§ 11.6. Диаграммы для расчета гребных винтов

Диаграммы для расчета гребных винтов позволяют решать многие эксплуатационные задачи, в том числе задачи, необходимые судоводителю. В частности, с помощью этих диаграмм определяют

достижимую скорость судна, упор гребного винта, стоят паспортные диаграммы.

Диаграммы для расчета гребных винтов являются результатом испытаний моделей гребных винтов в опытовых бассейнах или специальных лабораториях – в кавитационных трубах. Эти испытания позволяют установить взаимосвязь всех геометрических характеристик (Н/D;d₀/D;z; Θ и др.) и их влияние на эффективность работы гребных винтов.

Рис.114. Диаграммы Э.Э.Пампеля для расчета гребных винтов серии В.4.40 (z = 4, Θ = 0,40)

Широко распространены диаграммы в форме предложенной Э.Э. Пампелем. Для каждой серии винтов с одинаковым числом zлопастей и дисковым отношением Θ, представлены две расчетные диаграммы (рис.114): на верхней дана зависимость от λ_рпри различных значениях Н/D, на нижней -(λ_р) при тех же значениях Н/D.

На диаграммах также нанесены кривые равных значений η_р, которые получают, проведя плавные кривые через точки с постоянными значениями КПД, отмеченные предварительно на кривых и, относящихся к различным шаговым отношениям.

Диаграмму (λ_р) используют для расчетов элементов винта и скорости судна при заданной мощности двигателя; если задана скорость судна, то для определения двигателя используют диаграмму(λ_р). По обеим диаграммам легко определить оптимальные диаметр винта или частоту его вращения, скорость судна или упор винта, его шаговое отношение, потребляемую мощность двигателя и т.д. Если диаметр или частота вращения не известны, то такую задачу решают с использованием расчетных коэффициентов:

- упора - диаметра '_d= υ_pD;

- мощности - диаметра " _d = 0,274υ_pD;

- упора - частоты вращения '_n=;

- мощности - частоты вращения "_n= 0,523.

§ 11.7. Взаимодействие гребного винта и корпуса судна. Пропульсивный коэффициент

Винт и корпус судна находятся в сложном гидродинамическом взаимодействии. Сущность его заключается в следующем:

- на винт, работающий за корпусом, набегает поток воды, возмущенный движением корпуса, в результате чего гидродинамические характеристики винта изменяются по сравнению с их значениями в свободной воде;

- работающий винт изменяет величины давлений и касательных напряжений на поверхности кормовой оконечности корпуса, в результате чего изменяется сопротивление воды движению судна.

Следовательно, гидродинамические характеристики одного и того же гребного винта, работающего в свободной воде и за корпусом судна, будут различны, а сопротивление воды движению судна в присутствии работающего гребного винта будет отличаться от его буксировочного сопротивления.

11.7.1. Попутный поток.При движении судна часть окружающей его воды увлекается в направлении движения, образуяпопутный поток(рис.115). Попутный поток за корпусом судна имеет в разных точках различное значение и направление, т.е. гребной винт работает в неравномерном поле скоростей, которое характеризуется осевыми, окружными и радиальными составляющими скорости попутного потока. При определении характеристик винта, как правило, учитывают только осевой попутный поток.

Из-за наличия попутного потока осевая скорость винта υ_pоказывается ниже скорости судна:

v_ω =v– υ_p,

где v_ω– осевая составляющая скорости попутного потока.

Отношение скорости попутного потока к скорости судна

v_ω /v= (v– υ_p)/v= 1– υ_p/v=ω

называют коэффициентом попутного потока.

С учетом коэффициента попутного потока, нетрудно получить следующее выражение для осевой скорости винта:

υ_p= (1 –ω)v.

В результате неравномерности потока по диску винта коэффициенты упора и момента винта за корпусом судна будут иными, чем в свободной воде. Указанное влияние учитывается:

- коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на упор

i₁=;

- коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на момент

i₂ =;

- коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на КПД винта

i==i₁/i₂.

В практических расчетах принимают i=1, основываясь на том, что коэффициенты неравномерности потокаi₁ иi₂ изменяются в пределах 0,961,02.

Рис.115. Попутный поток Рис.116. Формирование силы засасывания

за корпусом судна на корпусе судна: А - эпюра давления

при осутствии гребного винта; В- зона

давления при работающем винте

11.7.2. Засасывание.Работая за корпусом судна, гребной винт подсасывает воду и увеличивает скорость обтекания кормовой оконечности судна. При этом в соответствии с законом Бернулли понижается давление во всей зоне, охваченной подсасывающим действием винта, что увеличивает сопротивление формы (рис. 116). Кроме того, повышение скорости обтекания кормовой оконечности приводит к возрастанию сопротивления трения. Заштрихованная на рис. 116 область соответствует уменьшению давления в корме от работы гребного винта. В результате этих явлений появляется дополнительная силаΔR, действующая на корпус и увеличивающая сопротивление воды движению судна. Эту силу принято называтьсилой засасывания. С учетом силы засасывания сопротивление движению судна

R' =R+ΔR,

где R- буксировочное сопротивление судна без гребного винта

Таким образом, часть упора гребного винта, именуемой полезной тягой Р_е, затрачивается на преодоление буксировочного сопротивленияR, а остальная часть упора идет на преодоление силы засасывания, т.е.

Р = Р_е +ΔР.

Влияние засасывания принято учитывать с помощью коэффициента засасывания.

t=ΔР / Р = Р – Р_е= 1 – Р_е / Р.

С учетом коэффициента засасывания, упор винта Р

Р = Р_е/1 –t.

11.7.3. Значения коэффициентов взаимодействия.Коэффициентыωиtвесьма сложным образом зависят от формы корпуса судна, формы и расположения выступающих частей, от числа винтов, их геометрических характеристик и расположения по отношению к корпусу, от режима работы винтов, степени неравномерности поля скоростей в месте расположения винтов и других факторов.

Коэффициенты взаимодействия определяют экспериментальным путем или по приближенным формулам.

Для режимов работы винта, отличающихся от расчетного, коэффициент засасывания может быть определен по приближенной формуле Э.Э. Пампеля

t=,

где λ_р- относительная поступь винта на рассматриваемом режиме;H/D- конструктивное шаговое отношение,t₀- коэффициент засасывания на швартовом режиме (при λ_р= 0), который принимается равным (0,30,6)ωили подсчитывается, если известныtи λ_р для расчетного режима, по формулеt₀=t[1 – λ_р/(H/D)];ω– коэффициент попутного потока для расчетного ходового режима.

Коэффициенты ωиtдля расчетного ходового режима приближенно могут быть вычислены по формулам:

- для одновинтовых судов с обтекаемыми рулями

ω= 0,50δ – 0, 05;t= 0,80ω,

- для двухвинтовых судов

ω= 0,55δ – 0,2;t= 0,25ω+ 0,14 (с выкружками гребных валов),

t= 0,7ω+ 0,06 (с кронштейнами гребных валов),

где δ - коэффициент общей полноты корпуса судна.

11.7.4. Пропульсивный коэффициент.Совершенство гидродинамического комплекса винт-корпус оценивается пропульсивным коэффициентом движителя η_д, который представляет собой отношение буксировочной мощности к валовой мощности затрачиваемой на вращение винта ( §10.1.):

η_д=N_б /N_р=Rv/2πnM.

С учетом, что Р = Р_е/1 –tи υ_p= (1 –ω)v, получим

η_д=· (1 –t)/(1 –ω) = η_рη_к,

где η_р = Р υ_p/2πnМ - КПД гребного винта, работающего в свободной воде (§11.4.), а коэффициент η_к= (1 –t)/(1 –ω) - коэффициент влияния корпуса (§10.1.).