Гидродинамические характеристики гребного винта.

Согласно лопастной теории силы и моменты, действующие на винт, получаются суммированием элементарных сил и моментов, возникающих на элементах его лопастей, отсекаемыми соосными цилиндрами с зазором . Гидродинамические характеристики элемента крыла определяются безразмерными коэффициентами подъемной силы

и силы сопротивления ,

где - площадь элемента крыла, - скорость его обтекания, — подъемная сила и сила профильного сопротивления.

Безразмерные коэффициенты - функции угла атаки. Направление потока, при котором - направление нулевой подъемной силы (ННПС). Угол между вектором скорости набегающего потока и ННПС называют гидродинамическим углом атаки .

Упор элемента лопасти создается в результате действия его подъемной силы, а профильное сопротивление уменьшает упор и увеличивает окружную составляющую силу, а следовательно, и потребный момент на валу гребного винта.

Упор винта и момент определяются интегрированием в пределах длины лопасти по радиусу и умножением на число лопастей.

Коэффициенты упора и момента , .

Мощность, необходимая для вращения винта .

Коэффициент полезного действия (КПД) винта (отношение полезной мощности к затраченной) .

Безразмерные гидродинамические характеристики в функции относительной поступи , называются кривыми действия винта, по ним определяют упор и момент винта при различных режимах его работы.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИНТА

И КОРПУСА СУДНА.

Гидродинамические поля, создаваемые движителем и корпусом судна, взаимно влияют друг на друга. Движитель изменяет поле скоростей и давлений на корпусе, поэтому сопротивление судна при работающем движителе не равно сопротивлению буксируемого судна.

Приближенно винт считается изолированным, но работающим в потоке, создаваемом корпусом буксируемого судна, а набегающий на корпус поток считается измененным действием движителя

При движении корпуса судна в жидкости за его кормой возникает течение жидкости, направленное в сторону движения судна - попутный поток. Его составляющие:

1.потенциальный попутный поток определяется полем скоростей корпуса за пределами пограничного слоя (сохраняется и в невязкой жидкости).; cкорость определяется формулой , где

- скорость попутного потока вытеснения;

- скорость волнового попутного потока.

2. Вязкостный попутный поток: погранслой на поверхности судна приводит к перераспределению скоростей; скорость .

Попутный поток определяют в диске движителя. Попутный поток, определенный в отсутствие движителя, называется номинальным.

Коэффициент попутного потока .

Для морских транспортных судов определяющей является вязкостная составляющая.

Коэффициент попутного потока считается положительным, если попутный поток в среднем направлен в сторону движения судна. Попутный поток вытеснения и вязкостный попутный поток всегда положительны. Волновой же попутный поток может быть как положительным, так и отрицательным. Если гребной винт расположен под вершиной волны, образующейся при движении судна, то волновой попутный поток будет положительным, а если винт расположен под подошвой волны, то отрицательным.

Движитель, работающий за корпусом судна, изменяет его номинальный попутный поток. Попутный поток за судном, возникающий при работающем движителе, называют эффективным попутным потоком.

Скорость эффективного потока равна разности скорости протекания жидкости через движитель при его работе за корпусом и при отсутствии корпуса. Для судов небольшой полноты и при малых нагрузках движителя осредненные по диску значения номинального и эффективного попутного потока близки. У полнообводных судов в условиях срыва погранслоя при больших коэффициентах нагрузки винт сильно влияет на попутный поток, особенно на вязкостную составляющую.

При выборе элементов винта в качестве расчетной скорости принимают скорость судна , уменьшенную на величину расчетной скорости попутного потока

,

где - коэффициент расчетного попутного потока, определяется экспериментально.

Под коэффициентом расчетного попутного потока понимают коэффициент попутного потока, определенный из условия эквивалентности работы движителя за корпусом и в свободной воде, т. е. при условии равенства упоров и равенства потребляемой мощности.

Движитель, работающий вблизи корпуса судна, увеличивает скорость обтекания его кормовой оконечности, вызывая понижение давления на поверхности этой части корпуса. Это приводит к увеличению его сопротивления. Эта дополнительная сила называется силой засасывания . Таким образом, движитель должен развить упор, который превышает полезную тягу, необходимую для буксирования судна, на величину силы засасывания: , где - полезная тяга комплекса движитель — судно, она численно равна буксировочному сопротивлению судна , приходящемуся на один движитель.

Отношение силы засасывания к упору движителя называется коэффициентом засасывания , где — коэффициент полезной тяги, — коэффициент упора.

Сила засасывания вызывается не только перераспределением давлений на поверхности корпуса судна в корме, но и перераспределением скоростей в его пограничном слое. В результате изменяется вязкостная составляющая сопротивления воды движению судна, и появляется силы засасывания вязкостной природы. Кроме того, волнообразование, возникающее при движении судна с работающим гребным винтом, вызывает появление силы засасывания волновой природы. Поэтому, так как волновая и вязкостная составляющие малы, получается .

Эффективность преобразования подводимой к движителю мощности в полезную тягу характеризуется пропульсивным коэффициентом ,

где — упор винта при его работе за корпусом судна. — момент сопротивления вращению движителя при его работе за корпусом.

КПД винта, работающего за корпусом судна ,

где и - значения коэффициентов упора и момента винта при его работе за корпусом. Считается, что при равных значениях относительной поступи , а , где - коэффициент влияния неравномерности поля скоростей на величину момента. Полученные выражения позволяют для проектирования винтов, работающих за корпусом, и для определения их эффективности использовать результаты испытаний моделей винтов в свободной воде, а влияние корпуса учитывать с помощью коэффициентов взаимодействия.