КПД гребного винта. Физическая сущность потерь при работе гребного винта и пути повышения КПД винта.
Коэффициент полезного действия (КПД) винта – отношение полезно используемой мощности к затраченной мощности двигателя, зависит, в основном, от диаметра и частоты вращения винта. КПД является оценкой эффективности работы гребного винта, его максимальная величина может достигать 70-80%, на малых судах 45-50%. Знать КПД винта необходимо для производства расчетов проектируемой скорости судна. КПД гребных винтов рассчитывается также по многочисленным графикам и диаграммам, основой которых служит коэффициент мощности (коэффициент нагрузки) - отношение произведения мощности двигателя, отданной винту, на частоту его вращения к поступательной скорости винта в попутном потоке
Основные виды потерь мощности в гребных винтах следующие:
1) потери на создание вызванных осевых скоростей;
2) потери на создание вызванных окружных скоростей;
3) профильные потери;
4) индуктивные (концевые) потери.
Для повышения КПД гребного винта на тяжелых водоизмещающих судах достаточно часто применяется кольцевая профилированная насадка, представляющая из себя замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем.. Площадь входного сечения насадки больше площади выходного, винт устанавливается в наиболее узком месте и с минимальным (0,01 D винта) зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки. При работе винта засасываемый поток увеличивает скорость из-за уменьшения проходного сечения насадки, вследствие чего уменьшается скольжение винта. Дополнительный упор создается и на самой насадке (из-за обтекания водой подобно - крылу).
Один из сравнительно новых способов повышения эффективности винта -установка за ним свободно вращающегося турбопропеллера. СВТ представляет собой винт с узкими лопастями, свободно вращающийся на валу за основным винтом с небольшой частотой, составляющей 35-45 % от частоты вращения гребного вала. Диаметр СВТ несколько больше, чем у основного винта, причем внутренняя часть СВТ работает как турбина, т.е. раскручивается потоком от винта, а наружная, выходящая за габариты основного винта, - как движитель. Упор движительной части больше, чем сопротивление турбинной части, в результате СВТ создает дополнительный упор, повышая КПД установки.
При больших отношениях В/Т часто бывает выгодной установка двух, редко -большего числа винтов, в результате чего удается увеличить КПД благодаря увеличению площади гидравлического сечения. Особенно остро эта проблема стоит у мелкосидящих судов внутреннего плавания. Для таких судов предложены туннельные (тоннельные) обводы кормовой оконечности: винты располагаются в специально спрофилированных туннелях, так что их диаметр может превышать осадку судна кормой Т, достигая 1,25 Т. На переднем ходу туннель заполняется водой; благодаря увеличению площади гидравлического сечения (до 3 раз) требуемая мощность снижается, несмотря на увеличение сопротивления судна.
На некоторых судах, плавающих по мелководному незасоренному фарватеру, применяют полупогруженные винты, ось которых располагается выше уровня воды. По сравнению с полностью погруженным винтом такого же диаметра их КПД заметно меньше из-за прорыва воздуха к лопастям и волноообра-зования, но увеличение площади гидравлического сечения по сравнению с полностью погруженным винтом (винтами) нередко дает положительный эффект. К достоинствам полупогруженных винтов можно отнести простоту дейдвудного устройства, к недостаткам - большие массу и габариты.
Потери на создание вызванных окружных скоростей можно существенно снизить, применяя контрпропеллеры или обтекаемые рули. Эти вопросы нами рассмотрены в соответствующем разделе. Наибольшего эффекта позволяют достичь соосные винты противоположного вращения (СВПВ). Принцип их действия вполне соответствует названию. Валопровод состоит из двух валов, один из которых проходит внутри другого. Передний винт сидит на наружном валу, задний, с несколько меньшим диаметром и большим шагом, - на внутреннем, они вращаются в разные стороны. На любом режиме такая конструкция позволяет практически полностью устранить окружные потери. Пара соосных винтов всегда выигрывает в КПД по сравнению с винтом, за которым расположен обтекаемый руль. Рост КПД винта в свободной воде составляет 10-12 %, коэффициент влияния корпуса увеличивается на 10-15 %, что приводит к снижению необходимой мощности до 20 %. Но такой комплекс сложнее при проектировании, изготовлении, монтаже, эксплуатации и ремонте; размещение одного вала внутри другого создает серьезные трудности и является источником дополнительных потерь на трение. Эти трудности, очевидно, отпугивают проектантов, так что в мире в настоящее время имеется немного гражданских судов и военных кораблей с соосными винтами, среди них американская атомная подводная лодка. В нашей стране проводились серьезные исследования в данном направлении, однако судов с такими винтами нет.
Профильные потери снижают двумя путями: правильным выбором формы лопастных сечений и тщательной обработкой поверхности лопастей. Известно, что при работе на передний ход предпочтительны авиационные сечения лопастей, их входящие кромки притупляют, чтобы избежать отрыва потока при неизбежных колебаниях углов атаки. Средней линии профиля придается изгиб, определенный специальным расчетом из так называемого условия безударного входа: имеется в виду, что поток на расчетном режиме должен набегать на лопасть в направлении касательной к средней линии у входящей кромки. Обычно сечения вблизи корня получаются двояковыпуклыми, а на больших радиусах - выпукло-вогнутыми.
Обработка лопастей не только уменьшает сопротивление их движению в воде, но и делает профиль более близким к теоретическому. Как показали опыты, при высоте бугорков шероховатости не более 0,005 мм лопасти могут считаться гидравлически гладкими, т. е. КПД винта имеет максимальное значение. У шлифованного латунного винта высота бугорков шероховатости составляет примерно 0,025 мм, увеличиваясь на 0,015 мм в год, КПД нового винта получается примерно на 1 % меньше максимального. У хорошо обработанного винта из чугуна или углеродистой стали высота бугорков шероховатости около 0,175 мм, что ведет к снижению КПД на 5 %; за год эксплуатации она увеличивается на 3,5 мм. В настоящее время эти материалы почти не используются для изготовления гребных винтов. Углеродистая сталь и чугун - достаточно дешевые материалы, но отлитый и полностью обработанный стальной винт нередко оказывается дороже латунного или бронзового, к тому же перерасход топлива, обусловленный повышенной шероховатостью, делает винты из этих недорогих материалов неэкономичными. Практически при выборе материала гребного винта ориентируются на размеры и мощность судна: чем они больше, тем более прочный материал для них берут.
Учитывая большое влияние состояния поверхности лопастей на эффективность винта, при каждом доковании винт снимают, тщательно проверяют его состояние, обнаруженные дефекты вырубают и заваривают, после чего зачищают и проверяют качество работы.
Индуктивные (концевые) потери возникают из-за перетекания воды с нагнетательной поверхности на засасывающую, т. е. из области повышенного в область пониженного давления, через край лопасти. Как известно из теории крыла, наименьшие концевые потери имеет крыло эллиптической в плане формы. Примерно то же относится к гребному винту, контур которого делается скругленной формы. Если чрезмерно расширять концевые сечения, уменьшается ширина лопасти у корня, что затрудняет обеспечение ее прочности, и растут концевые потери. Если, наоборот, расширять лопасть у корня и сужать у края, уменьшаются размеры сечений на больших радиусах, которые создают основную часть упора (вследствие больших скоростей обтекания).