Дополнительные вопросы работы гребных винтов

Реверсирование гребных винтов.

Реверсом называется маневр, в ходе которого направление движения судна изменяется на противоположное. Это возможно только за счет реверсирования гребного винта — соответствующего изменения направления его упора. Суда, оборудованные ВФШ, осуществляют реверс путем изменения на противоположное вращения гребного вала, т. е. за счет реверса механической установки.

Процесс реверса судна с переднего на задний ход можно подразделить на четыре периода. Первый из них начинается с подачи команды на реверс до отключения двигателя, второй — до остановки вращения гребного винта, третий — до остановки судна, а четвертый — до развития судном заданной скорости заднего хода. Реверс судна — сложный, нестационарный процесс, во время которого все кинематические и динамические характеристики гребного винта претерпевают существенные изменения. В связи с тем что скорость указанных изменений относительно невелика, при изучении работы гребного винта можно использовать гипотезу квазистационарности. Суть последней в том, что мгновенные силы, действующие на элемент лопасти в данный момент времени, принимаются равными силам в стационарном поле скоростей, характерном для данного промежутка времени. Другими словами, используется принцип фотографирования со вспышкой: на снимке остается мгновенное изображение, присущее данному моменту.

Собственно реверс начинается во втором периоде, когда после отключения двигателя частота вращения гребного винта уменьшается до скорости свободного вращения под действием набегающего потока, соответственно упор винта уменьшается, а затем и изменяет знак — с этого момента винт начинает тормозить судно. Затем под действием двигателя, включенного на задний ход, винт продолжает сбрасывать обороты вплоть до того, когда частота вращения станет равной нулю. Продолжительность второго периода относительно невелика, скорость судна в силу его инерции меняется незначительно. Третий этап занимает время, большее двух предыдущих: по мере того как двигатель развивает полные обороты заднего хода, увеличивается и упор винта, отрицательный по величине. Его максимум имеет место в конце этапа при швартовном режиме заднего хода, когда скорость движения тормозится до нуля. Последний, четвертый, период реверса характеризуется увеличением скорости заднего хода и падением отрицательного коэффициента упора винта. Заканчивается он, когда полезная тяга винта на заднем ходу становится равной сопротивлению судна, движущегося кормой вперед.

Основные характеристики маневренных качеств судна при реверсе: время и путь выбега — расстояние, проходимое судном до полной остановки (тормозной путь судна при работе пропульсивного комплекса на задний ход); время развития оборотов гребного винта в противоположном направлении, время развития полной скорости заднего хода.

В процессе реверса непрерывно меняется характер обтекания лопастей гребного винта, соответственные изменения происходят и с силами, на них возникающими. Действительно, проследим работу элемента лопасти, расположенного на радиусе г (рис. 4.29).

В начале реверса обтекание элемента определяется скоростями поступательного движения v_A, угловой П и суммарной, вызванной в диске винта w₀ = zv_x0 + а/_ео; в конце его имеем г/, Q' и w₀' — соответствующие скорости заднего хода.

Таким образом, во время этого маневра непрерывно изменяется (по величине и направлению) и результирующая скорость v_R, а также и угол атаки элемента а. В итоге и элементарные силы упора, и.

Рис. 4.29. Обтекание элемента лопасти ВФШ при реверсе сопротивление вращению изменяются от значений dT и dx на переднем ходу, до dT' и dx' — на заднем (см. рис. 4.29). При этом меняются и функции поверхностей (засасывающая становится нагнетающей, и наоборот); и кромок лопасти, входящей и выходящей. Для винтов с несимметричным профилем сечения лопасти это приводит к заметному снижению КПД. В этом плане выгодно отличаются ледокольные винты, имеющие двояковыпуклый профиль.

Рис. 4.30. Последовательность изменения коэффициента упора ВФШ в процессе реверса.

ГДХ ВФШ в режиме реверса находят средствами модельного эксперимента, в ходе которого независимо изменяются направление и величина поступательной и угловой скоростей вращения винта. При этом поступь перестает однозначно определять ГДХ винта: одна и та же величина может быть получена и на переднем (v_A > О, Q > 0) и на заднем (v_A < 0, Q' < 0) ходах, в то время как коэффициенты упора и момента будут различаться не только по значению, но и по знаку. На рис. 4.30 приведена характерная для ВФШ зависимость K_T(J) при реверсе. Каждому из четырех квадрантов соответствует определенное сочетание скорости и_л и частоты п, которые принимают положительными на переднем ходу. Точка А на рис. 4.30 отвечает установившемуся режиму движения судна в начале реверса. В точке В при поступи нулевого момента винт свободно вращается (K_Q — 0, К_т < 0) — он отключен от двигателя (конец первого периода). В точке С_у конец второго периода, в нуль обращается частота вращения п.

Эта точка находится за пределами графика, поскольку при этом формально/-**>, К_т-*>о. Однако и упор и потребляемая винтом мощность в этой точке имеют конечные значения, которые могут быть определены при ином, чем было принято раньше, способе представления ГДХ винтов [см. далее (4.95)]. На третьем этапе двигатель работает на задний ход, частота приобретает конечное отрицательное значение (п < 0), а судно все еще движется по инерции вперед (v_A >

>0), относительная поступь меняет знак, мы вновь попадаем на график в третий квадрант. Точка D соответствует концу третьего периода — остановке судна (v_A = 0, J = 0), а точка Е — установившемуся заднему ходу, когда v_A < 0, п < 0, а поступь вновь положительна J > 0.

Как мы убедились выше, представление ГДХ ВФШ в традиционном видеK_T(J)n K_Q(J) приводит к тому, что при реверсе выпадают режимы в окрестности п = 0 (J-*"). Для устранения этого недостатка вместо поступи можно использовать величину, ей обратную¹ J_p ⁼ 1/А ^а коэффициенты упора и момента представить в виде.

Тогда совокупность зависимостей К_т(J), K_Q(J) и К_р (J_p), K_m (J_p) позволяет исследовать все режимы реверса без исключения.

Реверс судна, оборудованного ВРШ, осуществляется за счет изменения шага винта (перекладки лопастей) без реверса механической установки, частота вращения которой в процессе маневра остается практически неизменной. Соответственно отсутствуют режимы и—>0, отпадает необходимость и представления ГДХ ВРШ в виде (4.95), (4.96).

Различают три периода реверса судна с ВРШ: перекладка лопастей из положения переднего (P/D)_ti в положение заднего хода (P/D)₃; торможение судна; развитие скорости установившегося заднего хода. Точка Л на кривых действия ВРШ (рис. 4.31) — начало первого периода, точка В — его конец. Но мере перекладки лопастей, занимающей время порядка 8—30 с, коэффициент упора изменяется практически по вертикали: скорость судна и частота вращения винта остаются притом практически постоянными, т. е. и / - - const. Второй период — торможение судна под действием отрицательного упора — завершается в точке С, когда v_A — 0, J — 0. Далее судно начинает с нарастающей скоростью двигаться задним ходом, и последний, третий, период заканчивается в точке Д где движение принимает установившийся характер (v_A — const). В ходе реверса функции поверхностей лопасти ВРШ меняются, как и у ВФШ; в отличие от ВФШ кромки входящая и выходящая своего назначения не изменяют. Углы атаки элемента лопасти ВРШ (рис. 4.32) изменяются в широких пределах, проходя и режимы, соответствующие отрывному обтеканию профиля.

Судно, оборудованное ВРШ, имеет повышенные маневренные качества: сокращается время и путь выбега, соответственно увеличивается безопасность плавания. Время реверсирования судна очень важно для ледоколов и судов активного ледового плавания — это одна из причин, стимулирующих работы по использованию ВРШ на этих судах.

Нагрузки, возникающие на лопастях и ВФШ и ВРШ, в процессе реверса могут существенно превышать расчетные при устано;

Рис. 4.31. Изменение коэффициента упора ВРШ при реверсе.

Рис. 4.32. Обтекание элемента лопасти ВРШ при реверсе.

вившемся движении. Это необходимо учитывать при анализе прочности винтов.