Гидродинамические характеристики гребного винта

Работа гребного винта в жидкости характеризуется следующими параметрами:

- развиваемым упором, обеспечивающим по­ступательное перемещение судна;

- вращающим моментом М, который уравновешивается крутящим моментом главного двига­теля;

- коэффициентом полезного действия h_р, определяющим эф­фективность работы гребного винта.

Для определения гидро­ди­нами­че­ских сил на ло­пасти винта используется так называемая лопастная тео­рия гребного винта, согласно которой лопасть рассма­т­ривается как несущее крыло, обтекаемое потоком воды со скоростью, являющейся результирующей скоростью двух движений - вращательного и поступательного, совершаемых ло­пастью.

Рассмотрим спрямленное сечение лопасти гребного винта, расположенное на радиусе r и представляющее собой часть ло­пасти, отсекаемую двумя соосными с винтом круговыми цилиндрами, радиусы которых весьма мало отличаются друг от друга. Выделе­н­ный элемент совершает поступательное перемещение как часть лопасти со скоростью u_p = nh_p и вращается со скоростью rw = 2p rw. Результирующее движение эле­мента со скоростью u_i = происходит по отношению к ок­ружающей жидкости под некоторым углом атаки a.. Значение этого угла при заданном шаговом угле j определяется соотноше­нием между осевой u_p и окружной rw скоростями, т. е. углом b:

a = j – b (13)

При обтекании с углом атаки a на элементе лопасти возникает подъемная сила D Y, направленная перпендикулярно направле­нию потока u_i и лобовое сопротивление D Х, направленное вдоль этой скорости. Раскладывая, как показано на рис. 189, б), силы D Y и D Х по двум взаимно перпендикулярным направлениям, одно из которых совпадает с направлением движения судна, полу­чим выражения для упора D Р и силы сопротивления D Q враще­нию элемента лопасти (рис.189, а):

D Р = D Р_у – D Р_х; (14)

DQ = D Q_y +D Q_x (15)

Из этих выражений видно, что упор винта образуется за счет подъемной силы, уменьшенной на составляющую лобового со­противления. Сила сопротивления вращению лопасти возрастает из-за наличия этой же составляющей. Вместо силы DQ обычно рассматривают ее момент относительно оси винта

DМ = rDQ (16)

Если значения D Р и D M для всех элементов лопасти на раз­личных радиусах известны, то, просуммировав их, можно опре­делить упор и момент, действующие на лопасть, и, умножив най­денные значения на количество лопастей, найти полный упор винта Р и момент М, противодействующий вращению.

Упор и вращающий момент гребного винта при заданных шаге (или шаговом угле j) и диаметре зависят от режима его работы, который, в свою очередь, определяется сочетанием кинематических характеристик, т. е. зависит от относительной поступи l_р и относи­тельного скольжения S.

При работе гребного винта на месте (на швартовах) поступь l_р = 0, угол b = 0, угол атаки a = j равен ша­говому углу и имеет максимальное значение;следовательно, упор и момент гребного винта будут наибольшими. С увеличением скорости движения (с увеличением l _р) угол атаки a уменьшается и вместе с ним уменьшаются силы, действующие на винт. При некоторых определенных значениях относительной поступи эти силы могут стать равными нулю.

В практических расчетах упор и момент гребного винта при­нято представлять в виде безразмерных коэффициентов, которые называют коэффициентами упора

К₁ = (17)

и момента К₂ = (18)

Для данного винта значения этих коэффициентов зави­сят только от относительной поступи l _р и определяются либо расчетным путем, либо по результатам испытаний моделей винтов в опытовых бассейнах в условиях свободной воды, т. е. при ра­боте их изолированно от корпуса судна.

По известному значению вращающего момента винта М на­ходят потребляемую гребным винтом мощность N_p:

N_p = Mw =2p nM. (19)

Коэффициент полезного действия винта h_p определяется как отношение полезной мощности к мощности, затраченной на его вращение. Полезная мощность, развиваемая гребным винтом, равна произведению силы упора Р на скорость поступательного движения винта u_p. Следовательно,

h_p = (20)

Коэффициенты К₁, К₂ и h_р называются гидродинамическими характеристиками гребного винта, которые представлены на рис.190.

Кривые изменения этих коэффициентов в зависимости от относительной поступи l_р называются кривыми действия гребного винта и используются для определе­ния упора, момента и КПД геометрически подобных винтов при любом режиме их работы.

Большинство морских транспортных судов имеют один греб­ной винт, но на некоторых крупных и относительно быстроход­ных судах и кораблях число винтов может быть несколько. Гребные винты изготовляют из нержавеющей стали, бронзы, латуни и их сплавов, а также из капрона, нейлона и стеклопла­стика (в основном для малых судов).

Наряду с гребными винтами фиксированного шага (ВФШ), лопасти которых закреплены неподвижно, широкое применение находят винты регулируемого шага (ВРШ), имеющие поворотные лопасти. Иногда ВФШ выполняются со съемными лопастями (на ледоколах, судах активного ледового плавания).