Определение характеристик движителя

А.А. Кеслер

Расчет и анализ

Паспортной диаграммы судна

Методические указания к лабораторной работе № 3

для студентов очного обучения специальности «Судовождение»

Нижний Новгород

ВВЕДЕНИЕ

Целью лабораторной работы является закрепление студентами знаний по пропульсивному комплексу судна и привитие навыков использования паспортной диаграммы*) судна для прогнозирования его скорости хода и режима работы главного двигателя в тех или иных эксплуатационных условиях. Для этого студент, исходя из индивидуального задания, должен выполнить расчеты и по их результатам построить паспортную диаграмму судна; с ее использованием необходимо решить ряд задач эксплуатационного характера.

Расчетной части предшествует представленная здесь общая характеристика пропульсивного комплекса судна, которая призвана помочь студенту лучше уяснить постановку задачи и ход ее выполнения. Кроме того, введение содержит рекомендации по организации выполнения работы и оформлению расчетно-пояснительной записки.

Пропульсивный комплекс включает три звена: корпус судна-движители-главные двигатели. Движитель (в большинстве случаев – гребной винт) является динамическим связующим звеном между двигателем и корпусом судна. Потребляя мощность двигателя, движитель создает силу, воздействующую на корпус и вызывающую поступательное перемещение судна.

▲ Внешние показатели и область допустимых режимов работы главного двигателя (дизеля).

На судах внутреннего и смешанного (река-море) плавания в качестве главных двигателей, как правило, используются четырехтактные дизели. Характерный вид области устойчивой работы судового дизеля дан на рис. 1.1 (область S). Эта область ограничена скоростными внешними характеристиками, т.е. зависимостями мощности на выходном фланце двигателя (P_e) от частоты вращения коленвала (n).

Рис. 1.1. Область устойчивой работы дизеля на гребной винт

На рис. 1.1 даны следующие зависимости.

1 – номинальная внешняя (стендовая) характеристика, т.е. зависимость мощности от частоты вращения при фиксированной полной топливоподаче, обеспечивающей номинальную мощность (P_o) при номинальной частоте вращения коленвала (n_о); кривую 1 также называют – внешняя характеристика номинальной мощности.

2 – линия минимально устойчивой частоты (n_min) вращения коленвала (n_min составляет около 0,3 × n_о).

3 – нижняя ограничительная характеристика, т.е. характеристика минимальной мощности. Минимальная мощность составляет (10¸20)% от номинальной (P_o).

4 – регуляторная характеристика, т.е. зависимость мощности от частоты вращения при перемещении органов топливоподачи автоматическим регулятором от полной подачи до минимальной. Во избежание в эксплуатационных условиях повышенных динамических нагрузок на детали цилиндро-поршневой группы регулятор при этом поддерживает частоту вращения коленвала около номинальной (n_о).

На рис. 1.1. в области допустимых режимов работы дизеля (область S) дана кривая 5; ее называют – ограничительная характеристика дизеля при его работе на движитель. Интервал значений мощности между кривыми 1 и 5 составляет запас мощности двигателя. Величина запаса (DP_e) устанавливается при частоте n_о.

▲ Внешние зависимости (кривые действия) винтовых движителей при фиксированной их геометрии (постоянном значении шагового отношения – Н/Д = const) и постоянной частоте вращения гребного вала (n = const) даны на рис. 1.2. Эти зависимости характеризуют влияние скорости хода судна (v) на:

х·Т_е – силу суммарного эффективного упора, который передается от движителей на корпус судна; где х – количество движителей на судне;

Т_е – эффективный упор движителя;

Р_е – мощность, отбираемую каждым движителем от двигателя;

h – к.п.д. движителя как гидравлического механизма.

Рис. 1.2. Кривые действия винтовых движителей при Н/Д = const и n = const:

–движитель с проектной геометрией;

– –движитель с эксплуатационной шероховатостью поверхности

График на рис. 1.2 позволяет при некоторой скорости хода судна (v) и известной частоте вращения (n) определить силу упора (х·Т_е) движителей и потребляемую при этом мощность (Р_е).

Из рис. 1.2 видно, что зависимости и (х·Т_е) = f(v) имеют сходный характер, т.е. сила (х·Т_е) и мощность (Р_е) уменьшаются с ростом скорости (v); при этом сила (х·Т_е) достигает нулевого значения при меньшей скорости хода судна.

Эффективный упор (Т_е) и к.п.д. движителя, при появлении у лопастей эксплуатационной шероховатости вследствие кавитационной эрозии и электрохимической коррозии, уменьшаются, а мощность, потребляемая движителем, увеличивается (см. рис. 1.2).

▲ Скорость движения эксплуатирующегося судна определяется по условию равенства противоположно направленных сил: силы сопротивления окружающей среды движению судна (R) и преодолевающей ее силы суммарного эффективного упора движителей (х·Т_е). При этом в качестве силы R понимается сила, которая возникает в режиме буксировки судна. Расчет такой силы при различных скоростях выполняется в процессе проектирования судна с использованием результатов испытаний модели корпуса судна; последняя в процессе ее испытаний буксируется.

Сила сопротивления движению судна зависит от ряда факторов: глубины воды, интенсивности волнения, состояния поверхности корпуса судна, степени загрузки судна и других. Например, при неизменном влиянии других факторов, сила сопротивления движению судна возрастает в условиях мелководья (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Зависимость силы сопротивления движению

водоизмещающего судна от скорости хода:

– судно на глубокой воде; – – – судно на мелководье

▲ Исходные данные по работе студент получает в форме индивидуального задания.

Постановкой данной лабораторной работы предполагается, что по заданному судну известна зависимость силы сопротивления движению судна, при полной его загрузке в условиях глубокой воды, от скорости хода (v). Кроме того, задается номинальный режим хода, т.е. скорость судна (v_о), которая должна быть обеспечена путем расчета оптимальных показателей движителя и выбором необходимого двигателя.

В качестве движителя принимаются:

· на грузовых судах – комплекс винт-насадка (ВН);

· на пассажирских судах и паромах – открытый винт (ОВ).

При этом геометрия винта (как отрытого, так и в составе комплексе ВН), полученная расчетом для номинального режима его работы, в процессе эксплуатации остается неизменной. После определения геометрических характеристик движителя выполняется расчет его кривых действия для заданных частот вращения. Кривые действия движителя образуют основу графика – паспортная диаграмма судна.

▲ Представленные ниже расчеты выполняются с использованием «корпусной» и «машинной» диаграмм по движителю. Такие диаграммы, в частности, имеются в приложении (альбоме) к Руководству*).

С учетом того, что на эксплуатирующихся водоизмещающих судах широкое распространение получили четырехлопастные винты с дисковым отношением (q) в пределах 0,5¸0,65, при выполнении данной работы рекомендуется использовать диаграммы для движителей со следующими геометрическими показателями:

а) при установке ОВ принять: q = 0,55, количество лопастей z = 4, форма контура лопасти – «саблевидная» (форма Троста);

б) при установке ВН принять: q = 0,58, количество лопастей z = 4, форма контура лопасти – «саблевидная», коэффициент раствора насадки (a) – 1,20; коэффициент расширения насадки (b) – 1,12.

Диаграммы по движителям (ОВ и ВН) при отмеченных значениях Ζ и q, необходимые для выполнения работы, включены в состав настоящих методических указаний.

▲ Результаты выполнения работы оформляются в виде расчетно-пояснительной записки с соблюдением требований к оформлению конструкторской документации.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖИТЕЛЯ