Выбор числа, расположения и направления вращения винтов

Часто вопрос о выборе числа гребных винтов решается просто и однозначно: устанавливают один винт в диаметральной плоскости в корме судна. Носовое расположение винтов встречается крайне редко: у ледоколов, где носовой винт создает поток, способствующий снижению сопротивления в битом льду. Но носовые винты легко повреждаются льдинами, поэтому на некоторых ледоколах они были демонтированы.
В пользу выбора одновинтовой установки говорят следующие соображения. Один винт в ДП, как правило, обеспечивает наивысший КПД, в частности, потому, что лучше использует энергию попутного потока (возрастает коэффициент влияния корпуса). Уменьшается сопротивление движению благодаря минимальному количеству выступающих частей. Уменьшаются размеры машинного отделения и состав машинной команды, потери площадей и объемов из-за наличия нескольких линий валов. По этим причинам на обычных грузовых судах, где можно разместить винт неограниченного диаметра, устанавливается один винт. Используемое в подобных случаях понятие «винт неограниченного диаметра» является несколько условным и, по сути дела, означает, что диаметр винта может быть принят оптимальным для данной частоты вращения (которая в случае использования в качестве малооборотного дизеля без редуктора равна частоте вращения дизеля).
Многовинтовые установки характеризуются следующими особенностями. При ограниченной осадке и увеличенной ширине, например, у судов, плавающих по мелководному фарватеру (суда внутреннего и смешанного плавания) или перевозящих грузы с большой удельной погрузочной кубатурой (контейнеры, колесную технику, пассажиров и т.п.), несколько винтов будут иметь большую по сравнению с одновинтовым вариантом площадь гидравлического сечения, что способствует увеличению КПД. Правда, сопротивление двухвинтового судна примерно на 5 %, а четырехвинтового - на 10 % больше, чем одновинтового. Улучшается управляемость, поскольку поворот судна можно осуществлять за счет неодинаковой частоты вращения винтов разных бортов (или даже реверса одного из винтов). Повышается живучесть энергетической установки и судна в целом, что очень важно для пассажирских судов, ледоколов и боевых кораблей (в том числе и подводных лодок, хотя в настоящее время последние строятся в одновинтовом варианте). Очень крупные винты, особенно расположенные в ДП, вызывают сильную вибрацию. Возможны производственные ограничения по размерам винтов и мощностям двигателей. Иногда приходится учитывать и другие соображения, например, удобство размещения энергетической установки на судне.
Учитывая изложенное, на пассажирских судах бывает 2-3, а на крупнейших лайнерах - 4 винта; на небольших ледоколах - 2, а на больших - 3 винта; на надводных кораблях небольшого и среднего водоизмещения - 2-3, а на авианосцах - 4 винта и т.д.
При размещении винтов на судне очень важно выдержать требуемые зазоры между лопастями винта и корпусом. Обычно эти зазоры, измеренные в любом месте и в любом направлении, составляют 15-20 % от диаметра винта. Примерно те же требования предъявляются к зазорам между винтом и пером руля. Зазор между винтом и пяткой ахтерштевня одновинтового судна (в крайнем нижнем положении) меньше и примерно равен 3-4 % диаметра. Нижние кромки лопастей бортовых винтов стремятся расположить выше основной плоскости примерно на 1 % диаметра (это требование не выполняется у надводных кораблей, винты которых, как и перо руля, опускаются ниже ОЛ - у кораблей имеются и другие выступающие ниже ОЛ части, в первую очередь обтекатели гидроакустических станций).
Если на судне 3 или 4 винта, заботятся о том, чтобы задние винты не работали в струе передних, иначе возникает сильная вибрация, возможно наступление кавитации в связи с попаданием на лопасти закрученного потока. У бортовых винтов стремятся снизить до возможно меньшей величины угол между гребным валом и направлением потока, набегающего на винт, в связи с тем, что при скосе потока работа винта ухудшается.
Направление вращения единственного винта не играет роли с точки зрения ходкости и полностью определяется направлением вращения двигателя. При наличии одноступенчатого редуктора направление вращения меняется на противоположное.
Винты двухвинтового судна вращаются в противоположные стороны, чтобы не создавался кренящий момент. При этом возможны два варианта: наружное вращение, когда на правом борту стоит правый, а на левом - левый винт, и внутреннее. В этом случае направление вращения влияет на КПД винтов: если винт раскручивает поток, закрученный корпусом (поток частично выходит из-под днища, частично - с бортов, приобретая окружные скорости), то КПД повышается, в противном случае - понижается. Изменение направления вращения может привести к заметному увеличению или уменьшению скорости хода судна, причем рациональное направление вращения устанавливается путем испытания модели судна. При эксплуатации предпочтительным считается наружное вращение, так как судно лучше слушается руля, к винту реже попадают плавающие предметы, например льдины.
Бортовые винты трехвинтового судна вращаются в разные стороны, при этом учитываются соображения, изложенные выше; средний винт может вращаться в любую сторону. У четырехвинтового судна оба винта правого борта могут быть правого вращения, а левого борта - левого вращения, но возможны и иные варианты, что также определяется на основе испытаний модели судна.

Учет влияния корпуса и руля при практическом расчете винта

При работе винта за корпусом судна расчетную скорость потока, набегающего на винт, следует определять по формуле (4.1), а упор, развиваемый винтом, - по формуле (4.5). Но в неравномерном попутном потоке изменяется не только средняя скорость - по сравнению с винтом в свободной воде изменятся также упор и крутящий момент. Это обстоятельство можно учесть путем введения двух коэффициентов влияния неравномерности поля скоростей на упор и момент - iT и iQ. Первый из них бывает немного меньше, а второй - немного больше 1,00. Конкретная величина их зависит не только от обводов кормовой оконечности, но и от способа определения указанных коэффициентов при обработке экспериментальных данных. Согласно методике, принятой в настоящее время в отечественной практике, iT = 1,00 (точно). При определении КПД требуется вводить дополнительный множитель, равный iT/iQ. В результате КПД винта, работающего за корпусом, будет

 (4.10 )

Множитель, стоящий перед КПД винта в свободной воде (иногда без членов, учитывающих влияние неравномерности попутного потока), называют коэффициентом влияния корпуса на КПД. У одновинтовых судов он обычно несколько больше 1,00, а у двухвинтовых - немного меньше. Это не значит, что корпус оказывает положительное влияние на КПД винта. С увеличением засасывания КПД однозначно снижается. С увеличением коэффициента попутного потока, с одной стороны, растет коэффициент влияния корпуса, с другой - уменьшается КПД винта в свободной воде. Как мы уже отмечали, нет однозначной зависимости между коэффициентами попутного потока и засасывания. Если первый увеличивается, а второй уменьшается, коэффициент влияния корпуса растет. Как показали исследования, этого эффекта можно добиться, применяя бульбовые обводы кормовой оконечности. Сопротивление движению судна при таких обводах незначительно возрастает, но в большей мере растет коэффициент влияния корпуса, что ведет к снижению требуемой мощности главного двигателя.

Влияние руля на работу винта

В силу особенностей своей конструкции гребной винт, кроме вызванных осевых скоростей, необходимых для развития упора, создает вызванные окружные скорости (закручивает поток), из-за чего происходит заметное уменьшение КПД. Для уменьшения этих потерь Вагнер в 1905 г. предложил непосредственно за гребным винтом устанавливать контрпропеллер - неподвижный винт с 2-6 узкими лопастями, раскручивающий поток, закрученный винтом. Несколько иное решение - устанавливать контрпропеллер перед винтом - предложил в 1908 г. Хаас. Роль контрпропеллера может играть соответствующим образом спрофилированный ахтерштевень. На лопастях контрпропеллера создается дополнительный упор, что, по разным данным, может привести к увеличению КПД винта на расчетном режиме от 6-10 до 18-20 %. На других режимах эффект контрпропеллера снижается, а на заднем ходу он вреден, поскольку закручивает поток в ту же сторону, что и гребной винт. Кроме того, контрпропеллер увеличивает диаметр циркуляции, т. е. ухудшает поворотливость (является стабилизатором). В настоящее время контрпропеллеры применяются редко. На некоторых крупнотоннажных судах нашла применение профилированная корма, создающая эффект контрпропеллера. Например, если установлен винт правого вращения, ахтерштевень выше оси винта несколько отклоняют влево, а ниже оси винта - вправо. Это позволяет повысить КПД винта на переднем ходу.
Как было установлено, сходного эффекта можно добиться установкой за винтом обтекаемого руля, который оказывает положительное влияние на винт при всех режимах его работы, включая задний ход, хотя на расчетном режиме выигрыш от обтекаемого руля меньше, чем от контрпропеллера. В результате закручивания потока гребным винтом половинки пера руля, расположенные выше и ниже оси винта, обтекаются потоком, набегающим под некоторым углом атаки. На них возникают силы, направленные преимущественно к бортам (разным для обеих половин), но имеется и продольная составляющая, увеличивающая упор. Пластинчатый руль, обладающий более низким гидродинамическим качеством, такого эффекта не дает.
Для пластинчатых рулей итальянец Коста в 30-е гг. 20 в. предложил каплевидные (грушевидные) наделки, иногда называемые его именем. В связи с переходом к обтекаемым рулям, имеющим преимущества и с точки зрения управляемости, наделки не получили широкого распространения.
По схеме Папмеля КПД винта с рулем определялся по формуле:
П = ip П p,         (4.9)
где пр - КПД винта в свободной воде (снятый с диаграммы); ip - коэффициент влияния руля, равный

 

kp можно определить по табл. 4.1 в зависимости от относительной толщины пера руля e/b и расстояния между винтом и рулем, отнесенного к диаметру винта, a/D.

В настоящее время влияние руля принято учитывать иначе - через коэффициент засасывания (см. формулы 4.7), что дает возможность учесть не только увеличение КПД, но и дополнительный упор от руля, но при этом теряется зависимость эффективности руля от указанных факторов. С другой стороны, относительная толщина руля часто близка к 0,15, а расстояние между винтом и рулем принимается минимально допустимым. Тогда нет особой нужды в усложнении учета влияния руля.

Засасывание

Этот термин учитывает влияние винта на сопротивление корпуса.
Работающий гребной винт увеличивает скорости обтекания кормовой оконечности, что должно приводить к росту сопротивления трения, но этот эффект невелик. Если у судна имеется общий отрыв пограничного слоя, винт смещает точку отрыва к ахтерштевню или вообще устраняет отрыв, но у большинства судов отрыв пограничного слоя отсутствует. Наибольшее значение имеет то, что пониженное давление на засасывающей поверхности лопастей действует на некоторой части длины кормовой оконечности судна, создавая дополнительное сопротивление AR - силу засасывания, по природе подобную сопротивлению формы, хотя и не связанную с вязкостью. Логично предположить, что сила засасывания пропорциональна упору винта:
AR = tT,  ( 4.14 )
где t - коэффициент засасывания. Тогда при заданной тяге винта (определяемой из условия равенства суммарной тяги всех винтов полному сопротивлению при заданной скорости; если число винтов zp = 1 или 2, тяга TE = R/zp, при большем числе винтов определение тяги каждого является особой задачей) упор должен рассчитываться по формуле:

 ( 4.15 )

Засасывание - вредное явление. Силу засасывания можно уменьшить, удаляя винт от корпуса или уменьшая углы между поверхностью обшивки и направлением движения судна. Первый способ связан с конструктивными трудностями и не дает большого эффекта, второй может привести к отрыву пограничного слоя, так что обоими следует пользоваться осторожно.
Несколько десятилетий назад была популярна формула Э.Э. Папмеля:

 ( 4.16 )

где to - коэффициент засасывания на швартовном режиме; s1 - скольжение относительно шага нулевого упора; kt - коэффициент, который, по Папмелю, зависит от характера обработки лопастей винта и для хорошо / средне / плохо обработанных лопастей равен соответственно 0,3 / 0,5 / 0,7.
В современных расчетных схемах зависимость коэффициента засасывания от скольжения не учитывается, имея в виду то, что на рабочем режиме относительное скольжение довольно стабильно по величине. Для одновинтовых судов принимают:
t = (0,7 - 0,9)w - если за винтом стоит обтекаемый руль;
t = (0,9 -1,05)w - при пластинчатом (плоском) руле; (4.7)
t = (0,5 - 0,7) w  - при наличии контрпропеллера.
Здесь относительное скольжение считается равным s1 = 0,3. Если по расчету скольжение отличается от 0,3, рекомендуется корректировать величину коэффициента засасывания по формуле (4.6).
Коэффициент засасывания двухвинтовых судов можно рассчитать по формулам:
t = 0,25w + 0,14 - при расположении гребных валов в выкружках;
t = 0,7w + 0,06 - если валы поддерживаются кронштейнами. (4.8)
Заметим, что однозначной связи между коэффициентами попутного потока и засасывания, которая следует из формул (4.6)-(4.8), фактически нет. При некоторых формах корпуса возможен рост коэффициента попутного потока при одновременном уменьшении засасывания.

Попутный поток

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.

Общие понятия

До сих пор мы рассматривали работу гребного винта в свободной воде. Судовые гребные винты работают за корпусом (за исключением редко встречающихся носовых винтов ледоколов), а за винтом, расположенным в ДП, размещается перо руля (у многовинтовых судов число винтов и рулей часто не совпадает). Указанные элементы взаимодействуют друг с другом по схеме, приведенной на рисунке:

Взаимодействие винта и корпуса можно разделить на механическое и гидромеханическое. Механическое взаимодействие заключается в следующем. Тяга винта через ступицу, конус гребного вала передается на валопровод, сжимая его, далее на упорный подшипник и через его фундамент - на корпус. Она уравновешивается силой сопротивления движению. Сжимающие усилия в валопроводе играют определенную роль - с ними связаны продольные колебания валопрово-да; напряжения в корпусе судна от действия силы тяги винта незначительны и в расчетах прочности не учитываются. Сопротивление вращению лопастей, преодолеваемое крутящим моментом от двигателя, прикладывается к корпусу в виде кренящего момента и уравновешивается восстанавливающим моментом; в расчетах остойчивости этот кренящий момент также не учитывается.
Гидромеханическое взаимодействие значительно сложнее и важнее. Оно заключается в изменении поля скоростей и давлений в системе корпус-винт-руль. Именно этот вид взаимодействия мы будем изучать в данной главе. Изучение может производиться теоретическим или экспериментальным путем, причем в обоих случаях возникают серьезные трудности. Теоретическое решение задачи о работе винта за корпусом чрезвычайно сложно. Мы уже указывали, что аналитические расчеты как сопротивления движению, так и гребного винта сами по себе сложны, комплексная же задача неизмеримо сложнее. Поэтому при теоретическом исследовании винта, работающего за корпусом, предварительно решают задачу расчета обтекания корпуса, а затем рассчитывают как бы изолированный винт, но работающий в потоке, измененном корпусом. Аналогично решается задача об обтекании корпуса без винта, но с учетом изменений, вносимых им.
При экспериментальном изучении принципиально невозможно моделирование эффектов, обусловленных вязкостью, что уже указывалось в соответствующих разделах. Так что наиболее надежные результаты можно получить только путем натурных измерений, что очень сложно и дорого.