винта Р и момент М (коэффициенты и ) оказываются наибольшими (рис.112). В этом режиме работа винта с полной частотой вращения недопустима из-за перегрузки двигателей и опасности повреждения валопроводов по причине больших осевых усилий и крутящих моментов. Максимальная частота вращения винта на швартовном режиме составляет 600,65% частоты вращения расчетного режима полного хода, т.е.n_шв < (0,600,65)n_п.

Рис.113. Режимы работы элемента лопасти

11.5.2. Основной (расчетный) режим переднего хода (рис.113,б). Этот режим соответствует относительной поступи λ_р >0, при которой винт создает полезный упор Р (>0) за счет подведенного от двигателя вращающего момента М (>0), причем КПД η_р находится в области максимальных для данного винта значений (рис.112). Угол атаки элемента лопасти, коэффициенты и в рассматриваемом режиме меньше, чем в швартовом режиме.

11.5.3. Режим нулевого упора (рис.113,в). С дальнейшим увеличением относительной поступи угол атаки для элемента лопасти продолжает уменьшаться, в в связи с чем снижаются значения упора

и момента винта. При некотором λ_р = λ_р1 упор Р (коэффициент упора) обращается в нуль и η_р = Р υ_p/2πnМ = 0, т.е. винт не совершает полезной работы (рис.112). Момент М (коэффициент момента) остается положительным, т.е. винт требует подведения от двигателя некоторого вращающего момента, который целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Относительную поступь λ_р1 принято обозначать называют Н₁/D и называть шаговым отношением нулевого упора или гидродинамическим шаговым отношением, а величину Н₁ - шагом нулевого упора или гидродинамическим шагом. Шаговое отношение нулевого упора Н₁/D превышает конструктивное Н/D, и их численное соотношение специфично для каждой серии гребных винтов. Режим нулевого упора наблюдается при реверсе винта и является кратковременным.

11.5.4. Режим нулевого момента (рис.113,г). При увеличении относительной поступи за режимом нулевого упора при λ_р = λ_р2 наступает режим нулевого момента винта, когда коэффициент момента становится равным нулю. Понятие КПД винта η_р здесь не имеет смысла, так как к винту от двигателя вращающий момент не подводится. Винт вращается под действием набегающего на него потока, а возникающий при этом момент целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Работающий винт оказывает набегающему потоку сопротивление, которое соответствует отрицательному значению упора Р (коэффициент упора). Таким образом, в пределах относительной поступи от λ_р = λ_р1 до λ_р = λ_р2 гребной винт уже не является движителем, он как бы “парализован” или находится в так называемой зоне Параля (рис.112).

Дальнейшее увеличение относительной поступи за предел λ_р2 приводит к тому, что не только упор Р, но и момент М оказываются отрицательными, т.е. гребной винт из движителя превращается гидротурбину (рис.113,д), что соответствует турбинному режиму работы винта.