Понятие о расчете ВРШ

Возможность разворота лопастей ВРШ значительно увеличивает количество режимов его работы и требует выполнения специфических расчетов. Проектировочный расчет ВФШ ограничивается определением его геометрических характеристик, обеспечивающих полное использование мощности двигателя на расчетном режиме при максимальном КПД. Для оценки его работы на других режимах рассчитывается и строится паспортная диаграмма. Применительно к ВРШ объем проектных расчетов увеличивается. Здесь мы не будем их рассматривать подробно, а ограничимся кратким обзором.
Как должно быть ясно из предыдущего параграфа, для ВРШ, как и для ВФШ, необходимо выполнять проектировочный расчет с целью определения основных геометрических характеристик, в том числе конструктивного шага.
Этот расчет требует выбора расчетного режима и принципиально не отличается от расчета ВФШ. Как и для ВФШ, здесь возможны два основных варианта задания: 1) задается скорость хода, определяются элементы винта и подбирается главный двигатель; 2) задается главный двигатель, определяются достижимая скорость хода и соответствующие элементы винта. Для расчета рекомендуется использовать диаграммы, построенные по результатам испытания моделей ВРШ. При их отсутствии допускается использовать диаграммы для ВФШ, уменьшив КПД на 2-3 %.
Поверочные расчеты гидродинамических характеристик ВРШ на установившихся режимах зависят от того, находятся ли лопасти в положении конструктивного шага или повернуты на некоторый угол. При конструктивном шаге основной особенностью является увеличенный диаметр ступицы. На обтекателе гребного винта появляется дополнительное сопротивление, уменьшающее упор ВРШ. После поворота лопастей, шаг на разных радиусах становится переменным и изменяется профиль лопастей. Существуют методы расчета характеристик ВРШ с развернутыми лопастями, которые мы не рассматриваем. Для приближенных расчетов имеются специальные диаграммы, на которых указано конструктивное шаговое отношение; различные шаговые отношения на кривых соответствуют не серии моделей, как для ВФШ, а одной модели.
Отдельную задачу представляет расчет реверса ВРШ. Реверс судна при помощи ВРШ - это сложный нестационарный процесс. При практических расчетах используют гипотезу квазистационарности, т.е. каждый из режимов в процессе реверса рассматривается как установившийся.
После того как элементы ВРШ выбраны, возможен расчет максимально достижимой скорости хода судна. Для этого вычисляется зависимость максимальной тяги ВРШ от скорости хода и находится точка пересечения кривой тяги с кривой сопротивления.
Расчет кривой максимальной тяги ВРШ имеет свои особенности, поскольку каждой точке кривой соответствует свое значение шагового отношения, обеспечивающее использование полной мощности двигателя при заданной скорости хода. Расчет кривой максимальной тяги можно вести в табличной форме (табл. 6.2). Предварительно должны быть заданы диаметр гребного винта D, м, мощность главного двигателя Ps, кВт, частота вращения n, об/с, коэффициенты попутного потока w и засасывания t, КПД валопровода nв, число винтов Zp,.
По результатам расчета строится график, подобный изображенному на рис. 6.2. Если в условиях эксплуатации сопротивление судна по какой-то причине изменится, скорость хода и требуемый шаг можно получить, нанеся новую кривую сопротивления. То же относится к случаям буксирования и т.п.; в этих случаях график может быть перестроен в кривые избыточной тяги ВРШ (тяги за вычетом собственного сопротивления).
Таблица 6.2 :

Рис. 6.2. Кривые максимальной тяги и шагового отношения ВРШ

Если необходимо знать частоту вращения и мощность ВФШ при скоростях, меньших максимальной, строится паспортная диаграмма. У ВРШ каждому значению скорости хода, меньшей максимальной, соответствуют различные сочетания шага винта и частоты вращения гребного вала. Это ставит дополнительные задачи, например, нахождения режима, обеспечивающего минимальный расход топлива при заданной скорости хода. Для решения указанной задачи необходимо иметь универсальную характеристику двигателя по расходу топлива в форме зависимости удельного расхода топлива от мощности и частоты вращения двигателя (рис. 6.3). Шкалы на рисунке условные.

Рис. 6.3. Универсальная характеристика двигателя по расходу топлива: 1 - верхняя ограничительная характеристика; 2 - нижняя ограничительная характеристика; G0 - G7 - кривые постоянного расхода топлива

Рассмотрим принцип построения диаграммы с целью выбора наиболее экономичных режимов свободного хода судна. Для заданной кривой сопротивления строятся графики зависимости шагового отношения от скорости хода при постоянной частоте вращения гребного вала (рис. 6.4), а также вспомогательные графики зависимости потребной мощности и расхода топлива от числа оборотов при постоянном шаговом отношении (рис. 6.5 и 6.6). График расхода топлива строится на основании универсальной характеристики (рис. 6.3). Графики зависимости шагового отношения от скорости хода для заданной частоты вращения строятся в такой последовательности. Вначале рассчитывается величина эффективной тяги, соответствующей различным шаговым отношениям и скоростям хода при заданной частоте вращения. Затем определяется скорость хода при разных значениях шага. Расчет ведется в форме табл. 6.3; данные в последней строке таблицы служат для построения графика (рис. 6.5).
Аналогично можно выполнить расчеты и построить графики для случаев хода буксира с возом или траулера с тралом. Используя результаты всех этих расчетов, можно построить универсальный график ВРШ, позволяющий определить скорость хода, скорость буксировки, шаговое отношение и частоту вращения гребного винта, соответствующие наиболее экономичным режимам хода. Этот график здесь не приводится. При проектировании могут решаться и некоторые другие задачи.

Рис. 6.4. Зависимость шагового отношения от скорости при постоянной частоте вращения (ВОХ - верхняя ограничительная характеристика)

Рис. 6.5. Зависимость мощности от частоты вращения: 1 - верхняя ограничительная характеристика двигателя; 2 - нижняя ограничительная характеристика; P/D - шаговое отношение

Рис. 6.6. Зависимость расхода топлива от частоты вращения: ВОХ - верхняя ограничительная характеристика; P/D - шаговое отношение; v - скорость

Таблица 6.3
Расчет зависимости шагового отношения от скорости хода при постоянной частоте вращения

Область применения и особенности проектирования ВРШ

Можно выделить три группы судов, для которых проектирование ВРШ обладает специфическими особенностями: 1) суда, совершающие длительные рейсы и обладающие несколькими резко отличающимися режимами хода (траулеры, морские буксиры и т.п.); 2) суда рейдового плавания, работающие в маневренном режиме (портовые буксиры и т.п.); 3) суда, обладающие одним (или близкими) режимом движения и совершающие длительные рейсы(транспортные суда с нереверсивными главными двигателями, например, газовыми турбинами).
При проектировании ВРШ для судна первой группы стремятся обеспечить наилучшие пропульсивные качества для основного режима. Если трудно установить, какой режим является основным, лучше выбрать более тяжелый режим, соответствующий меньшей скорости, т.е. меньший конструктивный шаг, поскольку при этом падение КПД на других режимах, в том числе на заднем ходу, будет меньше.
Для второй группы судов всегда проектируют винт на наиболее тяжелый режим, причем для улучшения характеристик заднего хода нередко принимают конструктивный шаг на 10-20 % меньше расчетного. Рациональны винты ради-ально-переменного шага, убывающего к корню на 20-25 %, что делает лопасть более плоской.
ВРШ судов третьей группы всегда проектируется на полный передний ход.
Из изложенного ясно, что преимущества ВРШ наиболее ярко проявляются тогда, когда судно имеет несколько сильно различающихся режимов движения, причем они занимают длительное время. В настоящее время ВРШ устанавливают на буксирах, рыбопромысловых судах, паромах, ледоколах, военных кораблях, пассажирских, транспортных судах и др. Количество судов, оборудованных ВРШ, исчисляется сотнями. Мощность наиболее крупных ВРШ достигает 44 МВт («Куин Элизабет 2», 1987 г.); из отечественных судов отметим серию танкеров типа «Крым» дедвейтом 150 тыс. т с ВРШ в осене-симметричной насадке и паротурбинной установкой мощностью 30 000 л.с.(22 МВт).
В ряде случаев выбор расчетного режима для ВРШ требует анализа некоторых факторов, например, необходимости снижения крутящих моментов, преодолеваемых приводом поворота лопастей. Обычно это связано с требованием улучшения характеристик заднего хода.

Преимущества и недостатки ВРШ

Одно из важных преимуществ - возможность применения нереверсивных двигателей и упрощения энергетической установки. На турбоходах для реверса используют турбины заднего хода. Дизельная установка упрощается незначительно, но отсутствие реверсов значительно увеличивает срок службы дизеля, который иначе приходится останавливать, а затем запускать в обратном направлении с помощью холодного сжатого воздуха. Возникают повышенные температурные нагрузки, неблагоприятные для двигателя.
ВРШ позволяет получать любые скорости хода, от полного переднего до полного заднего, без изменения частоты вращения двигателя. При этом КПД будет меньше, чем у ВФШ, но скорость хода часто оказывается большей благодаря полному использованию мощности двигателя. Но можно управлять работой двигательно-движительного комплекса и иначе: изменять и шаг винта, и частоту вращения двигателя с таким расчетом, чтобы получить наибольший КПД (некоторый промежуточный случай между "чистыми" ВФШ и ВРШ). Некоторым судам требуется, кроме полного хода, иметь возможность двигаться с малыми скоростями. Если судно оборудовано ВФШ, минимальная скорость ограничена минимально устойчивыми оборотами двигателя. Малые скорости, в принципе, можно получить, если на судне имеется активный руль. ВРШ полностью решает проблему обеспечения произвольной скорости хода.
Управление работой ВРШ осуществляется непосредственно с мостика, что повышает оперативность и надежность выполнения команд - это может сыграть большую роль в аварийных ситуациях, когда требуется немедленное принятие решения, возможно, неблагоприятного для двигателя.
Нередко считают, что ВРШ ускоряет время реверса и уменьшает длину выбега судна при торможении, хотя некоторые специалисты с этим не согласны.
ВРШ улучшает ходовые качества многовинтового судна. При остановке (например, на экономическом ходу корабля) или выходе из строя одного или нескольких двигателей нетрудно предотвратить перегрузку остальных, которые в случае ВФШ становятся тяжелыми. Сопротивление неработающих винтов можно уменьшить, развернув их во флюгерное положение, если это позволяет их конструкция (т.е. вдоль потока, но это встречается редко, так как требует обеспечения очень большого диапазона углов поворота лопастей), или установив их на шаг нулевого момента (свободного вращения).
У судов с ВФШ имеется определенная зависимость между скоростью хода и частотой вращения двигателя. Иногда при частоте, меньше номинальной, возникает резонансная вибрация валопровода, что практически запрещает судну иметь скорости хода в некотором диапазоне. С ВРШ можно избежать критических оборотов двигателя, выбрав подходящее сочетание шага и числа оборотов. Наконец, упрощается доводка изготовленного винта, поскольку требования к точности по шагу смягчаются. Имеются и некоторые другие преимущества.
Очевидный и очень серьезный недостаток ВРШ - сложность конструкции, что ведет к повышению стоимости установки и понижению ее надежности, хотя необходимо отметить, что надежность современных ВРШ достаточно высока. На большинстве судов, где имеются ВРШ, они окупаются за несколько лет благодаря указанным преимуществам.
Выше были названы и другие недостатки: увеличенные размеры ступицы, ограниченная ширина лопасти у корня, из-за чего приходится утолщать корневые сечения из условий прочности, что, однако, ускоряет наступление кавитации, для устранения которой требуется увеличивать на 5-10 % дисковое отношение, предельная величина которого существенно меньше, чем у ВФШ. Разработаны ВРШ тандем, у которых одна пара лопастей сдвинута в корму по отношению к другой. Это позволяет уменьшить диаметр ступицы и увеличить дисковое отношение до значений, характерных для ВФШ, но ценой удлинения ступицы на 30-50 % и усложнения конструкции.

Некоторые особенности геометрии лопастей ВРШ

Всякий ВРШ, как и ВФШ, проектируется на совершенно определенный режим работы, на котором его отличия от ВФШ будут минимальными. Этому режиму соответствует конструктивный шаг, тоже вполне определенный. Разница между ВРШ и ВФШ заключается в том, что у ВРШ увеличенный диаметр ступицы (примерно в 1,5 раза) и ограниченная ширина сечения у корня, что связано с наличием механизма изменения шага, некоторые узлы которого размещены в ступице, и поворотных фланцев, к которым крепятся лопасти. Кроме того, у ВРШ максимальное дисковое отношение составляет приблизительно 0,75, тогда как у ВФШ оно может достигать 1,2-1,3. Эти особенности ведут к некоторому (1-3 %) снижению КПД и ухудшению кавитационных характеристик.
При повороте лопастей появляются дополнительные особенности. Во-первых, шаг винта на разных радиусах изменяется по-разному, так как все сечения поворачиваются на одинаковый угол, а при конструктивном шаге шаговые углы на разных радиусах различны. Может получиться, что при установке на отрицательный шаг сечения вблизи корня будут работать на передний ход, тогда как все остальные - на задний. Во-вторых, изменяется форма лопастных сечений. Это может на первый взгляд показаться странным, ведь лопасти не деформируются при развороте. Но вспомним, что лопастное сечение получается в результате пересечения лопасти соосным цилиндром, который после поворота лопасти будет пересекать лопасть по другой линии. В результате первоначально плоское сечение превращается в S-образную дужку. Обе эти особенности отрицательно влияют на КПД винта. Наконец, у широколопастных винтов может измениться диаметр - это важно для винтов в насадках, которые после уменьшения шага могут задевать тело насадки.
К числу особенностей ВРШ (не относящихся непосредственно к геометрии) можно отнести необходимость выполнения расчетов прочности не только для лопасти, но также для лопастной заделки, причем в последнем случае, кроме изгибающих, приходится учитывать и крутящие моменты, для вычисления которых требуется знать распределение усилий не только вдоль радиуса, но и вдоль винтовых линий.

Взаимодействие винта с судовой энергетической установкой

Судно развивает наибольшую скорость при минимальном расходе топлива только тогда, когда гребной винт точно соответствует и корпусу, и энергетической установке судна. Это значит, что при расчетной скорости он развивает тягу, равную сопротивлению судна, и потребляет номинальную мощность двигателя при его номинальной частоте вращения.
Пусть, например, по каким-то причинам (обрастание, морское волнение, буксировка другого судна или трала) сопротивление судна возросло. Точка пересечения кривых сопротивления и тяги винта при номинальной частоте вращения сместится в сторону меньшей скорости. При этой скорости мощность, потребляемая винтом, больше номинальной мощности двигателя. Следовательно, двигатель будет снижать обороты до тех пор, пока не наступит равновесие при некоторых меньших значениях скорости хода и оборотов; мощность двигателя соответственно упадет (поскольку у дизеля при приблизительно постоянном крутящем моменте, который связан с давлением газов в цилиндрах, мощность пропорциональна частоте вращения). В таком случае говорят, что винт «тяжелый», точнее - гидродинамически тяжелый - двигатель не может обеспечить номинальный режим работы. Если у судна винт спроектирован на условия испытаний, т.е. на свежеокрашенный корпус, отсутствие ветра и волнения, то в условиях эксплуатации он становится тяжелым. В результате двигатель перегревается, срок его службы уменьшается. Распространенный способ достижения соответствия между двигателем и винтом - обрезка концов лопастей, т.е. уменьшение диаметра, что определяется расчетом. Грубо ориентировочно считают, что диаметр винта нужно уменьшить на столько процентов, на сколько недобираются обороты. Итак, признаки тяжелого винта - двигатель не может развить ни обороты, ни мощность.
Возможен и противоположный случай, когда сопротивление оказывается меньше расчетного. Причин этого также может быть несколько. Например, винт спроектирован на режим буксирования или траления, а судно движется свободным ходом; при ходе в балласте в благоприятных погодных условиях; возможно, шаг винта оказался несколько меньше требуемого. Такой винт называют "легким". При равенстве тяги и сопротивления скорость судна получается больше расчетной, а требуемая винтом мощность - меньше номинальной мощности двигателя. Регулятор не позволяет двигателю существенно (ориентировочно более 3 %) увеличить обороты - они остаются приблизительно постоянными, но снижается развиваемая мощность за счет уменьшения подачи топлива. Легкий винт труднее поддается исправлению: приварка концов лопастей (наделок) для увеличения диаметра может привести к недостаточной прочности лопастей; увеличение шага путем правки лопастей технологически сложно. Лучше всего при обнаружении несоответствия между двигателем и винтом выполнить новые расчеты и изготовить новый винт.
Еще раз напомним, что при определении соответствия нельзя ограничиваться рассмотрением только двигателя и винта - большую роль играет и корпус судна. Значит, например, если для какой-то моторной лодки имеется агрегат, состоящий из двигателя и винта, не следует думать, что при установке на любой корпус будет достигнуто соответствие. Более того, даже на этом корпусе при изменениях нагрузки, посадки, условий плавания соответствие будет нарушаться.
Таким образом, обычный гребной винт, называемый также винтом фиксированного шага (ВФШ), соответствует двигателю и корпусу только на одном режиме, который характеризуется совершенно определенными значениями относительной поступи, коэффициентов упора и момента. Но во второй половине XIX в. были предложены винты с поворотными лопастями. Они устанавливались на пароходах с нереверсивными паровыми машинами и обеспечивали реверс, позволяя устанавливать лопасти в два положения: на передний и задний ход. Такие винты были несовершенными и ненадежными, поэтому с появлением реверсивных двигателей от них отказались. С середины 30-х гг. 20 в. винты с поворотными лопастями (ВПЛ), называемые чаще всего винтами регулируемого шага (ВРШ), вновь стали распространяться.
Выясним, при каких условиях соответствие не будет нарушаться. Мощность, потребляемая винтом, определяется по формуле:

Чтобы на любом режиме и мощность, и частота вращения имели постоянные значения, необходимо и достаточно, чтобы постоянным был коэффициент момента Kq. Для этого при уменьшении скорости хода требуется уменьшать, а при увеличении - увеличивать шаг винта, что достигается поворотом лопастей на некоторый угол.

Паспортная диаграмма гребного винта

Опустим разделы, посвященные конструированию винтов, расчетам прочности лопастей. Эти вопросы изложены в специальной литературе; краткие сведения имеются в методических указаниях В.С. Антоненко, С.В. Антоненко и М.Т. Чашкова «Расчет и конструирование гребных винтов». Расчет паспортной диаграммы также отражен в этих методических указаниях, здесь будут изложены некоторые дополнительные сведения. Кроме того, знание паспортной диаграммы потребуется нам при дальнейшем изложении.
Паспортная диаграмма гребного винта - это совокупность согласованных между собой характеристик корпуса, двигателя и винта при различных скоростях судна и частотах вращения двигателя. Расчет ее ведется в табличной форме (табл. 6.1).

Значения относительной поступи во 2-й строке задаются. При выполнении курсовой работы рекомендуется выбирать их следующим образом: первое значение берется достаточно малым, например 0,10-0,20 (рекомендуются круглые значения, в соответствии с линиями сетки на расчетной диаграмме, что избавит от необходимости интерполяции); третье удобнее брать равным тому, которое получилось в последнем приближении; второе берется примерно посередине между ними; наконец, последнее следует принять на 0,1-0,15 больше третьего.
Для расчета берется диаграмма, построенная для серии моделей, у которых число лопастей совпадает с числом лопастей проектируемого винта, а дисковое отношение отличается как можно меньше. Если по каким-либо причинам это требование выполнить не удается, необходимо пересчитать коэффициент упора и КПД, как указано ниже. На расчетной диаграмме проводится (мысленно - не забывайте о том, что после вас книгой будут пользоваться другие!) кривая, соответствующая шаговому отношению проектируемого винта. На ней находят точки, соответствующие выбранным значениям поступи, и по этим точкам - величины коэффициента упора и КПД, которые записывают в строки 2 и 6.
При несовпадении числа лопастей и дискового отношения коэффициент упора и КПД, снятые с диаграммы, пересчитывают по следующим формулам:

В табл. 6.1 предусмотрен учет зависимости коэффициента засасывания от скольжения s1, рассчитанного по шаговому отношению нулевого упора P1/D. Его лучше всего определять по расчетной диаграмме - оно равно относительной поступи в точке пересечения кривой, соответствующей шаговому отношению рассчитываемого винта, с осью поступей и всегда несколько превышает геометрическое шаговое отношение. В строке 4 индекс «0» относится к расчетному режиму движения (с заданной скоростью), величины без этого индекса относятся к выбранной поступи. Понятно, что при совпадении J3 с расчетной коэффициенты t и t0 тоже совпадут.
Пропульсивный КПД, подсчитанный в строке 7, получается умножением КПД, снятого с диаграммы, на коэффициент влияния корпуса, в который, кроме коэффициентов попутного потока и засасывания, входят также два коэффициента iT и iQ, учитывающие влияние неравномерности потока в диске винта соответственно на упор и момент. Величины их зависят от способа их определения и чаще всего мало отличаются от единицы; в курсовой работе их можно принимать равными 1,00.
После заполнения первых 7 строк табл. 6.1 каждый столбец делят на 4 части и выбирают 4 значения оборотов винта в минуту. Рекомендуется четвертое (или третье) из них брать равным расчетному (номинальному), первое - минимально возможному, а если оно неизвестно - примерно 0,5-0,6 от номинального, остальные значения берутся через приблизительно равные интервалы.
Примерный вид паспортной диаграммы показан на рис. 6.1. По горизонтальной оси отложены скорости судна в м/с, по вертикали вверх - тяга винта в кН при различной частоте вращения гребного вала, значения которой в об/с указаны под рисунком, вниз - мощности, потребляемые при этом гребным винтом, в кВт, уменьшенные в 10 раз (знак «-» поставлен условно). Кроме того, в верхней части рисунка построена кривая сопротивления движению судна, а внизу -соответствующей мощности, которую требует судно от винта (она равна частному от деления буксировочной мощности на КПД винта, вала и передачи) -утолщенные линии.

Рис. 6.1. Паспортная диаграмма гребного винта

На диаграмме строятся также некоторые другие кривые, например, изображающие зависимость между мощностью и частотой вращения главного двигателя или сопротивление движению в различных условиях. По такой диаграмме можно решать некоторые задачи, связанные с ходкостью судна. Например, если судно занимается буксировкой другого судна, трала или иного объекта, по известной скорости движения и частоте вращения винта можно определить тягу на гаке, т.е. сопротивление буксируемого объекта. Для этого от точки на оси абсцисс, соответствующей заданной скорости, вверх проводится вертикаль до пересечения с кривой тяги винта при известной частоте вращения. Тяга на гаке определяется как разность между полезной тягой винта и сопротивлением движению судна-буксировщика.