Движители быстроходных судов

Некавитирующие широколопастные гребные винты.

Основная проблема, которую приходится решать, проектируя винты высокоскоростных судов, — максимальное отдаление кавитации. Это достигается, во-первых, использованием на всех радиусах сегментного сечения профиля, а во-вторых, высоким дисковым отношением. Последнему обстоятельству эти винты и обязаны своим наименованием — широколопастные.

В отечественной практике распространение получили широколопастные гребные винты Г. А. Звездкиной, которая построила соответствующие расчетные диаграммы. В их основе — испытания серии трехлопастных винтов с дисковым отношением Л_?/Л₀ — 0,5; 0,8; 1,1 и шаговым отношением P/D = 0,6+1,6. Диаграммы построены по методу Э. Э. Иапмеля, с их помощью можно решать все задачи, связанные с проектированием гребных винтов.

Обработка экспериментальных данных Г. А. Звездкиной, проведенная под руководством автора, позволила представить ГДХ широколопастных винтов в аналитическом виде:

где K_TuK_Q — коэффициенты упора и момента; K_r= K_T/K_Tmix — нормализованный коэффициент упора; J = J/J^ — нормализованная относительная поступь; К_Ттлх- коэффициент упора в швартовном режиме (J = 0), J^, К^ - относительная поступь нулевого упора и соответствующий ей коэффициент момента.

Были аппроксимированы также необходимые для проектирования гребных винтов линии оптимальных значений всех коэффициентов задания. Для удобства пользования они представлены так, чтобы по известному значению соответствующего коэффициента задания находить искомые характеристики (P/D, J) оптимального винта:

Выражения (4.81)—(4.85) полностью описывают ГДХ всех винтов серии, а (4.86)—(4.89) позволяют решать проблему выбора оптимального винта при любых типах задания. Кроме того, они могут использоваться и для винтов с промежуточными значениями дискового отношения (в диапазоне Л_Е/А₀ — 0,5+1,1).

Минимально допустимое с точки зрения прочности дисковое отношение определяется по формуле, полученной с использованием методики В. М. Лаврентьева:

где Т — упор; D — диаметр винта; [а]—допускаемые напряжения.

Проверка винта на кавитацию осуществляется на заключительной стадии расчета, когда геометрические характеристики (Л_?/Л₀, P/D) и режим работы винта (J) уже известны. Отсутствие второй стадии кавитации обеспечивается условием J >J _кр, а величина последнего определяется выражением.

где а₀— осевое число кавитации, а коэффициенты а и b определяются в зависимости от шагового отношения:

P/D…0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6.

а… 1,43 1,17 1,00 0,91 0,89 0,89.

Ъ…0,43 0,33 0,23 0,19 0,19 0,19.

Выражение (4.91) справедливо в диапазоне 0,7 < а₀ (A_E/A_Q) < 1,0, вполне достаточном для проверки винтов, работа которых может сопровождаться кавитацией.

Винты, установленные на наклонных гребных валах (СПК с МПК, глиссирующие суда), работают в равномерно скошенном поле скоростей, когда угол атаки, а элемента за один оборот изменяется в достаточно широких пределах. В результате в одном положении (а > 0) на лопасти кавитация может наблюдаться на засасывающей, в другом, а < 0 — на нагнетающей поверхности, а в третьем, промежуточном, а — 0 — вообще отсутствовать. Наибольшую опасность с точки зрения возникновения эрозии представляет кавитация нагнетающей поверхности.

Для устранения последней методами вихревой теории проводят корректировку геометрических элементов [P/D = /(г), 8_С = /(г)] гребного винта.

Взаимодействие гребного винта с корпусом быстроходного судна в значительной степени определяется типом судна и компоновкой движительного комплекса. Так, например, на глиссирующих судах и СП К с малопогружными крыльями (МП К) обычно устанавливают наклонные гребные валы, у мореходных СП К с АУПК винты располагают за гондолами. Систематические данные по коэффициентам взаимодействия некавитирующих гребных винтов с корпусом быстроходных судов отсутствуют, чаще всего при расчетах используют известные результаты судов-прототипов.

Пример 4.7. Рассчитаем некавитирующий гребной винт для быстроходного судна водоизмещением D = 32 т. Известно: v_s — 21,5 уз (v ^e 11,1 м/с); R — 40 кН; число винтов — 2; коэффициенты взаимодействия W_t" t" 0; диаметр винта D — 0,75 м.

Задавая [а] «600 • 10² кПа, по (4.90) находим дисковое отношение (T^m R/2 — 20 кН):

Принимаем Л_Е/Л₀ — 0,9.

По (4.44) определяем коэффициент задания.

а по (4.88) рассчитываем шаговое отношение и относительную поступь.

Используя (4.82) и (4.83), находим:

— 0 921.

Зная, J = —-= 0,635, по (4.81) рассчитаем.

1,45.

по (4.85) и (4.84) находим

КПД гребного винта.

Мощность энергетической установки (t_s — 0,98) частота вращения.

Определим осевое число кавитации (h_t = 2,1 м): кавитация отсутствует при.