6.1 Внешние характеристики гребного винта.

Внешней или винтовой характеристикой винта называется зависимость мощности N_в, потребляемой винтом или момента подводимого к винту M_в от его частоты вращения n_в.

Работа гребного винта однозначно определяется его поступью

, (6.1)

где – скорость набегания воды на лопасти винта в осевом направлении (или осевая скорость винта относительно спокойной воды);

D - наружный диаметр гребного винта.

Поскольку , гдеH– шаг винта, - коэффициент скольжения, то

. (6.2)

винтовые характеристики строятся либо для =const, либо для =const

Момент и упор винта можно вычислить по известным формулам

, (6.3)

, (6.4)

где К_н и К_р – соответственно коэффициенты момента и упора;

- плотность воды.

Рис. 14. Зависимости коэффициентов момента и упора от относительной поступи винта.

У ВФШ шаговое отношение H/D неизменно.

Внешние условия в процессе эксплуатации меняют коэффициент скольжения и его поступь  , поэтому изменяются К_н и К_р (рис.14). Следовательно, момент и сила упора оказываются сложной функцией частоты вращения.

На рис.15 изображены семейства мощностных и моментных характеристик винта. Каждая кривая построена при постоянном значении . Вдоль каждой кривой упор винта равен сопротивлению судна (P=R, R~V²). В ряде задач анализа совместной работы турбины и винта (например, для водоизмещающих судов) можно принимать постоянными  и . Тогда

; (6.5)

где,,.

Рис. 15. Винтовые характеристики ( = const):

а – мощность потребляемая винтом; б –момент на ступице винта.

В эксплуатации судна приходится иметь дело с семейством и полем характеристик. Номинальная характеристика винта может быть только при комплексе номинальных условий: номинальная осадка судна на ровном киле или чистая и глубокая вода, отсутствие волн, ветра, течений и т.п. Любое отклонение условий от номинальных условии влияет на относительную скорость судна и, следовательно, на соотношение скорости судна и частоты вращения, утяжеляя или облегчая характеристику. Если характеристика 0-а соответствует номинальной (см. рис. 15), то утяжеленные характеристики будут располагаться левее, а облегченные – правее.

Каждая из характеристик, показанных на рис. 15, есть геометрическое место стационарных равновесных режимов механической системы судно- винт – турбина. На каждом таком режиме мощность, подводимая к винту от турбины и мощность потребляемая винтов, равны. При этом все элементы вращающейся системы (турбина – валопровод - винт) имеют постоянную частоту вращения, сила упора винта равна силе сопротивления судна, судно идет с постоянной скоростью.

2. Совместная работа турбины и винта

Равновесные режимы совместной работы турбины и винта отличаются стабильностью.

Рис. 16. Диаграмма совместной работы турбины и винта.

На рисунке 16. представлены мощностные характеристики турбины, каждая из которых получена при G= const и L₀ =const, а так же мощностная винтовая характеристика АВ. Эти характеристики отвечают определенному комплексу условий: скорости движения судна, состоянию моря, корпуса судна, осадки, ветра , глубины воды и т.д.

Точки пересечения 0, 1, 2 представляют собой равновесные режимы совместной работы турбины и винта.

Стабильность совместной работы турбины и винта можно рассмотреть на следующем примере. Предположим, что турбина работает по характеристике 2, в результате случайной дополнительной нагрузки на винт (удар винта о плавучий предмет и т.п.) нарушилось равновесие системы и частота вращения, снизилась с n₂ до . При частоте вращениямощность турбины стала больше, а мощность потребляемая винтом уменьшилась. По устранению дополнительной нагрузки на винт система обязательно вернется в равновесное состояние 2.

Аналогичными рассуждениями можно убедиться, что система вернется в равновесное состояние если по какой-либо причине произойдет увеличение частоты вращения до значения >n₂ .

2. Совместная работа турбины и электрогенератора.

При совместной работе турбины с электрогенератором турбина снабжается регулятором частоты вращения, который поддерживает обороты системы (турбина – передача - генератор) практически постоянными во всем диапазоне нагрузок. Если неравномерность регулятора обозначит n₀, то частота вращения будет изменяться от n₀ при полной нагрузке до n₀+n₀ при минимальной нагрузке.

Рис. 17. Диаграмма совместной работы турбины и электрогенератора.

Режим совместной работы турбины и электрогенератора определяется пересечением мощностных характеристик турбины и электрогенератора (рис. 17). Линия совместной работы 1-4 (нагрузочная характеристика). При снижении нагрузки от N_max до N_min регулятор изменяет установку органов управления так, что от комбинации параметров G₁, L₀₁ турбина последовательно переходит на комбинацию G₄, L₀₄ . При этом мощность и частота вращения изменятся по линии 1-4.

2. Прочность элементов судовых турбомашин.