Основы расчета крыльчатых движителей

Основными размерными характеристиками крыльчатого движителя, как и других движителей, являются упор Т и крутящий момент Q на оси ротора. В безразмерном виде эти характеристики выглядят так:
- гидродинамический коэффициент упора

 (10.1)

- гидродинамический коэффициент момента

 (10.2)

где Fp = DL - площадь гидравлического сечения крыльчатого движителя; L -
длина лопасти; D - диаметр крыльчатого движителя; u = пnD - окружная скорость лопастей.
КПД крыльчатого движителя определяется через эти коэффициенты почти так же, как и у гребного винта:

 (10.3)

где

- относительная поступь крыльчатого движителя.
Для оценки эффективности движителей при режиме их работы, близком к швартовному, когда их КПД стремится к нулю, используют коэффициент качества, представляющий собой отношение КПД реального движителя к идеальному при том же коэффициенте нагрузки:

На швартовном режиме

Безразмерные гидродинамические характеристики крыльчатого движителя для практических расчетов обычно представляют в виде кривых действия, подобных диаграммам для ВРШ. На рис. 10.3 приведен пример такой диаграммы. В качестве параметра диаграммы используется относительный эксцентриситет движителя

где ОО1 - эксцентриситет, R - радиус по лопастям. На рис. 10.3 Л0 = Л 0/0,75.
Гидродинамические характеристики крыльчатого движителя определяют с помощью модельных экспериментов или расчетом по вихревой теории. Имеются результаты систематических исследований, которые позволяют выявить влияние основных геометрических и кинематических характеристик крыльчатого движителя на его гидродинамические характеристики и получить материал для выбора основных элементов движителя при проектировании.

Рис. 10.3. Кривые действия крыльчатого движителя: а - KT = f(J); б - Kq = f(J)

Важное значение имеет эксцентриситет крыльчатого движителя. В большинстве конструкций крыльчатых движителей относительный эксцентриситет не превышает 1,0. По данным Ван-Манена, КПД крыльчатого движителя имеет максимум при относительном эксцентриситете Л0 = 1,75.
Другая важная геометрическая характеристика крыльчатого движителя -дисковое отношение, которое определяется по формуле

Характер влияния дискового отношения на эффективность движителя зависит от коэффициента нагрузки: при малой нагрузке выгоднее небольшое дисковое отношение, при большой - большее. Минимально допустимое значение дискового отношения выбирается из условия отсутствия кавитации; ориентировочно его можно рассчитать по формуле:

где Ста - коэффициент нагрузки движителя по упору;

o - число кавитации;

где h - глубина погружения движителя, м.
В специальной литературе имеются рекомендации по выбору числа лопастей, формы контура лопасти и профиля лопастных сечений, положения оси вращения.
Для проектирования механизма крыльчатого движителя и расчета прочности его элементов необходимо знать гидродинамический момент относительно оси поворота лопасти, который определяется через безразмерный коэффициент:

Указанный момент зависит от положения оси вращения (коэффициента компенсации, подобного таковому у рулей). Для тяжело нагруженных движителей он принимается равным 0,35-0,40, для слабо нагруженных - уменьшается.
Судно обычно оборудуется двумя крыльчатыми движителями, что позволяет получить хорошую маневренность. Рекомендуется устанавливать движители противоположного вращения, чтобы исключить влияние реактивного момента. Движители располагают попарно в носу (что характерно для буксиров) или в корме. На паромах и плавучих кранах встречается диагональное расположение движителей. Наилучшие пропульсивные качества, как правило, обеспечиваются при кормовом расположении движителей, кроме случаев тихоходных судов с большой полнотой. Перед движителем и за ним должны иметься площадки длиной не менее диаметра перед движителем и двух диаметров за ним, что необходимо для улучшения подтекания воды к движителю и взаимодействия с корпусом. Особое внимание обращается на плавность обводов судна в районе крыльчатых движителей.
Коэффициенты взаимодействия движителя с корпусом находят путем самоходных испытаний. В предварительных расчетах принимают w = 0,05-0,10, t = 0,1-0,15 - для судов с острыми обводами и транцевой кормой; w = 0,20-0,30, t = 0,10-0,20 - для судов с полными обводами типа буксиров, плавкранов и паромов.
Рассмотрим вкратце порядок проектирования крыльчатого движителя для случая, когда задана скорость судна и известно сопротивление его движению при этой скорости.
Диаметр крыльчатого движителя определяется из условий размещения на судне. Длина лопастей крыльчатого движителя выбирается с учетом соображений прочности и обычно составляет 60-65 % диаметра. Промышленность выпускает несколько типовых крыльчатых движителей, отличающихся размерами и мощностью.
Определив коэффициенты взаимодействия, вычисляют расчетную скорость потока, набегающего на движитель, и его упор.
По выбранным предварительно характеристикам крыльчатого движителя находят минимально допустимое по условиям отсутствия кавитации значение дискового отношения. Вычисляют среднюю ширину лопастей в зависимости от их количества, выбирают форму контура и сечений лопасти. Обычно сечения имеют искривленную среднюю линию (в соответствии с окружностью, по которой они вращаются) и относительную толщину 0,10-0,15.
Задав несколько значений частоты вращения ротора, вычисляют соответствующие значения коэффициента упора КТ, по кривым действия находят эксцентриситет и частоту вращения, при которых КПД достигает максимума. Далее рассчитывается мощность, потребляемая движителем, и требуемая мощность двигателя, с учетом механического КПД движителя (0,80-0,82) и коэффициента, учитывающего потери на трение ротора о воду (0,97). Выбирают коэффициент компенсации лопасти.
Если судно имеет несколько сильно отличающихся режимов плавания (буксиры, траулеры и т.п.), расчет выполняется приблизительно так, как для подобных судов с ВРШ. Используются кривые действия крыльчатого движителя для различных эксцентриситетов.
Иногда нужен расчет маневрирования судна, оборудованного крыльчатыми движителями. Он довольно сложен, обычно требует предварительного получения ряда характеристик экспериментальным путем и здесь не рассматривается.