Кинематические и гидродинамические характеристики винта

Если бы гребной винт вращался в твердой среде, как винт и гайка, то за один оборот (рис. 3.1) он перемещался бы на расстояние, равное геометрическому шагу. Но в воде скорость поступательного перемещения винта оказывается меньше, чем в твердой среде. При этом вода также приобретает некоторую скорость, которая называется вызванной, или индуктивной. Поток воды за винтом ускоряется и закручивается, кроме того, из-за увеличения скорости происходит некоторое сужение струи. Соответственно вызванную скорость можно представить в виде геометрической суммы осевой, окружной и радиальной скоростей. Напомним, что в теории идеального движителя мы уже встречались с понятием «вызванная скорость», которая была только осевой. Другие скорости не нужны для создания упора движителя и являются побочными, снижающими его эффективность.

Рис. 3.1. Схема сил, действующих на элемент лопасти (ННПС - направление нулевой подъемной силы)

Расстояние, проходимое гребным винтом в воде в осевом направлении за один оборот, называется поступью винта hp. Разность между шагом и поступью (P - hp) называется скольжением. Если поступь умножить на частоту вращения винта n, получим поступательную скорость винта:
vA = hpn.
В расчетах удобно пользоваться безразмерными характеристиками: относительной поступью J и относительным скольжением s. Они относятся к кинематическим характеристикам винта и определяются по формулам:

( 3.1 )

 ( 3.2 )

Перейдем к рассмотрению гидродинамики гребного винта. С этой целью пересечем лопасть двумя бесконечно близкими соосными цилиндрами радиусами г и (г + dr). При этом образуется элемент лопасти. Изобразим его на развертке цилиндра (на шаговом треугольнике) и рассмотрим силы, возникающие при вращении в потоке жидкости при различных поступях (см. рис. 3.1).
На рабочем режиме на элемент лопасти набегает поток (мы, как обычно, рассматриваем обращенное движение) со скоростью vR, равной геометрической сумме скоростей движения и вращения элемента лопасти, в направлении, указанном стрелкой. Вектор скорости направлен по отношению к линии кромок под определенным углом атаки а. При этом возникает подъемная сила dY, направленная перпендикулярно потоку, и сила профильного сопротивления dX, параллельная ему. Эти силы необходимо разложить на составляющие, действующие по направлению движения винта (dTy и dTx) и по направлению вращения (dRy и dRx). Заметим, что с учетом вызванных скоростей направление потока и возникающие силы изменяются, что нами здесь не принимается во внимание.
Действующие силы зависят от угла атаки; они определяются экспериментально путем продувки профилей в аэродинамических трубах и представляются в специальных атласах и справочной литературе в виде безразмерных коэффициентов подъемной силы и сопротивления:

 ( 3.3 )

где b - хорда профиля.
Примерный вид таких зависимостей для несимметричного профиля лопасти гребного винта показан на рис. 3.2.
Будем изменять поступь (абсолютную) винта от нулевой до некоторого максимума и посмотрим, как будут изменяться упор, момент и КПД гребного винта в зависимости от нее, имея в виду, что при этом меняются не только величины, но и направление сил, показанных на рис. 3.1, с учетом направления набегающего потока. При этом указанные величины для целого винта определяются через соответствующие характеристики для элемента лопасти по следующим зависимостям:

 ( 3.4 )

где z - число лопастей винта.

Рис. 3.2. Гидроаэродинамические характеристики профиля

1. Швартовный режим - судно стоит на месте, винт работает. Поступь hp = 0: T = Tmax; Q = Qmax; По = 0 - по определению. Заметим, что даже при нулевом КПД различные гребные винты (как и другие движители) могут иметь неодинаковую эффективность, при одинаковой потребляемой мощности развивая неодинаковый упор.
2. Рабочий режим: hp > 0; T > 0; Q > 0; г|0 > 0.
3. Поступь равна геометрическому шагу винта; из-за несимметрии профиля есть подъемная сила: hp = Р; T > 0; Q > 0; По > 0.
4. С ростом поступи наступает момент, когда сила dTy снизится настолько, что сравняется с dTx; соответствующая поступь называется шагом нулевого упора, или гидродинамическим шагом Р1, который играет очень важную роль в теории гребных винтов: hp = Р1; T = 0; Q > 0, так как две силы сопротивления направлены в одну сторону; | 0 = 0 - также по определению.
5. Направление набегающего потока совпадает с направлением нулевой подъемной силы (ННПС), остается только сила профильного сопротивления: hp = Р0 - шагу нулевой подъемной силы; T < 0; Q > 0; По < 0 (!).
6. После перехода через ННПС подъемная сила меняет знак, сопротивление остается. В какой-то момент составляющие силы сопротивления вращению dRy и dRx станут одинаковыми по величине, но противоположными по направлению. Соответствующая поступь называется шагом нулевого момента, или шагом свободного вращения Р2, при котором не требуется прикладывать усилий для вращения винта: hp = Р2; T < 0; Q = 0, при этом г|0 = -о (!).
7. hp > Р2; T < 0; Q < 0, так как силы изменили знак; г|0 > 0.
Кривые, изображающие зависимость упора, момента и КПД от поступи, носят название «кривые действия гребного винта». Примерный их вид показан на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Кривые действия гребного винта

Итак, теперь вместо одного (геометрического) шага винта у нас появилось четыре. Относительное скольжение можно определять через любой шаг, чаще всего через шаг нулевого упора, поскольку упор оказывается приблизительно пропорциональным скольжению при небольшой его величине. Все рассмотренные выше случаи можно свести к трем.
1. Поступь меньше шага нулевого упора. Упор и момент положительные, КПД - тоже. Винт работает как движитель: к нему надо прикладывать крутящий момент, он создает упор, движущий судно.
2. Поступь между шагом нулевого упора и нулевого момента. Упор отрицательный, крутящий момент положительный, КПД отрицательный. К винту надо прикладывать крутящий момент, но он не создает упор, а оказывает сопротивление движению, т.е. не совершает никакой полезной работы. Этот диапазон поступей русский профессор Брикс, автор «паральной теории гребного винта», предложил назвать «параль» - винт как бы парализован. Чем меньше данная область, тем лучше винт.
3. Поступь больше шага нулевого момента. Упор и момент отрицательные, КПД положительный. Винт работает как турбина: он создает сопротивление потоку, но с него можно снимать крутящий момент.
Заметим, что мы рассмотрели далеко не все возможные режимы работы гребного винта (в теории управляемости рассматриваются варианты с положительными и отрицательными скоростями и частотами вращения, причем знаки одной и другой величины могут не совпадать). Однако в дальнейшем будем ограничиваться только режимом работы винта как движителя.