Общая классификация движителей

СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

ГЕОМЕТРИЯ ГРЕБНОГО ВИНТА.

Основными элементами гребного винта являются ступица, представляющая собой тело вращения, и укрепленные на ней лопасти (рис. 3. 8). Расстояние R от оси винта до конца лопасти (точки, наиболее удаленной от оси) называется радиусом винта; его удвоенное значение равно диаметру винта D — 2R. Часть ло­пасти, примыкающую к ступице, называют корнем лопасти, а ее свободный конец — краем лопасти (рис. 3.9, а). Боковую кромку лопасти, обращенную в сторону вращения гребного винта при переднем ходе судна, называют входящей кромкой; противоположную ей кромку — выходящей. Поверхность лопасти, обращен­ная в корму судна и воспринимающая реакцию отбрасываемой воды при переднем ходе судна, называется нагнетательной по­верхностью; противоположная ей (обращенная к корпусу судна)—засасывающей поверхностью. Форма лопасти характе­ризуется ее контуром, который образуется пересечением нагне­тающей и засасывающей поверхностей.

Рис. 3.8. Схема конструкции гребного винта (сборного): а — конструк­тивные элементы; б — схема конуса вала

1 — лопасти; 2 — ступица; 3 — обнижение в ступице, уменьшающее объем шаб­ровки; 4 — облицовка гребного вала; 5 — шпонка; 6 — носовое уплотнение; 7 — конус гребного вала; 8 — хвостовик гребного вала; 9 — кормовое уплотнение;

10 -

гайка хвостовика;

Обтекатель

Конструктивные элементы, представленные на рис. 3. 8, опи­саны в § 32. На рис. 3.9 приведены наиболее распространенные формы лопастей. Число лопастей гребного винта Z= 2-8 в зависимости от типа судна.В основе геометрии лопастей гребного винта лежит винтовая поверхность. Рассмотрим, как она образуется.

Возьмем горизонтальный отрезок прямой линии BB₁= r и будем вращать его равномерно вокруг вертикальной оси 00,

одновременно перемещая его вверх с постоянной скоростью (рис. 3.10). В результате такого сложного движения отрезок BB₁ опишет в пространстве винтовую поверхность. Если теперь вокруг оси 00 построить цилиндрическую поверхность радиусом г, то точка В_х опишет на этой поверхности винтовую линию. Отрезок BB₁ называется образующей винтовой поверхности.

Рис. 3.9. Конструктивные элементы гребного винта (а) и формы контуров лопастей гребных винтов (б)

/ — лопасть; 2 — засасывающая поверхность; 3 — ступица; 4 — нагнета­тельная поверхность; 5 — выходящая кромка; 6 — входящая кромка; 7 — край лопасти; 8 — корень лопасти. / — симметричный; // — сабле­видный; /// — ледокольный; IV — усеченный (Каплана)

В общем случае образующая может быть расположена под любым углом к оси 00, а также может представлять собой от­резок кривой линии.

Если образующая не доходит до оси 00, то при одновремен­ном поступательном и вращательном движении она образует винтовую поверхность в виде винтовой ленты (рис. 3.11). Вин­товая лента ограничена двумя цилиндрическими поверхностями, из которых внутреннюю можно рассматривать как стержень, не­сущий на себе винтовую ленту.

Путь, проходимый любой точкой образующей ВВ₁ (см. рис. 3. 10) в аксиальном направлении за один полный оборот вокруг оси 00, называется геометрическим шагом винтовой линии Н.

Рис. 3.10 Образование и развертка винтовой поверх­ности.

Разрежем цилиндрическую поверхность с прочерченной на ней винтовой линией fiBjDi по вертикальной образующей ED и развернем ее на плоскость. Полученная развертка будет иметь вид прямоугольника ACDE, длина основания которого

Рис. 3.11 Образование винтовой ленты

равна длине окружности 2Пr, а высота — шагу винтовой ли­нии Н. Если вращение и подъем образующей ВВ_1{ происходят с равномерной скоростью, то винтовая линия при этом превра­тится в гипотенузу AD прямоугольного треугольника ADE, назы­ваемого шаговым треугольником. Угол ср при основании тре­угольника называется шаговым углом, определяемым из соотношения:

При равномерных поступательном и вращательном движе­ниях любой точки образующей получается винтовая линия по­стоянного шага, у которой шаговый угол сохраняет постоянное значение. Если одно из движений любой точки образующей не­равномерно, то шаг винтовой линии получается аксиально-пере­менным (рис. 3.12). В этом случае при развертке цилиндриче­ской поверхности на плоскость получается неправильная винто­вая линия, которая изображается в виде некоторой кривой. Для определения местного шага винтовой линии в какой-либо произ­вольной ее точке М следует провести в этой точке касательную к кривой и построить шаговый треугольник K.LM, как показано на рисунке.

Рис. 3.12. Развертка винтовой поверхности аксиально-переменного.

Винтовую поверхность, имеющую образующую в виде от­резка прямой линии, перпендикулярной к оси цилиндра, назы­вают правильной, а во всех других случаях — неправильной винтовой поверхностью.

При равномерных вращательном и поступательном движе­ниях образующей любой формы с произвольным углом наклона ее к оси цилиндра получается винтовая поверхность постоянного шага. Если же одно из этих движений неравномерно, то полу­чается винтовая поверхность аксиально-переменного шага, у ко­торой местный шаг винтовых линий, описываемых всеми точ­ками образующей при любом заданном ее положении, сохраняет постоянное значение, но изменяется по мере перемещения об­разующей в осевом направлении. Для такой поверхности вводят понятие о среднем шаге. Если же винтовые линии, описываемые отдельными точками образующей, имеют постоянный шаг, но на разных радиусах этот шаг различный, то такая винтовая поверхность называется поверхностью радиально-переменного шага. Она получается при поступательном движении отдельных точек образующей в осевом направлении с различными скоро­стями.

Наконец, могут встретиться винтовые поверхности акси-ально-радиально-переменного шага, у которых каждая винтовая линия имеет переменный шаг, разный на различных радиусах.

Отношение HID шага винтовой поверхности, положенной в основу образования лопасти, к диаметру винта называют шаговым отношением.

Первые гребные винты имели одну лопасть, образованную винтовой поверхностью, получаемой в результате одного полного оборота или даже полутора-двух оборотов образующей вокруг оси винта. Однако практика показала, что более эффективными оказались гребные винты с несколькими лопастями, образован-

Рис. 3.13. Образование лопасти гребного винта.

ными винтовыми поверхностями при неполном обороте обра­зующей.

Рассмотрим образование одной лопасти гребного винта. Для этого представим себе винтовую ленту постоянного шага Н, расположенную между двумя концентрическими цилиндричес­кими поверхностями, одна из которых, диаметром d, представ­ляет собой ступицу винта, на которой укреплена лопасть (рис. 3. 13). Диаметр D другой цилиндрической поверхности равен диаметру винта. На винтовой ленте выделим участок abc, ограниченный некоторым криволинейным контуром ло­пасти. Этот участок может быть изображен в двух проекциях, одна из которых называется нормальной проекцией лопасти (рис. 3. 13,а), а другая — боковой проекцией (рис. 3.13,6).

Под равными углами располагаются на ступице аналогично образованные другие лопасти гребного винта. Правильную вин­товую поверхность имеет только нагнетательная сторона ло­пасти. Поскольку лопасть гребного винта воспринимает гидро­динамические силы, измеряемые десятками тонн, она должна обладать достаточной прочностью, т. е. быть телесной. Поэтому засасывающей стороне придают неправильную винтовую поверхность исходя из необходимости обеспечить прочность лопасти и придать удобообтекаемую форму лопастным сечениям.

Рассекая телесную лопасть соосным с винтом цилиндром радиуса г и развертывая контур полученного сечения на плос­кость, получаем профиль сечения лопасти на данном радиусе. В зависимости от типа и условий работы винта применяют сегментные, авиационные и клиновидные профили (рис. 3.14). У сегментных профилей наибольшая толщина находится посре-

Рис. 3.14. Профили сечений лопасти гребного винта: а — сегмент­ный; б—авиационный; в — клиновидный.

дине хорды профиля, у авиационных она смещена к передней кромке в район трети хорды профиля. Как сегментные, так и авиационные профили могут быть плоско-выпуклыми, двояко­выпуклыми и выпукло-вогнутыми.

В зависимости от направления вращения образующей ло­пастей гребные винты могут быть правыми и левыми. Если при поступательном перемещении в осевом направлении от наблю­дателя образующая вращается по часовой стрелке, то гребной винт называют правым или винтом правого вращения. Если образующая в тех же условиях вращается против часовой стрелки — гребной винт будет левым.

Для быстрого определения направления вращения снятого с вала гребного винта существуют следующие правила: если ось гребного винта горизонтальна, то нужно представить себе винт надетым на вал с одной из лопастей в крайнем верхнем положении и посмотреть на него вдоль оси; если при этом пра­вая кромка верхней лопасти будет дальше от наблюдателя, чем левая, то мы имеем винт правого вращения. Если ось гребного винта вертикальна (винт снят с вала), то при правой кромке лопасти, расположенной выше левой, гребной винт будет пра­вого вращения (смотря в плоскости диска).

Винтовая поверхность имеет двоякую кривизну и не может быть точно развернута на плоскость. Поэтому для приближен­ной характеристики площади ло­пасти гребного винта вводят по­нятия проектированной, развер­нутой и спрямленной площадей.

Проектированной площадью лопасти называют площадь кри­вой А₁'\С5А₁"х, ограничивающей нормальный контур лопасти, т. е. контур проекции лопасти на пло­скость, перпендикулярную к оси вращения винта (рис. 3.15).

Рассекая нагнетательную по­верхность лопасти гребного вин­та соосными с ним цилиндрами радиусами r₁ ,..., г₄, получаем отрезки винтовых линий в виде дуг окружностей А₁'СА₁", ..., A₄'CA₄". Совместив концы этих дуг с плоскостью чертежа путем поворота на шаговый угол во­круг оси 0—0 и соединив полученные точки В₁, ..., В₄, ..., В'₄, ..., В"₁ плавной кривой, получим контур развернутой по­верхности лопасти. Заметим, что найденная развернутая поверх­ность не будет плоской, так как развернутые винтовые линии, так называемые некруговые дуги B'1C1B"1, ..., В4С4В'4, не ле­жат в плоскости чертежа всеми своими точками.

Спрямив некруговые дуги В1С1В'1, ..., В4С4В4 на касатель­ные к ним в точках С₁, С₄ и соединив полученные точки Е'₁, ..., Е₄, Е'₄, ..., E"₁ плавной кривой, получим контур спрям­ленной поверхности лопасти, площадь которой приближенно равна истинной площади нагнетающей поверхности лопасти.

Отношение суммарной спрямленной площади всех лопастей гребного винта F к площади диска винта F_p = ПD²/4 называется дисковым отношением Q — F/F_p. У транспортных судов дисковое отношение лежит обычно в пределах 0,3—1,0.

Таким образом, основными геометрическими характеристи­ками гребного винта являются: диаметр гребного винта D, м (D = 0,5-9,0 м); шаговое отношение H/D = 0,5-2,0); шаг

винтовой поверхности, положенный в основу нагнетательной по­верхности гребного вала, Н, м; дисковое отношение ; площадь спрямленной поверхности лопастей F, м²; число лопастей z(z = 2-f-8); относительный диаметр ступицы d_CT/D(d_CT/D = 0,14-0,35)

§ 20. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

По конструкции гребные винты, как указывалось, классифи­цируют на винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регу­лируемого шага (ВРШ). В свою очередь ВФШ делятся на цельные гребные винты, у которых лопасти изготовляются как единое целое со ступицей, и сборные гребные винты, у которых лопасти крепятся к ступице с помощью шпилечного, болтового или любого другого соединения.

В основном на морских судах устанавливаются цельнолитые гребные винты фиксированного шага. Обладая малым значе­нием dci/D(0,14-0,2) они имеют наибольший КПД и наименее трудоемки в изготовлении. Конструктивным недостатком их является то, что при поломке хотя бы одной лопасти дорого­стоящий гребной винт полностью выходит из строя.

Учитывая специфику эксплуатации отечественных судов морского флота во льдах, их оборудуют сборными гребными винтами. Эти винты обладают следующими преимуществами перед цельными: при поломке одной или нескольких лопастей они могут быть заменены запасными, даже на плаву; отсутст­вуют ограничения по габаритным размерам при изготовлении и транспортировке, имеется возможность корректировки шага в процессе изготовления и эксплуатации, при стоянке судов в доке, за счет разворота лопастей относительно их осей. Не­достатки сборных гребных винтов заключаются в следующем: неизбежное увеличение d_CT/D до значений 0,25—0,3 и, следо­вательно, уменьшение КПД гребного винта, более высокие трудоемкость и стоимость изготовления вследствие увеличения объема станочной обработки, увеличение массы и момента инер­ции винта.

На рис. 3. 16 приведен пример конструкции сборного гребно­го винта со шпилечным соединением. Лопасть 1 устанавливается в гнездо ступицы 4. В ступицу ввернуты шпильки 2. Отверстия в лопасти под шпильки эллиптические, поэтому между телом лопасти и шпилькой ставят сухари 5, препятствующие вра­щению лопасти. Лопасти прижимаются к ступице гайками 3, имеющими стопоры 6. На рис. 3.17 представлена конструкция сборного гребного винта с холоднопрессованным соединением лопастей со ступицей, предложенная Н. С. Высокородовым. Ко­мель лопасти у этих гребных винтов охлаждается в среде жид­кого гелия при температуре приблизительно минус 170° С, и лопасть устанавливается в гнездо ступицы с гарантированным натягом. Эти гребные винты имеют относительный диаметр сту­пицы 0,22, близкий к таковому у цельнолитых винтов.

В настоящее время, с развитием нереверсивных среднеобо­ротных двигателей внутреннего сгорания, на транспортных судах и особенно на буксирных и рыбопромысловых судах широкое применение получили гребные винты регулируемого шага (ВРШ). У таких винтов лопасти могут поворачиваться вокруг

осей своих фланцев, изменяя таким образом шаг винта. Поворот лопастей осуществляется управляемым дистанционно с мостика гидравлическим механизмом, расположенным главным образом внутри полого вала и ступицы гребного винта. В зависимости от изменения нагрузки на гребной винт, вызванной изменением сопротивления воды при буксировке воза или трала, измене­нием осадки или ветроволновых условий, можно путем уста­новки лопастей на соответствующий шаг в самом широком диа­пазоне режимов движения судна обеспечить постоянство мощ­ности и частоты вращения главных двигателей. Изменяя шаг лопастей, можно плавно изменять ход судна от самого малого до полного, не управляя режимом работы двигателей. ВРШ позволяют также обеспечить реверс судна, не изменяя направ­ления вращения двигателя, и, следовательно, использовать на судах высокооборотные нереверсивные двигатели. При использовании ВФШ экономические режимы движения могут быть реализованы только путем снижения частоты вра­щения двигателя, но при этом гребной винт, выбранный из условий обеспечения полного хода судна, становится неоптн-мальным. При установке ВРШ соответствующая блокировка систем управления двигателем и перекладки лопастей по задан­ной программе обеспечивает оптимальное сочетание шага и час­тоты вращения. Снижение скорости судна, оборудованного ВРШ, достигается уменьшением шага, реверс — путем уста­новки лопастей на отрицательный шаг. Установка лопастей

на нулевой шаг позволяет ос­тановить судно без остановки двигателя (для высадки или приема лоцмана, пассажиров, портовых властей).

Перечисленные выше и другие преимущества ВРШ объясняют их широкое распро­странение на судах с перемен­ными режимами движения. Конструктивные особенности современных контейнеровозов и лихтеровозов с малогабарит­ными среднеоборотными дви­гателями внутреннего сгора­ния, широкое внедрение в СЭУ систем автоматики, приме­нение газотурбинных уста­новок обусловили все более широкое распространение ВРШ на судах морского флота.

Наряду с положительными свойствами ВРШ обладают так­же и рядом недостатков. Повышенный диаметр ступицы, не­избежный ввиду необходимости размещения в ней подшипников заделки лопастей и механизма их поворота, приводит к сниже­нию КПД ВРШ по сравнению с ВФШ в расчетном режиме на 3—4%. Суда с ВРШ обладают повышенной маневренностью, меньшим выбегом при реверсе, чем суда с ВФШ. Однако бы­строе изменение нагрузки на гребном валу часто сопровожда­ется изменением знака крутящего момента, что предъявляет осо­бые требования к защите двигателя от перегрузок. ВРШ — сложный механизм, насыщенный оборудованием, трубопрово­дами, приборами, и это, естественно, увеличивает трудоемкость его обслуживания и ремонта.

Винт регулируемого шага состоит из следующих основных конструктивных элементов: лопастей, ступицы, валопровода, механизма изменения шага (МИШ), силовой части системы

управления, дистанционной части системы управления. В сту­пице расположены механизм поворота и (в современных ВРШ) механизм изменения шага. В комплект ВРШ входит также по­лый гребной вал с системой трубопроводов.

МИШ состоит из сервомотора, который создает усилие, тре­буемое для поворота лопастей, устройства для подвода энергии к сервомотору и устройства, позволяющего управлять положе­нием лопастей.

Силовая часть системы управления служит для подведения энергии к сервомотору и включает маслонасосы с приводами, распределительные золотники, масляные баки, арматуру и пр.

Дистанционная часть управления — регулирующий элемент силовой части. Пост управления ею выносится на мостик.

Лопасти ВРШ крепят болтами к упорному кольцу — одному из элементов подшипника, в котором осуществляется поворот лопасти. Усилие для поворота или удержания лопасти переда­ется от МИШ через кривошипный механизм, жестко связанный с лопастью, и через опорное кольцо или другие конструктивные элементы заделки лопасти. Если в результате аварии наруша­ется гидравлическая связь между органами управления и МИШ, то по правилам всех классификационных обществ в кон­струкции ВРШ должно быть предусмотрено устройство, позво­ляющее переложить лопасти из любого положения на шаг, соответствующий полному переднему ходу судна. Это обеспе­чивается установкой специальных аварийных пружин в ступице или подачей масла ручными насосами в предусмотренную в ступице полость аварийной перекладки лопастей.

На рис. 3.18 представлена конструктивная схема одного из современных ВРШ, которыми оборудуются суда со среднеобо­ротными главными двигателями. ВРШ данного типа голланд­ской фирмы ЛИПС установлен на отечественных ролкерах В ступице 3 располагается сервоцилиндр 6 и две полости уста­новки лопастей — переднего А и заднего В хода. Масло высо­кого давления из расходного бака 23 насосом 25 через фильтры 24 (всасывание) и 26 (нагнетание) и невозвратный клапан 27 подается в нагнетательный трубопровод высокого давления, соединенный с маслораспределительным механизмом 20. Золот­ник 30 подает масло по зазору между концентрическими тру­бами и в полость установки лопастей на передний ход (Л) или через сверление во внутренней трубе в полость установки ло­пастей на задний ход (В). Лопасти устанавливаются в зависи­мости от того, в какую полость подается масло. Одна из полос­тей при этом работает на слив в бак 23. Перекладка лопастей осуществляется с помощью сервоцилиндра б, движущегося под давлением масла из полостей переднего или заднего хода. Сервоцилиндр воздействует на палец кривошипа // через опор­ную шайбу, разворачивая лопасть на заданный с мостика шаг. Для этого с дистанционного пульта 35 воздействуют на управ-

ляющий золотник 30. В случае аварии гидрав­лической системы сервоцилиндр посредством поршня аварийной установки смещается в по­лость переднего хода, перекладывая лопасти в положение полного переднего хода. Обрат­ная связь 32 с указателем установки шага и с системой управления двигателем осущест­вляется через внутреннюю телескопическую трубу в гребном валу. Смазка деталей ВРШ осуществляется под гидростатическим напо­ром из расходного бака.

Рис. 3.19. ВРШ «тандем;

Из числа перспективных следует отметить также соосные гребные винты (см. рис. 3.2), принцип действия которых изложен в § 34.

У гребных винтов «тандем» лопасти, из­готовленные вместе со ступицей, располага­ются на ней в двух взаимно параллельных плоскостях. Эти винты очень сложны в изго­товлении и поэтому получили лишь ограни­ченное распространение в судостроении. Ис­ключение составляют ВРШ «тандем», постав­ляемые голландской фирмой ЛИПС (рис. 3.19).

ОСНОВЫ ТЕОРИИ КРЫЛА

В судостроении широко используются различные конструк­ции, на которых возникает подъемная сила при обтекании по­током жидкости или воздуха. Наибольшее распространение по­лучили крыльевые конструкции. Такие конструкции имеют специальную форму, обеспечивающую при обтекании их потоком подъемную силу, во много раз превосходящую силу лобового (профильного) сопротивления. На судах крылья применяют в качестве рулей, лопастей гребных винтов, лопастей крыльчатых движителей, лопаток насосов, лопастей вентиляторов

Рис. 3.21. Возникновение сил на крыле: а — эпюры давлений на эле­менте профиля крыла; б — схема сил на крыле У —подъемная сила; X — сила лобового сопротивления; N, Т — нормальная и тан­генциальная силы соответственно

и т. д. Для выявления механизма возникновения подъемной силы рассмотрим крыло (рис. 3.21), ориентированное отно­сительно системы координат, в которой ось х совпадает с на­правлением потока, ось у перпендикулярна к пей, а ось z

Рис. 3.22. Геометрия профиля крыла

/ — задняя кромка профиля; 2— спинка профиля; 3 — линия средней кривизны; 4 — носик; 5 — брюшко

направлена вдоль крыла. Установим некоторые терминологиче­ские понятия. Протяженность крыла в направлении оси г называется удлинением (размахом крыла) / (рис. 3.21). Если рассечь крыло плоскостью уОх, то в ее пересечении с крылом получится профиль крыла. В зависимости от требований к ги­дродинамическим характеристикам применяют сегментные, авиационные и другие профили (см. рис. 3. 14).

Рассмотрим геометрию профиля крыла произвольной формы (рис. 3.22). Форма профиля крыла характеризуется следую­щими геометрическими параметрами: относительной толщиной профиля (в процентах), т. е. от­ношением его максимальной толщины к хорде:

где хорда профиля b — ОА — радиус окружности, проведенной из его задней кромки 0 через крайнюю точку носика Л; относительной кривизной профиля (в процентах)

где f — максимальная ордината кривой, соединяющей середины отрезков дуг, проведенных концеитрично из задней кромки про­филя как из центра (линии кривизны профиля);

средней геометрической хордой — отношением площади про­екции крыла в плане 5 к его размаху: определяет нормальную силу а на ось t — тангенциальную силу T=Rf (см. рис. 3.21). Соотношения между этими сос­тавляющими следующие:

где х_я — абсцисса центра давления на профиле; Хб — расстоя­ние от начала координат до оси баллера.

Гидродинамические силы Y, X, N и Т определяют про­дувкой крыльев в аэродинамических трубах и характеризуют с помощью следующих безразмерных коэффициентов:

Различают крылья малого, конечного и бесконечного удли­нения. Если относительное удлинение крыла Л<2, то такое крыло называется крылом малого удлинения; 2<А,<6— кры­лом конечного удлинения, а в случае К>6 — крылом бесконеч­ного удлинения.

Угол между направлением скорости набегающего потока и хордой крыла называется углом атаки. При движении крыла в жидкости со скоростью v под некоторым углом атаки а на верхней части профиля, называемой спинкой, будет наблюдаться сужение потока и, следовательно, увеличение скорости, а на нижней части — уменьшение скорости потока (см. рис. 3.21).

В соответствии с законом Бернулли, на спинке профиля бу­дет наблюдаться разрежение (—Ар), а на нижней его части — повышение давления ( + Ар). Спинка профиля соответствует за­сасывающей, а нижняя — нагнетательной поверхности лопасти гребного винта. Разность давлений обусловливает результирую­щую сил давлений Я_Л. Вязкость потока определяет наличие на профиле силы трения Rf. Результирующая этих сил R (см. рис. 3.21) называется гидродинамической силой. Проекция этой силы на ось х называется силой лобового или профильного со­противления X, проекция силы R на ось у — подъемной силой Y. При изучении сил, возникающих на руле как на крыле, исполь­зуют систему координат, связанную с крылом. В этом случае проекция равнодействующей гидр. По данным продувок крыльев и представления результатов в форме безразмерных коэффициентов для определенных зна­чений удлинений и относительных толщин строят график зави­симостей Су (а), С_х(а) или С_п(а) и C_t{a) (рис. 3.23).

Для дан­ного профиля коэффициенты С_у, С_х, С_п и C_t являются функ­циями угла атаки а, а также критериев динамического подобия, т. е. чисел Fr и Re. На рис. 3.23 видно, что кривая С_у(а) имеет максимум при некотором угле атаки а_Кр. Этот угол на­зывается критическим. Для крыльев конечного удлине­ния а_кр = 32-^35°.

В закритических углах атаки наблюдается быстрое уменьшение С_у и значитель­ный рост С_х, т. е. наблюда­ется режим резкого сниже­ния качества крыла. Это объясняется отрывом вяз­кого потока от спинки про­филя, в результате которо­го нарушается плавность обтекания верхней стороны крыла и возникают вихре­вые дорожки за крылом. В связи с этим по Прави­лам Регистра СССР на су­дах устанавливают ограни­читель угла поворота пера руля на 32°. Из рис. 3.23 видно, что при угле атаки а = 0 подъемная сила не равна нулю. Только для симметричных профилей при а=0 С_у=0. Во всех других случаях С_у = 0 только при каком-то от­рицательном угле атаки (см. рис. 3.23), т. е. при обтекании профиля по направлению, не совпадающему с направлением хорды. Прямая, проходящая в этом направлении через заднюю острую кромку профиля, называется направлением нулевой подъемной силы (НШ1С). Угол а₀ называется углом нулевой подъемной силы. Фактический гидродинамический угол атаки профиля a, = a₀+a_K, где а_к — кромочный угол атаки, т. е. угол между хордой профиля и направлением потока.

На рис. 3.23 видно, что коэффициент подъемной силы до критического угла возрастает по закону, близкому к линейному,

В процессе эксплуатации судна изменяется состояние по­верхности наиболее ответственных механизмов и устройств, ра­ботающих по принципу крыла, и в первую очередь лопастейодинамической силы на ось п гребного винта и руля. Изменение толщины и характера рас­пределения пограничного слоя при обтекании профиля вслед­ствие шероховатости вызывает уменьшение подъемной силы. Из-за различного отклонения линии тока на спинке и брюшке профиля уменьшается эффективная кривизна средней линии профиля по сравнению с геометрической f_c = f/b, и тем больше, чем толще пограничный слой. В результате этого уменьшается угол нулевой подъемной силы ао- Одновременно уменьшается тангенс угла наклона кривой С_у (<ц), увеличивается сила про­фильного сопротивления и снижается подъемная сила (рис. 3.24).

§ 23. ОСНОВЫ

ЛОПАСТНОЙ ТЕОРИИ ГРЕБНОГО ВИНТА

Для того чтобы гребной винт мог приводить в движе­ние судно, необходимо пере­дать ему от главного двига­теля через гребной вал неко­торый крутящий момент М при частоте вращения п. При проходе через диск винта массы воды воспринимают воздействие момента М и по­лучают, следовательно, прира­щение момента количества движения относительно оси винта; поэтому поток жидкости за винтом закручивается в сто­рону его вращения, т. е. в нем кроме вызванных осевых скоро­стей w_a на бесконечности за винтом и w_a/2 в диске винта (в со­ответствии с теоремой Фруда — Финстервальдера) возникают также и окружные вызванные скорости w_t на бесконечности.

Из теории гребного винта известна связь между осевыми и

окружными вызванными скоростями w_t т. е. вызванная идеальным гребным винтом окружная скорость в плоскости его диска равна половине вызванной скорости за винтом и направлена в сторону, противоположную окружной скорости потока.

Рассмотрим многоугольник скоростей потока, натекающего па кольцевой элемент лопасти винта, толщиной dr, образован­ный сечениями винта двумя соосными с ним цилиндрами радиу­сами г и r+dr (рис. 3.25). Очевидно, что этот элемент можно рассматривать как элемент крыла, расположенный в потоке жид­кости под дикулярными сторонами этого многоугольника являются окруж­ная скорость ыг_:2лгп, обусловленная вращением гребного винта, и осевая скорость v_p, вызванная поступательным движением элемента лопасти в жидкости в направлении движения судна.

Соответственно угол называется углом поступи.

Третьей стороной многоугольника скоростей, расположенной по нормали к замыкающей стороне — вектору результирующей скорости натекающего потока, равному

является результирующая вызванная скорость в диске винта

Поскольку углы Pi = АОВ и CBD равны, то угол р, определится формулой

с учетом индуктивных потерь, являющихся следствием появления вызванных скоростей w_a и w_t.

Направление вектора результирующей скорости Vi и хорды элемента лопасти определяют три угла, показанных на рис. 3.25: угол атаки элемента лопасти щ, кромочный угол а_к, угол нулевой подъемной силы .

В соответствии с теорией крыла на рассматриваемом эле­менте лопасти возникнут сила профильного сопротивления dX, направленная вдоль вектора скорости v, и перпендикулярная к ней подъемная сила dY. Проецируя эти силы па ось Ох, совпадающую с направлением окружной скорости элемента ло­пасти, и перпендикулярную к пей ось Оу, совпадающую с на­правлением поступательной скорости винта, получаем соответ­ственно элементарные упор и касательную силу

где e =--обратное количество элемента лопасти

Первый и второй сомножители в выражении (3.51) характери­зуют потери на вызванные скорости w_a и w_t\ третий сомножи­тель — профильное сопротивление и потери, обусловленные конструктивными особенностями элемента лопасти.

Подставляя в формулы (3.46) и (3.48) выражение для подъ­емной силы крыла,

заменяя в нем площадь dF площадью элемента лопасти и ин­тегрируя полученные выражения с учетом числа лопастей в пре­делах от радиуса ступицы г_стдо внешнего радиуса винта R, получаем выражения для полных упора Р и момента сопротив­ления М_р гребного винта

Для преодоления момента М_р к гребному винту должен быть приложен равный по величине и обратный по направлению крутящий момент, развиваемый главным двигателем. Равенство, этих моментов обусловливает вращение гребного винта с по­стоянной частотой.

При вращении гребного винта на его лопастях, как на крыльях, наряду с моментом возникает сила упора, приложен­ная вдоль оси вала к упорному подшипнику, жестко связанному с корпусом судна. Эта сила, уравновешивая силу сопротивления среды, придает судну поступательное движение.

Гидродинамические характеристики гребного винта.Упор Р и момент М_р являются гидродинамическими характеристиками гребного винта, выраженными в размерной форме. Однако в теории и практике проектирования и эксплуатации гребных винтов, как правило, используют безразмерные гидродинамиче­ские характеристики, для определения которых интегральные выражения (3.53) и (3.54) представляют в безразмерной форме, приводя к ней все члены подынтегральных выражений:

„Безразмериые гидродинамические характеристики r\_p, К\, К2, представленные графически в зависимости от относительной по­ступи К_р, называются кривыми действия гребного винта в сво­бодной воде (рис. 3.26). Для геометрически подобных гребных винтов и их моделей при соответствующих состояниях поверх­ностей лопастей и ступиц кривые действия в свободной воде тождественны.

КАВИТАЦИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

Кавитацией называется явление парообразования и выделе­ния воздуха и газов, обусловленное понижением давления в жидкости до давления насыщенных паров. Появлению кави­тации способствуют растворенные в воде воздух и газы, кото­рые выделяются при уменьшении давления. Пары жидкости и выделившиеся из нее воздух и газы образуют полости, назы­ваемые навигационными кавернами.

Существуют три вида кавитации винта: пузырчатая, пленоч­ная и вихревая.

При пузырчатой кавитации каверны расположены на лопа­сти группами и отделены друг от друга. По мере развития про­цесса они переходят в пленочную кавитацию, при которой каверны существуют в виде тонких длинных полос, расположен­ных часто параллельными группами. В ядрах вихрей возникает вихревая кавитация. Природу развития кавитации можно про­следить на примере профиля крыла, обтекаемого под углом атаки а потоком со скоростью и давл