Гребные винты и их геометрические характеристики

Судовые движители и валопровод

Гребные винты и их геометрические характеристики

Движителем называют преобразователь механической энергии вращения гребного вала в гидромеханическую энергию упора Р (полезной тяги Р_е) гребного винта, способную двигать судно с заданной скоростью. Чтобы судно двигалось, сила упора должна быть равной или большей сопротивления движению R, т.е.

SР_е = R

По принципу действия судовые движители принято разде­лять на два типа:

- активные;

- гидрореактивные.

Активный движитель – воздушный винт создает полезную тягу с помощью энергии движущихся масс воздуха (экранопланы), отбрасываемых турбореактивными двигате­лями.

Гидрореактивные движители – главным образом, гребные винты, работают на принципе реакции отбрасываемого потока воды, проходящего через гидравлическое сечение винта при одновременном его вращении и поступательном движении. Реактивная струя от винта направлена в сторону, противоположную движению судна, но она и создает силу упора Р или полезную тягу Р_е, направленную навстречу сопротивлению движения судна., Работая в воде, винт как бы опирается на нее при своем вращении и отталкивается от нее при поступательном движении.

Таким образом, винт преобразуют механическую работу вращения главной силовой установ­ки в гидравлическую энергию поступательного движения судна.

Активным движителем до сих пор остается древнейший парус, сыгравший огромную роль в становле­нии и развитии морского флота. В настоящее время, когда энергосберегающим технологиям и проблемам охра­ны окружающей среды уделяется все большее внимание – парус снова возвращается в строй, но на более высоком научном уровне. В мировом флоте насчи­тывается уже несколько десятков морских транспортных судов, оборудованных парусами как вспомогательными движителями. Среди этих судов - современные рудовозы японской постройки дедвейтом более 30 тыс. т. Кроме различных типов парусов (мягких, жестких, объемных и т. д.) изучаются возможности роторных и турбинных активных дви­жителей.

Гидрореактивные движители прогрессировали в своем развитии отгребного весла к гребному колесу и, наконец, к гребному винту.

Гребной винт (рис.183) - это движитель, нашедший наи­большее распространение на современных типах судов, что объясняется присущими ему достоинствами:

1) высоким КПД, дости­га­ющим h_о = 0,7 ~ 0,75;

2) простотой и надеж­но­стью конструкции и неболь­шой удельной массой (0,5-­­2 кг/кВт);

3) слабым реагированием на качку судна и приспо­соб­ленностью к различным ус­ло­виям эксплуатации;

4) возможностью рабо­та­ть в прямых передачах мощ­ности от двигателя типа дизеля (без редукторов) лю­бых мощностей;

Геометрические характеристики гребного винта. Гребной винт состоит (рис.188) из ступицы и трех - шести лопастей, установленных радиально на ступице. Поверх­ности лопастей, обращенные в сторону судна, называют засасываю­щими, обращенные в корму и воспринимающие реакцию отбрасываемой воды при переднем ходе судна, именуют нагнетающими. Линия пе­ре­сечения этих пове­рх­но­стей образует форму или контур лопа­сти. Контуры лопастей гре­б­ных винтов могут быть симметрич­ны­ми и несимметричными. Пос­ле­д­ние полу­чили боль­шое распространение в тра­н­с­портном судост­роении.

Боковую кромку ло­па­сти, обращенную в сто­рону вращения греб­ного винта при переднем ходе судна, называют входящей, противоположную ей кромку - выходящей.

В зависимости от направления вращения образующей вин­товой поверхности различают винты правого и левого вращения. Если взгляд наблюдателя направлен перпендикулярно к диску винта, то у винта правого вращения правая кромка лопасти, расположенной вертикально вверх, будет находиться от наблю­дателя дальше, чем левая. У винта левого вращения - наоборот.

На засасывающей стороне лопасти при увеличении числа оборотов винта скорость набегающего потока воды также растет, в результате на ней создается разрежение, причем по мере увеличения скорости враще­ния давление может понизиться настолько, что в отдельных точках поверхности лопасти вода вскипает, с образованием пузырьков воздуха. Явление вскипания холодной воды на засасывающей стороне лопасти называется кавитацией. Начальная, I стадия кавитации представляет опасность для винтов, так как пузырьки воздуха, образующиеся при вскипании воды, попадая в зону более высокого давления, мгновенно конденсируются и при захлопывании производят сильнейшие гидравлические удары на поверхности лопасти (силой до 10 тыс. атмосфер), вызывая эрозию (местное выбивание частичек металла из поверхности). Работа гребного винта в таких условиях недопустима. Однако по мере дальнейшего увеличе­ния скорости вращения винта зона кавитации распростра­няется уже на всю лопасть и даже выходит за ее пределы - на­ступает этап второй стадии кавитации, которая не представляет угрозы для прочности винта, но зато несколько уменьшает его к. п. д.

Образование вин­то­вой поверх­но­с­ти гребного винта.

В основе геометрии ло­пастей гребного винта лежит винтовая пов­­ер­хность. Такая поверхность образу­ется в результате одновременного по­во­ро­та и перемещения вниз по оси ци­лин­­дра ОZ некоторого отрезка АВ (рис.189). Следом пересечения линии ВСD с поверхностью цилиндра является винтовая поверхность.

Отрезок АВ называют образующей винтовой по­верхности, а путь, проходимый точкой В в ак­сиальном направлении за один полный оборот - геометрическим шагом винтовой линии Н. Если цилиндр со следом винтовой поверхности ВСD разрезать по образующей АВ и развернуть на плоскость, то получим развертку винтовой линии в виде прямо­угольника, котором треугольник DBE называется шаговым (рис.190; 191). Винтовая линия DB в нем будет гипотенузой, высота ВЕ – геометрическим шагом, катет DE = 2p r_i. Угол j между винтовой линией BD и основанием треугольника DE называют шаговым углом, величина которого равна:

tgj = (1)

Примыкающая к ступице часть лопасти называется корнем, а наиболее удаленная от нее - краем лопасти. Расстояние от оси винта до края лопасти называется радиу­сом, а двойное его значение - диаметром гребного винта.

Профили сечений лопастей гребного винта. Если условно рассечь лопасть круго­вой цилиндрической поверхностью на каком либо радиусе r_i (рис.189), и развернуть это сечение на плоскость гипотенузы DB, то получим спрямленный про­филь сечения этой лопасти. В гребных винтах профили сечений могут иметь различную форму. Наибольшее распространение получили сегментные, ави­а­ционные и клиновидные профили (рис.­192). Сторона этих профилей, обращенная к нагнетательной поверхности, часто бывает прямолинейной, но в некоторых случаях может быть и вогнутой или выпуклой. У гребных винтов современных транспортных судов сечения, расположенные ближе к краю лопасти, обычно имеют сегментный про­филь, а ближе к ступице - авиационный.

Отношение максимальной толщины профиля е к ширине ло­пасти b называется относительной тол­­щиной ло­па­с­ти:

d_отн = (2)

Относительная толщина лопасти колеблется в пределах d_отн = 0,15 ¸0,25 - у корня лопасти; d_отн = 0,02 ¸0,05 - у края лопасти.

Отношение геометрического шага винта к его диаметру Н/D называется шаговым отношением, которое для различных типов винтов находится в пределах от 0,4 до 0,9.

Отношение площади спрямленных поверхностей всех лопастей А к площади диска винта

А_d = называется дисковым отношением q: q = (3)

У винтов транспортных судов q = 0,3 ¸0,8.