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, образуя попутный 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_p оказывается 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 потока i₁ и i₂ изменяются в пределах 0,96 1,02.

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 сила ΔR, действующая на корпус и увеличивающая сопротивление воды движению судна. Эту силу принято называть силой 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 сопротивления R, 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. Коэффициенты ω и t весьма 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 (0,3 0,6)ω или подсчитывается, если известны t и λ_р для расчетного режима, по формуле t₀ = t [1 – λ_р/(H/D)]; ω – коэффициент попутного потока для расчетного ходового режима.

Коэффициенты ω и t для расчетного ходового режима приближенно могут быть вычислены по формулам:

- для одновинтовых судов с обтекаемыми рулями

ω = 0,50δ – 0, 05; t = 0,80 ω,

- 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 – t и υ_p = (1 – ω)v, получим

η_д = · (1 – t)/(1 – ω) = η_р η_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.).

Кавитация гребных винтов

11.8.1. Природа кавитации. Кавитацией называется явление разрыва сплошности течения капельной жидкости при понижении местного давления до некоторого критического значения р_кр. Область разрыва (кавитационная каверна) представляет собой объем, заполненный парами жидкости и растворенными в ней газами. Давление внутри каверны близко к давлению насыщенных паров р_d при данной температуре. Отсюда кавитацию гребного винта обычно рассматривают как явление вскипания воды в потоке, вызванном винтом, при снижении местных давлений до давления насыщенных паров, полагая р_кр р_d.

Природу кавитации можно проследить на примере элемента лопасти обтекаемого под углом атаки потоком жидкости, имеющим на бесконечности в точке А скорость υ₀ и давление р₀ (рис.117). Выделим на одной линии тока с точкой А точку В у поверхности элемента лопасти. Скорость и давление в точке В обозначим соответственно через υ₁ и р₁. Тогда уравнение Бернулли для линии тока запишется так:

р₀ + ρυ₀/2 = р₁ + ρυ₁/2,

или δр = р₁ – р₀ = [1 – (υ₁/υ₀)²].

Из формулы видно, что в тех точках поверхности элемента, где υ₁>υ₀ , давление понижается δр<0; в местах, где υ₁<υ₀ давление повышается δр>0. В результате на нагнетающей стороне лопасти вращающегося винта создается зона повышенного давления, на засасывающей стороне - зона пониженного давления.

Характерное распределений давлений на засасывающей и нагнетающей поверхности лопасти работающего гребного винта показано на рис.117. Как следует из рисунка, площадь эпюры давлений, а следовательно, и величина упора, развиваемого гребным винтом, на 70 80% определяется разряжением на засасывающей поверхности и

только на 20 30% - повышением давления на нагнетающей поверхности лопасти.

Рис.117. Схема обтекания элемента крыла

При определенной частоте вращения гребного винта скорость обтекания лопасти достигает значения в 3 5 раз превышающего поступательную скорость судна. При этом давление на засасывающей поверхности понижается до давления насыщенных паров. В результате холодного кипения воды из нее выделяются растворенные газы. Пары и газы оттесняют воду от поверхности лопасти и образуют на ее засасывающей стороне кавитационную каверну.

11.8.2. Стадии кавитации и влияние кавитации на работу гребного винта.Различают две стадии кавитации. Первая характерна тем, что каверна захватывает только часть засасывающей поверхности лопасти, где скорость частиц наибольшая. На этой стадии гидродинамические характеристики гребного винта изменяются незначительно по сравнению с их значениями при безкавитационном обтекании. Объясняется это тем, что площади эпюр давлений при безкавитационной работе винта и в условиях первой стадии кавитации практически равны. Однако первая стадия кавитации нежелательна, так как является причиной механического разрушения материала лопасти - эрозии. Пары воды, переходя из области каверны в область более высоких давлений, конденсируются. Процесс конденсации пара и

смыкания (разрушения) кавитационных пузырьков происходит с большой скоростью. В момент конденсации пузырьков пара вода мгновенно заполняет образующую пустоту, нанося по лопасти гидродинамические удары, причем местные давления достигают больших значений. В результате, в местах замыкания каверны, поверхность лопасти разрушается.

На второй стадии кавитационная каверна захватывает всю засасывающую сторону лопасти и замыкается в потоке за гребным винтом. На этой стадии кавитации эрозии не происходит, так как пары конденсируются за пределами лопасти. Однако гидродинамические качества винта по сравнению с безкавитационным обтеканием заметно ухудшаются. Увеличение частоты вращения винта уже не приводит к уменьшению давления на засасывающей поверхности лопасти, где р р_d, отчего упор винта практически не растет. Кроме того, потоком обтекается профиль более низкого гидродинамического качества (за счет каверны). Это вызывает увеличение вращающего момента, приложенного к винту, и уменьшение КПД движителя. Представление об ухудшении гидродинамических качеств винта, можно составить по кривым действия винта, отвечающим безкавитационному обтеканию и кавитации различной степени развития (рис.118). Сплошными линиями нанесены зависимости коэффициентов упора , момента , и КПД η_р винта от относительной поступи λ_р при безкавитационнном обтекании и в первой стадии кавитации. Пунктирные линии представляют те же зависимости при наступлении второй стадии кавитации. Видно, что ухудшение гидродинамических характеристик наблюдается с уменьшением λ_р (например, с увеличением частоты вращения винта n при υ_p = const), что обусловлено увеличением углом атаки на лопастях. Величины , и η_р во второй стадии кавитации зависят не только от λ_р, но и от параметра χ, называемого числом кавитации. Последнее характеризует величину предельного разряжения на лопасти, (в долях скоростного напора), которое может быть достигнуто в воде в заданных условиях:

χ = ,

где р_а - атмосферное давление; h_с - глубина погружения винта (рис.117).

Рис.118.Кривые действия кавитирующего винта

Число кавитации определяется только внешними факторами (р_а, h_с плотностью и температурой воды от которой зависит р_d), поступательной скоростью υ_p и не зависит от геометрических элементов гребного винта.

Критическое число кавитации χ_кр соответствует возможному наибольшему разрежению на лопастях при докавитационных режимах их обтекания. Начало кавитации гребного винта определяется условием χ = χ_кр. При χ > χ_кр кавитация отсутствует, при χ < χ_кр винт кавитирует, причем тем больше, чем меньше число χ по сравнению χ_кр (рис.118).

В какой бы стадии не протекала кавитация, она всегда приводит к нежелательным последствиям: усиливает шум работающего винта, вызывает эрозию лопастей, снижает гидродинамические характеристики гребного винта, увеличивает неравномерность загрузки

лопастей, что является одной из причин вибрации гребного вала и, как следствие, корпуса судна. Поэтому при проектировании винтов стремятся обеспечить их безкавитационную работу. С этой целью применяют профили с более равномерным распределением давлений по лопасти, увеличивают дисковое отношение, уменьшают относительную толщину лопасти, повышают давление на засасывающей стороне лопасти за счет погружения оси винта и т.п.

Для быстроходных судов (глиссирующие катера, катера на подводных крыльях и т.п.) во многих случаях не удается избежать кавитации гребных винтов, поэтому они оборудуются суперкавитирующими винтами (СКВ). Под суперкавитацией понимают сильно развитую вторую стадию кавитации, когда обтекание лопастей винта происходит со срывом струй и каверна уходит за пределы лопастей. Исходя из того, что при суперкавитации основная часть упора создается за счет давления на нагнетающей поверхности лопасти и форма засасывающей поверхности не играет существенной роли, СКВ имеют клиновидный профиль сечения лопасти и искривленную нагнетающую поверхность (рис.119). Такая форма лопасти, с одной стороны, способствует образованию каверны оптимальных размеров, с другой - обладает наименьшим сопротивлением вращению гребного винта. В условиях суперкавитации такие винты обладают более высокими гидродинамическими качествами по сравнению с некавитирующими гребными винтами.

Рис.119.Профили сечений лопастей суперкавитирующих винтов

Конструктивной особенностью СКВ является также острая входящая кромка лопасти и смещение наибольшей толщины профиля к выходящей кромке. Клиновидные профили такой формы позволяют

уменьшить толщину каверн, образующихся в междулопастном пространстве, снизить их взаимное влияние и тем самым повысить гидродинамические характеристики винта. СКВ имеют сравнительно небольшое дисковое отношение Θ = 0,40 0,55, узкие лопасти, их число z = 2 3, что уменьшает возможность взаимного влияния каверн каждой лопастей.

Положительные качества СКВ проявляются при работе их на расчетном режиме в условиях полностью развитой кавитации. Для режимов, отличных от расчетных, когда кавитация отсутствует или развита частично, происходит повышенное вихреобразование позади тупой выходящей кромки лопасти СКВ, вследствие чего его КПД становится ниже, чем у обычных винтов. Начиная с χ = 0,4 и выше, СКВ уже уступают обычным гребным винтам.