Взаимодействие гребных винтов с корпусом судна

При работе за корпусом судна гребной винт связан с ним кинематически и динамически, а также взаимодействует с ним гидродинамически. Кинематическая связь выражается в равен­стве абсолютных поступательных скоростей судна и движителя; динамическая — в равенстве полезной тяги движителя силе со­противления воды движению судна. Более сложным является гидродинамическое взаимодействие, которое заключается во взаимовлиянии полей скоростей, создаваемых корпусом судна и вызванных работой гребного винта. Основными факторами, оп­ределяющими это взаимодействие, являются расположение греб­ного винта за корпусом, форма кормовых обводов, конструктив­ные особенности и режим работы гребного винта.

Возмущения в районе расположения гребного винта, вызы­ваемые корпусом, могут существенно изменить условия обтека­ния его элементов; однако и гребной винт изменяет окружаю­щий его поток, а следовательно, и условия обтекания корпуса. По этой причине гидродинамические характеристики одного и того же гребного винта, работающего в свободной воде и за корпусом судна, будут различными, а сопротивление воды дви­жению судна в присутствии работающего гребного винта бу­дет отличаться от его буксировочного сопротивления.

Строгое изучение гидродинамического взаимодействия ме­жду гребным винтом и корпусом является весьма сложной тео­ретической задачей; поэтому обычно используют изложенный ниже искусственный прием: гребной винт условно рассматри­вают как изолированный, но работающий в потоке, изменен­ном корпусом, а корпус судна рассматривают соответственно как буксируемый в потоке, измененном работой гребного винта.

Попутный поток.При движении" судно увлекает за собой близлежащие частицы воды, формируя так называемый попут­ный поток, направленный в сторону движения судна (рис. 3.30). Попутный поток, создаваемый корпусом судна и работающим за ним гребным винтом, называется эффективным попутным по­током. Его экспериментальное, а тем более теоретическое оп­ределение сопряжено с большими трудностями. Поэтому обычно определяют номинальный попутный поток, возникающий в ме­сте расположения гребного винта у судна, буксируемого без винта. Номинальный попутный поток несколько отличается от эффективного, но в инженерных расчетах этим отличием, как правило, пренебрегают.

Попутный поток за корпусом судна неравномерен по вели­чине и направлению; его скорости изменяются по радиусу и по окружности. Например, интенсивность попутного потока дости­гает максимума за ахтерштевнем, кронштейном гребного вала или кромкой руля, а минимума — по линиям, расположенным примерно по нормали к ахтерштевню.

При определении характеристик гребного винта в целом практически принято учитывать только осевой попутный поток, в результате возникновения которого скорость воды в месте расположения диска винта (при обращенном движении) будет меньше скорости невозмущенного потока далеко перед судном, т. е. скорость гребного винта относительно набегающего на него потока будет меньше скорости судна.

Средняя скорость попутного потока и в диске винта равна разности между скоростью судна v и осевой скоростью потока v_p в диске винта

Отношение средней скорости попутного потока к скорости судна

называется коэффициентом попутного потока.

Из формулы (3.72) нетрудно получить следующее выраже­ние для скорости потока в диске винта:

Неравномерность попутного потока в месте расположения гребного винта объясняется главным образом неоднородностью его структуры, т. е. тем, что он состоит из нескольких, отно­сительно независимых составляющих, каждая из которых обла­дает своим характерным распределением скоростей.

Одной из таких составляющих является потенциальный по­путный поток, обусловленный полем скоростей вокруг изоли­рованного корпуса, движущегося в идеальной жидкости при отсутствии трения и волнообразования. В этом случае судно при своем движении вытесняет частицы воды, которые в носу дви­жутся вперед и в стороны, а в корме — вперед и внутрь, за­полняя пустоту, непрерывно обращающуюся за кормой.

Вторая составляющая попутного потока за кормой судна имеет вязкостную природу и обусловлена силами трения. Она называется поэтому попутным потоком трения.

Величина потенциального попутного потока зависит, кроме того, от волнообразования в корме судна. Поэтому третьей, от­носительно небольшой по величине составляющей попутного потока, которую следует рассматривать как поправку к потен­циальной составляющей, является волновой попутный поток, причем если вершина кормовой поперечной волны располага­ется позади диска гребного винта, то эта надбавка положи­тельна; если же в районе диска винта располагается подошва волны, то она отрицательна.

Таким образом, коэффициент номинального осевого попут­ного потока можно представить в виде суммы

где Ψ — коэффициент потенциального попутного потока;Ψ_f — коэффициент попутного потока трения; Ψ_р — поправка к коэф­фициенту потенциального попутного потока, обусловленная вол­нообразованием.

Коэффициент попутного потока меняется с изменением осадки судна и увеличивается с ростом шероховатости корпуса.

Для определения коэффициента попутного потока были по­лучены эмпирические зависимости путем обработки результа­тов испытаний моделей различных судов в опытовых бассейнах. В частности, для одновинтовых транспортных судов может быть использована следующая формула Шенхерра

где χ — коэффициент вертикальной полноты судна; L, В, Т — длина, ширина и осадка судна; Е — высота оси гребного вала над основной линией; D — диаметр винта; q\ — коэффициент, равный 0,3для судов с обычной кормой и 0,5—0,6— для судов с подрезанным дейдвудом; fi—угол наклона образующей ло­пасти, рад.

Для двухвинтовых судов с выкружками гребных валов ивращением винтов наружу

здесь σ— коэффициент общей полноты судна; f₂ — угол на­клона выкружек к горизонту.

Для двухвинтовых судов с кронштейнами гребных валов

Коэффициент попутного потока одновинтового судна можнс найти также с помощью диаграмм Харвальда, представленных на рис. 3.31, по формуле

где Ψ₀— коэффициент попутного потока, определяемый по диа­грамме (рис. 3.31, а) в зависимости от коэффициента общей полноты судна б и отношения L/B; ΔΨ₁— поправка, учитываю­щая влияние формы кормовых образований судна и определяе­мая по диаграмме (рис. 3.31,6);ΔΨ₂ — поправка, учитывающая влияние отношения диаметра винта D к длине судна и опреде­ляемая по рис. 3.31, в.

Коэффициент попутного потока двухвинтового судна может быть найден по рис. 3.31, г (без введения поправок (ΔΨ₁ и ΔΨ₂)

Неравномерность попутного потока оказывает влияние на схему расчета геометрических и гидродинамических характе­ристик гребного винта и весьма существенно влияет на экс­плуатационные свойства гребного винта и судна в целом.

Неравномерность потока в диске винта.Поле скоростей в ди­ске гребного винта, особенно у одновальных судов, характери­зуется весьма неоднородным распределением осевой составляю­щей скорости, что вызывает изменения за один оборот гребного винта углов атаки и скорости обтекания отдельных элементов лопасти и неблагоприятно сказывается на работе винта и про-пульсивных качествах судна в целом.

Неоднородность потока по радиусу винта приводит к рас­пределению упора и момента по длине лопасти, отличающемуся от их распределения в свободной воде. В практике проектиро­вания гребных винтов это явление компенсируется соответст­вующим распределением шага вдоль лопасти, приспособленным к изменениям скорости потока, т. е. приводит к гребным вин­там с радиально-переменным шагом.

Неравномерность потока по окружности обусловливает пе­риодически изменяющиеся силы и моменты, вызывающие виб­рацию корпуса, циклические нагрузки на валопровод, дейдвуд-иое устройство в лопасти гребного винта.

В результате неравномерности потока в диске винта коэф­фициенты упора К₁ и момента К₂ гребного винта, работающего за корпусом судна, будут отличаться от соответствующих коэф­фициентов К\ и Кг в свободной воде. В расчетах гребных винтов

jto различие обычно учитывают следующими коэффициентами:

а) коэффициентом i= K ₁/K ₂влияния неравномерности по­тока на упор;

б) коэффициентом i=К₂/К₂ влияния неравномерности по­тока на момент;

в) коэффициентом i=i₁/i₂ влияния неравномерности потока на КПД винта.

Поле скоростей номинального попутного потока у одно-пальных судов характеризуется повышенной неравномерностью осевой составляющей v_a, изменяющейся от 0 до 1,0, и сущест­венным изменением тангенциальной и радиальной составляю­щих v_e и v_r. Вследствие этого изменения упора и момента греб­ного винта носят циклический характер, причем главный вектор п главный момент возникающих на гребном винте гидродинами­ческих сил имеют составляющие по всем осям координатной си­стемы Oxyz (рис. 3.32).

Неравномерная осевая сила Р_х является причиной продоль­ных колебаний валопровода, момент М_х — крутильных колеба­ний, сила Р_у и момент М_у вызывают вибрацию в вертикальной

Рис. 3.32. Разложение гидродинамических сил и моментов, возникающих на лопастях, на состав­ляющие по координатным осям

плоскости, а сила Р_г и момент M_z — вибрацию в поперечном направлении.

Амплитуды колебаний упора Р и момента М_р в большой степени зависят от числа лопастей гребного винта. Чем больше абсолютное число лопастей, тем амплитуды колебаний Р и М_р меньше. Вследствие того, что на одновальном судне за один оборот каждая лопасть проходит зону повышенной неравно­мерности попутного потока (вдоль рудерпоста или вдоль кромки руля) и каждая лопасть — зону наименьшей неравномерности потока, силы, действующие на отдельную лопасть в течение одного оборота, различны, поэтому равнодействующая сила упора не совпадает с осью винта. Эксцентриситет приложения упора приводит к появлению постоянного момента М_шз, изги­бающего гребной вал.

При четном числе лопастей (z = 4, 6, 8) вследствие симмет­ричности поля скоростей амплитуды изменения Р и М_р оказы­ваются существенно больше, чем при нечетном числе лопастей (z = 3, 5, 7) и могут достигать 20% от средних значений, в то время как амплитуды момента М_ш, изгибающего вал, наобо­рот, для винта с четным числом лопастей меньше и обычно не превосходят 3% от среднего значения крутящего момента (рис. 3.33). Характер изменения момента М_р аналогичен пред­ставленному на рис. 3.33 характеру изменения упора. Чтобы снизить амплитуды колебаний упора в лопастях гребного винта и уменьшить вероятность их усталостных разрушений, следует выбрать повышенное число лопастей, а для уменьшения ампли­туды колебаний изгибающего вал момента необходимо принять повышенное четное число лопастей. На крупных одновальных судах с большим коэффициентом полноты б и высокой неравно­мерностью попутного потока (супертанкеры, супербалккэриеры) с целью снижения колебаний упора или момента, изгибающего вал, выбирают повышенные числа лопастей Z = 6, 7 и 8.

Во избежание усталостного разрушения впроцессе эксплуа­тации лопасти гребных винтов и гребные валы должны обла­дать необходимым запасом усталостной прочности и для этого должны рассчитываться на циклическую прочность. Недоста­точный учет циклических нагрузок, действующих на лопасти гребных винтов и на гребные валы, приводит к усталостному разрушению лопастей, равносильному выходу судна из строя (см. §31).

Другим фактором взаимодействия гребного винта с корпу­сом является засасывание.

Засасывание.Как правило, гребные винты располагаются вкормовой оконечности судна (исключением являются некото­рые морские паромы и ледоколы). 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, охва-

ченной подсасывающим действием винта, что увеличивает со­противление формы (рис. 3.34). Кроме того, повышение скоро­сти обтекания кормовой оконечности приводит к возрастанию сопротивления трения. Заштрихованное поле на рис. 3.34 со-

ответствует уменьшению давления в корме от работы гребного винта.

В результате этих явлений появляется дополнительная сила АР, действующая на корпус и увеличивающая сопротивление воды движению судна. Эту силу принято называть силой заса­сывания. Таким образом, часть упора гребного винта, называе­мая обычно полезной тягой Р_е, затрачивается на преодоление

скорость набегающего потока будет равна скорости судна v, а упор — тяге Р_е. Коэффициент нагрузки в этом случае будет равен

очевидно, что КПД винта ц_р падает при наличии попутного потока и засасывания, причем рост попутного потока снижает его быстрее, чем рост засасывания. Для судов с традиционными главными размерениями и коэффициентами полноты с возра­станием коэффициента попутного потока увеличивается про-пульсивный коэффициент. Однако для судов с повышенным ко­эффициентом полноты и соответственно высокими значениями φпадение КПД винта может превалировать над увеличением ƞ.

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 давлением на бесконечности соответственно v₀ и р₀ (рис. 3.35). На засасывающей стороне крыла возникает разрежение, а на нагнетательной — повышен­ное давление. Для линии тока, проходящего через точку В на засасывающей поверхности, уравнение Бернулли запишется

где р\ и v\—давление и скорость в рассматриваемой точке В.

Условием возникновения кавитации в определенной точке является равенство числа кавитации х коэффициенту разрежения ƹ.

На рис 3.36 представлена эпюра коэффициентов разрежения на поверхности на поверхности профиля крыла.

До определенного предела увеличения размеров каверны площадь эпюры не меня­ется, а только перераспределя­ется, — срезается верхушка эпюры _х и увеличивается разрежение ⁰ в хвостовой части профиля. Так как площадь эпюры характеризует _х подъемную силу, то из рис. 3.36 следует, что до какого-то момента х₂развития кавитации коэффициент подъемной силы С_у не меняется. При увеличении скорости потока, когда каверна охватывает всю за­сасывающую поверхность, коэффи­циент Су уменьшается, т. е. сни­жаются гидродинамические харак-— теристики крыла. Коэффициент профильного сопротивления от чис­ла кавитации зависит в меньшей степени. Представим себе, что на Рис. 3.36. Схема распределения засасывающей стороне лопастей давления на профиле крыла гребного винта имеет место разре­на входящей кромке засасывающей стороны возни­кает кавитация. С увеличением скорости потока кавитационная каверна начинает распространяться от края лопастей к сере­дине и от входящих кромок к выходящим. Кавитацпонные ка­верны, охватывающие часть засасывающей поверхности, при переходе лопасти из области повышенного разрежения в область более высокого давления трансформируются. Происходит кон­денсация паров и так называемое захлопывание (замыкание) пузырьков каверны. При замыкании каждого пузырька внутри него возникают в течение миллисекунд и даже микросекунд вы­сокие давления. Вследствие малой площади пузырьков и вы­соких давлений импульсного характера в материале винта воз­никают напряжения, во много раз превосходящие его предел текучести. Происходит выкол материала, появляются трещины, интенсифицируется процесс коррозии. Такое разрушение ма­териала гребного винта называется навигационной эрозией. Наблюдают две стадии кавитации. Для первой стадии, при которой кавитационная каверна распространяется лишь на части засасывающей поверхности и коэффициенты подъемной силы С_у и профильного сопротивления С_х не меняются, наи­более серьезным для практики обстоятельством является кави­тационная эрозия. При второй стадии кавитации, когда каверны охватывают всю засасывающую поверхность, уменьшается ко­эффициент подъемной силы, а следовательно, и коэффициенты \ пора и момента гребного винта, причем снижается КПД винта. Падение момента влечет за собой повышение частоты вращения, что уменьшает поступь и еще боль­ше снижает КПД винта. Иллюст­рация влияния снижения упора и скорости судна для гребного винта, кавитирующего во второй стадии, приведена на рис. 3.37.

Гребные винты транспортных < удов могут работать в условиях первой стадии кавитации или вбли-ш нее. Кавитационная эрозия, как правило, наблюдается на перифе­рийной части засасывающей сторо­ны, где окружные скорости больше, либо в корневой части засасываю­щей стороны, где лопастные сече­ния толще, а следовательно, боль­ше разрежение. Разрушения мате­риала гребного винта при кавитационной эрозии представляют собой в наиболее тяжелых случаях сквозные отверстия, борозды, канавки, иногда охватывающие значительные площади. Вслед-с пню кавитационной эрозии увеличивается шероховатость ло­пастей, что также влечет за собой падение КПД винта.

При проектировании гребного винта стремятся отдалить явление кавитации, для чего прежде всего необходимо, не снижая упора гребного винта, уменьшить пик разрежения па засасывающей поверхности. При заданном диаметре винта это достигается рациональным подбором дискового отношения, исклю­чающим кавитацию. Увеличение дискового отношения снижает удельное давление на лопасть, уменьшает относительную толщину профиля и, следовательно, разрежение на его засасывающей стороне, а также угол атаки а_]ф.

Другой мерой предотвращения кавитации является обеспечение безударного входа за счет рационального выбора средней .линии кривизны профиля.

Учитывая, что периферийные сечения расположены ближе к свободной поверхности и вероятность развития кавитации на них больше, чем на корневых, во многих систематических се-

риях предусматривают периферийные сечения с сегментной, а средние и корневые сечения с авиационной формой профиля.

Существуют различные формулы и экспериментальные дан­ные для расчета минимально допустимого из условий кавитации дискового отношения. В качестве примера может быть приве­дена формула Вагенингенского бассейна, регламентирующая минимальную суммарную площадь лопастей гребного винта,

ПРОЧНОСТЬ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

В практике проектирования и конструирования гребных вин­тов принято, что внешние силы, действующие на лопасть греб­ного винта, можно разделить на постоянные и периодически из­меняющиеся составляющие. Первые обусловлены стационар­ными составляющими гидродинамических сил и моментов и центробежными силами инерции лопастей. Вторые представ­ляют нестационарные периодические нагрузки на лопасти греб­ных винтов, возникающие вследствие неоднородности потока за корпусом судна. По существу, статические составляющие представляют собой осредненные постоянные нагрузки за один оборот гребного винта, а нестационарные учитывают изменения гидродинамических сил на лопасти в зависимости от особен­ностей поля скоростей и давлений в диске движителя.

Статические силы представляют как геометрическую сумму аксиальных и тангенциальных составляющих гидродинамике-

ских сил, распределенных по поверхности лопасти, и центро­бежной силы инерции, действующей вдоль радиуса (рис. 3.38). Лопасть рассматривают как консольную балку, жестко закреп­ленную в ступице. Результирующая гидродинамических сил

приводится к силе упора Р, действующей в направлении поступательного движения винта, тангенциальной силе Т, действую­щая по нормали к оси вращения винта, и центробежной силе Р_ц, направленной также по нормали к оси вращения. Учитывая малую относительную толщину лопасти, принимают допущение, 'по одна из главных осей инерции сечения х—х параллельна

Вследствие работы гребного винта в неравномерном поле скоростей на лопасти наряду с упомянутыми средними постоян­ными нагрузками (упор, момент, центробежная сила) действуют переменные нагрузки. Частота и амплитуды периодически изме­няющихся усилий, возникающих на лопастях, зависят от осо­бенностей поля скоростей за корпусом судна.

Помимо нестационарных составляющих нагрузок, вызван­ных неравномерностью попутного потока за кормой судна, лопасти гребных винтов в эксплуатации испытывают дополни­тельные нагрузки, имеющие регулярный или случайный харак­тер и являющиеся следствием влияния эксплуатационных фак­торов: скоса потока, натекающего на гребной винт, вследствие килевой и вертикальной качки, а также рыскания судна; час­тичного оголения лопастей при плавании судна в балласте; собственных колебаний лопастей и ударов о лед. Все эти на­грузки обусловливают возникновение в лопастях гребных вин­тов соответствующих циклических напряжений.

Циклическая прочность лопастей в отечественной практике рассчитывается по отраслевому стандарту «Методы оценки ста­тической и циклической прочности» ОСТ 5.4050—72. Рассмо­трение этих методов выходит за пределы данного курса.