При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна, можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна. Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим результирующую сил трения - сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая -волновое сопротивление RB зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВ.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:

R = RТР + RB + RФ+ RВ.Ч. + RВОЗ (1)

Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:

R = C × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ), (2)

где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
SВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:

C = CТР + CB + CФ+ CВ.Ч. + CВОЗ или C = CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ

где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:
R = (CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ) × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ) (3).

Движущая сила Pe создается и поддерживается судовыми движителями, преобразующими механическую энергию поступательного движения судна.

В процессе работы движитель воздействует на окружающий судно поток, а корпус судна изменяет поток в районе расположения движителя.

Полезная мощность, которую развивает движитель: N=Pvp

Поторебляемая движителем мощность Np=Mw

(М-момент, передаваемый движителю от двигателя, w-угловая скорость вращения гребного винта)

Судовые движители по принципу действия являются гидравлическими или гидрореактивными. В последнее время применяются воздушные движители (суда на воздушной подушке оборудуют воздушными винтами).

Действие основано на отбрасывании в сторону, обратную направлению движения судна, масс окуржающей среды: воды или воздуха. Это осуществляется засчет сообщения массам, перерабатываемым рабочими элементами движителяколичества движения. Реакция отброшенных масс воспринимается деталями движителя. Ее составляющая в направлении движения судна ности назвоние упора движителя. Силы, возникающие на элементах движителей, могут создаваться как за счет сил сопротивления при движении движителя в окружающей среде, так и за счет подъемной силы- по природе аналогичной подъемной силе несущего крыла.

Гребные винты применяются на судах различного типа и назначения, они отличаются простотой конструкции, удовлетворительной эксплуатационной надежностью и относительно высоким КПД. Разновидностями гребного винта являются винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения,гребные винтытандем.

Крыльчатый движитель обладает специфическими свойствами.

Водометные движители

Существуют другие типы движителей, среди которых можно отметить газоводометные и роторные.

Судовыми движителями называются специальные устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к. они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную движению судна. В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и водометный движители. Гребной винт служит основным типом движителя
для морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш). Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта называется расстояние, на которое переместится точка винта за один полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме движения судна. Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей), обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному - наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом: возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что усложняет их крепление.

К основным геометрическим элементам и характеристикам, определяющим действие гребного лодочного винта, относятся:
1. Диамерт винта D=2R, представляющий собой диаметр окружности, описываемой самой удаленной от оси винта точкой лопаси. Диаметр лодочного винта определяется площадью гидравлического , или рабочего , сечения движителя.
2. Радиус лодочного винта R=0,5D - расстояние от оси гребного винта до наиболее удаленной точнки, называемой краем лопасти.
3. Геометрический , или конструктивный , шаг винта - H, характеризующий возможное перемещение винта за один оборот при движении бе скольжения. Конструктивный шаг винта определяется шагом винтовых линий, образующих нагнетательную (кормовую) поверхность лопасти гребного лодочного винта, и находится по формуле: H=2πrtgѵ,

где r - радиус рассматриваемого сечения лопасти; tgѵ - тангенс шагового угла на радиусе r.
Различают лодочные винты постоянного шага H = const и переменного H = ϝ(r), у которых шаг вдоль радиуса лопасти изменяется по какому-либо закону.
4. Конструктивное шаговоре отношение H/D - отношение конструктивного шага винта к его диаметру.
5. Дисковое отношение Θ, представляющее отношение суммарной площади всех z лопастей к площади диска, ометаемого винтом, Θ=A/Ad=(2zbcp(D-dc))/(πDD),

6. Приведенный , или относительный , радиус лопасти, представляющий собой отношение радиуса ента давления лопасти R0 к наибольшему радиусу гребного винта R. Обычно принимается, что центр давления, характеризующий точку приложения к лопасти равнодействующей всех сил, совпадает с центром тяжести спрямленной поверхности лопасти.
7. Профиль сечения лопасти , под которым понимается спрямленный на плоскость след сечения лопасти лодочного винта соосным с ним круговым цилиндром на заданном радиусе.

Для характеристики режима работы гребного винта в целом используют понятие поступи. Линейной поступью hp винта называется путь, проходимый винтом в осевом направлении за время одного оборота=vp/hp

Отношение линейной поступи к диаметру винта называется относительной поступью или просто поступью винта. λp=hp /D=Vp/nD

Шаг винта- расстояние, которое проходит винт за один оборот в твоердом теле.

Безразмерные гидродинамические характеристики гребного винта, представленные в виде кривых в функции от относительной поступи, называются кривыми действия. С их помощью можно определить упор, момент, КПД винта при различных режимах работы.

На графике изображается также λ1=H1/D- шаговое отношение нулевого упора или гидродинамическое шаговое отношение.

λ2=H2/D- шаговое отношение нулевого момента.

При λp ›λ2, k2‹ 0, винт работает в режиме турбины, создавая вращающий момент за счет энергии потока.

В диапозоне изменения относительной поступи λ1 ‹ λp‹ λ2 винт не может быть использован ни как движитель, ни как турбина. Рабочей областью гребного винта, как судового движителя является диапозон относительных поступей 0 ‹ λp ‹ λ1, где P› 0

В каждом конкретном случае на расчетных режимах гребной винт должен работать в диапозоне относительных поступей, соответствующих высоким значениям КПД, что обеспечивается надлежащим выбором геометрических характеристик гребных винтов.

Одна из наиболее важных целей модельных гидродинамических испытаний винтов- получить систематизированные экспериментальныематериалы, необходимые для проектирования гребных винтов. Эти материалы получают в результате испытаний определенных серий винтов. При разработке серий моделей стремятся получить систематическое изменение их важнейших конструктивных элементов, существенно влияющихна гидродинамические характеристики винта.

Такими элементами являются: шаговое отношение H/D, дисковое отношение A/Ad, число лопастей Z, относительная толщина лопасти Ω, форма сечений лопасти, ее контур.

Материалы испыьаний представляются на диаграммах, содержащих кривые действия винтов серии, отличющихся только шаговым отношением. На диаграмме изображаются кривые коэффициента упора К1 и КПД в функции относительно поступи.

Каждая серия винтов, отличающихся шаговым отношением, представляется двумя диаграммами: диаграммой, посторенной в осях k1-λp и диаграммой, построенной в осях k2- λp.

Первую диаграмму называют корпусной, она используется, когда исходными для расчета гребного винта служит буксировочное сопротивление корпуса судна, а мощность энергетической установки, необходимая для обеспечения указанной в техническом задании на проектировании скорости судна. Диаграмму, построенную в осях k2- λp, называют машинной. Эта диаграмма используется, когда мощность энергетической установки проектируемого судна задана, а достежимая скорость является искомой величиной.

Простейшей формой задания на проектирование винта, позволяющей однозначно определить геометрические элементы винта в пределах заданной серии, является случай, когда указаны частота вращения n, диаметр винта D, скорость поступательного движения винта Vp, а также требуемый упор или располагаемая мощность на винте Np. Ная эти величины, можно вычислить относительную поступь λp и коэффициент упора k2, определяющие на поле диаграмм единственную точку, которая однозначно определяет шаговое отношение и КПД винта.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Судовые движители

1. Общие сведения о судовых движителях

Для обеспечения движения судна необходимо приложить к его корпусу движущую силу - силу тяги, равную по величине и противоположную по направлению силе сопротивления среды (воды и воздуха). Такая постоянно действующая на судно сила может быть создана при помощи различных продолжительно работающих источников энергии: мускулов человека, ветра и разного рода двигателей. Для преобразования энергии двигателей в энергию поступательного движения судна используют специальные механизмы, называемые движителями. Таким образом, основным назначением судовых движителей является создание и поддержание требуемой величины тяги Р е. При равномерном прямолинейном движении судна суммарная сила тяги его движителей соответствует сопротивлению движения R и направлена в противоположную сторону: Р е = R.

Подводимая к движителям мощность - суммарная валовая мощность N р должна быть больше полезной (буксировочной) мощности N б = R·v из-за неизбежных потерь при работе комплекса движитель - корпус (§2.1.). Степень совершенства движителя, работающего в сочетании с корпусом, оценивается величиной пропульсивного коэффициента движителя: з д = N р / N б. Чем больше пропульсивный коэффициент движителя, тем он совершеннее. Движители судов должны обладать высокой надежностью, обеспечивать судну высокие пропульсивные качества, работать с минимальным уровнем шума и быть простыми в эксплуатации. Эти требования могут быть реализованы только на судостроительных производствах с высоким уровнем конструкторско-технологической базы. Без преувеличения можно считать судовой движитель одним из самых сложных и дорогостоящим механизмом на судне.

По принципу действия современные судовые движители являются гидрореактивными. Они создают силу тяги за счет реактивного воздействия массы воды, захватываемой движителями и отбрасываемой в направлении, противоположном направлению движения судна. Их отличают только по методу сообщения отбрасываемой жидкости кинетической энергии. Различают лопастные и водопроточные движители. К числу лопастных движителей относятся гребные винты и крыльчатые движители, а к числу водопроточных - водометы.

Рис. 100. Гребной винт: а - фиксированного шага; б - регулируемого шага

Самым распространенным судовым движителем является гребной винт . Это объясняется простотой конструкции гребного винта, малым весом, надежностью и высоким КПД. Пропульсивный коэффициент современных гребных винтов составляет 6065%, в отдельных случаях превышая 75%. На морских судах устанавливают гребные винты диаметром от нескольких дециметров до 11 и более метров; мощность, потребляемая гребным винтом, доходит до 70 000 кВт. Гребные винты располагаются обычно в корме и только у некоторых специальных типов судов (ледоколов и паромов челночного типа) - в носу. судовой движитель кавитация винт

Гребной винт представляет собой конструкцию в виде ступицы с размещенными на ней лопастями, которые расположены радиально на равных угловых расстояниях друг от друга. Различают винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ). ВФШ

(рис.100,а) изготавливаются цельнолитыми и со съемными лопастями. ВРШ (рис.100,б) внутри полой ступицы имеют механизм, изменяющий разворот лопастей. Благодаря ряду преимуществ, винты регулируемого шага нашли самое широкое применение на промысловых судах различных назначений. Для повышения эффективности работы гребных винтов используют специальные направляющие устройства (рис.101).

Рис.101. Гребной винт в направляющей насадке

Рис.102. Крыльчатый движитель: 1- привод; 2- передаточный механизм; 3 - корпус; 4- лопасти; 5 - ротор.

Крыльчатый движитель (рис.102) представляет собой диск, установленный заподлицо с плоской частью подзора кормы. В воде находятся только рабочие детали движителя - крылообразные вертикальные лопасти, число которых составляет 48. Если к хордам профилей крыльев провести нормали, то они все пересекутся в единой точке N, расположенной эксцентрично относительно центра диска и называемой центром управления. При вращении диска лопасти устанавливаются в определенное положение относительно потока, совершая по отношению к диску колебательные движения вокруг вертикальной оси. Закон этого колебательного движения выбирается таким, чтобы каждая лопасть за время полного оборота диска создавала силу, направленную всегда в сторону движения судна. Оси всех лопастей совершают движение по циклоиде, и каждая лопасть обтекается циклоидальным (криволинейным) потоком. Это достигается перемещением центра управления лопастями N вдоль диаметра движи теля. Меняя положение точки N, можно создавать силы различной величины.

Перемещением центра управления в стороны от основного диаметра при неизменном направлении вращения можно получить любые направления силы упора движителя. Таким образом, без реверсирования движителя можно изменить направление движения судна на обратное, а также объединить в одном устройстве функции движителя и рулевого органа. Изменение положения центра управления N относительно центра диска О обычно осуществляется дистанционно с мостика.

Рис.103. Схема сил при движении судна с крыльчатым движителем: а - передний ход; б - поворот налево; в - поворот направо; г - движение лагом при двух крыльчатых движителях; N - центр управления; О - центр движителя

На рис. 103 приведены схемы сил, развиваемых на крыльчатом движители при изменении эксцентриситета и обеспечивающих движение судна прямо и повороты налево и направо (рис. 103,а - в).

При установке на судно двух крыльчатых движителей оно получает возможность двигаться лагом (рис.103,г). Благодаря этому свойству крыльчатые движители устанавливают на портовых буксирах, паромах, плавучих кранах и других судах, для которых характерны высокие маневренные качества. Недостатком крыльчатого движителя является сложность его конструкции при невысоком пропульсивном коэффициенте.

Водометный движитель представляют собой установку, которая расположена внутри корпуса судна, состоящую из водопроточной трубы (канала) и мощного насоса. Насос засасывает воду через приемное отверстие в днищевой части корпуса и выбрасывает ее с повышенной скоростью через напорный канал. Реакция выбрасываемой струи и является той силой, которая движет судно в сторону, противоположную направлению выброса струи. Напорный канал водомета, расположенный в кормовой оконечности судна, обычно снабжается на конце поворотными насадками, реверсивными рулями или иными устройствами для управления судном путем изменения направления струи воды.

В качестве рабочего органа водометной установки вместо насоса может использоваться размещенный в канале водомета гребной винт с направляющим аппаратом (контрпропеллером). Такой водометный движитель может быть как одноступенчатым, так и многоступенчатым, т.е. состоять из одного или нескольких гребных винтов специальной конструкции с направляющими устройствами между ними. На рис. 104 показана схема двухступенчатого водомета.

Рис.104. Схема двухступенчатого водометного движителя: 1,2 - первая и вторая ступени (а - винт; б - контрпропеллер); 3 - сопло, обеспечивающее поджатие струи; 4 - водозаборник; 5 - водометная труба

Положительными качествами водометных движителей являются: способность эффективно работать при малых осадках судна; хорошая защищенность от повреждений при движении судна по засоренному фарватеру; лучшие кавитационные и эрозионные качества, меньшие вибрация и шумность по сравнению с обычным гребным винтом; возможность использования без дополнительных передач мощных высокооборотных двигателей.

К недостаткам водометных движителей по сравнению с гребными винтами относятся их более сложная конструкция и несколько меньший КПД.

2. Геометрические характеристики гребного винта

Рабочими органами винта являются лопасти, расположенные радиально на равных угловых расстояниях друг от друга и укрепленные на ступице, насаживаемой на конец гребного вала. Обычно число лопастей z = 36.

Различают винты правого и левого вращения. Винты правого вращения при повороте по часовой стрелке перемещаются в аксиальном направлении от наблюдателя, левого вращения - на наблюдателя. На двухвальных судах на валопроводе правого борта устанавливается винт правого вращения, на валопроводе левого борта - левого вращения. При вращении бортовых винтов в наружную сторону меньше вероятность попадания плавающих предметов между винтом и корпусом, и опасность подсасывания судна к стенке.

Рис.105.Элементы гребного винта

Поверхность лопасти винта, обращенная в корму и воспринимающая при переднем ходе судна повышенное давление, называется нагнетающей (рис.105). Поверхность лопасти, обращенная в нос и воспринимающая при переднем ходе судна пониженное давление, называется засасывающей . Линия пересечения нагнетающей и засасывающей поверхностей образует кромки лопасти. Кромка лопасти, обращенная в сторону вращения винта, - входящая , а противоположная - выходящая . Свободный конец лопасти называется краем , а примыкающий к ступице - корнем .

Диаметр окружности, описываемой краями лопастей, носит название диаметра D винта (радиус винта R = D/2). Площадь круга А d = рD 2 /4 принято называть площадью диска винта . Диаметр ступицы d 0 (радиус ступицы r 0), у цельнолитых d 0 = (0,160,18) D, у винтов со съемными лопастями d 0 0,25 D, винты регулируемого шага имеют d 0 0,32 D.

Нагнетающая и засасывающая поверхности лопасти представляют собой части винтовых поверхностей. Винтовая поверхность образуется при одновременном поступательном перемещении какого-либо отрезка (образующей) вдоль некоторой оси и вращении его вокруг той же оси (рис.106). Винтовая поверхность имеет двоякую кривизну, и поэтому ее изображают на плоскости системой развернутых винтовых линий для различных значений радиуса. Каждая винтовая линия является траекторией соответствующей точки образующей. Осевое перемещение этой точки за один оборот образующей называется шагом винтовой линии Н i .

Рис. 106. Образование винтовой поверхности постоянного шага

Если поступательное и вращательное перемещения образующей равномерны, получается правильная винтовая поверхность постоянного шага (рис.106); для нее на любом радиусе Н i = 2р r i tgц = const, где ц - шаговый угол . Если движение образующей остается равномерным, но шаг винтовых линий на разных радиусах r i имеет различные значения Н i , образуется винтовая поверхность радиально-переменного шага (рис 107,а). Шаг такой поверхности в целом принято характеризовать значением Н на радиусе на 0,7R.

Рис.107. Винтовые поверхности переменного шага: а - радиально-переменного шага; б - осе-переменного шага; в - осе-радиально- переменного шага

При неравномерном перемещении образующей винтовая поверхность будет осе-переменного шага (рис.107,б). Если шаг винтовых линий изменяется как вдоль оси, так и по радиусу, получается винтовая поверхность осе-радиально-переменного шага (рис.107,в).

Шаг правильной винтовой линии, проходящей через кромки лопасти на данном радиусе, называется геометрическим шагом лопасти (винта) Н на этом радиусе. Иначе он называется кромочным или конструктивным шагом. Отношение Н/D называется конструктивным шаговым отношением винта ; оно изменяется в пределах 0,61,8.

Профили сечений лопастей винтов бывают, как правило, двух видов - сегментные и авиационные (рис.108). У сегментных профилей наибольшая толщина приходится на середину хорды профиля, у авиационных она смещена к передней кромке в район трети хорды профиля. Сегментные и авиационные профили могут быть плосковыпуклыми, двояковыпуклыми и выпукло-вогнутыми. Форма спрямленной поверхности (форма контура лопасти) может быть симметричной или саблевидной (рис.109). Суммарная площадь спрямленных поверхностей обозначается F с. Отношение площади спрямленной поверхности всех лопастей к площади диска винта называется дисковым отношением гребного винта , т.е. И = F с / А d = F с / (рD 2 /4) (у винтов промысловых судов И = 0,300,70).

Материалом для гребных винтов служат специальные марки бронзы и латуни. Для изготовления гребных винтов судов высокого ледового класса, а также быстроходных судов используются также высокопрочные, коррозионно-устойчивые нержавеющие стали.

Рис.108.Профили сечений лопастей Рис.109. Формы контура лопастей винтов а - сегментные; а - симметричная; б - авиационные б - саблевидная

3. Кинематические характеристики гребного винта

При изучении работы винта каждая лопасть рассматривается как совокупность отдельных элементов, обтекаемых независимо друг от друга плоским потоком (движение предполагается обращенным, т.е. элемент лопасти считается неподвижным, а поток воды - набегающим на него). Картина обтекания спрямленного элемента лопасти, заключенного между двумя соосными цилиндрическими поверхностями радиусов r и dr, приведена на рис.110. Поток набегает на рассматриваемый элемент лопасти с осевой скоростью х p и окружной скоростью щr = 2рnr, где щ = 2рn - угловая скорость вращения, а n - частота вращения винта . Работающий винт, как и всякий реактивный движитель, сообщает воде дополнительные (вызванные) скорости: он подсасывает воду к себе, а затем отбрасывает ее назад, создавая вызванную осевую скорость х а, и закручивает в направлении вращения, создавая вызванную окружную скорость х t . Вызванная скорость х а увеличивает осевую скорость, а вызванная скорость v t уменьшает окружную скорость элемента лопасти относительно воды. В плоскости диска винта вызванные скорости составляют х а1 = х а /2 и х t 1 = х t /2. Результирующая скорость потока, набегающего на элемент лопасти:

Рис.110. Многоугольник скоростей Рис.1 Треугольник пути и сил для сечения пройденного гребным винтом элемента лопасти за один оборот

Окружные скорости для элементов лопасти, расположенные на разных радиусах, различны. Различна и результирующая скорость х - она увеличивается от корневого сечения к краю лопасти.

Угол между направлением скорости х и направлением нулевой подъемной силы (ННПС) называется углом атаки для элемента лопасти .

Если предположить, что винт движется в воде, как в гайке, т.е. без проскальзывания, то за один оборот он переместится в направлении оси вращения на величину геометрического шага Н. Фактически винт за один оборот перемещается в воде в осевом направлении на расстояние h р, называемой поступью винта, причем h р < H. При частоте вращения n винта его осевые (поступательные) скорости в твердой гайке и в жидкой среде соответственно равны Hn и х p = h р n.

Отношение поступи винта к его диаметру называют относительной поступью винта :

л р = h р /D = х p /nD.

Относительная поступь является универсальной кинематической характеристикой режима работы винта, поскольку изменение л р обусловливает изменение угла атаки набегающего на элемент лопасти потока как за счет изменения осевой скорости х p , так и окружной скорости 2рrn.

Разность H - h р = S называется линейным скольжением винта . Из рис.111 видно, что линейное скольжение, как и поступь h р, определяет угол атаки, а значит, и режим работы винта.

Важной кинематической характеристикой винта является относительное скольжение

s = S/H = (H - h р)/ H = 1- h р / H = 1- х p /nH.

Между относительной поступью и относительным скольжением существует связь, которая определяется зависимостями

s = 1- ; л р =(1- s).

Из зависимостей следует, что при s = 0: л р =,

а при х p = 0: л р = 0; s = 1.

4. Гидродинамические характеристики гребного винта

На выделенный элемент лопасти, который обтекается со скоростью х под углом атаки (см. рис.38), действуют гидродинамические силы. Результирующую этих сил обозначим через dF. Проекция dF на осевое направление есть сила упора элемента лопасти dР, а проекция на окружное направление - сила сопротивления вращению элемента лопасти dQ. Момент сопротивления вращению элемента лопасти: dМ = dQr, где r - радиус, на котором расположен рассматриваемый элемент лопасти.

Для всего винта сила упора :

где z - число лопастей; r 0 - радиус ступицы; R - радиус винта.

Момент сопротивления вращению винта:

Этот момент равен по величине и противоположен по знаку вращающему моменту, который необходимо приложить к винту для обеспечения его вращения с заданной частотой n и создания требуемого упора Р.

Валовая мощность, потребная для равномерного вращения винта с угловой скоростью щ = 2рn,

N р = М щ = 2рnМ.

Так как сила упора создается в результате обтекания лопастей потоком жидкости, то в соответствии с общей формулой для гидродинамических сил можно считать, что величина сила Р пропорциональна плотности жидкости, характерной площади винта и квадрату характерной скорости. Для винта в качестве характерной площади принимают D 2 , а в качестве характерной скорости - nD. Тогда, обозначив через 1 коэффициент упора , для силы упора получим следующую зависимость:

Р = сn 2 D 4 ,

откуда безразмерный коэффициент упора

Р /сn 2 D 4 .

По аналогии момент

М = сn 2 D 5 ,

безразмерный коэффициент момента

М /сn 2 D 5 .

Коэффициент полезного действия гребного винта з р, работающего в свободной воде (при отсутствии влияния корпуса судна и поверхности воды (з к = 1)), определяется отношением полезной мощности к затраченной мощности:

з р = Р х p /2рnМ,

или с учетом формул для упора и момента:

Упор, момент и к.п.д. являются гидродинамическими характеристиками гребного винта. Величины их зависят от относительной поступи винта л р = х p /nD, которая характеризует режим работы гребного винта. График, выражающий функциональную зависимость гидродинамических характеристик винта, и з р от относительной л р, называется кривыми действия винта (рис.112).

При отсутствии влияния корпуса, свободной поверхности воды и кавитации винта кривые действия будут одинаковыми для геометрически подобных винтов, так как л р является при этих условиях критерием динамического подобия винтов.

Рис.112. Кривые действия гребного винта в свободной воде

5. Работа гребного винта на разных режимах

Для оценки условий работы двигателей судна надо знать основные характеристики винта: упор Р, момент М и к.п.д. з р на разных режимах, т.е. при любых значениях поступательной скорости х p и частоте вращения n (при разных значениях л р = х p /nD). Рассмотрим некоторые характерные режимы работы винта, условно заменив его одним эквивалентным элементом лопасти, расположенным на радиусе центра тяжести площади спрямленной поверхности лопасти (при r = 0,7R).

Швартовный режим (рис.113,а). Этот режим работы винта наблюдается при снятии судна с мели, движении в ледяных торосах. В швартовном режиме х p = 0 и л р = х p /nD = 0, т.е. винт работает на месте не совершая полезной работы, КПД его з р = Р х p /2рnМ = 0. Так как угол атаки для элемента лопасти достигает наибольшей величины, упор винта Р и момент М (коэффициенты и) оказываются наибольшими (рис.112). В этом режиме работа винта с полной частотой вращения недопустима из-за перегрузки двигателей и опасности повреждения валопроводов по причине больших осевых усилий и крутящих моментов. Максимальная частота вращения винта на швартовном режиме составляет 60 0,65% частоты вращения расчетного режима полного хода, т.е. n шв < (0,600,65) n п.

Рис.113. Режимы работы элемента лопасти

Основной (расчетный) режим переднего хода (рис.113,б). Этот режим соответствует относительной поступи л р >0, при которой винт создает полезный упор Р (>0) за счет подведенного от двигателя вращающего момента М (>0), причем КПД з р находится в области максимальных для данного винта значений (рис.112). Угол атаки элемента лопасти, коэффициенты и в рассматриваемом режиме меньше, чем в швартовом режиме.

Режим нулевого упора (рис.113,в). С дальнейшим увеличением относительной поступи угол атаки для элемента лопасти продолжает уменьшаться, в в связи с чем снижаются значения упора и момента винта. При некотором л р = л р1 упор Р (коэффициент упора) обращается в нуль и з р = Р х p /2рnМ = 0, т.е. винт не совершает полезной работы (рис.112). Момент М (коэффициент момента) остается положительным, т.е. винт требует подведения от двигателя некоторого вращающего момента, который целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Относительную поступь л р1 принято обозначать называют Н 1 /D и называть шаговым отношением нулевого упора или гидродинамическим шаговым отношением, а величину Н 1 - шагом нулевого упора или гидродинамическим шагом. Шаговое отношение нулевого упора Н 1 /D превышает конструктивное Н/D, и их численное соотношение специфично для каждой серии гребных винтов. Режим нулевого упора наблюдается при реверсе винта и является кратковременным.

Режим нулевого момента (рис.113,г). При увеличении относительной поступи за режимом нулевого упора при л р = л р2 наступает режим нулевого момента винта, когда коэффициент момента становится равным нулю. Понятие КПД винта з р здесь не имеет смысла, так как к винту от двигателя вращающий момент не подводится. Винт вращается под действием набегающего на него потока, а возникающий при этом момент целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Работающий винт оказывает набегающему потоку сопротивление, которое соответствует отрицательному значению упора Р (коэффициент упора). Таким образом, в пределах относительной поступи от л р = л р1 до л р = л р2 гребной винт уже не является движителем, он как бы “парализован” или находится в так называемой зоне Параля (рис.112).

Дальнейшее увеличение относительной поступи за предел л р2 приводит к тому, что не только упор Р, но и момент М оказываются отрицательными, т.е. гребной винт из движителя превращается гидротурбину (рис.113,д), что соответствует турбинному режиму работы винта.

6. Диаграммы для расчета гребных винтов

Диаграммы для расчета гребных винтов позволяют решать многие эксплуатационные задачи, в том числе задачи, необходимые судоводителю. В частности, с помощью этих диаграмм определяют достижимую скорость судна, упор гребного винта, стоят паспортные диаграммы.

Диаграммы для расчета гребных винтов являются результатом испытаний моделей гребных винтов в опытовых бассейнах или специальных лабораториях - в кавитационных трубах. Эти испытания позволяют установить взаимосвязь всех геометрических характеристик (Н/D; d 0 /D; z; И и др.) и их влияние на эффективность работы гребных винтов.

Рис.114. Диаграммы Э.Э.Пампеля для расчета гребных винтов серии В.4.40 (z = 4, И = 0,40)

Широко распространены диаграммы в форме предложенной Э.Э. Пампелем. Для каждой серии винтов с одинаковым числом z лопастей и дисковым отношением И, представлены две расчетные диаграммы (рис.114): на верхней дана зависимость от л р при различных значениях Н/D, на нижней - (л р) при тех же значениях Н/D.

На диаграммах также нанесены кривые равных значений з р, которые получают, проведя плавные кривые через точки с постоянными значениями КПД, отмеченные предварительно на кривых и, относящихся к различным шаговым отношениям.

Диаграмму (л р) используют для расчетов элементов винта и скорости судна при заданной мощности двигателя; если задана скорость судна, то для определения двигателя используют диаграмму (л р). По обеим диаграммам легко определить оптимальные диаметр винта или частоту его вращения, скорость судна или упор винта, его шаговое отношение, потребляемую мощность двигателя и т.д. Если диаметр или частота вращения не известны, то такую задачу решают с использованием расчетных коэффициентов:

Упора - диаметра

Мощности - диаметра

" d = 0,274х p D;

Упора - частоты вращения

Мощности - частоты вращения

7. Взаимодействие гребного винта и корпуса судна. Пропульсивный коэффициент

Винт и корпус судна находятся в сложном гидродинамическом взаимодействии. Сущность его заключается в следующем:

На винт, работающий за корпусом, набегает поток воды, возмущенный движением корпуса, в результате чего гидродинамические характеристики винта изменяются по сравнению с их значениями в свободной воде;

Работающий винт изменяет величины давлений и касательных напряжений на поверхности кормовой оконечности корпуса, в результате чего изменяется сопротивление воды движению судна.

Следовательно, гидродинамические характеристики одного и того же гребного винта, работающего в свободной воде и за корпусом судна, будут различны, а сопротивление воды движению судна в присутствии работающего гребного винта будет отличаться от его буксировочного сопротивления.

Попутный поток. При движении судна часть окружающей его воды увлекается в направлении движения, образуя попутный поток (рис.115). Попутный поток за корпусом судна имеет в разных точках различное значение и направление, т.е. гребной винт работает в неравномерном поле скоростей, которое характеризуется осевыми, окружными и радиальными составляющими скорости попутного потока. При определении характеристик винта, как правило, учитывают только осевой попутный поток.

Из- за наличия попутного потока осевая скорость винта х p оказывается ниже скорости судна:

v щ = v - х p ,

где v щ - осевая составляющая скорости попутного потока.

Отношение скорости попутного потока к скорости судна

v щ / v = (v - х p)/v = 1- х p /v = щ

называют коэффициентом попутного потока .

С учетом коэффициента попутного потока, нетрудно получить следующее выражение для осевой скорости винта:

х p = (1 - щ)v.

В результате неравномерности потока по диску винта коэффициенты упора и момента винта за корпусом судна будут иными, чем в свободной воде. Указанное влияние учитывается:

Коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на упор

Коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на момент

Коэффициентом влияния неравномерности поля скоростей на КПД винта

i = = i 1 /i 2 .

В практических расчетах принимают i =1, основываясь на том, что коэффициенты неравномерности потока i 1 и i 2 изменяются в пределах 0,96 1,02.

Рис.115. Попутный поток за корпусом судна при отсутствии давления

Рис.116. Формирование силы засасывания на корпусе судна: А - эпюра давления гребного винта; В- зона при работающем винте

Засасывание. Работая за корпусом судна, гребной винт подсасывает воду и увеличивает скорость обтекания кормовой оконечности судна. При этом в соответствии с законом Бернулли понижается давление во всей зоне, охваченной подсасывающим действием винта, что увеличивает сопротивление формы (рис. 116). Кроме того, повышение скорости обтекания кормовой оконечности приводит к возрастанию сопротивления трения. Заштрихованная на рис. 116 область соответствует уменьшению давления в корме от работы гребного винта. В результате этих явлений появляется дополнительная сила ДR, действующая на корпус и увеличивающая сопротивление воды движению судна. Эту силу принято называть силой засасывания . С учетом силы засасывания сопротивление движению судна

где R - буксировочное сопротивление судна без гребного винта

Таким образом, часть упора гребного винта, именуемой полезной тягой Р е, затрачивается на преодоление буксировочного сопротивления R, а остальная часть упора идет на преодоление силы засасывания, т.е.

Р = Р е + ДР.

Влияние засасывания принято учитывать с помощью коэффициента засасывания .

t = ДР / Р = Р - Р е = 1 - Р е / Р.

С учетом коэффициента засасывания, упор винта Р

Р = Р е /1 - t .

Значения коэффициентов взаимодействия. Коэффициенты щ и t весьма сложным образом зависят от формы корпуса судна, формы и расположения выступающих частей, от числа винтов, их геометрических характеристик и расположения по отношению к корпусу, от режима работы винтов, степени неравномерности поля скоростей в месте расположения винтов и других факторов.

Коэффициенты взаимодействия определяют экспериментальным путем или по приближенным формулам.

Для режимов работы винта, отличающихся от расчетного, коэффициент засасывания может быть определен по приближенной формуле Э.Э. Пампеля

где л р - относительная поступь винта на рассматриваемом режиме; H/D - конструктивное шаговое отношение, t 0 - коэффициент засасывания на швартовом режиме (при л р = 0), который принимается равным (0,30,6)щ или подсчитывается, если известны t и л р для расчетного режима, по формуле t 0 = t ; щ - коэффициент попутного потока для расчетного ходового режима.

Коэффициенты щ и t для расчетного ходового режима приближенно могут быть вычислены по формулам:

Для одновинтовых судов с обтекаемыми рулями

щ = 0,50д - 0, 05; t = 0,80 щ,

Для двухвинтовых судов

щ = 0,55д - 0,2; t = 0,25щ + 0,14 (с выкружками гребных валов),

t = 0,7щ + 0,06 (с кронштейнами гребных валов),

где д - коэффициент общей полноты корпуса судна.

Пропульсивный коэффициент. Совершенство гидродинамического комплекса винт-корпус оценивается пропульсивным коэффициентом движителя з д, который представляет собой отношение буксировочной мощности к валовой мощности затрачиваемой на вращение винта (§10.1.):

з д = N б / N р = Rv/2рnM.

С учетом, что Р = Р е /1 - t и х p = (1 - щ)v, получим

з д = ? (1 - t)/(1 - щ) = з р з к,

где з р = Р х p /2рnМ - КПД гребного винта, работающего в свободной воде (§4.), а коэффициент з к = (1 - t)/(1 - щ) - коэффициент влияния корпуса (§10.1.).

8. Кавитация гребных винтов

Природа кавитации . Кавитацией называется явление разрыва сплошности течения капельной жидкости при понижении местного давления до некоторого критического значения р кр. Область разрыва (кавитационная каверна ) представляет собой объем, заполненный парами жидкости и растворенными в ней газами. Давление внутри каверны близко к давлению насыщенных паров р d при данной температуре. Отсюда кавитацию гребного винта обычно рассматривают как явление вскипания воды в потоке, вызванном винтом, при снижении местных давлений до давления насыщенных паров, полагая р кр р d .

Природу кавитации можно проследить на примере элемента лопасти обтекаемого под углом атаки потоком жидкости, имеющим на бесконечности в точке А скорость х 0 и давление р 0 (рис.117). Выделим на одной линии тока с точкой А точку В у поверхности элемента лопасти. Скорость и давление в точке В обозначим соответственно через х 1 и р 1 . Тогда уравнение Бернулли для линии тока запишется так:

р 0 + сх 0 /2 = р 1 + сх 1 /2,

др = р 1 - р 0 = .

Из формулы видно, что в тех точках поверхности элемента, где х 1 >х 0 , давление понижается др<0; в местах, где х 1 <х 0 давление повышается др>0. В результате на нагнетающей стороне лопасти вращающегося винта создается зона повышенного давления, на засасывающей стороне - зона пониженного давления.

Характерное распределений давлений на засасывающей и нагнетающей поверхности лопасти работающего гребного винта показано на рис.117. Как следует из рисунка, площадь эпюры давлений, а следовательно, и величина упора, развиваемого гребным винтом, на 7080% определяется разряжением на засасывающей поверхности и только на 2030% - повышением давления на нагнетающей поверхности лопасти.

Рис.117. Схема обтекания элемента крыла

При определенной частоте вращения гребного винта скорость обтекания лопасти достигает значения в 35 раз превышающего поступательную скорость судна. При этом давление на засасывающей поверхности понижается до давления насыщенных паров. В результате холодного кипения воды из нее выделяются растворенные газы. Пары и газы оттесняют воду от поверхности лопасти и образуют на ее засасывающей стороне кавитационную каверну.

Стадии кавитации и влияние кавитации на работу гребного винта. Различают две стадии кавитации. Первая характерна тем, что каверна захватывает только часть засасывающей поверхности лопасти, где скорость частиц наибольшая. На этой стадии гидродинамические характеристики гребного винта изменяются незначительно по сравнению с их значениями при безкавитационном обтекании. Объясняется это тем, что площади эпюр давлений при безкавитационной работе винта и в условиях первой стадии кавитации практически равны. Однако первая стадия кавитации нежелательна, так как является причиной механического разрушения материала лопасти - эрозии . Пары воды, переходя из области каверны в область более высоких давлений, конденсируются. Процесс конденсации пара и смыкания (разрушения) кавитационных пузырьков происходит с большой скоростью. В момент конденсации пузырьков пара вода мгновенно заполняет образующую пустоту, нанося по лопасти гидродинамические удары, причем местные давления достигают больших значений. В результате, в местах замыкания каверны, поверхность лопасти разрушается.

На второй стадии кавитационная каверна захватывает всю засасывающую сторону лопасти и замыкается в потоке за гребным винтом. На этой стадии кавитации эрозии не происходит, так как пары конденсируются за пределами лопасти. Однако гидродинамические качества винта по сравнению с безкавитационным обтеканием заметно ухудшаются. Увеличение частоты вращения винта уже не приводит к уменьшению давления на засасывающей поверхности лопасти, где р р d , отчего упор винта практически не растет. Кроме того, потоком обтекается профиль более низкого гидродинамического качества (за счет каверны). Это вызывает увеличение вращающего момента, приложенного к винту, и уменьшение КПД движителя. Представление об ухудшении гидродинамических качеств винта, можно составить по кривым действия винта, отвечающим безкавитационному обтеканию и кавитации различной степени развития (рис.118). Сплошными линиями нанесены зависимости коэффициентов упора, момента, и КПД з р винта от относительной поступи л р при безкавитационнном обтекании и в первой стадии кавитации. Пунктирные линии представляют те же зависимости при наступлении второй стадии кавитации. Видно, что ухудшение гидродинамических характеристик наблюдается с уменьшением л р (например, с увеличением частоты вращения винта n при х p = const), что обусловлено увеличением углом атаки на лопастях. Величины, и з р во второй стадии кавитации зависят не только от л р, но и от параметра ч, называемого числом кавитации . Последнее характеризует величину предельного разряжения на лопасти, (в долях скоростного напора), которое может быть достигнуто в воде в заданных условиях:

где р а - атмосферное давление; h с - глубина погружения винта (рис.117).

Рис.118.Кривые действия кавитирующего винта

Число кавитации определяется только внешними факторами (р а, h с плотностью и температурой воды от которой зависит р d), поступательной скоростью х p и не зависит от геометрических элементов гребного винта.

Критическое число кавитации ч кр соответствует возможному наибольшему разрежению на лопастях при докавитационных режимах их обтекания. Начало кавитации гребного винта определяется условием ч = ч кр. При ч > ч кр кавитация отсутствует, при ч < ч кр винт кавитирует, причем тем больше, чем меньше число ч по сравнению ч кр (рис.118).

В какой бы стадии не протекала кавитация, она всегда приводит к нежелательным последствиям: усиливает шум работающего винта, вызывает эрозию лопастей, снижает гидродинамические характеристики гребного винта, увеличивает неравномерность загрузки лопастей, что является одной из причин вибрации гребного вала и, как следствие, корпуса судна. Поэтому при проектировании винтов стремятся обеспечить их безкавитационную работу. С этой целью применяют профили с более равномерным распределением давлений по лопасти, увеличивают дисковое отношение, уменьшают относительную толщину лопасти, повышают давление на засасывающей стороне лопасти за счет погружения оси винта и т.п.

Для быстроходных судов (глиссирующие катера, катера на подводных крыльях и т.п.) во многих случаях не удается избежать кавитации гребных винтов, поэтому они оборудуются суперкавитирующими винтами (СКВ). Под суперкавитацией понимают сильно развитую вторую стадию кавитации, когда обтекание лопастей винта происходит со срывом струй и каверна уходит за пределы лопастей. Исходя из того, что при суперкавитации основная часть упора создается за счет давления на нагнетающей поверхности лопасти и форма засасывающей поверхности не играет существенной роли, СКВ имеют клиновидный профиль сечения лопасти и искривленную нагнетающую поверхность (рис.119). Такая форма лопасти, с одной стороны, способствует образованию каверны оптимальных размеров, с другой - обладает наименьшим сопротивлением вращению гребного винта. В условиях суперкавитации такие винты обладают более высокими гидродинамическими качествами по сравнению с некавитирующими гребными винтами.

Рис.119.Профили сечений лопастей суперкавитирующих винтов

Конструктивной особенностью СКВ является также острая входящая кромка лопасти и смещение наибольшей толщины профиля к выходящей кромке. Клиновидные профили такой формы позволяют уменьшить толщину каверн, образующихся в междулопастном пространстве, снизить их взаимное влияние и тем самым повысить гидродинамические характеристики винта. СКВ имеют сравнительно небольшое дисковое отношение И = 0,400,55, узкие лопасти, их число z = 23, что уменьшает возможность взаимного влияния каверн каждой лопастей.

Положительные качества СКВ проявляются при работе их на расчетном режиме в условиях полностью развитой кавитации. Для режимов, отличных от расчетных, когда кавитация отсутствует или развита частично, происходит повышенное вихреобразование позади тупой выходящей кромки лопасти СКВ, вследствие чего его КПД становится ниже, чем у обычных винтов. Начиная с ч = 0,4 и выше, СКВ уже уступают обычным гребным винтам.

9. Взаимосвязь между работой гребного винта и двигателем

Двигатель, работающий на винт, не является независимым: его мощность может изменяться только по винтовой характеристике N е (n), которая определяет для него величину противодействующего момента. Мощность на валу двигателя N е, обеспечивающую мощность N р потребляемую винтом:

N е = N р / з в з п = 2рсn 3 D 5 / з в з п,

где з в, з п - КПД валопровода и передачи.

При заданных буксировочном сопротивлении и пропульсивном коэффициенте скорость судна v зависит от частоты вращения винта n. Можно считать, что v меняется пропорционально n, т.е. относительная поступь л р = const. Так как в этом случае также является постоянной величиной, можно записать, что N е = Сn 3 , где С - постоянный коэффициент.

Из изложенного следует, что с изменением буксировочного сопротивления винтовая характеристика меняется. При увеличении сопротивления винтовые характеристики будут резко возрастать, так как уменьшение относительной поступи винта л р приведет к росту коэффициента момента и, следовательно, коэффициента С. Наиболее крутую винтовую характеристику судно будет иметь на швартовом режиме. При снижении сопротивления винтовые характеристики вследствие увеличения л р и уменьшениястановятся более пологи ми. Наиболее пологую винтовую характеристику судно имеет при плавании в балласте. Как видим, в процессе эксплуатации судна его винтовые характеристики изменяются в широких пределах.

Рис.120. Взаимодействие гребного винта с двигателем внутреннего сгорания

Для оценки связи между винтом и двигателем, помимо винтовых характеристик, необходимо иметь характеристики двигателя, которые получают при стендовых испытаниях и представляют в координатах N е - n виде кривых, определяющих поле возможных сочетаний N е и n. Рассмотрим характеристики наиболее распространенного на промысловых судах двигателя внутреннего сгорания. Работа двигателя данного типа характеризуется следующими кривыми (рис.120): кривая 1 устанавливает минимально устойчивую частоту вращения двигателя; кривая 2, называемая верхней ограничительной характеристикой , определяет зависимость N е от n при постоянном положении аппаратуры подачи топлива, соответствующем получению номинальной мощности N е.н при номинальной частоте вращения n н; кривая 3, именуемая регуляторной характеристикой , показывает частоту вращения двигателя при снижении нагрузки; кривая 4 является характеристикой холостого хода . Верхняя ограничительная характеристика является линией постоянного номинального крутящего момента М кр.н, определяющей верхний предел длительной механической напряженности деталей двигателей.

Чтобы установить режимы совместной работы винта и двигателя, необходимо наложить винтовые характеристики на характеристики двигателя (рис.120). Если винтовая характеристика для расчетного режима плавания (кривая I) проходит через точку Н с координатами N е.н и n н, то гребной винт соответствует двигателю. С ростом сопротивления из-за увеличения осадки судна, обрастания корпуса, волнения и тому подобного изменяется винтовая характеристика (кривая II), поэтому при нормальной эксплуатации двигателя, не допускающей его загрузку выше верхней ограничительной характеристики, взаимосвязь между винтом и двигателем будет наблюдаться в точке Т. В рассматриваемом случае винт становится гидродинамически «тяжелым». При тяжелом винте частота вращения n т двигателя меньше номинальной. С уменьшением сопротивления судна винт оказывается гидродинамически «легким». Винтовая характеристика (кривая III), построенная для этого варианта, пересечет регуляторную характеристику двигателя в точке Л, которой соответствует частота вращения n л, равная или несколько больше номинальной. Как видно из рис.120, всякое несоответствие винта двигателю связано с уменьшением располагаемой мощности двигателя и приводит к снижению скорости судна. Согласованность винта и двигателя окончательно проверяется при натурных (скоростных) испытаниях судна. Практически следует считать, что винт согласован с двигателем, если двигатель при работе на винт развивает номинальную мощность при частоте вращения, которая отличается от номинальной не более чем на 13%. Для согласования винта с двигателем корректируется его шаговое отношение: для «легкого» винта - увеличивается, а для «тяжелого» - уменьшается Н/D. Обычно гребные винты проектируют несколько облегченными по сравнению с требуемыми для идеальных условий эксплуатации (при этом имеют в виду, что по мере обрастания корпуса и увеличения сопротивления в реальных эксплуатационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).

В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (промысловые суда, буксиры, паромы), вместо винтов фиксированного шага (ВФШ) применяют винты регулируемого шага (ВРШ).

10. Винты регулируемого шага

Для промысловых судов в эксплуатационных условиях характерны частые изменения буксировочного сопротивления, скорости и осадки при применении орудий лова, подъеме улова на борт, приеме и расходовании топлива и воды и других операциях. В этих изменяющихся условиях плавания ВФШ не позволяют снимать с двигателя полную мощность, что приводит к снижению скорости траления и свободного хода. Кроме того, на добывающих судах с ВФШ за одни сутки промысловой работы приходится десятки раз реверсировать двигатель, в результате чего резко снижается срок его службы. При дрифтерном и ярусном лове, подъеме улова и т.п. судно должно двигаться с малой скоростью, однако на судах с ВРШ это практически невозможно, так как минимально устойчивая частота вращения двигателя довольна велика. Поэтому приходится с интервалом в несколько минут запускать и останавливать двигатель. Такая работа двигателя вызывает ускоренный износ ее движущихся частей, т.е. уменьшает моторесурс двигателя.

Рис.121. Принципиальная схема ВРШ 1- лопасть; 2 - ступица; 3 - ползун; 4 - штанга; 5 - гребной вал; 6 - поршень; 7 - цилиндр

Винты регулируемого шага (ВРШ), лопасти которых специальным механизмом поворачиваются относительно осей, перпендикулярных оси вала, не имеют большинства недостатков, присущих ВФШ. Путем разворота лопасти (изменив шаговое отношение), всегда можно привести винт в соответствие с двигателем; без изменения направления вращения двигателя осуществить реверс судна и получить самые малые, и даже нулевую скорости судна при любой частоте вращения винта.

ВРШ (рис.121) состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) и привода механизма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе. Управление ВРШ осуществляется с местного поста и дистанционно. Пост дистанционного управления ВРШ устанавливается в ходовой рубке.

Механизм поворота лопастей управляется механизмом изменения шага. Наиболее распространенные механизмы поворота лопастей показаны на рис.122. На морских судах применяются обычно механизмы двух последних типов, как наиболее надежные. В механизме кулисного типа (рис.122, в) с поступательно движущейся штангой МИШ связан ползун, по направляющим которого перемещается сухарь. В сухарь вставлен эксцентрично закрепленный на лопасти палец. При поступательном движении штанги ползун передвигает палец и разворачивает лопасть. В механизме шатунного типа (рис.122, г) движение штанги передается шатуну, который поворачивает лопасть.

Рис.122. Механизм поворота лопастей: а - шестеренчатый; б - винтовой; в - кулисный; г - шатунный

Механизмы изменения шага по типу привода могут ручными, механическими, гидравлическими, электромеханическими и электрогидравлическими. Ручные и механические приводы применяются на винтах небольших размеров. Большинство ВРШ имеют гидравлические приводы, так как они обладают простотой, высокой надежностью, малыми габаритами и развивают большие усилия. Механизм изменения шага винта размещают внутри ступицы, внутри валопровода и вне валопровода и винта. На промысловых судах МИШ устанавливается, как правило, в валопроводе, реже в ступице. На рис.49 приведена схема ВРШ с МИШ, расположенным в валопроводе. Штанга, поворачивающая лопасть, проходит через полый гребной вал. Кормовой конец штанги связан с ползуном, носовой - с поршнем, который под давлением рабочей жидкости, подаваемой в одну из полостей цилиндра, передает через штангу поступательное движение ползуну. При большой длине штанги и значительных деформациях валопровода может возникнуть опасность несрабатывания механизма поворота лопастей и аварии МИШ. Этот недостаток устраняют, размещая МИШ в ступице несколько больших размеров или в кормовом подзоре судна.

ВРШ обладают следующими преимуществами по сравнению с ВФШ:

Обеспечивают полную мощность двигателя при широком диапазоне изменения скоростей, что важно при движении судна во льдах, при различных водоизмещениях, при тралении, при буксировке других судов и т.п.;

Обеспечивают любое значение скорости от наибольшего переднего до наибольшего заднего хода, без реверсирования двигателя и изменения направления и частоты вращения гребного винта;

Реализуют экономический ход судна по заданной оптимальной программе, обеспечивающей наилучшую комбинацию шага и частоты вращения.

Помимо перечисленных, ВРШ позволяют получить и другие менее принципиальные, но важные преимущества по сравнению с ВФШ, облегчающие управление судном с мостика. К ним относятся:

Существенное сокращение времени и расстояния, проходимого судном при экстренной остановке (в 1,5 раза меньше выбег) и реверсе;

Обеспечение только дистанционного управления с мостика;

Применение повышенного уровня автоматизации управления системой судно - двигатель - ВРШ;

Повышение маневренных качеств судна, в частности облегчение швартовок, исключение рывков при буксировке и т.п.;

Облегчение пуска двигателей, который осуществляется при положении лопастей ВРШ в нулевом шаге; при этом уменьшается число пусков и увеличивается моторесурс двигателя;

Возможность судна, оборудованного ВРШ, продолжительное время стоять на месте в ожидании лоцмана, для ориентации в обстановке, не останавливая вращения гребных винтов и прогревая двигатели; это обеспечивает установкой шага лопастей в нулевое положение;

Подобные документы

Площадь смоченной поверхности судна. Расчет сопротивления трения судна для трех осадок. Расчет сопротивления движению судна с помощью графиков серийных испытаний моделей судов. Определение параметров гребного винта. Профилировка лопасти гребного винта.

курсовая работа , добавлен 19.01.2012


Расчет сопротивления воды движению судна. Расчет контура лопасти гребного винта. Распределение толщин лопасти по ее длине. Профилирование лопасти винта. Построение проекций лопасти винта, параметры ступицы. Определение массы гребного винта судна.

курсовая работа , добавлен 08.03.2015


Основные технические характеристики и мореходные качества рефрижераторного судна "Охотское море". Состав и особенности судовой энергетической установки. Расчет и кинематические характеристики гребного винта. Приемка и учет расхода масла и топлива.

курсовая работа , добавлен 28.11.2011


Выбор главного двигателя, передачи, количества гребных винтов. Определение мощности ГД. Расчёт потребностей судна в электроэнергии, паре и воде. Режимная карта пропульсивного комплекса. Анализ эффективности теплоиспользования в дизельной установке.

курсовая работа , добавлен 05.03.2015


Основные судовые документы. Исключения в отношении наличия судовых документов. Подлинность судовых документов. Документы, выдаваемые компетентными органами, подтверждающие определенные качества судна. Документы, отражающие жизнедеятельность судна.

контрольная работа , добавлен 14.07.2008


Описание технических характеристик и изучение документации по мореходным качествам рефрижераторного судна "Яна". Определение координат центра тяжести судна. Изучение состава и технических характеристик судовой энергетической установки и гребного винта.

курсовая работа , добавлен 12.01.2012


Проверка и анализ судовых систем судовождения во время их создания и в ходе эксплуатации. Средство предсказания поведения судна в различных условиях эксплуатации. Основа компьютерных тренажеров по управлению судном. Система управления судном без экипажа.

статья , добавлен 10.01.2011


Расчёт буксировочных сопротивления и мощности. Выбор главного судового движителя для создания полезной тяги. Расчёт и выбор гребного винта посредством определения его оптимальных параметров и использования высокого коэффициента полезного действия.

курсовая работа , добавлен 26.01.2015


Характеристика судовых вспомогательных механизмов и систем как важной части судовой энергетической установки. Классификация судовых насосов, их основные параметры. Судовые вентиляторы и компрессоры. Механизмы рулевых, якорных и швартовных устройств.

контрольная работа , добавлен 03.07.2015


Основные элементы корпуса судна и системы набора. Архитектурные элементы судов. Судовые помещения и трапы. Водонепроницаемые закрытия. Аварийный выход из машинного отделения. Системы дизельных судовых энергетических установок. Мореходные качества судов.

«СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ Чтобы судно могло двигаться с постоянной скоростью, к нему нужно приложить движущую силу, равную силе...»

КРАТКИЕ ПОЯСНЕНИЯ ПО ЗАДАНИЯМ 7-8 КЛАССОВ

Задание 3 – движители

СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

Чтобы судно могло двигаться с постоянной скоростью, к нему нужно

приложить движущую силу, равную силе сопротивления при этой скорости и

противоположно направленную. В отдельных случаях эта сила создается

буксированием, но чаще всего – специальными устройствами, которые

называются судовыми движителями. В соответствии со сложившимися традициями термин «судовые движители», как и ряд других подобных, означает как указанные устройства, так и науку (раздел теории корабля), их изучающую. Судоходство на Земле существует уже несколько тысячелетий, но во времена парусных (и весельных) судов науки о ходкости судов не было. Скорость парусных судов зависела от скорости ветра, для гребных судов также не требовались какие-либо расчеты. Настоятельная необходимость выполнения расчетов ходкости возникла лишь тогда, когда на судах стали применяться механические двигатели (паровые машины).

По принципу действия движители разделяют на активные, к которым относят паруса, непосредственно преобразующие энергию ветра в поступательное движение судна, и реактивные - все остальные, так как создаваемое ими упорное давление получается в результате реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению судна.

Видимо, первыми движителями, которые использовались на плотах и подобных им простейших плавсредствах, были шест и весло. Суда древности были преимущественно весельными, причем у крупнейших из них весла располагались в три ряда, их общее число достигало 300, длина – 15 м, на одном весле работало до 7 чел. Скорость таких судов была около 5 уз. Пика своего расцвета весельные суда достигли много веков назад. В настоящее время весла используются в качестве основного движителя лишь на спортивных судах, рабочих и спасательных шлюпках и других мелких судах.

Другим древним движителем был парус, иногда в комбинации с веслами. Парусные суда оказались более совершенными, они использовали энергию внешней среды – воздуха, не требуя размещения большого числа гребцов. Первые парусники могли двигаться по ветру, но по мере совершенствования парусного вооружения люди научились, двигаясь галсами, перемещаться в требуемом направлении, независимо от направления ветра. Наивысшего расцвета парусные суда достигли примерно в конце XIX в., их скорость при благоприятном ветре достигала 20 уз. Но появление и развитие механических установок на судах привело к постепенному переходу от парусных судов к пароходам. Парус сохранился на спортивных, учебных судах в качестве основного, на промысловых, некоторых исследовательских и т.п. судах – в качестве вспомогательного движителя. В последние десятилетия в мировом судостроении наблюдается рост интереса к парусам как основному или, чаще, дополнительному типу движителей.

Этот интерес обусловлендвумя главными причинами:

возможностью экономии топлива при высоких ценах на него и экологической чистотой. Применение парусного вооружения позволяет значительно уменьшить мощность главного двигателя (дизеля) без существенной потери скорости. Достижения современной науки позволяют механизировать установку и уборку парусов, управление ими с целью получения наивысшей скорости хода в требуемом направлении, снизить массу при достаточной прочности и долговечности. В различных судостроительных странах, а также в России и Украине, выполнены разработки парусного вооружения судов, в том числе большого водоизмещения, однако о широком использовании парусов на транспортном флоте говорить преждевременно.

В глубокой древности, еще до нашей эры, было изобретено гребное колесо, которое приводилось во вращение животными (быками). Но колесные суда были вытеснены парусными. На новом уровне гребные колеса возродились в самом начале XIX в. (на судне «Клермонт» в 1802 г.; в России первым парусным судном считается построенная в 1815 г. «Елизавета»).

Первые гребные колеса имели обод и неподвижные лопасти – плицы; КПД колес был сравнительно мал, глубина погружения – в несколько раз меньше диаметра. В 1829 г. было предложено колесо с поворотными плицами, что позволило повысить КПД и уменьшить диаметр колес; повышение оборотов двигателей (паровых машин) ведет к уменьшению их размеров.

Гребное колесо - вид движителя, используемый с древних времен для приведения в движение судов.

Представляет собой большое колесо, снабженное лопастями (плицами), которые погружаются в воду.

Гребное колесо по конструкции аналогично водяному колесу, с той лишь разницей, что не вода приводит колесо в движение, а колесо используется для движения.

Существовало две основные разновидности гребных колёс:

Кормовые, расположенные за кормой судна;

Бортовые, попарно размещавшиеся с бортов корабля.

Роберт Фултон на плавбатарее «Demologos» применил оригинальное решение - спрятал колесо диаметром 5 метров между двумя полукорпусами, защищая его тем самым от артиллерийского огня. Хотя первый в мире паровой боевой корабль развивал среднюю скорость 5 узлов, а максимальную 7, он был закончен уже после окончания войны за независимость США и после смерти своего создателя.

Позднее, уже в годы Гражданской войны, федеральным правительством строились концептуально очень похожие речные броненосцы.

Гребные колёса, приводимые в движение с помощью паровых машин, были преобладающими двигательными установками в военном флоте в XIX веке. К концу века, гребные колеса были вытеснены более эффективными гребными винтами.

Рис. 1. Пароход «Н. В. Гоголь» - старейшее (1911 г.) российское пассажирское судно, находящееся в эксплуатации (2014 г.) Движитель - два бортовых колеса.

Недостатки Основная проблема при использовании гребного колеса - при сильной бортовой качке правое и левое гребное колесо попеременно полностью выходит из воды, судно рыскает, делая нормальное движение невозможным. Также на волнении колеса подвергались большим ударным нагрузкам, выводившим их из строя;

Низкий коэффициент полезного действия - около 30 %; КПД гребного винта - до 70 %;

Топлива), чем у винта;

осадки судна;

Применение гребных колес требовало размещения машины выше ватерлинии, что также уменьшало доступные полезные объёмы, а на флоте - увеличивало уязвимость машины;

Бортовые колёса требовали больших обносов, увеличивавших габариты судна, уменьшавших полезную площадь палубы;

Кормовые колёса менее эффективны гидродинамически, увеличивая сопротивление корпуса, из под которого они как бы откачивали воду.

Вместе с тем, гребные колёс, что было удобно для буксиров, а также позволяло им иметь меньшую осадку.

Именно поэтому в СССР строительство речных колёсных буксиров (но уже теплоходов, с дизельными двигателями) продолжалось до 1991 года (буксиры-толкачи серии БТК).

Прогулочные водные велосипедыкатамараны приводятся в движение гребным колесом с педальным приводом.

Лопасти гребного колеса называются, как правило, изготавливаются из деревянных досок, с тем расчётом, чтобы при поломке их можно было легко отремонтировать.

Трансмиссия парохода с бортовыми гребными колёсами была очень простой: паровая машина непосредственно вращала вал с насаженными на него колёсами, не было необходимости применятьредуктор.

Наиболее распространенный, эффективный и сравнительно простой движитель – гребной винт.

Идея судового гребного винта в виде шнека, подобно применявшемуся в древности винту Архимеда (для перекачки жидкостей), впервые возникла у Леонардо да Винчи в XV в., но в ту пору она не нашла применения. В 1752 г. винт в виде двухзаходного червяка предложил Д.

Бернулли, но КПД такого движителя оказался невелик. Как указывают в литературе, случай помог усовершенствовать конструкцию винта: одно судно, оборудованное деревянным винтом, коснулось им грунта, значительная часть винта отломилась и всплыла, но, к удивлению экипажа судна, оно увеличило ход. С тех пор было предложено множество усовершенствований винтов. Менялись их размеры, формы контура и сечений лопастей и другие характеристики. Некоторые усовершенствования продолжают появляться до сих пор.

В зависимости от конструкции их подразделяют на два типа: цельные винты (ступица с лопастями изготовляется совместно) и винты со съемными лопастями, применяемые на судах, плавающих во льдах. Такие винты называются винтами фиксированного шага, а винты, имеющие механизмы, поворачивающие лопасти в ступице и изменяющие шаг винта, называются винтами регулируемого шага. Шагом винта называется путь в направлении оси, который проходит любая точка поверхности винта за один его оборот.

Гребные винты фиксированного шага - ВФШ изготовляют цельными (одной деталью), литыми, сварными или штампованными, и они состоят из следующих основных элементов: ступицы, представляющей собой втулку, насаживаемую на конус шейки гребного вала, и лопастей (от 3 до 6), радиально расположенных на ступице. Нижняя часть лопасти, соединяющая ее со ступицей, называется корнем лопасти; верхняя часть - вершиной или концом; поверхность лопасти, обращенная в сторону корпуса судна, носит название засасывающей поверхности, обратная поверхность - нагнетающей, которая в большинстве случаев представляет собой правильную винтовую поверхность. Пересечение этих двух поверхностей образует кромки лопастей.

Рис. 2. Гребные винты: а - гребной винт с неподвижными лопастями;

b - винт регулируемого шага; с - гребной винт в насадке; d - соосные гребные винты.

Диаметром гребного винта D называется диаметр окружности, описанной вершиной лопасти. Диаметр винта может достигать 9 м, а масса - 50 т. Гребные винты регулируемого шага имеют меньший диаметр.

Характерной величиной гребного винта является шаг (рис. 2,а). Его теоретическое значение, т. е. без учета скольжения, зависит от угла атаки лопасти гребного винта.

Для достижения хорошего взаимодействия между главным двигателем и гребным винтом необходимо, чтобы параметры и особенно шаг винта имели определенные значения. Оптимальное взаимодействие будет достигнуто лишь при определенном состоянии нагрузки судна и при определенных погодных условиях (ветер, волнение и т. д.). Если эти значения отклоняются от заданных, то взаимодействие двигателя и гребного винта не приносит результата, заложенного в проекте. На практике это означает, что взаимодействие двигателя и относящегося к нему гребного винта будет наиболее эффективным, например, при полной нагрузке судна и при хорошей погоде.

Применяют гребные винты правого и левого вращения, их различают по общим правилам: если винт завинчивается вращением по часовой стрелке, то он называется винтом правого вращения, а если против часовой стрелки - винтом левого вращения. При вращении винта его лопасти отбрасывают массы воды в одну из сторон. Реакция этой воды воспринимается нагнетающей поверхностью лопасти, создающей упор винта, который через ступицу и гребной вал передается на упорный подшипник, преобразуясь в силу, движущую судно.

На судах, работающих в изменяющихся условиях, таких как буксиры или рыболовные суда (свободный ход, ход с тралом), движитель должен быть приспособлен к соответствующим условиям работы. Вместе с тем стало бы возможным одновременное использование полной мощности приводного двигателя при различных состояниях его нагрузки.

Лопасти винта фиксированного шага отлиты вместе со ступицей или прочно привинчены к ней (см. рис. 2,а).

Изменять шаг можно на гребных винтах регулируемого шага - ВРШ (рис. 2,b). Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) имеет конструкцию, обеспечивающую поворот лопастей в ступице во время работы винта на ходу судна из поста управления, расположенного в рубке. При повороте лопастей, осуществляемом механизмом по многообразным кинематическим схемам, изменяется шаг винта, отчего изменяется и величина создаваемого им упора, увеличивающего или уменьшающего скорость хода, и направление движения судна, при этом число оборотов, мощность главной машины и направление ее вращения остаются неизменными. Использование винтов регулируемого шага допускает применение на судах нереверсивных главных машин с упрощенной системой обслуживания, что сокращает износ их цилиндров примерно на 30-40% (возникающий у реверсивных машин от частого изменения режима работы и направления вращения), позволяет полнее использовать мощность машин и поддерживать высокое значение к. п. д.

винта. Суда с ВРШ обладают гораздо более высокими маневренными качествами, чем суда с ВФШ. Суда с ВРШ обладают гораздо более высокими маневренными качествами, чем суда с ВФШ.

Вначале ВРШ применяли только на буксирах, рыболовных и специальных судах, и только позднее их начали устанавливать на судах торгового флота. За счет установки ВРШ достигаются большая экономичность энергетических установок, возможность использования полной мощности двигателя при различной нагрузке, а также возможность применения нереверсивных ДВС или паровых турбин без турбин заднего хода. К преимуществам следует также отнести и возможность осуществления заднего хода при полной мощности двигателя.

Иногда на судах (особенно на судах речного флота) гребной винт устанавливают в насадке (см. рис. 2,с). Такая конструкция позволяет улучшить условия работы гребного винта и повысить КПД.

Преобладающее число судов имеет только один гребной винт, устанавливаемый в диаметральной плоскости судна. Встречаются также двухвинтовые суда, которые приводятся в движение либо от двух малооборотных, либо от четырех среднеоборотных дизелей, причем в последнем случае один гребной винт приводится в движение двумя двигателями. В редких случаях строятся трехвинтовые суда, например торпедные катера, на которых два бортовых движителя, приводятся в движение от высокооборотных дизелей через редукторную передачу, а средний гребной винт - от газовой турбины. Некоторые большие пассажирские суда и боевые корабли, например авианосцы, снабжаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами.

В условиях постоянно растущих мощностей главных двигателей требуются гребные винты очень больших диаметров, что приводит к технологическим и производственным трудностям. Чтобы противодействовать этому и улучшить КПД, пытаются устанавливать движители, вращающиеся в противоположных направлениях (см. рис. 2,d). В этом случае необходимы сложные устройства, такие как полые гребные валы и специальные редукторные передачи.

В середине XVII в. появились первые водометные движители.

Водометный движитель представляет собой систему водопроточных каналов (в частном случае – один канал), расположенных внутри корпуса судна, по которым перемещается забортная вода с помощью специального насоса, чаще всего осевого (винт в трубе). С помощью заслонок поток воды направляется в те или иные каналы (в случае одного канала изменяется направление движения струи, выходящей из канала в корме), что позволяет изменять направление движения судна. К характерным особенностям водометных движителей можно отнести хорошую защищенность рабочего органа (расположенного в канале внутри корпуса; входное отверстие канала снабжено решеткой, которая препятствует попаданию крупных предметов в канал) и прекрасные маневренные качества (возможность двигаться передним и задним ходом, разворачиваться почти на месте благодаря соответствующей установке заслонок). Но эти движители отличаются большой массой (в которую входит система водопроточных каналов с водой внутри корпуса), занимают большой объем, затрудняя размещение полезного груза, обладают сравнительно невысоким КПД. Строго говоря, КПД водометного движителя – понятие достаточно условное, поскольку упор такого движителя создается на корпусе и не всегда удается точно разделить силы сопротивления и упора. Грубо ориентировочно, КПД обычного водометного движителя может составлять примерно 30 %. Долгое время водометные движители мало применялись на судах. Считалось, что область их применения ограничивается сравнительно тихоходными судами, плавающими на мелководном или засоренном фарватере (например, такие суда использовались на лесосплаве). Но примерно с середины XX в. их популярность стала возрастать. Этому способствовали два обстоятельства.

Во-первых, вместо развитой системы водопроточных каналов было предложено устраивать один короткий канал в кормовой оконечности судна, обеспечивая управление судном с помощью заслонок, отклоняющих струю движителя в нужную сторону.

Во-вторых, было показано, что КПД водометного движителя на быстроходных судах может достигать 60 % и более, тогда как у обычных гребных винтов в этих условиях он может снижаться из-за кавитации. Сравнительно недавно был предложен своеобразный водометный движитель для подводных лодок, торпед и других плавучих объектов, имеющих кормовую оконечность в форме тела вращения. Этот движитель представляет собой ряд лопастей, вращающихся вместе с кольцом, установленным заподлицо с наружной обшивкой. Снаружи установлено кольцо типа направляющей насадки; от гребного винта в насадке эта конструкция отличается тем, что винт в насадке располагается за пределами корпуса.

Современные водометные движители делают трех типов: с выбросом водяной струи в воду, в атмосферу и с полуподводным выбросом. Гребной винт работает как насос, засасывающий воду в канал через трубу, проходящую в днище корпуса впереди винта. Для защиты от попадания на винт посторонних предметов в начале канала укрепляется защитная решетка.

Для уменьшения потерь от закручивания гребным винтом водного потока и повышения к. п. д. движителя за винтом устанавливается контрпропеллер.

Направление хода судна изменяется перекладкой реверс-руля. Отсутствие всяких выступающих частей в подводной части судна обеспечивает ему большую проходимость на мелководье, в узкостях и на засоренных фарватерах. Для судна с таким движителем не являются препятствием даже плавающие предметы, через которые оно свободно переходит.

Перечисленные преимущества водометного движителя сделали его применение особенно удобным на речных судах, в первую очередь на лесосплаве. В последние годы водометные движители стали применяться и на быстроходных судах, таких, как суда на подводных крыльях, развивающие скорость хода до 95 км/час. Использование современных паровых и газовых турбин позволяет успешно применить водометные движители на крупных морских судах, где по расчетам пропульсивный к. п. д. может достичь около 83%, что на 11% выше пропульсивного коэффициента гребного винта, запроектированного для того же судна.

К недостаткам судов с этим движителем следует отнести потери судном грузоподъемности на величину веса прокачиваемой воды и потери объема внутренних помещений, занимаемого каналом.

Рис. 3. Схема водометного движителя

Около 1930 г. были предложены крыльчатые движители. Эти движители состоят из барабана, установленного внутри корпуса заподлицо с днищем и имеющего вертикальную или почти вертикальную ось вращения с вертикально расположенными на нем 6-8 лопастями мечевидной, обтекаемой формы, поворачивающимися вокруг своих осей маятниковым рычагом, управляемым из рулевой рубки. При вращении барабана лопасти совершают колебательные движения, в результате чего создается упор, направление которого может быть произвольным, а величина – изменяться от нуля до максимального значения. Крыльчатый движитель одновременно является прекрасным средством управления. Судно, оборудованное двумя крыльчатыми движителями, расположенными в оконечностях, может двигаться передним или задним ходом, лагом, разворачиваться на месте. Но такой движитель сравнительно сложный и громоздкий, требует наличия протяженного участка плоского днища в районе установки, неудобен подвод мощности к нему, при скоростях свыше 20 уз возникает кавитация. К. п. д.

крыльчатого движителя почти равен к. п. д. гребного винта, но крыльчатый движитель значительно сложнее по конструкции. Выступающие лопасти часто ломаются. Однако в последнее время этот движитель находит все более широкое применение, обеспечивая судам хорошую маневренность, позволяющую им свободно работать в узкостях.

Крыльчатый движитель в основном используется на портовых буксирах и лоцманских судах, а также на судах портовой службы. Мощность подобных установок невелика: максимально она составляет 2200 кВт.

Рис. 4. Крыльчатый движитель: а - принцип действия; b - движитель Фойта-Шнейдера (вид сбоку); с - движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в носовой части судна;

е - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в кормовой части судна.

В начале ХХ в. появились башенные движители («роторы Флеттнера») в виде цилиндрических башен с вертикальной осью вращения, которые приводились во вращение маломощными двигателями, установленными под верхней палубой. Принцип работы ротора Флеттнера основан на эффекте Магнуса, который заключается в появлении подъемной силы на цилиндре, вращающемся в потоке жидкости или газа. Величину этой силы можно рассчитать по формуле Жуковского: P v = l,8 где – плотность среды (воздуха); v – скорость набегающего потока (ветра); – циркуляция скорости на контуре профиля (цилиндра), в данном случае равная произведению длины окружности ротора на линейную скорость его поверхности; l – длина (высота ротора). Упор ротора направлен перпендикулярно скорости ветра. Эти движители эффективнее парусов (мощность двигателя в десятки раз меньше мощности, «извлекаемой из воздуха»), но не могут убираться, чем представляют опасность при сильном ветре. Вопилова О.А. 2014-2015 год В дошкольном возрасте происходит становление личности ребенка, закладываются основы знаний, понятий, представлений. Все возрастающий объем информации, которую дети должны усваивать не механически, а осмысленно, требует более совершенных форм, методов и приемов обучения и воспитания. В связи с этим особенно...»

« Федерального медикобиологического агентства”, зав. курсом государственных закупок в здравоохранении при Кафедре общественного здоровья и здравоохранения, правоведения и информатики Суворов Георгий Николаевич, старший преподаватель курса государственных закупок в здравоохранении при Кафедре общественного здоровья и здравоохранения,...»

«Применение методики расчета фотографии рабочего времени при реализации линейной телемеханики Бабаев А.С., Дронюк С.И. Томский промышленно – гуманитарный колледж Томск, Россия Application of the method of calculation of photos of work in the implementation of linear telemechanics Babaev Yu. S., Dronyuk S.I. Tomsk College of Industrial and Humanities Tomsk, Russia Департамент профессиональногообразования Томской области Областное государственное бюджетное образовательное учреждение среднего...»

«УДК 631.4 АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ГИДРОМОРФИЗМА В ХОЛМИСТО-МОРЕННЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ О. А. Анциферова, О. В. Васильева, О. А. Янчевская AGGREGATE COMPOSITION OF SOILS OF DIFFERENT HYDROMORPHIC DEGREE IN HILLY-MORAINE CULTIVATED LANDS О. А. Antsiferova, O. V. Vasilyeva, O. A. Yanchevskaya Исследования проведены в июле-августе 2013 г. в агроландшафтах Зеленоградского района Калининградской области в пределах Самбийской холмисто-моренной равнины. Изучен агрегатный состав почв на...»

« университет информационных технологий, механики и оптики. Институт холода и биотехнологий В статье рассмотрены различия между жизненными циклами продукта и жизненным циклом инновации. Ключевые слова: инновации, инновационный процесс, модели инновационного процесса. Возрастающей роли инновационных процессов, которые свойственны...»

«Теплофизика и аэромеханика, 2009, том 16, № 3 УДК 532.546:534.1 Взаимодействие акустических волн с пористым слоем* А.А. Губайдуллин, О.Ю. Болдырева, Д.Н. Дудко Тюменский филиал Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН E-mail: [email protected] Исследуется взаимодействие звукового импульса с пористым слоем. При этом возможно наличие преграды, экранируемой слоем, а также зазора между пористым слоем и преградой. Предложена методика расчета в линейном приближении...»

«Л.А. Церникель ПРОГРАММА РАЗВИТИЯ «НАША НОВАЯ ШКОЛА» ВЕДУЩИЙ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ В СОВРЕМЕННОМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ УЧРЕЖДЕНИИ Барнаул 2013 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайская государственная педагогическая академия» Региональная межвузовская лаборатория «Управление развитием образования» (АлтГПА)» ПРОГРАММА РАЗВИТИЯ «НАША НОВАЯ ШКОЛА» ВЕДУЩИЙ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ В СОВРЕМЕННОМ...»

2016 www.сайт - «Бесплатная электронная библиотека - Научные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам , мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.

ДМИТРИЙ КРАСНОПЕВЦЕВ , АЛЕКСЕЙ ШАПКИН ,
ученики 10-го класса школы № 1273, г. Москва

Новые типы движителей для плавсредств

Ученический научно-исследовательский проект

Даётся в сокращённом и отредактированном виде. – Ред .

Сейчас уже общепризнано, что проектная деятельность не только становится для ученика образовательной, даёт навыки научно-исследовательской работы, но и, что самое главное, позволяет на практике освоить метод научного познания действительности. Это особенно важно на фоне современной «свободы слова» с обилием сомнительных «новых» теорий и псевдооценок явлений природы. Проектная деятельность позволяет увидеть, как результаты собственной исследовательской работы могут быть использованы для решения вполне конкретных общественно-значимых практических задач. Ниже приведена одна из двух ученических опытно-конструкторских работ, являющихся продолжением исследовательских проектов «Почему летают птицы» и «Подводный кайт», содержание которых кратко изложено в статье «Полёты в воздушной и водной средах» («Физика» № 29/2004). Проекты были выполнены при технической помощи ОАО «Мика-Антикор» и представлялись на конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе» в апреле 2005 г., где заняли первое место. Руководитель проектов Галина Павловна Устюгина, учитель физики. [email protected] Научный консультант Юрий Евгеньевич Устюгин, к.ф.-м.н.

Наши предыдущие исследования привели к мысли, что возвратно-поступательное воздействие знакопеременной силы на движитель определённой формы может привести к появлению силы тяги, поперечной к направлению воздействия, и высокоэкономичной работе движителя. Эти предположения мы проверяли методом физического моделирования: изготавливали соответствующие движители и приводы для них, создавали модели плавательных средств с двигательно-движительной системой и исследовали их работу. Выяснилось, что предлагаемые нами новые движители по экономическим показателям превосходят такой широко используемый для движения транспортных средств в воздухе, на воде и под водой, как винт.

1. ПРОБЛЕМА ЭКОНОМИЧНОСТИ

Живая природа нередко ставит в тупик исследователей, преподнося различные «технические» загадки. Одна из них, над которой ломает головы не одно поколение учёных, – как многие морские животные, рыбы и дельфины умудряются двигаться в плотной воде со скоростями, порой недоступными даже для полёта в воздухе? Меч-рыба, например, развивает скорость до 130 км/ч; тунец – до 90 км/ч. Расчёты показывают: чтобы преодолеть сопротивление воды и набрать такую скорость, рыбе необходимо развить мощность автомобильного двигателя – порядка 100 л.с. Украинские учёные изготовили модель меч-рыбы, подвесили её на быстроходный катер и определили сопротивление среды и требуемую для движения мощность. В пересчёте на скорость и размеры рыбы модель испытывала сопротивление 4000 Н (408 кгс) и требовала для своего движения мощности 100 л.с. (73,6 кВт)!

Рекордсмен подводного плавания – меч-рыба

Энергию живые существа получают за счёт окислительных процессов. Но рыбы – существа холоднокровные, их температура ненамного выше температуры воды, в которой кислород, кстати, растворён в очень небольшом количестве. Такие мощности для них недостижимы! Остаётся предположить только одно: рыбы каким-то образом «умеют» очень сильно понижать сопротивление воды. Гипотезу, объясняющую этот феномен, выдвинул профессор Института теоретической и прикладной механики СО РАН В.И.Меркулов (г. Новосибирск) .

Традиционные движители для плавсредств

Существует четыре основных вида судовых движителей: водомётный, гребное колёсо, гребной винт и крыльчатый.

Водомётный движитель. Это, по существу, просто поршневой или центробежный насос, который засасывает воду через отверстие в носу или днище корабля и выбрасывает её через сопла в кормовой его части. Создаваемый упор (сила тяги ) определяется разностью количеств движения (импульсов ) струи воды на выходе и на входе движителя. Водомётный движитель был впервые предложен и запатентован Тугудом и Хейсом в Англии в 1661 г. Как и другие, предложенные разными изобретателями более поздние варианты, конструкция обладала низким КПД. Водомётный движитель применяется, когда низкий КПД компенсируется преимуществами в других отношениях, например, для плавания по мелководным или засорённым рекам.

Гребное колесо. Это широкое колесо с лопастями по периферии. В более совершенных конструкциях лопасти могут поворачиваться относительно колеса так, чтобы создавать нужную пропульсивную силу при минимальных потерях. Ось вращения колеса выше уровня воды, так что погружена лишь его небольшая часть, и в каждый данный момент времени только несколько лопастей создают упор. КПД гребного колеса, вообще говоря, возрастает с увеличением его диаметра, так что колёса диаметром 6 м и более – не редкость. Частота вращения большого колеса получается небольшой. Когда-то она соответствовала возможностям паровых машин, однако со временем машины совершенствовались, и малые обороты стали серьёзным препятствием – гребные колёса уступили место гребным винтам.

Гребной винт. Винт использовали ещё древние египтяне для подачи воды из Нила. Есть свидетельства, что в средневековом Китае для движения судов использовали винт с ручным приводом. В Европе винт в качестве судового движителя впервые предложил Р.Гук (1680 г.)... (Далее обсуждаются параметры винта, не использованные в приводимой работе. – Ред .)

Размеры современных гребных винтов варьируются от 0,2 до 6 м и более. Мощность, развиваемая винтом, может составлять доли киловатта, а может превышать 40 МВт, соответственно частота вращения лежит в диапазоне от 2000 об/мин для малых винтов до 60 об/мин для больших. КПД хороших винтов может достигать 80%, однако на практике довольно трудно оптимизировать все основные параметры, поэтому на малых судах КПД обычно около 45%. Максимальный КПД достигается при относительном скольжении (отношение скорости движения судна к скорости перемещения движитекля.) 10–30% и быстро уменьшается до нуля при работе винта как в режиме швартовки, так и при больших оборотах .

Крыльчатый движитель. Это диск, по периферии которого перпендикулярно плоскости диска размещены 4–8 лопастей-лопаток. Диск устанавливается заподлицо с днищем корабля, а в поток опускаются только лопасти. Помимо того что диск с лопастями вращается относительно своей оси, сами лопастимогут поворачиваться относительно своих продольных осей. В результате вода ускоряется в требуемом направлении и создаётся упор для движения судна. Такой тип движителя имеет преимущество перед гребным винтом и гребным колесом, поскольку упор может создаваться в любом желаемом направлении: вперёд, назад и даже вбок без изменения направления вращения двигателя. Для управления судном с крыльчатым движителем не требуется привычных рулей. Крыльчатые движители весьма эффективны в некоторых специальных случаях .

Крыльчатый движитель – пропеллер Воиса–Шнайдера.– с четырьмя лопастями. Лопасти вращаются с ротором относительно центральной т. О в одном направлении с постоянной скоростью и связаны жёсткими штангами в т. N , которая не вращается вместе с ротором. Если эта точка смещена относительно т. О , то угол атаки каждой лопасти по отношению к касательной к окружности изменяется по мере движения точки захвата лопасти по окружности. Управление судном очень легко осуществляется смещением т. N : чем больше она удалена от оси вращения O , тем больше сила тяги пропеллера (members.surfeu.at/fprossegger/english/vsp-function)

Общий вид крыльчатого движителя (www.voith-schiffstechnik.com/media/vohs_marine_01.pdf) и циркуляция судна с этим движителем (www.voithturbo.de/media/vohs_1810e_VWT.pdf)

Движитель типа «рыбий хвост»

Природа постоянно демонстрирует человеку один из самых лучших и эффективных движителей – хвост рыбы, совершающий характерные визуально наблюдаемые колебательные движения. Соответствующим движителям придают форму, близкую к форме хвоста рыбы, и принуждают его совершать колебательные движения. Одним из примеров является разработка Г.А.Семёнова . Как он пишет, «...многим известен „парадокс Грея”: дельфин, развивая скорость 10 м/с, должен иметь мощность, в 10 раз большую им располагаемой. Из этого, на мой взгляд, следуют такие выводы: 1) современные плавсредства при мощностях, которыми они располагают, должны передвигаться со скоростями, хотя бы в несколько раз большими; 2) при неизменном запасе топлива плавсредство с таким же движителем, как у дельфина, обеспечит в 10 раз большую дальность плавания». В разработанной им модели катамарана с плавниковым движителем (приводится рисунок. – Ред. ) главной особенностью является клин, позволяющий повысить КПД. Однако, на наш взгляд, движитель Семёнова, как и другие аналогичные, является гребковым движителем , принципиально отличающимся от природного «рыбьего хвоста» и потому не способным достичь его КПД.

2. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Известные варианты. Для экспериментальных исследований необходимо собрать или изготовить электромеханический привод, с помощью которого можно передавать энергию двигателя движителю. Из общеизвестных вариантов приводов (в оригинаде приводится рисунок. – Ред. ) мы выбрали для своих моделей зубчатую и ременную передачи.

Наш вариант привода. Общий вид электромеханического привода дан на фото. В качестве двигателя мы использовали электродвигатель (угловая скорость 75 об/с) от радиоуправляемой игрушки на четырёх батареях постоянного (4 1,5 В) напряжения типа АА. Два редуктора понижали угловую скорость двигателя до 5–7 об/с: один, шестерёнчатый, от той же игрушки, другой, ременной, изготовлен нами. В качестве ремня использовалось резиновое кольцо. На один конец вала был насажен шкив, на другой – кривошип.

Общий вид модели плавсредства, несущей всю двигательно-движительную систему, показан на фото. Система допускает быструю замену движителя, закрепляемого на штоке и совершающего в процессе работы возвратно-поступательное движение. Шток – силовой элемент, оказывающий знакопеременное силовое воздействие на движитель.

Общий вид модели плавсредства – надводного судна

3. НАШИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Гипотеза. При выполнении проектов мы выявили правило U = /l = 0,29, выполняющееся для всех маховых перьев птиц (исследовались перья городского голубя, вороны, орла и чайки). Более того, оказалось, что выбор точки захвата подводного кайта в соответствии с правилом U = 0,29 приводит буквально к вылету модели из-под воды. В результате родилась гипотеза: если взять гибкую упругую пластину и придать ей знакопеременное перемещение в направлении, перпендикулярном плоскости пластины, то следует ожидать появления силы тяги в направлении, перпендикулярном направлению этого перемещения. Такая колеблющаяся пластина может использоваться как судовой движитель.

Рис. 4. Сечение махового пера, О

Движители. На фото представлены движители различной формы, которые испытывались нами в лабораторных условиях, будучи установленными на модели описанного выше радиоуправляемого надводного судна. Сначали испытывались движители прямоугольной формы, выполненные из полимерной плёнки толщиной 0,4 мм (в ) и 0,15 мм (д ). Положение точки захвата движителя (круглое отверстие – белая точка на фото) определялось в соответствии с правилом U = 0,29. Выяснилось, что прямоугольная пластина деформируется сложным образом (рис. А): при движении точки захвата вверх передние углы пластины, помеченные двумя верхними звёздочками, отгибаются вниз, также как и задняя часть пластины, причём наиболее сильно отклоняется её средняя точка (правая звёздочка).

Рис. А. Форма прямоугольного движителя в свободном состоянии (вверху) и под действием внешней силы F (внизу). Звёздочками помечены области максимального смещения

Рис. Б. К определению внутреннего контура движителя

Пунктирные контуры – внешний (красный) и внутренний (синий) – ограничивают часть движителя, играющую роль ствола птичьего пера. Поэтому сначала, чтобы оконтурить движитель, обрезали пластинку из пластика толщиной 0,4 мм по внешнему (красному) контуру. Затем строили внутренний контур (рис. Б): из каждой точки, например C, внешнего контура восстанавливали перпендикуляр до пересечения с линией заднего обреза (точка D ) и делили отрезок CD на две части в соответствии с правилом U = 0,29. После этого по возможности ближе к внутреннему контуру просверливали точку захвата. На образованный таким образом «ствол» наклеивали тонкую (0,015 мм) полимерную плёнку (варианты а , б , г , ж на фото). Так получились движители типа а , б на фото. Движители типа г , ж использовались для выяснения влияния разрезов и силовых элементов («рёбер жёсткости»). Движитель е – простейшая имитация рыбьего хвоста.

Эксперимент. Измерения и наблюдения выполнялись в аквариуме и ванне. Сначала в качестве двигателя использовали скрученный резиновый шнур. Однако оказалось, что в этом случае можно было только наблюдать движение модели, измерить же какие-либо параметры было трудно из-за непостоянства потенциальной энергии раскручивающегося резинового шнура. Поэтому в дальнейшем мы собрали модель на основе электродвигателя постоянного тока. Для измерений силы использовали обычный школьный динамометр с полной шкалой 5 Н и ценой деления 0,1 Н. Временные интервалы измеряли таймером (в сотовом телефоне – цена деления 0,001 с, что давало повод поговорить об ошибках измерений). Для определения скорости модели измеряли проходимый ею с установившейся скоростью путь 20 см (между метками на стенках аквариума). Время и силу тяги измеряли каждый раз трижды три различных оператора. в дальнейших расчётах использовались результаты, усреднённые по этим девяти измерениям.

Измеряемые величины

Рассчитываемые величины

В таблице приведены результаты измерений и вычислений для предложенного нами движителя, а также (для сравнения) для гребного винта диаметром 0,05 м .

Замечание. Известно, что КПД винта летательного аппарата достигает максимального значения (80%) при = 0,25 . При , близких к нулю, летательный аппарат приближается к состоянию покоя, а винт находится в режиме холостого хода, т.е. = 0. При больших летательный аппарат движется с такой скоростью, что встречный поток начинает раскручивать* винт, т.е. наступает режим, схожий с режимом холостого хода винта, в этом случае также = 0. Т.е. полёт аппарата с поступью винта, близкой к 1, вообще исключён.

Зависимость КПД от поступи винта летательного аппарата

Из таблицы видно, что КПД нашего движителя (76%) выше КПД гребного винта (45%). Существенно и различие в относительной поступи: 1,1 против 0,855, т.е. больше приблизительно на 30%. Модель с винтом движется в 7,5 раз быстрее, но при этом и энергетические потери у неё значительно больше: в 7,34/0,0264 = 282 раза! Таким образом, «провал» в среду, характерный для гребковых движителей, приводит и к существенным экономическим потерям.

Полученные нами результаты позволяют ожидать существенный экономический выигрыш при эксплуатации предлагаемых безопорных вихревых средств возбуждения силы тяги перед гребковыми средствами. Применение спаренных, действующих в противофазе движителей должно исключить вибрацию корпуса плавсредства и позволить преобразовать часть энергии, прежде расходовавшуюся на эту вибрацию, в кинетическую энергию поступательного движения плавсредства.

_______________________

* Когда у вертолёта отказывает двигатель, он падает. При этом пропеллер раскручивается встречным потоком воздуха. Так же и у самолёта: если самолёт будет лететь очень быстро, то уже не вращающийся винт будет толкать самолёт, а наоборот, самолёт при своём движении будет раскручивать винт, что приводит к торможению самолёта и даже к отрицательному КПД винта. – Г.У .

Заключение

1. Предложен новый способ создания силы тяги в текучих средах, а также устройство – движитель для плавательных аппаратов, – в основу разработки которых положены результаты, полученные в проекте .

2. Экспериментально показано, как наличие знакопеременной силы, действующей на движитель в поперечном к его поверхности направлении, порождает силу тяги у плавсредства с таким движителем.

3. Выполнена опытно-конструкторская разработка радиоуправляемой модели плавательного средства с движителями различной конфигурации, но общего принципа действия, удовлетворяющего правилу
U = 0,29, найденного для маховых перьев птиц.

4. Опытно-конструкторская разработка – радиоуправляемая модель с новым типом движителя – испытана в лабораторных условиях.

5. Показано, что КПД нового движителя равен 76% при относительной поступи движителя 1,где = u/ , u – скорость поступательного движения плавсредства, – средняя скорость перемещения движителя под воздействием знакопеременной силы. (При таком значении винт вообще уже не работает как движитель, становясь ветряком-пропеллером, как у ветряной мельницы.)

Литература

1. Ручкин И. , Алексеев К ., Белых А . (школа № 1273). Почему летают птицы: Исследовательская работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.

2. Краснопевцев Д ., Шапкин А .(школа № 1273). Подводный кайт: Проектная работа: Руководитель Г.П.Устюгина. – «Ярмарка идей Юзао», москва, 2004.

3. Меркулов В.И. Загадка плавания рыб. nauka.relis.ru/cgi/nauka.pl?05+0112+05112088+HTML .

4. Что нужно знать о гребном винте. www.kater.ru/catalog/links_u_ustroistvo_sudna.htm .

5. Энциклопедия «Кругосвет». www.krugosvet.ru/articles/14/1001453/1001453a6.htm .

6. Семёнов Г.А. Патент РФ № 2090441 «Движитель для судов и аппаратов надводного и подводного плавания».

7. Семёнов Г.А. Затраты энергии на транспорте могут быть снижены в 10 раз. www.eprussia.ru/epr/info/sklad/036/new_tech_1.3.htm .

8. Мазейкин Е.М ., Шмелёв В.Е . Конструирование и моделирование технических устройств. .

9. Сахновский Б.М. Модели судов новых типов. – Судостроение, 1987. http://www.shipmodeling.ru/books/NewTypeShips/newtypeships.pdf .

10. Прандтль Л . Гидроаэродинамика: R@C Dynamics. – М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002.

Дмитрий Краснопевцев

Галина Павловна Устюгина – выпускница физического факультета Ташкентского государственного университета 1971 г. по специализации «Радиационная физика», учитель физики высшей квалификационной категории, педагогический стаж 33 года, почётный работник общего образования Российской Федерации. В целях поиска путей совершенствования системы образования принимала активное участие в работе творческой лаборатории народного учителя СССР Б.И.Вершинина в г. Томске в 1993 г. Дальнейший поиск привёл к системе развивающего обучения Д.Б.Эльконина –В.В.Давыдова . Основные принципы этой системы сейчас положены в основу уроков педагога. Галина Павловна участвовала в разработке методик преподавания физики. По приглашению руководства Горно-Алтайского республиканского института повышения квалификации прочитала курс лекций по теме «Моделирование учебно-воспитательного процесса при обучении физике». На республиканском семинаре «Инновации в процессе преподавания физики» представила авторские разработки методики развивающего обучения физике. В 1998 г. стала призёром республиканского конкурса «Учитель года». В 2002–2004 гг. проводила окружные семинары для учителей физики ЮЗАО г. Москвы, в 2003 г. в составе делегации работников просвещения г. Москвы провела один из лучших уроков физики по программе «Мастер-класс» в г. Киеве. Участвовала в работе второго (2003 г.), третьего (2004 г.) и четвёртого (2005 г.) Московских марафонов учебных предметов, организуемых МДО, МИОО и ИД «Первое сентября». В настоящее время является руководителем и организатором проектно-исследовательских работ в школе. Её ученики Сергей Панюшкин и Владимир Апальнов стали призёрами в номинации «Проектно-исследовательские работы» на конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе-2003» и лауреатами 7-й научной конференции молодых исследователей «Шаг в будущее. Москва» (2004 г.), которая проходила в МГТУ им. Н.Э.Баумана, выступив с работой «Моделирование торнадо-процесса». Проектные работы учащихся 9-го класса«Почему летают птицы» (Иван Ручкин и Андрей Белых ) и «Подводный кайт» ( и Алексей Шапкин ) были удостоены дипломов 1-й степени в конкурсе «Ярмарка идей на Юго-Западе-2004». Ученики Галины Павловны регулярно занимают призовые места на олимпиадах по физике. Имеет публикации в газете «Физика», журнале «Квант», патенты на изобретения. Незаменимым помощником Галины Павловны является её муж Юрий Евгеньевич Устюгин , с которым она вместе училась в ТашГУ. Юрий Евгеньевич – к.ф.-м.н., автор ряда публикаций по физике множественного образования частиц при высоких энергиях, ядерной геофизике, антикоррозийным покрытиям нефтесодержащего оборудования и сооружений (журналы «Ядерная физика», «Доклады АН СССР», «Известия АН УзССР», «Трубопроводный транспорт нефти», сборники статей по геологии и ядерной геофизике), имеет авторские свидетельства и патенты на изобретения. В 1996 г. разработал оригинальную технологию производства высокоантикоррозийного пигмента «спекулярит», освоил его промышленное производство и внедрил на предприятиях ОАО «Центрсибнефтепровод». В 1998–2000 гг. в должности гендиректора восстанавливал ГУП «Акташское горно-металлургическое предприятие», в 2000 г. был приглашён холдингом «Содружество» в Москву для работы в качестве замгендиректора по финансам и экономике в ОАО «Угли Кузбасса», в 2001 г. переведён на должность гендиректора Орско-Халиловского комбината «НОСТА». В последние годы занят вопросами гидро- и аэродинамики и подготовкой будущих физиков. Семья педагогов вырастила двух дочерей, а теперь растит двух внучек и внука, уделяя им всё свободное время, которого, к сожалению, так не хватает на всех. Хобби – горный туризм.

Движителем называют такое судовое устройство, которое, используя работу двигателя, создает в воде упор - силу, способную двигать судно в заданном направлении.

Движители судов с механическим двигателем делятся на лопастные и водометные .

К числу лопастных судовых движителей относятся гребные винты , крыльчатые движители и гребные колеса , создающие силу упора за счет отбрасывания своими лопастями струи воды в сторону, противоположную движению судна.

Водометные движители создают упор за счет отбрасывания воды, забранной специальным насосом. Так как и лопастные, и водометные движители создают движущую силу за счет реакции отбрасываемых назад масс воды, их называют реактивными. Среди судовых движителей наибольшее распространение получили гребные винты.

Гребной винт (рис. 130) имеет от трех до шести лопастей (чаще четыре-пять), установленных радиально на ступице.

Поверхности лопастей, обращенные в нос судна, называют засасывающими, обращенные в корму - нагнетающими.

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 -

Рис. 130. Гребной винт (а) и схема его действия (б).

1 - ступица; 2 - лопасть; 3 - обтекатель. V в - окружная скорость элемента

лопасти; ν - скорость поступательного перемещения гребного винта вместе с

судном; V - результирующая скорость от сложения скоростей Vв и ν; α - угол между результирующей скоростью V и хордой элемента лопасти (угол атаки); R - подъемная сила, возникающая на элементе лопасти; Р - упор гребного винта (горизонтальная составляющая силы R); Т - окружная составляющая сил, действующих на гребной винт

Гребные винты изготовляют из нержавеющей стали, бронзы, латуни и их сплавов, а также из капрона, нейлона и стеклопластика (в основном для малых судов).

Гребной винт характеризуют следующие геометрические элементы: диаметр - определяется в зависимости от возможной глубины погружения оси гребного вала (обычно, диаметр гребного винта не превышает 70 % осадки судна в полном грузу); наиболее крупные винты имеют диаметр до 9-10 м; дисковое отношение - отношение площади всех лопастей винта к площади диска винта; может быть больше единицы, но у винтов морских транспортных судов оно обычно равно 0,45-0,60; шаг винта - шаг винтовой поверхности, образующей нагнетающую поверхность лопасти винта.

На засасывающей стороне лопасти при быстром вращении винта благодаря увеличению скорости набегающего потока воды создается разрежение, причем по мере увеличения скорости вращения давление может понизится на столько, что даже в холодной воде начнется образование пузырьков воздуха (известно, что с уменьшением давления температура кипения воды понижается).

Рис. 131. Схема действия Рис. 132. Пропульсивная наделка

направляющей насадки на руль

Такое вскипание холодной воды на засасывающей стороне лопасти называется кавитацией . Начальная стадия кавитации очень опасна для гребных винтов, так как возникающие при вскипании воды пузырьки воздуха, попав в зону более высокого давления, мгновенно конденсируются и производят сильнейшие гидравлические удары по лопасти винта, вызывая эрозию (местное изъязвление поверхности). В этих условиях работа гребного винта недопустима. Однако по мере дальнейшего увеличения скорости вращения винта зона кавитации распространяется уже на всю лопасть и даже выходит за ее пределы - наступает так называемая вторая стадия кавитации, которая не представляет опасности для прочности винта, но зато несколько уменьшает его КПД.

Чтобы устранить кавитацию, увеличивают ширину (площадь) лопастей и глубже погружают сам винт; кроме того, делают гребные винты переменного шага (уменьшая его к комлю и концам лопасти). При проектировании быстроходных винтов, если устранить кавитацию полностью по техническим причинам невозможно, создают условия полностью развитой кавитации (во второй стадии).

Для повышения эффективности гребных винтов применяют направляющие насадки и пропульсивные наделки на руль.

Направляющие насадки бывают неподвижными и поворотными и применяются сейчас не только на малых судах и буксирах, где они особенно эффективны, но и на крупных транспортных судах. Насадка, имеющая в сечении профиль, аналогичный профилю крыла, создает при движении воды дополнительный упор, как это видно из схемы сил, приведенной на рис. 9.29. Кроме того, насадка улучшает условия - винта, в результате чего увеличивается скорость подтекающей воды, уменьшаются концевые потери от перетекания воды через край лопасти и, следовательно, повышается КПД винта (до 20-30 %). Применение направляющей насадки увеличивает скорость на 2-4 %.

Важным преимуществом насадки является выравнивание поля скоростей в диске винта, что уменьшает нагрузки на валопровод.

Пропульсивная наделка на руль (рис. 132) упорядочивает поток воды за ступицей и повышает КПД, а также улучшает условия работы руля.

Винт регулируемого шага (ВРШ) имеет лопасти, поворачивающиеся вокруг их вертикальной оси. Их можно устанавливать под любым углом, образуя шаг, необходимый для данного режима работы судна. ВРШ позволяет не только наивыгоднейшим образом использовать двигатель судна в разных условиях эксплуатации, но и удерживать его на месте, не выключая двигателя, если все лопасти расположены в плоскости диска винта в так называемом нейтральном положении, или осуществлять реверс (задний ход), не меняя направления вращения вала двигателя. Последнее обстоятельство особенно важно при использовании нереверсируемых главных двигателей (газовых и паровых турбин), так как позволяет отказаться от необходимых в этом случае турбин заднего хода или реверсивных муфт.

ВРШ состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) в кормовой оконечности судна и привода механизма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе.

Управляют МИШ дистанционно из рулевой рубки и с крыльев ходового мостика.

Механизм поворота лопастей (рис. 133) состоит из ползуна и шатунов, соединенных с кривошипными дисками, на которых закреплены лопасти. Усилие для поворота лопастей передается через шток в гребном валу на ползун, а от него через шатуны - кривошипным дискам, которые, вращаясь, поворачивают лопасти.

Рис. 133. Схема ВРШ.

1 - ползун; 2 - шатун; 3 - кривошипный диск; 4 - шток; 5 - поршень;

6 - золотниковый регулятор; 7 - привод управления; 8 - масляный насос;

9 - электродвигатель; 10 - масляная цистерна

Движение штоку, на конце которого расположен поршень, передается давлением масла (его можно подавать под одну или другую сторону поршня, в зависимости от необходимого направления изменения шага). Рабочее давление масла создается масляным насосом высокого давления (2,0 МПа или 20 кгс/см 2), работающим от гребного вала или специального электромотора. Направление подачи масла изменяется золотниковым устройством, привод которого связан с постом управления в рулевой рубке.

Применение ВРШ позволяет за счет повышения КПД двигателя в разных условиях эксплуатации снизить на 10-15 % расход топлива и увеличить в среднем на 2-3 % среднюю рейсовую скорость. Возможность быстрого перехода с переднего на задний ход улучшает маневренные качества судна и примерно в 1,5 раза сокращает выбег при экстренном торможении, повышая тем самым безопасность плавания. Важным преимуществом ВРШ является и то, что его съемные лопасти можно легко заменять, не выводя судно из эксплуатации.

К недостаткам ВРШ относятся сложность конструкции, более высокая стоимость и несколько меньший (на 1-3 %), чем у винтов фиксированного шага, КПД из-за большего диаметра ступицы, в которой размещается механизм поворота. Однако, несмотря на эти недостатки, ВРШ является перспективным типом движителя не только для промысловых и технических, но и для крупных транспортных судов: на крупнотоннажных танкерах установлен ВРШ диаметром 7,5 м, на атомном лихтеровозе - 6,8 м, на сухогрузном газотурбоходе - диаметром 5,6 м. Диаметр наиболее крупных ВРШ достигает 9 м.

Рис. 134. Крыльчатый движитель и схема его работы

Крыльчатый движитель (рис. 134) представляет собой диск, вмонтированный заподлицо с днищевой обшивкой и приводящийся во вращение вокруг вертикальной оси судовым двигателем. По окружности диска перпендикулярно к нему расположены четыре - восемь погруженных в воду лопастей, каждая из которых вращается вместе с диском, а также вокруг своей оси. Путем соответствующей установки привода управления поворотом каждой лопасти вокруг своей оси можно при неизменном направлении вращения диска создать упор в любом направлении (см. схему на рис. 134). Поэтому суда, оборудованные крыльчатым движителем, не имеют рулей. Несмотря на сложность изготовления и невысокий КПД, крыльчатые движители незаменимы на тех судах, для которых необходима высокая маневренность при малых скоростях движения (на плавучих кранах, буксирах и пр.). Управление крыльчатым движителем осуществляется из ходовой рубки и с крыльев ходового мостика.