Реверс судна и реверсивные характеристики гребного винта

Переходные процессы являются наиболее сложными режи­мами работы главных двигателей энергетических установок, в том числе двигателей внутреннего сгорания и электрогребных установок. Так, например, надежная работа электрогребной установки в значительной степени зависит от правильности рас­чета характеристик гребного винта на режимах маневрирования и разгона судна. Это обусловливается тем, что такие режимы протекают у электродвигателя крайне быстро, а у гребного винта относительно медленно. Длительность переходных про­цессов движения судна в 100—150 раз превышает длительность переходных процессов в электродвигателе. Поэтому одной из важнейших задач при проектировании СЭУ с электродвиже­нием является правильный выбор режимов регулирования на­пряжения генераторов, пуска, торможения, разгона и реверсирования электродвигателей с учетом гидродинамических ревер­сивных характеристик гребных винтов.

Реверсом судна называется процесс его остановки и после­дующего развития определенной скорости в направлении, об­ратном первоначальному движению под действием отрицатель­ного упора гребных винтов.

Для изменения направления упора гребных винтов фиксиро­ванного шага меняют направление их вращения.

Реверс судна, идущего полным передним ходом, осущест­вляется следующим образом: подается команда «полный назад» (с этого момента исчисляется время реверса); прекращается подача топлива в двигатель внутреннего сгорания и пара в па­ровую турбину, изменяется направление магнитного потока ге­нератора в гребной электрической установке (ГЭУ); при этом скорость вращения гребных винтов начинает уменьшаться, стремясь к скорости свободного вращения иод действием набе­гающего потока, обусловленного движением судна вперед; гребной винт при этом начинает вращаться как гидравлическая турбина, осуществляя торможение судна. При наступлении рав­новесия между моментом сопротивления комплекса двигатель — вал и моментом, вращающим гребной винт как турбину, сни­жение частоты вращения происходит по мере уменьшения ско­рости судна.

Для сокращения времени на остановку дизеля осуществляют подачу воздуха на задний ход. При сжатии воздуха затрачи­вается дополнительная работа, ускоряющая торможение двига­теля. В электрогребной установке в режиме работы гребного винта как турбины электродвигатель работает в генераторном режиме, что увеличивает торможение винта до его полной оста­новки. После этого двигатель и винт работают по характери­стике заднего хода, и судно увеличивает скорость до установив­шейся в режиме заднего хода.

Изложенный выше процесс реверса принято разбивать на четыре характерных периода:

I. От подачи команды до отключения двигателей. Судно, двигатели и гребные винты работают на передний ход.

II. От момента пуска двигателей на задний ход до остановки, гребных винтов. В этот период судно, притормаживаясь, дви­гается вперед, двигатели развивают крутящий момент заднего хода, гребной винт работает как гидротурбина.

III. От момента остановки гребных винтов до момента оста­новки судна. Гребные винты работают как движители на задний ход, двигатели работают на задний ход, судно движется с ак­тивным притормаживанием вперед и в конце периода оста­навливается.

IV. От момента остановки судна до развития полного заднего хода. Гребные винты и двигатели вращаются в направлении, обратном переднему ходу, судно движется назад.

Таким образом, в первые три периода происходит торможе­ние судна, а в четвертом — разгон в обратном направлении.

Маневренные качества судов при реверсе характеризуются следующими основными параметрами:

а) временем остановки;

б) выбегом судна от момента подачи команды до полной остановки;

в) временем, необходимым для развития вращения гребных винтов в обратном направлении;

г) временем развития судном полной скорости заднего хода.

Все эти параметры не­обходимо знать судоводи­тельскому составу, судовым механикам и электромеха­никам для грамотной, без­аварийной эксплуатации судна.

Для проектирования электродвигателей, систем управления ими, реверсив­ных муфт, турбин заднего хода и других механизмов необходимо знание харак­тера изменения момента со­противления вращению гребного винта и частоты вращения в процессе ре­верса.

Так, например, на ос­нове этих зависимостей осу­ществляются расчеты пере­ходных процессов в ГЭУ, целью которых является оп­ределение времени разгона,

торможения и реверса винта, максимального тока главной цепи, частота вращения первичного двигателя при реверсах или сни­жениях скорости судна.

Рассмотрим примерный график изменения вращающегося момента гребного винта при реверсе, представленный на рис. 3.60. Пусть судно первоначально движется с некоторой постоянной скоростью u = const. После выключения двигателей крутящий момент на валу уменьшается, а момент гребного винта и частота его вращения изменяются по кривой АВ. При частоте вращения гребного винта, соответствующей точке В, его момент сопротивления равен нулю. Дальнейшее уменьшение частоты вращения винта вызывает отрицательный момент, т. е. появляется движущий момент вращения — винт работает не как двигатель, а как турбина; этот режим характеризуется участком кривой BCD. При частоте вращения гребного винта, равной нулю, момент вращения выражается отрезком 0D. На участке DE гребной винт под воздействием отрицательного крутящего момента главного двигателя начинает вращаться в обратном направлении, и в точке Е частота его вращения равна OF.

Наиболее эффективное торможение требует, чтобы гребной винт как можно скорее прошел участок ABCD, достиг п = 0 и изменил направление вращения.

Во всех этих рассуждениях исходят из предпосылки, что скорость поступательного движения судна остается неизменной и равной скорости судна до поступления команды о реверси­ровании.

В действительности в процессе реверса скорость судна па­дает, и гидродинамические характеристики гребного винта при реверсировании могут быть представлены в виде семейства кри­вых, аналогичных представленным на рис. 3.60.

Если принять скорость судна до реверса в относительных единицах v=l, то работа винта будет характеризоваться посте­пенным переходом с кривой у = 1 на кривые v = 0,95; v = 0,90; и = 0,85 и т. д. Предельным режимом будет швартовный при t>in = 0, когда судно, израсходовав всю кинетическую энергию, остановится.

Расчет гидродинамических реверсивных характеристик судна производится на основе результатов систематических испытаний моделей гребных винтов в опытовом бассейне.

Первые систематические опыты по реверсированию гребных винтов были проведены в 1948 г. Нордстремом в шведском опы­товом бассейне в Гётеборге. Испытания проводились с серией гребных винтов с числом лопастей г = 4, дисковым отношением 6 = 0,45 и шаговым отношением от 0 до 1,6 в широком диапа­зоне относительных поступей.

В 1954—1956 гг. И. Я. Миниович провел аналогичные испы­тания серии моделей трехлопастных гребных винтов с диско­выми отношениями 0 = 0,5; 0,8; 1,1, причем для каждого зна­чения дискового отношения были испытаны модели с шаговыми отношениями от 0,6 до 1,6.

В. Г. Бакаев и В. М. Лаврентьев [2] переработали резуль­таты испытаний моделей Нордстрема, представили их в форме расчетных диаграмм и предложили удобную для практических целей методику расчета динамических характеристик гребных винтов при реверсе.

В теории и практических расчетах гребных винтов их гидро­динамические качества при данных геометрических параметрах определяются коэффициентами упора и момента К\ и /С₂ при относительной поступи Х_р. Однако эти характеристики не могут быть использованы при расчетах реверса, так как при падении частоты вращения п до нуля коэффициенты К\, К2 и X_v обра­щаются в бесконечность. Поэтому В. Г. Бакаев и В. М. Лавреитьев предложили применять вместо относительной поступи λ_p = V_p/Dn универсальную относительную поступь

Результаты систематических серийных испытаний, проведен­ных Нордстремом, были представлены в форме диаграмм, со­держащих четыре квадранта. На этих диаграммах кривые ко­эффициентов К_Р и Km построены в функции Ар для ряда по­стоянных значений шагового отношения H/D.

Расчет производится в последовательности, приведенной в табл 3.8.

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ

ПРОПУЛЬСИВНЫХ КАЧЕСТВ СУДОВ

Средства, повышающие пропульсивные качества, можно классифицировать как судостроительные, т. е. предусмотренные в процессе проектирования и строительства судна, и эксплуата­ционные. Последние в основном содержат организационно-тех­нические мероприятия, обеспечивающие в эксплуатации под­держание пропульсивных качеств судна.

Возможности увеличения КПД современных гребных вин­тов ограничены. Поэтому повышение пропульсивных качеств проектируемых судов достигается главным образом за счет оп­тимизации всего движительного комплекса, под которым пони­мают конструктивное сочетание обводов корпуса в кормовой оконечности, выступающих частей, руля и гребного винта, обес­печивающее наиболее благоприятное взаимодействие движи­теля с корпусом судна.

Экспериментально установлено, что если удачно спроекти­ровать изолированный гребной винт и создать самые благопри­ятные с точки зрения буксировочного сопротивления обводы корпуса, то при плохом согласовании между ними возможны потери пропульсивного коэффициента до значения 40—50%.

Основные пути совершенствования ходовых качеств судов на стадиях их проектирования и строительства следующие: выбор оптимальных форм обводов и соотношений главных размерений; разработка мероприятий, создающих благоприятную ин­терференцию носовой и кормовой волновых систем; разработка кормовой оконечности, обеспечивающей минимальные величины вязкостного сопротивления формы; создание благоприятных ус­ловий взаимодействия движителей с корпусом; совершенство­вание одновинтовых и двухвинтовых судов.

Получили развитие исследования в области возможности управления пограничным слоем путем отсасывания и введения в него различных микромолекулярных соединений.

При заданных по общепроектным соображениям соотноше­ниях главных размещений и коэффициентах общей полноты кор­пуса существуют и достаточно эффективно используются воз­можности совершенствования формы обводов корпуса с целью снижения сопротивления и улучшения характера попутного по­тока. Наиболее известными из них являются средства снижения волнового сопротивления, меры по снижению общей и местной шероховатости, борьба с обрастанием и коррозией, в том числе с помощью специальных покрытий, применение новых типов движителей, создание благоприятных условий взаимодействия последних с корпусом. В частности, совершенствование форм обводов крупнотоннажных судов с высоким коэффициентом полноты 6 идет в направлении раздельной оптимизации обво­дов носовой и кормовой оконечностей.

Для быстроходных относительно острых грузовых судов бо­лее характерна тенденция оптимизации обводов всего корпуса. В том и другом случае широкое применение находят носовые бульбы таранного, полусферического и других типов, цилиндри­ческие, таранно-конические, носовые обводы и т. д. Целесооб­разность применения носовых бульбов обоснована в § 12 и 15.

При проектировании кормовых обводов крупнотоннажных судов стремятся к предотвращению отрыва пограничного слоя в этой области и улучшению коэффициентов взаимодействия гребного винта с корпусом, в частности путем применения сигарообразных и ряда других форм обводов кормовой око­нечности.

У быстроходных острых судов, так же как и у полных, об­воды кормовой оконечности завершаются транцем, применение которого дает чисто технологические преимущества. С гидро­динамической точки зрения у быстроходных скоростных судов вследствие ходового дифферента площадь погруженной части транца возрастает, что влечет за собой повышение сопротив­ления.

Увеличение размеров судов и повышение нагрузки на греб­ные винты обусловливают ухудшение пропульсивного коэффи­циента из-за использования неоптимальных по диаметру греб­ных винтов, вследствие ограничений, накладываемых техноло­гическими условиями, высоким значением коэффициента попутного потока, повышающим коэффициент влияния корпуса, но в большей степени снижающим КПД винта. Применение греб­ных винтов диаметром более 9,0 м ограничивается тремя фак­торами:

пределом производственных мощностей оборудования, по­зволяющего изготовлять винты диаметром около 8,0—8,5 м;

• превышением массы гребных винтов диаметром более 9,0 м (35—40 т) над грузоподъемностью существующего кранового оборудования доков;

необходимостью обеспечивать при увеличении диаметра до 8—9 м оптимальную частоту вращения в диапазоне 65— 80 об/мин.

Для судов с дизельной энергетической установкой такое уменьшение частоты вращения гребных винтов приводит к росту размеров двигателей внутреннего сгорания или необходимости применения специального редуктора.

Рассмотрим пути повышения КПД гребного винта.

Из теории гребного винта (§ 23) следует, что КПД гребного винта в свободной воде можно представить в виде произведения следующих сомножителей:

Множитель ƞ_ра характеризует индуктивные потери на создание осевых вызванных скоростей; множитель ƞ_Pt— индуктивные потери на окружные вызванные скорости;ƞ\_Рг—конструктивные и профильные потери.

Наряду с указанными при работе гребного винта имеют место следующие потери энергии:

кромочные индуктивные потери, обусловленные перетека­нием жидкости через кромку лопасти из зоны повышенного давления на нагнетательной стороне в зону пониженного дав­ления на засасывающей стороне;

потери на сопротивление ступицы;

индуктивные потери на создание радиальных скоростей.

Все индуктивные потери уменьшаются с уменьшением коэф­фициента нагрузки гребного винта по упору σ_Р.

Баланс мощности, затрачиваемой на работу гребного винта, представлен на рис. 3.61, из которого видны доли составляю­щих потери мощности.

В теории идеального движителя (§ 18) было установлено, что КПД движителя при заданном о_р можно повысить за счет увеличения средней скорости струи, протекающей через диск двигателя. Поэтому для уменьшения потерь, обусловленных осе­выми вызванными скоростями, на судах используются специ­альные конструкции, называемые направляющими насадками. Окружные вызванные скорости приводят к потере энергии на закрутку струи за гребным винтом, поэтому повышение эф­фективности движителей возможно за счет уменьшения окруж­ных вызванных скоростей благодаря установке контрпропелле­ров или применения соосных гребных винтов.

Кромочные потери могут быть уменьшены путем увеличения числа лопастей при постоянном дисковом отношении. Однако эта мера может привести к повышению профильных по­терь и ухудшению кавитационных характеристик за счет увеличения относительной тол­щины лопастей. Кромочные потери существенно уменьша­ются при работе гребного вин­та в направляющей насадке вследствие малых зазоров ме­жду кромкой лопастей и те­лом насадки.

Профильные потери обус­ловлены вязкостью жидкости. С целью уменьшения при про­ектировании гребного винта особое внимание уделяется вы­бору формы профилей лопаст­ных сечений и максимальному уменьшению их толщины. Большое влияние на величину профильных потерь оказывает

технологическая и эксплуатационная шероховатость поверхно­сти лопастей.

Влияние диаметра ступицы на КПД гребного винта начи­нает сказываться с относительного диаметра d_Ст.

При d_CT/D>=0,30 КПД падает на 5% и более.

Существуют устройства и конструкции, позволяющие повы­сить эффективность работы гребных винтов.

Направляющие насадки.Направляющие насадки (рис. 3.62). представляют собой профилированное кольцо, имеющее в ра­диальных сечениях форму профиля крыла и охватывающее с не­большим зазором ( — 0,01R) кромки лопастей гребного винта.

Идея применения насадки впервые была высказана русским инженером Ф. А. Бриксом в 1887 г., ее несправедливо припи­сывают немецкому инженеру Корту.

Площадь F_e входного сечения насадки всегда больше F_a — площади выходного сечения (рис. 3.63). В наиболее узком се­чении F_p располагается гребной винт. Вследствие этого увели­чивается скорость протека­ния жидкости через сече­ние винта и, следовательно, растет КПД винта.

Геометрия насадки характеризуется следующими элементами:

. Наибольший эффект обеспечивается направляю­щей насадкой не за счет увеличения осевой скорости потока и уменьшения кро­мочных потерь, хотя эти обстоятельства достаточно важны, а благодаря созда­нию насадкой дополнитель

ного упора, достигающего у буксирных судов 40—50% на швартовном режиме и 30—40% на ходу с возом от величины упора гребного винта без насадки.

Поскольку каждый элемент профиля работает как элемент крыла, обтекаемого под углом атаки а (рис. 3.63), на нем воз­никают подъемная сила dY и сила профильного сопротивле­ния dX, направленные нормально и вдоль вектора средней ско­рости натекания потока. В результате разложения гидродина­мической силы Д/?„ на вертикальную силу AQ и горизонтальную силу АР„ можно получить результирующую Р_к силу упора гид­родинамического комплекса винт — направляющая насадка

Сила воспринимается конструкцией самой насадки и ее крепления к корпусу.

Конструктивно насадки выполняются стационарными, т. е. жестко связанными с корпусом судна, и поворотными. Крайне редко применяются вращающиеся насадки, выполняемые в виде кольца, закрепленного жестко на лопастях гребного винта.

Поворотная насадка устанавливается на баллере и пово­рачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль.

Для гребного винта без насадки площадь поперечного сечения струи при работе винта в насадке не меньше F_a, вследствие чего КПД комплекса уве­личивается с увеличе­нием Ор. С повышением на­грузки за счет увеличения угла атаки а возрастает и дополнительный упор, раз­виваемый насадкой.

Увеличение аксиальной скорости протекания воды через насадку гидродинами­чески «облегчает» гребной

винт. Возрастание дополнительного упора с повышением на­грузки движителя приводит к тому, что от увеличения собствен­ного сопротивления судна или потребной силы тяги при букси­ровке гребной винт не «утяжеляется» и главный двигатель ра­ботает при постоянных значениях мощности и частоты вращения.

К преимуществам комплекса гребной винт — направляющая насадка относятся также следующие:

направляющая насадка служит своеобразным демпфером при работе гребного винта на волнении, сглаживая колебания сил на лопастях гребного винта;

насадка в значительной мере предотвращает поломку ло­пастей, уменьшая вероятность ударов о битый лед и плаваю­щие предметы;

применением так называемых осенесимметричных насадок со специальным профилированием сечений можно существенно снизить амплитуды нестационарных гидродинамических сил, передаваемых от винта на валопровод.

В настоящее время насадки устанавливают практически на всех буксирных судах, у которых σ_р = 5~8.

Широко применяются они также на судах каботажного пла­вания (σ_р = 2,5-=-4,0), на траулерах (σ_Р = 4-8), а в последнее время и на крупных танкерах. Для последних, вследствие боль­шой полноты кормовой оконечности, характерны высокие значения коэффициентов по­путного потока, что приводит к уменьшению скорости потока в диске винта и обусловли­вает увеличение о_р до 4,0—5,0. Применение насадок на супер­танкерах поэтому позволяет в отдельных случаях повысить скорость с грузом до 0,5 уз. или сэкономить топливо на 6—9%. На отечественных круп­нотоннажных танкерах типа «Крым» установлены осене-симметричные насадки, кото­рые, как показали натурные измерения, практически ис­ключили циклические на­грузки на гребные валы

Выравнивание поля скоростей в этих насадках осу­ществляется увеличением скоростей в верхней части диска за счет увеличения выходного сечения в верхней части насадки и применения ускоряющих профилей. В нижней части диска ско­рость снижается благодаря уменьшению выходного сечения в нижней части и применения замедляющих профилей.

Эффективность применения осенесимметричной насадки по снижению колебаний упора и момента на отечественном грузовом судне отражена на рис. 3.65.

Соосные гребные винты.Увеличение мощностей энергетических установок современных транспортных cyдов,особенно на супертанкерах и супербалккэриерах, гидродинамическая, а

следовательно, и экономическая целесообразность применения одновальных установок делают перспективным применение нового типа движителя-соосных гребных винтов (см 3.2).

Каждый из соосных гребных винтов работает в поле выбранных скоростей другого винта. В плоскости заднего винта действуют осевые и тангенциальные вызванные скорости

создаваемые передним винтом. Задний винт в плоскости переднего обус­ловливает лишь аксиальную вызванную скорость.

При rt₀pt установка соосных гребных винтов в диапазоне нагрузок 0р = 1-г-4 обеспечивает увеличение КПД в свободной воде около 10% по сравнению с одиночным винтом, т. е. эффек­тивность такой системы превышает эффективность комплекса гребной винт — направляющая насадка (при о_р = 1-~2) на 8—9%, приближаясь к ней с увеличением нагрузки.

В случае D_opt при нагрузках, характерных для крупнотон­нажных танкеров, движители всех сопоставляемых типов обес­печивают близкие по величине КПД в свободной воде.

При меньших нагрузках КПД выше, а комплекса винт — насадка

Рис. 3.67. Схема движителей с перекры­вающимися дисками

соосных винтов и а 3—4% на 3% ниже КПД одиноч­ного винта. Следует при этом иметь в виду, что оп­тимальный диаметр гребных винтов соосной системы всегда меньше Z)₀pt одиноч­ного и работающего в на­садке гребных винтов.

На высокоскоростных двухвальных судах типа контейнеровозов примене­ние соосных гребных вин­тов может привести к выиг­рышу в потребной мощно­сти до 20—25 %.

Существенным недостат­ком соосных гребных вин­тов, сдерживающим пока их применение, является сложность конструкции валопровода, систем передачи и уплотнений.

Движители с перекрывающимися дисками.При проектиро­вании получивших в последние годы широкое распространение скоростных двухвальных судов с малым коэффициентом пол­ноты б возникают определенные трудности в размещении глав­ных двигателей и использовании целесообразных с точки зрения кавитации больших по диаметру гребных винтов.

Решение этой проблемы может быть облегчено в случае при­менения винтов с перекрывающимися дисками (рис. 3.67). По результатам испытаний моделей, оборудованных такими движи­телями, можно заключить, что уменьшение потребной мощности при этом может составить до 6% по сравнению с двухвальной компоновкой традиционного типа.

Контрпропеллеры и контрвинты.Потери энергии в гребном винте на закручивание струи могут быть уменьшены использо­ванием специальных направляющих устройств, называемых контрпропеллерами и контрвинтами. С этой целью за винтом или перед ним на рудерпосте или рудерписе устанавливают непо­движные лопасти наподобие направляющего аппарата турбины. Лопасти изогнуты таким образом, что в случае установки их

Контрпропеллеры и контрвинты в настоящее время устанав­ливают редко. Это обусловлено достаточно высоким сопротив­лением таких конструкций и тем обстоятельством, что тонкие консольно расположенные лопасти контрпропеллеров и контр­винтов являются дополнительным источником вибрации. Уста­новка контрвинта, наряду с упомянутыми недостатками, ухуд­шала управляемость судна на заднем ходу

Контрпропеллерный эффект руля. Расположенный за греб­ным винтом струйный руль с авиационным сечением создает эффект, мало отличающийся от эффекта контрвинта, при отсут­ствии всех недостатков последнего.

Принцип действия руля аналогичен действию контрвинта (рис. 3.69). На конце лопастного сечения винта тангенциальная вызванная скорость w_t достигает своей полной величины, в то время как аксиальная вызванная скорость не изменяется и равна wа/2. Скорость и направление отходящей струи относи­тельно плоскости гребного винта будут представлены наклонной ab. Контрпропеллерный эффект руля заключается в том, что он уменьшает потери от закручивания потока путем перевода покидающей струи с направления ab в направление сЬ, при­ближающееся к максиальному db. При этом на профиле руля возникает дополнительный упор АР от составляющей подъемной силы Л, равновеликий сопротивлению руля. Дополнительный упор появляется и на самом гребном винте благодаря воздей­ствию руля на поток — изменению его направления ek на на­правление ес.

С позиций повышения пропульсивных качеств судна хорошо обтекаемый вертикальный руль с относительной толщиной сече­ния //6 = 0,12^-0,16 должен располагаться возможно ближе к диску винта, что обеспечивает наибольшее раскручивание струи. На практике, однако, из-за опасности вибрации должно быть a/d>0,15.

Пропульсивные наделки. Одной из встречающихся в настоя­щее время конструкций, используемых для повышения пропуль­сивных качеств судов, в том числе и при модернизации послед­них, является сигарообразная наделка на перо руля, известная с 1929 г. в иностранной печати под наименованием «груши Коста» по имени изобретшего ее итальянского инженера Коста.

Наделка представляет собой сигарообразное тело, состоя­щее обычно из двух половин, устанавливаемых с обеих сторон пера руля соосно с гребным винтом.

Принцип действия наделки состоит в следующем. В струе за гребным винтом вследствие тангенциальных вызванных ско-

ростеи и соответственно закручивания потока, достигающего максимума в районе ступицы, возникает область пониженного давления в районе корневых сечений лопастей и ступицы. Про-пульсивная наделка, размещаемая в начале струи, отбрасы­ваемой винтом, наоборот, j повышает давление в этой области и, кроме того, уменьшает вихреобра-зование за ступицей (рис. 3.70).

Особенно благоприят­но проявляется влияние пропульсивных наделок при установке сборных гребных винтов с повы­шенным относительным диаметром ступицы. Опыт использования таких наделок на ряде судов отечественного морского флота (рис. 3.71) свиде­тельствует о возможности получения в эксплуата­ции приращения скорости до 0,5—0,6 уз.