При проектировании гребных винтов

В процессе эксплуатации судов с гребными винтами фикси­рованного шага винтовые характеристики могут быть гидро­динамически «тяжелыми» и «легкими». Увеличение сопротив­ления и уменьшение пропульсивного коэффициента «утяже­ляют» винтовые характеристики. Особенно значительно «утяже­ление» винтовых характеристик проявляется при увеличении шероховатости лопастей гребного винта. Гребные винты могут оказаться также гидродинамически «тяжелыми», если при их проектировании завышено шаговое отношение вследствие оши­бок в расчете сопротивления воды или неправильно выбранных коэффициентов взаимодействия с корпусом. Все упомянутые причины могут «утяжелять» винтовую характеристику на 50— 100% и более.

При балластном пробеге судна и при промежуточных осад­ках гребной винт может оказаться гидродинамически «легким». Все эти обстоятельства предъявляют повышенные требования к выбору расчетного режима гребного винта с учетом особен­ностей его взаимодействия с различными типами энергетиче­ских установок.

Дизельные энергетические установки.В целях избежания перегрузки двигателей внутреннего сгорания по тепловой на­пряженности и повышенного износа деталей цилиндропоршневой группы при эксплуатации судна с гидродинамически «тяже­лым» гребным винтом все ведущие дизелестроительпые фирмы в своих инструктивных и лицензионных документах оговари­вают условия проектирования гребных винтов.

Применительно к двигателям внутреннего сгорания, осо­бенно двигателям с газотурбонаддувом, гребные винты должны проектироваться так, чтобы в условиях сдаточных ходовых ис­пытаний они были гидродинамически «легкими».

Назначая условия «облегчения» гребных винтов, исходят из предположения, основанного на статистических данных, что В середине междокового периода вследствме изменения состояния поверхности обшивки корпуса и влияния гидрометеорологических фактороввинтовая характеристика утяжеляется в среднем на 40%.

Фирма «Бурмейстер и Вайн» рекомендует проектировать гребные винты на мощность, соответствующую эксплуатацион­ной мощности данного двигателя, принимая частоту вращения равной 102,5% эксплуатационной. Шаговое отношение такого гребного винта будет соответствовать шаговому отношению винта, спроектированного применительно к сопротивлению, на 20% большему, чем в условиях сдаточных испытаний.

Фирма «Зульцер» рекомендует выбирать расчетную частоту вращения равной номинальной частоте вращения двигателя, а расчетную мощность на 10—15% (предпочтительнее—15%) меньше номинальной мощности двигателя, т. е. принимать Nерасч— (0,85-7-0,9) N_eB. Гребной винт, рассчитанный на эти ус­ловия, будет также гидродинамически «легким»; его шаговое отношение будет соответствовать шаговому отношению винта, спроектированного применительно к сопротивлению, на 35% большему, чем в условиях сдаточных испытаний.

Фирма «Фиат» рекомендует вводить коррективы непосред­ственно в шаговое отношение, «облегчая» гребные винты для двигателей без наддува на 4% и для двигателей с наддувом на 6%. Эти рекомендации близки к рекомендациям фирмы «Зульцер», которые соответствуют «облегчению» гребного винта на 4,5%.

ЦНИИ морского флота предлагает (по рекомендации М. А. Гречина) проектировать гребные винты на условия при­емо-сдаточных ходовых испытаний при осадке судна погрузо­вую марку, эксплуатационную мощность двигателя 90% номи­нальной и уменьшенную на 1 % номинальную частоту вра­щения.

Постепенно «утяжеляясь» в эксплуатации, в период, близкий к середине междокового периода, гребные винты окажутся со­ответствующими корпусу и двигателю, обеспечат развитие рас­четных значений N_c и п, а затем (до очередного докования судна) несколько перегрузят двигатель, но в пределах допу­стимого.

Для того чтобы в условиях сдаточных ходовых испытаний двигатель с «легким» гребным винтом мог развить спецификационную мощность, все фирмы разрешают на регламентируе­мый для сдачи судна период увеличить частоту вращения греб­ного винта до 106—109% номинальной.

Турбозубчатые энергетические установки.Для этого типаустановок отсутствует представление о повышенной тепловой напряженности. Гидродинамическое «утяжеление» гребного винта в эксплуатации и соответствующее снижение параметров N_e и v_s в определенных пределах компенсируется резервом мощности и переходом на более высокую внешнюю характери­стику. Снижение частоты вращения и увеличение момента вос­принимается редуктором, имеющим запас прочности. Однако гидродинамически «легкий» гребной винт может привести к ме­ханическим перегрузкам в корневых сечениях лопаток вслед­ствие возрастания инерционных сил при повышенных частотах вращения (особенно последних ступеней) или к потере скоро­сти судна при сохранении поминальной частоты вращения. По­этому гребные винты судов, оборудованных турбозубчатыми энергетическими установками, рекомендуется проектировать на условия сдаточных ходовых испытаний, номинальную мощность и номинальную частоту вращения.

Электрогребные энергетические установки.Для ЭГУ на по­стоянном токе, обеспечивающих условие N_p = const, выбор рас­четного режима не имеет принципиального значения. Однако автоматическое обеспечение этого условия во всем диапазоне режимов от швартовного до соответствующего свободному ходу практически затруднено; поэтому гребной винт целесо­образно проектировать на режим, наиболее соответствующий специфике данного судна. Для линейного ледокола — это ход в сплошных льдах со скоростью 4—5 уз, для бук­сира-спасателя— свободный ход с максимальной скоростью, для портового ледокола — характерный ледовый режим II т. д.

Паспортные диаграммы.Взаимосвязь характеристик кор­пуса судна R(v_s), гребного винта P_e(v_s; п) и N_c(v_s; п) и глав­ного двигателя N_e(n) может быть представлена на так назы­ваемой паспортной диаграмме. Эта диаграмма позволяет оп­ределить скорость судна, развиваемую главным двигателем, мощность и частоту вращения гребного винта при изменении сопротивления среды движению судна. Исходными данными для построения паспортной диаграммы являются геометриче­ские и гидродинамические характеристики 'гребного винта, ко­эффициенты его взаимодействия с корпусом, ограничительная характеристика двигателя N_e(n) и характеристика сопротивле­ния среды R (v_s).

Типичная паспортная диаграмма приведена на рис. 3.49. В верхней и нижней частях диаграммы нанесены взаимосогла­сованные кривые а я а' тяги гребного винта и развиваемой на нем мощности в координатах P_ev_s и N_ev_s, каждая при постоян­ной частоте вращения винта щ, ..., п$. Эти кривые, по суще­ству, являются винтовыми характеристиками. В верхней части диаграммы наносятся также кривые 3 сопротивления среды для различных условий эксплуатации — при различных осадках или состояниях поверхности корпуса (на рисунке для упроще­ния показана только одна кривая). Эти кривые проектируются в нижнюючасть диаграммы в виде кривых потребной мощ­ности 5.

Нанижней части диаграммы наносится ограничительная характеристика двигателя внутреннего сгорания, внешняя характеристика ГТЗА или электродвигателя N_e(n) в виде кривой полагаемой мощности 4. Проекция этой кривой в верхнюю часть диаграммы 1 называется кривой располагаемой тяги.

Точка пересечения кривой расчетного сопротивления, распо­лагаемой тяги и винтовой характеристики при расчетной частоте вращения (или соответственно кривой потребной мощ­ности в расчетном ре­жиме, кривой распо­лагаемой мощности и винтовой характери­стики при расчетной частоте вращения) определяет скорость расчетной главного двигателя N_е и расчетном значении частоты вращения гребного винта п.

Схемы расчета пас­портных диаграмм при­водятся в соответ­ствующих учебно-ме­тодических пособиях.

Для буксирных су­дов и ледоколов на паспортную диаграмму наносится также кри­вая тяги на гаке Z(u_s), ординаты которой на­ходят путем вычита­ния ординат кривой сопротивления среды движению судна на свободном ходу из соответствующих (для данной скорости) ординат кривой располагаемой тяги 1 (кривая 2 на рис. 3.49).

В эксплуатации для анализа характеристик судна и двига­теля используют следующую систему коэффициентов:

Где n- частота вращения.

С общепринятой системой безразмерных коэффициентов они связаны следующими зависимостями:

В эксплуатационном диапазоне изменения режимов относи­тельная поступь гребного винта изменяется весьма незначи­тельно. Поэтому без ущерба для точности можно принять вы­ражение для коэффициента момента /С₂ в виде линейной зави­симости

где а и Ъ — некоторые постоянные коэффициенты.

Подставляя выражение (3.124) в левую часть уравнения (3.126), а выражение (3.125) в его правую часть и принимая во внимание, что коэффициент попутного потока в эксплуата­ции практически не меняется, получаем

Задаваясь рядом значений частоты вращения n_1, п₂, ..., строят по формуле (3.129) кривые N_e—f(v_s), а по формуле (3.123)—кривые a = f(v_s), как показано на рис. 3.50. На оси ординат наносится также шкала часового расхода топлива.

Полученная таким образом диаграмма является по суще­ству паспортной диаграммой судна, аналогичной приведенной на рис. 3.49, но построенной по эксплуатационным данным.