Тема: Взаємодія гребного гвинта і корпусу корабля

1. Явище попутного потоку.

2. Явище засмоктування.

3. Пропульсивний коефіцієнт.

 

Навчальна література:

1. В.П.Шостак та ін.; за ред. В.П.Шостака. Проектування пропульсивної установки суден з прямою передачею потужності на гвинт. Навчальний посібник. - Миколаїв; УДМТУ, 2003. - 500 с. іл.

2. Ф.М.Кацман, Д.В. Дорогостайский. Теория судна и движители. - Л.: Судостроение. 1979. – 279 с. §§ 10 ÷ 16.

3. В.К.Ломоть та ін., Теория корабля.–Л.: ЛВВМИУ, 1983. – 453 с.

4. Методичні вказівки щодо самостійної підготовки та самоконтролю курсантів по засвоєнню навчального матеріалу з дисципліни «Корабельні газотурбінні, дизель-газотурбінні і дизельні енергетичні установки». –С.: СВМІ, 2007 р.

 

 

Вступ

Актуальність теми лекції визначається складністю явищ взаємодії гребного гвинта і корпуса корабля. При русі корабля його корпус і гребний гвинт перебувають у складній гідродинамічній взаємодії.

Корпус корабля при своєму русі створює попутний потік. Тому у гребного гвинта, що працює за корпусом корабля, змінюються гідродинамічні характеристики в порівнянні з роботою у вільній воді.

Обертовий гребний гвинт засмоктує перед собою воду, тим самим, змінює умови обтікання кормового краю корпуса й відповідно опір води руху корабля.

Тому в даний час при проектуванні гребних гвинтів для обліку взаємодії гвинта з корпусом корабля застосовують умовний прийом, сутність якого полягає в наступному: гребний гвинт розглядається як ізольований, але працюючий у потоці, який змінений присутністю корпусу. Корпус же корабля розглядається, як буксируємий у потоці, зміненому дією гребного гвинта.

 

Явище попутного потоку

При русі ізольованого корпуса (без гвинтів) у рідині з деякою швидкістю V за його кормою виникає потік, у середньому спрямований убік його переміщення. Цей потік називається попутним потоком. Його прийнято називати номінальним, якщо він викликаний ізольованим корпусом корабля, і визначається в місці, де повинен бути розташований рушій.

У результаті впливу попутного потоку абсолютна величина швидкості води в місці розташування диска гвинта змінюється в порівнянні зі швидкістю незбуреного потоку (V_p). V_p = V₀ - U.

Різниця швидкостей U = V₀ -V_p називається швидкістю попутного потоку,

де V₀ - швидкість руху ізольованого корпусу (без гвинтів);

V_p - швидкість незбуреного потоку через диск гвинта (без впливу корпусу корабля).

Звичайно швидкість попутного потоку виражають у частках від швидкості руху корабля і це відношення називається коефіцієнтом попутного потоку.

Величина w вважається позитивною, якщо попутний потік у середньому спрямований убік переміщення корабля, що характерно для країв корпуса (особливо кормовий). У середній частині корпуса, де утвориться потік, в основному спрямований убік, протилежний переміщенню корабля, величина w являється негативною і є коефіцієнтом зустрічного потоку.

Розрахунок елементів і гідродинамічних характеристик гребного гвинта, що працює за корпусом корабля, відбувається по діаграмах серійних випробувань моделей гребних гвинтів у вільній воді. При виборі елементів гвинта за розрахункову приймають не швидкість поступального руху корабля, а швидкість корабля, виправлену на величину розрахункової швидкості попутного потоку:

V_p = V₀ × ( 1- w)

де w - коефіцієнт розрахункового попутного потоку.

Під коефіцієнтом розрахункового попутного потоку розуміють значення попутного потоку, обумовлене з умови еквівалентності роботи гребного гвинта за корпусом і у вільній воді.

Поняття еквівалентності роботи гвинта припускає рівність значень упора і рівності значень споживаної потужності в обох випадках.

Значення коефіцієнтів попутного потоку для деяких типів військових кораблів:

- легкі крейсери - W = 0,03¸0,07

- есмінці - W = 0¸0,05

- СКР - W = 0¸0,03

- торпедні катери - W = 0¸0,04

Явище засмоктування

Не тільки корпус корабля впливає на роботу гребного гвинта, але і гребний гвинт впливає на потік, що обтікає корпус корабля. Рушій, що працює поблизу корпуса корабля, викликає підсмоктування до себе води і тим самим збільшує швидкість обтікання кормового краю. Відповідно до теореми Бернуллі, збільшення швидкості супроводжується падінням тиску, у результаті чого крива розподілу тисків у кормі змінюється в порівнянні з кривою, яка відповідає обтіканню корпуса без гвинта.

Це додаткове зниження тиску в кормовому краї корпуса при практично незмінному тиску в носовій частині приводить до виникнення додаткової сили, що діє на поверхню корабля убік протилежний його переміщенню, тобто супроводжується зростанням опору води руху корабля.

Додатковий опір води руху корабля, обумовлений засмоктуючою дією гребного гвинта при роботі за корпусом, прийнято називати силою засмоктування.

У системі «корпус-гвинт» сила засмоктування є внутрішньою силою, що врівноважується додатковим упором DР, що розвивається гвинтом.

Таким чином, повний упор гвинта Р затрачається на подолання буксирувального опору корабля R (без гвинта) та додаткового опору чи сили засмоктування DR, тобто

Р = R + D R = Р_с +D Р

Частина упору, яка йде на подолання буксирувального опору (без гвинта), називають корисною тягою Р_е (чи просто тягою).

Відношення сили засмоктування до упора гребного гвинта називається коефіцієнтом засмоктування t тобто

 

Оскільки при відомому опорі руху корабля R упор гребного гвинта при одновальній установці визначається в такий спосіб:

при Z_р рушіїв

Величина коефіцієнта засмоктування залежить від форми обводів корпусу корабля, розмірів гребного гвинта і його розташування стосовно корпуса і змінюється зі зміною швидкості ходу і режиму роботи гвинта. У ряді випадків аналогічно коефіцієнту упора в розрахунках ходовості використовується коефіцієнт тяги гвинта.

Коефіцієнти упора і тяги зв'язані наступним співвідношенням:

 

 

Значення коефіцієнта засмоктування для деяких типів військових кораблів:

- легкі крейсера - t = 0,05¸0,10

- есмінці - t = 0,03¸0,06

- СКР - t = 0,04¸0,08

- торпедні катери - t = 0,01¸0,03

Пропульсивний коефіцієнт

Пропульсивний коефіцієнт комплексу «корпус-гвинт» являє собою міру ефективності використання потужності, яка споживається гвинтом. Він дорівнює відношенню буксирувальної потужності N_R до потужності N_p, що підводиться до гвинта

де Z_Р - число гребних валів (рушіїв).

Буксирувальна потужність являє собою потужність, необхідну для буксирування корабля при опорі R зі швидкістю V.

N_R = RV

Потужність, що підводиться до гвинта

де М - крутний момент на гребному валу при роботі гвинта за корпусом корабля (кгс×м);

n - число оборотів за секунду.

У наслідок втрат на тертя в підшипниках і передачах потужності, потужність, яка підводиться до гвинта, менше потужність двигуна N_e :

де h_в - ККД валопроводу;

h_п -ККД передачі.

Пропульсивний коефіцієнт комплексу «рушій-корпус» може бути представлений у виді

У результаті взаємодії гвинта і корпуса корабля пропульсивний коефіцієнт звичайно не дорівнює ККД ізольованого рушія.

де М¢ -крутний момент на валу рушія, що працює у вільній воді.

Величина М¢ звичайно відрізняється від моменту М на валу у рушія, що працює за корпусом, тому що умови роботи гвинта у вільній воді і за корпусом різні (нерівномірність поля швидкостей, турбулентність потоку, наявність чи відсутність руля й ін.).

Вираз для пропульсивного коефіцієнта можна представити у виді

,

Перший множник у правій частині цього вираження являє собою ККД еквівалентного ізольованого рушія, який, працюючи у вільній воді, розвиває упор Р при розрахунковій швидкості V_p і споживає крутний момент М¢ при числі оборотів n.

Другий множник дорівнює відношенню корисної потужності комплексу «рушій-корпус» Р_е×V та еквівалентного ізольованого рушія Р×V _р. Цей вираз можна представити у виді

= h_кh_р;

Величина h_к називається коефіцієнтом впливу корпуса і визначається значеннями характеристик попутного потоку і засмоктування при роботі рушія за корпусом корабля.

 

Таким чином, пропульсивний коефіцієнт комплексу «гвинт-корпус» можна представити у виді

 

Висновки:

1. Явище попутного потоку збільшує значення пропульсивного коефіцієнта.

2. Явище засмоктування зменшує значення пропульсивного коефіцієнта.

3. У цілому вплив явищ попутного потоку і засмоктування залежить від розташування гребних гвинтів, форми кормових обводів, конструктивних особливостей і режиму роботи гребного гвинта.

 

 

ЛЕКЦІЯ № 8

 

Тема: КОРАБЕЛЬНІ ГАЗОТУРБІННІ ЕНЕРГЕТИЧНІ УСТАНОВКИ І ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ