В отечественной литературе иногда указывают, что идея направляющей насадки впервые была высказана отечественным ученым Бриксом, который в 1887 г. предложил судно наименьшего сопротивления, по всей длине которого проходит канал, сужающийся к миделю, где расположен винт. Корт (Германия) предложил направляющую насадку в ее современном виде - кольцевое крыло, верхней своей частью закрепленное на корпусе, внутри которого в самом узком месте располагается гребной винт. Радиальный зазор между лопастями винта и телом насадки порядка 1 % диаметра винта, в результате чего перетекание воды через конец лопасти становится незначительным. Важно также то, что диаметр винта в насадке меньше, чем открытого винта. Схема расположения гребного винта в неподвижной насадке показана на рис. 8.1.
Насадка работает следующим образом. Гребной винт формирует струю, которая постепенно сужается, особенно в диске винта. В результате на профиль насадки поток набегает под некоторым углом атаки со скоростью с, создавая гидродинамическую силу F, одна составляющая которой S направлена к оси винта и сжимает насадку (аналогично гидростатическому давлению), другая Тн - по направлению движения, создавая дополнительный упор. На швартовах, когда угол атаки максимальный, упор, создаваемый насадкой, может достигать 50 % упора винта. На тихоходных судах выигрыш в скорости хода может достигать 2-3 %. С увеличением относительной поступи упор насадки снижается и становится отрицательным, т. е. при достаточно большой поступи насадка будет создавать дополнительное сопротивление. Сравнение кривых коэффициента упора для открытого винта и винта в насадке показано на рис. 8.2. Оба винта имеют одинаковые число лопастей (4), дисковое отношение (0,58), относительную толщину (0,06) и примерно одинаковое шаговое отношение нулевого упора.
Рис. 8.1. Винт в насадке
Рис. 8.2. Сравнение коэффициента упора комплекса «винт-насадка» (Кк) и открытого винта (КТ) в зависимости от поступи J
Ввиду того что на профиле насадки создается циркуляция скорости, увеличивается скорость протекания воды через диск винта, что способствует увеличению его КПД. Дополнительная скорость, созданная насадкой, тем больше, чем меньше скорость хода судна. В результате улучшается использование мощности главного двигателя на различных режимах благодаря тому, что скорость потока в диске винта меняется медленнее, чем скорость хода судна. Более равномерным становится поток в диске винта, ослабевает вибрация (гребной винт - основной источник вибрации на судне). В.К. Турбал предложил теоретические основы расчета осенесимметричных насадок, каждый элемент сечения которых устанавливается под своим углом к оси винта. При этом форма входного и выходного сечения получается близкой к эллиптической, причем большая ось входного сечения перпендикулярна ДП, а большая ось выходного сечения - перпендикулярна плоскости ватерлинии. Это позволяет значительно снизить неравномерность потока в диске винта, периодические силы и моменты. Осенесимметричные насадки применены на крупнейших танкерах отечественной постройки типа «Крым».
Оптимальный диаметр гребного винта в насадке примерно на 10% меньше, чем открытого; это уменьшает массу и стоимость винта. Но наибольший диаметр насадки на 3-4 % больше оптимального диаметра открытого винта при равной нагрузке на них. Насадка несколько уменьшает вероятность оголения винта на волнении и повреждения его, хотя последнее может быть спорным. У винта в насадке уменьшается нагрузка на валопровод и упорный подшипник, так как часть упора комплекса развивается непосредственно на насадке.
В эксплуатации насадки обладают и определенными недостатками. При обрастании насадки винт быстро становится тяжелым, скорость судна заметно падает. При малом погружении насадки к винту может прорываться воздух (прорыв воздуха к открытому винту при малом погружении также возможен). Корпус насадки в том месте, где лопасти подходят наиболее близко, подвергается сильной эрозии. При перекладках руля во время маневрирования из-за возникающего скоса потока наблюдается сильная вибрация. Неподвижная насадка ухудшает управляемость судна, особенно на заднем ходу. Вполне очевидно, что винт в насадке сложнее по конструкции и несколько дороже.
На некоторых судах применяются предвинтовые насадки, которые также создают дополнительный упор и позволяют получить экономию мощности 5-7 %. Они менее эффективны, чем обычные, но не подвергаются повышенной эрозии.
Мы не рассматриваем подробно особенности расчета и проектирования комплекса «винт-насадка», а лишь коснемся геометрических характеристик насадки. К ним относятся безразмерные параметры: коэффициент раствора - отношение площади входного отверстия насадки к площади диска винта; коэффициент расширения - отношение площади выходного отверстия насадки к площади диска; относительное удлинение насадки, т.е. отношение ее длины к диаметру винта. Укажем также, что коэффициенты попутного потока и засасывания (последним учитывается упор насадки) ориентировочно составляют 70 % от таковых для открытого гребного винта (более подробные данные имеются в специальной литературе). Для выбора характеристик насадок имеются соответствующие рекомендации, а для расчета комплекса «винт-насадка» - диаграммы, подобные диаграммам для расчета винтов.
Кроме неподвижных, применяют поворотные насадки, которые крепятся на баллере и одновременно играют роль руля. Они обеспечивают судну хорошую поворотливость при работающем винте, но при ходе по инерции практически не создают поперечную силу. Часто поворотная насадка имеет стабилизатор в виде вертикального крыла, расположенного за ней и иногда выступающего несколько вверх. Стабилизатор может крепиться к насадке жестко или иметь возможность поворота.
Сравнивая неподвижные и поворотные насадки, можно отметить следующее. Неподвижные насадки проще по конструкции, прочнее, более надежны в ледовых условиях. Поворотные насадки улучшают управляемость судна по сравнению с комплексом «винт-руль»; боковая сила у насадки примерно на 40 % больше, чем у руля, при одинаковой площади боковой проекции. Суммарная стоимость движительного комплекса с поворотной насадкой и рулевого устройства меньше, чем при неподвижной насадке. При наличии неподвижной насадки ухудшается поворотливость (по сравнению с открытым винтом и рулем), что требует увеличения площади руля на 20-30 %; усложняются демонтажно-монтажные работы с винтом или его лопастями; удлиняется кормовой подзор. У комплексов с поворотной насадкой возрастает опасность вибрации комплекса и смежных конструкций.
Насадки нашли широкое применение на буксирах, траулерах, которым необходимо развивать большую тягу на малых скоростях, и на многих других подобных судах, в том числе ледового плавания. На обычных морских транспортных судах они применяются сравнительно редко, поскольку винты этих судов нагружены умеренно. Применение насадок на крупнотоннажных судах обусловлено использованием винтов с диаметром, заметно меньшим предельно допустимого, и по этой причине тяжело нагруженных (упор действует на меньшую площадь диска винта).
Проектирование комплекса «винт-насадка» отличается некоторыми особенностями, в частности, обусловленными необходимостью выбора характеристик не только винта, но и насадки. Последние зависят от особенностей работы комплекса на судне. Применяют три способа проектирования комплекса: 1) по результатам испытаний серии моделей комплекса в свободной воде с различными параметрами винтов и насадок; 2) по диаграммам испытаний открытых гребных винтов (без насадок); 3) по вихревой теории. Наиболее простым и надежным считается первый способ. В 1975 г. был введен отраслевой стандарт ОСТ 5.4129-75 по расчету и проектированию винтов (ВФШ и ВРШ) в насадках, содержащий обширные материалы по расчетам комплекса.
Диаграммы для расчета винтов в насадках принципиально мало отличаются от диаграмм для обычных винтов. Одна из специфических особенностей расчета связана с тем, что упор комплекса складывается из упора винта и насадки. Это оказывает влияние, например, на кавитационные характеристики. В большинстве случаев насадка, увеличивая скорость потока в диске винта, разгружает его, что отдаляет начало кавитации. Но связанное с этим понижение давления вблизи винта, наоборот, приближает начало кавитации. В результате при одинаковой площади лопастей кавитация винта в насадке начинается раньше, чем без насадки.
Насадка работает следующим образом. Гребной винт формирует струю, которая постепенно сужается, особенно в диске винта. В результате на профиль насадки поток набегает под некоторым углом атаки со скоростью с, создавая гидродинамическую силу F, одна составляющая которой S направлена к оси винта и сжимает насадку (аналогично гидростатическому давлению), другая Тн - по направлению движения, создавая дополнительный упор. На швартовах, когда угол атаки максимальный, упор, создаваемый насадкой, может достигать 50 % упора винта. На тихоходных судах выигрыш в скорости хода может достигать 2-3 %. С увеличением относительной поступи упор насадки снижается и становится отрицательным, т. е. при достаточно большой поступи насадка будет создавать дополнительное сопротивление. Сравнение кривых коэффициента упора для открытого винта и винта в насадке показано на рис. 8.2. Оба винта имеют одинаковые число лопастей (4), дисковое отношение (0,58), относительную толщину (0,06) и примерно одинаковое шаговое отношение нулевого упора.
Ввиду того что на профиле насадки создается циркуляция скорости, увеличивается скорость протекания воды через диск винта, что способствует увеличению его КПД. Дополнительная скорость, созданная насадкой, тем больше, чем меньше скорость хода судна. В результате улучшается использование мощности главного двигателя на различных режимах благодаря тому, что скорость потока в диске винта меняется медленнее, чем скорость хода судна. Более равномерным становится поток в диске винта, ослабевает вибрация (гребной винт - основной источник вибрации на судне). В.К. Турбал предложил теоретические основы расчета осенесимметричных насадок, каждый элемент сечения которых устанавливается под своим углом к оси винта. При этом форма входного и выходного сечения получается близкой к эллиптической, причем большая ось входного сечения перпендикулярна ДП, а большая ось выходного сечения - перпендикулярна плоскости ватерлинии. Это позволяет значительно снизить неравномерность потока в диске винта, периодические силы и моменты. Осенесимметричные насадки применены на крупнейших танкерах отечественной постройки типа «Крым».
Оптимальный диаметр гребного винта в насадке примерно на 10% меньше, чем открытого; это уменьшает массу и стоимость винта. Но наибольший диаметр насадки на 3-4 % больше оптимального диаметра открытого винта при равной нагрузке на них. Насадка несколько уменьшает вероятность оголения винта на волнении и повреждения его, хотя последнее может быть спорным. У винта в насадке уменьшается нагрузка на валопровод и упорный подшипник, так как часть упора комплекса развивается непосредственно на насадке.
В эксплуатации насадки обладают и определенными недостатками. При обрастании насадки винт быстро становится тяжелым, скорость судна заметно падает. При малом погружении насадки к винту может прорываться воздух (прорыв воздуха к открытому винту при малом погружении также возможен). Корпус насадки в том месте, где лопасти подходят наиболее близко, подвергается сильной эрозии. При перекладках руля во время маневрирования из-за возникающего скоса потока наблюдается сильная вибрация. Неподвижная насадка ухудшает управляемость судна, особенно на заднем ходу. Вполне очевидно, что винт в насадке сложнее по конструкции и несколько дороже.
На некоторых судах применяются предвинтовые насадки, которые также создают дополнительный упор и позволяют получить экономию мощности 5-7 %. Они менее эффективны, чем обычные, но не подвергаются повышенной эрозии.
Мы не рассматриваем подробно особенности расчета и проектирования комплекса «винт-насадка», а лишь коснемся геометрических характеристик насадки. К ним относятся безразмерные параметры: коэффициент раствора - отношение площади входного отверстия насадки к площади диска винта; коэффициент расширения - отношение площади выходного отверстия насадки к площади диска; относительное удлинение насадки, т.е. отношение ее длины к диаметру винта. Укажем также, что коэффициенты попутного потока и засасывания (последним учитывается упор насадки) ориентировочно составляют 70 % от таковых для открытого гребного винта (более подробные данные имеются в специальной литературе). Для выбора характеристик насадок имеются соответствующие рекомендации, а для расчета комплекса «винт-насадка» - диаграммы, подобные диаграммам для расчета винтов.
Кроме неподвижных, применяют поворотные насадки, которые крепятся на баллере и одновременно играют роль руля. Они обеспечивают судну хорошую поворотливость при работающем винте, но при ходе по инерции практически не создают поперечную силу. Часто поворотная насадка имеет стабилизатор в виде вертикального крыла, расположенного за ней и иногда выступающего несколько вверх. Стабилизатор может крепиться к насадке жестко или иметь возможность поворота.
Сравнивая неподвижные и поворотные насадки, можно отметить следующее. Неподвижные насадки проще по конструкции, прочнее, более надежны в ледовых условиях. Поворотные насадки улучшают управляемость судна по сравнению с комплексом «винт-руль»; боковая сила у насадки примерно на 40 % больше, чем у руля, при одинаковой площади боковой проекции. Суммарная стоимость движительного комплекса с поворотной насадкой и рулевого устройства меньше, чем при неподвижной насадке. При наличии неподвижной насадки ухудшается поворотливость (по сравнению с открытым винтом и рулем), что требует увеличения площади руля на 20-30 %; усложняются демонтажно-монтажные работы с винтом или его лопастями; удлиняется кормовой подзор. У комплексов с поворотной насадкой возрастает опасность вибрации комплекса и смежных конструкций.
Насадки нашли широкое применение на буксирах, траулерах, которым необходимо развивать большую тягу на малых скоростях, и на многих других подобных судах, в том числе ледового плавания. На обычных морских транспортных судах они применяются сравнительно редко, поскольку винты этих судов нагружены умеренно. Применение насадок на крупнотоннажных судах обусловлено использованием винтов с диаметром, заметно меньшим предельно допустимого, и по этой причине тяжело нагруженных (упор действует на меньшую площадь диска винта).
Проектирование комплекса «винт-насадка» отличается некоторыми особенностями, в частности, обусловленными необходимостью выбора характеристик не только винта, но и насадки. Последние зависят от особенностей работы комплекса на судне. Применяют три способа проектирования комплекса: 1) по результатам испытаний серии моделей комплекса в свободной воде с различными параметрами винтов и насадок; 2) по диаграммам испытаний открытых гребных винтов (без насадок); 3) по вихревой теории. Наиболее простым и надежным считается первый способ. В 1975 г. был введен отраслевой стандарт ОСТ 5.4129-75 по расчету и проектированию винтов (ВФШ и ВРШ) в насадках, содержащий обширные материалы по расчетам комплекса.
Диаграммы для расчета винтов в насадках принципиально мало отличаются от диаграмм для обычных винтов. Одна из специфических особенностей расчета связана с тем, что упор комплекса складывается из упора винта и насадки. Это оказывает влияние, например, на кавитационные характеристики. В большинстве случаев насадка, увеличивая скорость потока в диске винта, разгружает его, что отдаляет начало кавитации. Но связанное с этим понижение давления вблизи винта, наоборот, приближает начало кавитации. В результате при одинаковой площади лопастей кавитация винта в насадке начинается раньше, чем без насадки.
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.