Экспериментальное изучение работы гребных винтов в свободной воде

Изучение гребных винтов, накопление исходных материалов для практических расчетов и решение многих эксплуатационных задач, связанных с гребными винтами, базируется на экспери­ментальных данных, полученных на основе испытаний моделей винтов.

При проведении таких экспериментов винты и их модели должны быть геометрически, кинематически и динамически по­добны. В § 9 установлено, что при соблюдении динамического ПОДОБИЯ:

где Р — сила упора винта и модели; L характеризует линейные размеры винта и модели, т. е. их диаметры D, а скорость v определяется скоростью вращения винта nnD. Тогда

и аналогично можно получить К₂ .

Таким образом, при соблюдении динамического подобия ко­эффициенты К₁ и К2 должны быть одинаковыми для модели гребного винта и его натуры. Динамическое подобие предпола­гает наличие геометрического подобия, т. е. у натурного винта и его модели должны быть равны дисковые отношения θ, число лопастей z, относительные толщины, шаговое отношение при одинаковом контуре лопасти. Должны быть пропорциональны линейные размеры и т. д.

Из условия кинематического подобия вытекает постоянство отношений сходственных скоростей. Например, отношение по­ступательной скорости v_p к окружной скорости n_cD у натур­ного винта и модели должно быть одинаковым, т. е.

Следовательно, у геометрически подобных гребных винтов ди­намическое подобие существует только при равенстве их отно­сительных поступей λрм=λ_Рн-

В соответствии с теорией подобия необходимо, чтобы, кроме того, для модели и натурного винта были равны числа Рей-польдса. При испытаниях модели и в условиях эксплуатации на­турного винта коэффициенты кинематической вязкости среды практически равны (v_M = v_n). Тогда равенство чисел Рейнольдса может быть представлено в форме

Заменяя скорости с_м и v_n окружными скоростями концов лопа­стей, получаем

Откуда

Упор модели при этом будет равен упору натурного винта, т. е.

Установлено, однако, что если проводить испытания моде­лей гребных винтов с числами Рейнольдса, которые на 10— 20% выше критических, то получаются стабильные результаты и надежные данные эксперимента.

Числа Рейнольдса для винтов подсчитываются как

-средняя относительная ширина лопасти. Кри-

тпческое число Рейнольдса для гребных винтов (Re)_I!p=(3-5) 10⁵.

С учетом этих факторов осуществляют испытания системати­ческих серий моделей гребных винтов в бассейнах и специаль­ных лабораторных установках, называемых кавитационными трубами. Эти испытания позволяют установить взаимосвязь всех геометрических характеристик {HID; 0; z; d_CT/D и др.) и их влияние на эффективность работы гребных винтов. Помимо этого, систематические испытания моделей гребных винтов по­зволяют получить исходный материал для построения специаль­ных диаграмм, с помощью которых выбирают геометрические элементы винтов при их проектировании и решают все практи­ческие задачи по ходкости судна, связанные с работой гребных винтов.

Испытания моделей гребных винтов заключаются в измере­нии упора Р и момента М_р гребного винта при различных ча­стотах вращения п и различной скорости поступательного дви­жения v_p. Результаты испытаний обрабатываются в виде кри­вых действия гребного винта (см. рис. 3.26). Серии моделей вин­тов обычно варьируются по H/D, θ, z при сохранении контура лопастей, формы лопастных сечений, их относительной толщины и относительного диаметра ступицы. Кривые действия гребного винта позволяют решать проектные и эксплуатационные задачи, причем обычно достаточно располагать кривыми ƞ_Р = λ_Р и К₂=(λ_Р) либо Kz = f(λ_Р) и ƞ_Р =(λ_р) в зависимости от того, ка­кая задача решается.

В мировой практике для этих целей широко используются диаграммы, построенные на основе кривых действия гребных винтов. Оригинальная форма таких диаграмм, получившая при­знание в нашей стране, предложена Э. Э. Папмелем. Существо ее заключается в том, что на кривых действия серийных вин­тов соединяются точки с одинаковым значением КПД на ли­ниях К₁= (λ_Р) и K₂=(λ_P), В результате получаются две диа­граммы— одна для решения задач, когда выбирается двига­тель, другая — обратная, когда его характеристики известны и для них с помощью диаграммы рассчитываются элементы винта н скорость судна. По обеим диаграммам легко определить опти­мальные диаметр винта или частоту его вращения, скорость судна или упор винта, его шаговое отношение, потребляемую мощность двигателя и т. д. Если диаметр или частота вращения неизвестны, то такую задачу можно решить методом последова­тельных приближений. Для облегчения решений задач с по­мощью диаграмм Папмелем был предложен ряд расчетных коэффициентов, позволяющих в зависимости от условия задания решать прикладные задачи по ходкости судна. Упомянутые ус­ловия и расчетные коэффициенты, с помощью которых они ре­шаются, сведены в табл. 3.1.

На рис. 3.28 представлены схема построения диаграммы и се общий вид. Схема построена в координатах К₁— λ_Р; что вторая половина диаграммы, в координатах К₂—λ_Р

будет по своему виду аналогичной. На рис. 3.28, а показана схема построения диаграммы на базе кривых действия и линий постоянных КПД, на рис. 3.28, б — схема одной половины рас­четной диаграммы К₁(λ_Р). Аналогичную форму имеют диа­граммы многих серий винтов, обработанные или перестроенные в виде диаграмм Папмеля. На основе расчетных коэффициен­тов на диаграмме нанесены геометрические места точек мак­симального КПД гребного винта и определены линии оптимального диаметра D_ОПТ и оптимальной частоты вращения n_опт.

В зарубежной практике применяется другая форма представ­ления расчетных диаграмм гребных винтов, предложенная Тей­лором.

Наиболее широко известная зарубежная серия гребных вин­тов была испытана Троостом в голландском опытовом бассейне в Вагенингене. Исходными для этой серии были приняты мо­дели с саблевидным контуром лопастей, авиационными сече­ниями у корня лопасти и сегментными на периферийных ради­усах. В серию входили модели с числом лопастей Z = 2-6 и с дисковыми отношениями θ = 0,3-0,7. Диаграммы в форме диа­грамм Тейлора строят в виде зависимостей общепринятых за рубежом коэффициентов нагрузки по мощности

обратной относительной поступи

и КПД винта ƞ_Р, где п_М— частота вращения, об/м; N_p— мощ­ность на валу у винта, л. с; v_A = v_s(1-Ψ)—скорость в диске винта, уз; 0,993 и 3,28 — числовые коэффициенты перевода в метрические меры (рис. 3.29).

Кривые действия гребного винта в этих диаграммах при­водятся отдельно. На расчетных диаграммах строятся также линии оптимальных значений диаметра и частоты вращения гребных винтов.

Для решения проектных задач, в которых необходимо опре­делить потребную мощность главного двигателя, в диаграммах Тейлора используется коэффициент нагрузки по упору

где Р — упор, кгс.

Для эксплуатационного анализа работы гребных винтов и построения паспортных диаграмм используются диаграммы в координатах μ — σ и μ — φ, где расчетные коэффициенты

Схемы расчетов, связанных с выбором геометрических характе­ристик гребных винтов, определением потребной мощности су­довой энергетической установки, анализом данных эксплуата­ции энергетической установки через винт, паспортных диаграмм и др., приводятся в учебно-методических пособиях.