Этим понятием учитывается влияние корпуса на подтекание воды к винту. Корпус увлекает за собой воду, в результате чего скорость потока, набегающего на винт, vA оказывается меньше, чем в свободной воде:
vA = v(1-w), ( 4.1 )
где w - коэффициент попутного потока. Строго говоря, попутный поток имеет не только продольную (осевую) составляющую, но также окружную и радиальную, которые мы пока не затрагиваем.
Движущееся судно вызывает появление дополнительных скоростей во всем объеме воды, но в данном разделе рассматриваются только скорости в диске винта. При исследованиях попутный поток часто определяется при условии отсутствия гребного винта. Такой попутный поток принято называть номинальным.
Принято считать, что попутный поток складывается из трех независимых составляющих: потенциального (вытеснения, замещения), трения (вязкого) и волнового.
Потенциальный попутный поток возникает из-за сплошности и практической несжимаемости воды, его величина не зависит от направления движения -при изменении направления вектор скорости попутного потока разворачивается на 180 градусов. Он существует и в идеальной жидкости. В оконечностях потенциальный попутный поток положительный, в средней части - отрицательный (скорость жидкости увеличивается).
Попутный поток трения связан с наличием пограничного слоя, сходящего с корпуса в корме судна. Он дополняет эпюру скоростей в пограничном слое до прямоугольника и зависит от числа Рейнольдса: у модели он больше, чем у судна, поскольку у нее пограничный слой относительно толще. Если буксировать модель носом вперед, в корме измеряется суммарный попутный поток, если кормой вперед - только потенциальный. У обычных морских транспортных судов преобладает именно вязкостная составляющая попутного потока.
Волновой попутный поток обусловлен орбитальным движением частиц воды в кормовой поперечной волне. Как известно, на вершине волны направление движения частиц совпадает с направлением бега волн (т.е. движения судна), на подошве - противоположное. Так как в районе винта находится впадина кормовой волны, волновой попутный поток отрицательный. При малых скоростях (Fr < 0,2) он незначителен.
Работающий гребной винт оказывает влияние на попутный поток. Попутный поток, возникающий за корпусом судна при работающем винте, называют эффективным. Скорости, вызванные работой винта, при этом не учитываются. Разница между номинальным и эффективным попутным потоком сильно зависит от характера обтекания кормовой оконечности судна и нагрузки движителя. При малых значениях полноты судна и нагрузки винта эффективный поток мало отличается от номинального. У крупнотоннажных судов с большой полнотой, движители которых обычно являются тяжело нагруженными, а в корме нередко наблюдается отрыв пограничного слоя, винт оказывает большое влияние на попутный поток, причем эффективный попутный поток меньше номинального. В связи с тем что экспериментальное определение эффективного попутного потока затруднительно, в практических расчетах используют коэффициент расчетного попутного потока, который определяют путем анализа результатов испытаний самоходных моделей. При этом ставится условие равенства упора и потребляемой мощности винта в свободной воде и за корпусом судна.
По сечению винта все виды попутного потока распределяются неравномерно: чем ближе к корпусу находится точка диска винта, тем, как правило, больше в этой точке попутный поток. Понятно, что при проектировании гребного винта коэффициент попутного потока приходится осреднять. В простейшем случае осреднение производится по всему диску винта. Возможно осреднение для каждого радиуса, что позволяет несколько улучшить характеристики винта, спроектировав винт радиально-переменного шага, приспособленный к попутному потоку.
Неравномерность поля скоростей и давлений в диске винта приводит к некоторому, не очень значительному изменению характеристик гребного винта, несколько слов о чем будет сказано ниже. Намного важнее то обстоятельство, что с этой неравномерностью связано возникновение значительных периодических сил при вращении винта. Вспомним, что упор и сила сопротивления вращению на элементе лопасти зависят от угла атаки элемента, а он, в свою очередь, от скорости потока, набегающего на элемент, т.е. от скорости попутного потока. При увеличении скорости попутного потока обе силы возрастают, при уменьшении - уменьшаются. Таким образом, в течение одного оборота винта происходит один цикл изменения упора и крутящего момента, действующих на любую лопасть. Относительные амплитуды этих периодических сил измеряются десятками процентов. Существенно изменяются упор и крутящий момент, развиваемые гребным винтом в целом, причем частота периодических сил, возникающих на винте, равна nz, где n - частота вращения винта, z - число лопастей. Эта частота называется лопастной частотой. Указанные периодические силы вызывают вибрацию конструкций в кормовой оконечности и корпуса судна в целом.
Изучение попутного потока на моделях может осуществляться несколькими принципиально различными способами. Простейший из них - использование вертушки, которая устанавливается на модели судна вместо гребного винта и может свободно вращаться вокруг оси, совпадающей с осью винта. Предварительно она тарируется в свободной воде для установления зависимости между скоростью набегающего потока и частотой вращения. Вертушка дает осреднен-ное по диску значение коэффициента попутного потока.
Второй способ - установка микровертушки. Она имеет небольшие лопасти, которые могут устанавливаться на разных радиусах. Принцип ее действия тот же, что и у вертушки, но с ее помощью получаются значения коэффициента попутного потока на разных радиусах, что, как отмечено выше, дает возможность проектировать винт радиально-переменного шага, наилучшим образом приспособленный к попутному потоку.
Наиболее полные данные получаются с помощью трубки Пито-Прандтля, позволяющей измерять попутный поток в отдельных точках. Напомним, что трубка Пито-Прандтля имеет два отверстия, в одно из которых входит жидкость под гидростатическим давлением (таких отверстий на боковой поверхности трубки может быть несколько), а в другое (торцевое) - с добавлением скоростного напора. Трубка устанавливается в нужное место с помощью координатного устройства. Измерения с ее помощью самые трудоемкие, но зато данные позволяют получить наиболее подробное поле скоростей в диске винта и определять силы, возникающие на лопастях, наклоненных под разными углами к вертикали (периодические силы, необходимые для расчетов вибрации от работающего гребного винта).
При практических расчетах часто используют приближенные формулы различных авторов, которые могут приводить к результатам, существенно отличающимся друг от друга. Широкое распространение получили следующие формулы:
Тейлора
w = 0,58 - 0,10 (в некоторых источниках - = 0,58 - 0,05) -
для винтов в ДП;
w = 0,58 - 0,16 (в некоторых источниках - w = 0,558 - 0,20) -для бортовых винтов; 8 - коэффициент общей полноты судна;
Папмеля
( 4.3 )
где х = 1 - для винтов в ДП, х = 2 - для бортовых винтов; V - объемное водоизмещение судна; D - диаметр гребного винта;
- поправка на волновой попутный поток, она вводится только при достаточно больших скоростях судна, которым соответствует развитая кормовая поперечная волна.
vA = v(1-w), ( 4.1 )
где w - коэффициент попутного потока. Строго говоря, попутный поток имеет не только продольную (осевую) составляющую, но также окружную и радиальную, которые мы пока не затрагиваем.
Движущееся судно вызывает появление дополнительных скоростей во всем объеме воды, но в данном разделе рассматриваются только скорости в диске винта. При исследованиях попутный поток часто определяется при условии отсутствия гребного винта. Такой попутный поток принято называть номинальным.
Принято считать, что попутный поток складывается из трех независимых составляющих: потенциального (вытеснения, замещения), трения (вязкого) и волнового.
Потенциальный попутный поток возникает из-за сплошности и практической несжимаемости воды, его величина не зависит от направления движения -при изменении направления вектор скорости попутного потока разворачивается на 180 градусов. Он существует и в идеальной жидкости. В оконечностях потенциальный попутный поток положительный, в средней части - отрицательный (скорость жидкости увеличивается).
Попутный поток трения связан с наличием пограничного слоя, сходящего с корпуса в корме судна. Он дополняет эпюру скоростей в пограничном слое до прямоугольника и зависит от числа Рейнольдса: у модели он больше, чем у судна, поскольку у нее пограничный слой относительно толще. Если буксировать модель носом вперед, в корме измеряется суммарный попутный поток, если кормой вперед - только потенциальный. У обычных морских транспортных судов преобладает именно вязкостная составляющая попутного потока.
Волновой попутный поток обусловлен орбитальным движением частиц воды в кормовой поперечной волне. Как известно, на вершине волны направление движения частиц совпадает с направлением бега волн (т.е. движения судна), на подошве - противоположное. Так как в районе винта находится впадина кормовой волны, волновой попутный поток отрицательный. При малых скоростях (Fr < 0,2) он незначителен.
Работающий гребной винт оказывает влияние на попутный поток. Попутный поток, возникающий за корпусом судна при работающем винте, называют эффективным. Скорости, вызванные работой винта, при этом не учитываются. Разница между номинальным и эффективным попутным потоком сильно зависит от характера обтекания кормовой оконечности судна и нагрузки движителя. При малых значениях полноты судна и нагрузки винта эффективный поток мало отличается от номинального. У крупнотоннажных судов с большой полнотой, движители которых обычно являются тяжело нагруженными, а в корме нередко наблюдается отрыв пограничного слоя, винт оказывает большое влияние на попутный поток, причем эффективный попутный поток меньше номинального. В связи с тем что экспериментальное определение эффективного попутного потока затруднительно, в практических расчетах используют коэффициент расчетного попутного потока, который определяют путем анализа результатов испытаний самоходных моделей. При этом ставится условие равенства упора и потребляемой мощности винта в свободной воде и за корпусом судна.
По сечению винта все виды попутного потока распределяются неравномерно: чем ближе к корпусу находится точка диска винта, тем, как правило, больше в этой точке попутный поток. Понятно, что при проектировании гребного винта коэффициент попутного потока приходится осреднять. В простейшем случае осреднение производится по всему диску винта. Возможно осреднение для каждого радиуса, что позволяет несколько улучшить характеристики винта, спроектировав винт радиально-переменного шага, приспособленный к попутному потоку.
Неравномерность поля скоростей и давлений в диске винта приводит к некоторому, не очень значительному изменению характеристик гребного винта, несколько слов о чем будет сказано ниже. Намного важнее то обстоятельство, что с этой неравномерностью связано возникновение значительных периодических сил при вращении винта. Вспомним, что упор и сила сопротивления вращению на элементе лопасти зависят от угла атаки элемента, а он, в свою очередь, от скорости потока, набегающего на элемент, т.е. от скорости попутного потока. При увеличении скорости попутного потока обе силы возрастают, при уменьшении - уменьшаются. Таким образом, в течение одного оборота винта происходит один цикл изменения упора и крутящего момента, действующих на любую лопасть. Относительные амплитуды этих периодических сил измеряются десятками процентов. Существенно изменяются упор и крутящий момент, развиваемые гребным винтом в целом, причем частота периодических сил, возникающих на винте, равна nz, где n - частота вращения винта, z - число лопастей. Эта частота называется лопастной частотой. Указанные периодические силы вызывают вибрацию конструкций в кормовой оконечности и корпуса судна в целом.
Изучение попутного потока на моделях может осуществляться несколькими принципиально различными способами. Простейший из них - использование вертушки, которая устанавливается на модели судна вместо гребного винта и может свободно вращаться вокруг оси, совпадающей с осью винта. Предварительно она тарируется в свободной воде для установления зависимости между скоростью набегающего потока и частотой вращения. Вертушка дает осреднен-ное по диску значение коэффициента попутного потока.
Второй способ - установка микровертушки. Она имеет небольшие лопасти, которые могут устанавливаться на разных радиусах. Принцип ее действия тот же, что и у вертушки, но с ее помощью получаются значения коэффициента попутного потока на разных радиусах, что, как отмечено выше, дает возможность проектировать винт радиально-переменного шага, наилучшим образом приспособленный к попутному потоку.
Наиболее полные данные получаются с помощью трубки Пито-Прандтля, позволяющей измерять попутный поток в отдельных точках. Напомним, что трубка Пито-Прандтля имеет два отверстия, в одно из которых входит жидкость под гидростатическим давлением (таких отверстий на боковой поверхности трубки может быть несколько), а в другое (торцевое) - с добавлением скоростного напора. Трубка устанавливается в нужное место с помощью координатного устройства. Измерения с ее помощью самые трудоемкие, но зато данные позволяют получить наиболее подробное поле скоростей в диске винта и определять силы, возникающие на лопастях, наклоненных под разными углами к вертикали (периодические силы, необходимые для расчетов вибрации от работающего гребного винта).
При практических расчетах часто используют приближенные формулы различных авторов, которые могут приводить к результатам, существенно отличающимся друг от друга. Широкое распространение получили следующие формулы:
Тейлора
w = 0,58 - 0,10 (в некоторых источниках - = 0,58 - 0,05) -
для винтов в ДП;
w = 0,58 - 0,16 (в некоторых источниках - w = 0,558 - 0,20) -для бортовых винтов; 8 - коэффициент общей полноты судна;
Папмеля
( 4.3 )
Комментариев нет:
Отправить комментарий
Примечание. Отправлять комментарии могут только участники этого блога.