Направляющие насадки

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.

Потери в гребных винтах и способы их уменьшения

Основные виды потерь мощности в гребных винтах следующие:
1) потери на создание вызванных осевых скоростей;
2) потери на создание вызванных окружных скоростей;
3) профильные потери;
4) индуктивные (концевые) потери.
Первый вид потерь существует в любом гидравлическом движителе, в том числе в идеальном. Как следует из теории идеального движителя, эти потери тем больше, чем больше отношение вызванной осевой скорости к скорости движения судна. Основной путь уменьшения этого вида потерь - увеличение в допустимых пределах площади гидравлического сечения. У обычных морских транспортных судов небольших и средних размеров диаметр винта нередко принимается близким к предельному. У крупнотоннажных судов с большой осадкой предельно допустимый по условиям размещения в корме диаметр винта больше, чем позволяют производственные возможности заводов-изготовителей гребных винтов. К тому же, частота вращения винта предельного диаметра оказывается очень низкой (порядка 1 об/с и меньше), тогда как применяемые на таких судах малооборотные дизели характеризуются большей частотой вращения. Громоздкие и дорогие редукторы в данных случаях практически не применяются, но в мире интенсивно ведутся работы по созданию малооборотных дизелей, размеры и масса которых получаются очень большими.
Предложены перекрывающиеся гребные винты - пара бортовых винтов, приближенных к ДП и разнесенных по длине судна, так что их диски перекрывают друг друга (расстояние между осями винтов составляет 70-75 % диаметра вместо обычных 170-180 %). Этим достигается некоторое уменьшение сопротивления выступающих частей, увеличение коэффициентов попутного потока и влияния корпуса, что позволяет получить экономию мощности на крупнотоннажных судах до 13-15 % и на быстроходных судах - до 7 %. Такая схема имеет и другие преимущества, которые мы не рассматриваем, но не лишена определенных недостатков, в частности, создает повышенную вибрацию. При большой мощности энергетической установки проблема вибрации, вызванной гребным винтом, стоит весьма остро.
Вопрос о зависимости эффективности винта от его диаметра не так прост, как может показаться. КПД изолированного винта с увеличением диаметра растет, но одновременно растет и коэффициент засасывания при приблизительно постоянном коэффициенте попутного потока, в результате чего рост пропульсивного КПД (с учетом влияния корпуса) замедляется; оптимальный диаметр винта за корпусом меньше, чем в свободной воде. Одновременно несколько изменяется форма кормовой оконечности, из-за чего происходит рост сопротивления воды движению судна.
Один из сравнительно новых способов повышения эффективности винта -установка за ним свободно вращающегося турбопропеллера (СВТ - «колеса профессора Грима»), предложенного в Германии. СВТ представляет собой винт с узкими лопастями, свободно вращающийся на валу за основным винтом с небольшой частотой, составляющей 35-45 % от частоты вращения гребного вала. Диаметр СВТ несколько больше, чем у основного винта, причем внутренняя часть СВТ работает как турбина, т.е. раскручивается потоком от винта, а наружная, выходящая за габариты основного винта, - как движитель. Упор движительной части больше, чем сопротивление турбинной части, в результате СВТ создает дополнительный упор, повышая КПД установки. Отмечается, что такой пропуль-сивный комплекс несколько менее эффективен, чем один гребной винт, диаметр которого равен диаметру СВТ, но требует большей частоты вращения гребного вала (т.е. меньших размеров двигателя) и допускает меньшие по величине зазоры между винтом и корпусом. При постоянной мощности упор комплекса на 10-13 % больше, чем одиночного винта, КПД повышается до 10 %.
При больших отношениях В/Т часто бывает выгодной установка двух, редко -большего числа винтов, в результате чего удается увеличить КПД благодаря увеличению площади гидравлического сечения. Особенно остро эта проблема стоит у мелкосидящих судов внутреннего плавания. Для таких судов предложены туннельные (тоннельные) обводы кормовой оконечности: винты располагаются в специально спрофилированных туннелях, так что их диаметр может превышать осадку судна кормой Т, достигая 1,25 Т. На переднем ходу туннель заполняется водой; благодаря увеличению площади гидравлического сечения (до 3 раз) требуемая мощность снижается, несмотря на увеличение сопротивления судна.
На некоторых судах, плавающих по мелководному незасоренному фарватеру, применяют полупогруженные винты, ось которых располагается выше уровня воды. По сравнению с полностью погруженным винтом такого же диаметра их КПД заметно меньше из-за прорыва воздуха к лопастям и волноообра-зования, но увеличение площади гидравлического сечения по сравнению с полностью погруженным винтом (винтами) нередко дает положительный эффект. К достоинствам полупогруженных винтов можно отнести простоту дейдвудного устройства, к недостаткам - большие массу и габариты.
Потери на создание вызванных окружных скоростей можно существенно снизить, применяя контрпропеллеры или обтекаемые рули. Эти вопросы нами рассмотрены в соответствующем разделе. В последние годы на некоторых судах зарубежной постройки стали применять специальное профилирование кормовой оконечности по типу контрпропеллера. Но наибольшего эффекта позволяют достичь соосные винты противоположного вращения (СВПВ). Принцип их действия вполне соответствует названию. Валопровод состоит из двух валов, один из которых проходит внутри другого. Передний винт сидит на наружном валу, задний, с несколько меньшим диаметром и большим шагом, - на внутреннем, они вращаются в разные стороны. На любом режиме такая конструкция позволяет практически полностью устранить окружные потери. Пара соосных винтов всегда выигрывает в КПД по сравнению с винтом, за которым расположен обтекаемый руль. Рост КПД винта в свободной воде составляет 10-12 %, коэффициент влияния корпуса увеличивается на 10-15 %, что приводит к снижению необходимой мощности до 20 %. Но такой комплекс сложнее при проектировании, изготовлении, монтаже, эксплуатации и ремонте; размещение одного вала внутри другого создает серьезные трудности и является источником дополнительных потерь на трение. Эти трудности, очевидно, отпугивают проектантов, так что в мире в настоящее время имеется немного гражданских судов и военных кораблей с соосными винтами, среди них американская атомная подводная лодка. В нашей стране проводились серьезные исследования в данном направлении, однако судов с такими винтами нет.
Кстати, некоторое время назад рекламировались гребные винты тандем -соосные, но вращающиеся в одну сторону. По сравнению с одновинтовым вариантом они позволяют разнести упор на два диска, по сравнению с двумя бортовыми винтами - лучше используют энергию попутного потока. Более внимательное рассмотрение показывает, что это, по сути дела, один винт с удвоенным числом лопастей (см. ВРШ типа тандем). Такие винты применялись на некоторых рыбопромысловых судах германской постройки.
Профильные потери снижают двумя путями: правильным выбором формы лопастных сечений и тщательной обработкой поверхности лопастей. Известно, что при работе на передний ход предпочтительны авиационные сечения лопастей, их входящие кромки притупляют, чтобы избежать отрыва потока при неизбежных колебаниях углов атаки. Средней линии профиля придается изгиб, определенный специальным расчетом из так называемого условия безударного входа: имеется в виду, что поток на расчетном режиме должен набегать на лопасть в направлении касательной к средней линии у входящей кромки. Обычно сечения вблизи корня получаются двояковыпуклыми, а на больших радиусах - выпукло-вогнутыми.
Обработка лопастей не только уменьшает сопротивление их движению в воде, но и делает профиль более близким к теоретическому. Как показали опыты, при высоте бугорков шероховатости не более 0,005 мм лопасти могут считаться гидравлически гладкими, т. е. КПД винта имеет максимальное значение. У шлифованного латунного винта высота бугорков шероховатости составляет примерно 0,025 мм, увеличиваясь на 0,015 мм в год, КПД нового винта получается примерно на 1 % меньше максимального. У хорошо обработанного винта из чугуна или углеродистой стали высота бугорков шероховатости около 0,175 мм, что ведет к снижению КПД на 5 %; за год эксплуатации она увеличивается на 3,5 мм. В настоящее время эти материалы почти не используются для изготовления гребных винтов. Углеродистая сталь и чугун - достаточно дешевые материалы, но отлитый и полностью обработанный стальной винт нередко оказывается дороже латунного или бронзового, к тому же перерасход топлива, обусловленный повышенной шероховатостью, делает винты из этих недорогих материалов неэкономичными. Практически при выборе материала гребного винта ориентируются на размеры и мощность судна: чем они больше, тем более прочный материал для них берут.
Учитывая большое влияние состояния поверхности лопастей на эффективность винта, при каждом доковании винт снимают, тщательно проверяют его состояние, обнаруженные дефекты вырубают и заваривают, после чего зачищают и проверяют качество работы.
Индуктивные (концевые) потери возникают из-за перетекания воды с нагнетательной поверхности на засасывающую, т. е. из области повышенного в область пониженного давления, через край лопасти. Как известно из теории крыла, наименьшие концевые потери имеет крыло эллиптической в плане формы. Примерно то же относится к гребному винту, контур которого делается скругленной формы. Если чрезмерно расширять концевые сечения, уменьшается ширина лопасти у корня, что затрудняет обеспечение ее прочности, и растут концевые потери. Если, наоборот, расширять лопасть у корня и сужать у края, уменьшаются размеры сечений на больших радиусах, которые создают основную часть упора (вследствие больших скоростей обтекания).