Прочность гребных винтов

Лопасть представляет собой винтообразной формы оболочку, имеющую переменную вдоль радиуса ширину, толщину и кривизну. Ее можно рассматривать как консольную балку, жестко заделанную в корневом сечении. Под действием внешних нагрузок: упора, сопротивления вращению, центробежных сил — лопасть подвергается кручению, изгибу, растяжению, т. е. испытывает сложное напряженное состояние.

Расчет прочности лопасти, как обычно, включает три задачи: определение внешних сил и внутренних напряжений, назначение обоснованного запаса прочности.

Внешние силы обычно разделяют на две категории: стационарные и периодические, возникающие в основном вследствие неравномерности поля скоростей.

На сегодняшний день проблему определения внешних сил можно считать практически решенной. Для гребного винта заданной геометрии, работающего в заданном поле скоростей, поверочный расчет позволяет определить как средние, так и амплитудные значениях всех перечисленных выше видов нагрузок, действующих на лопасть.

Несколько сложнее обстоит дело с определением сил внутренних, однако для винтов с не слишком большим дисковым отношением существуют достаточно надежные способы расчета этих напряжений.

Расчеты, выполненные для гребных винтов транспортных судов, показывают, что определяющими являются напряжения в корневом сечении лопасти. Поэтому обычно проверку прочности проводят только для сечения на радиусе г=0,2.

Считается, что прочность винта по статическим нагрузкам обеспечена, если коэффициент запаса по временному сопротивлению материала находится в пределах = a_ip/a_mix — 8+10, а по пределу текучести n_s = сгуо_тах — 3+4.

Для расчета циклической прочности определяют максимальные и минимальные значения нагрузок за один оборот. Это можно сделать с помощью (4.77) при наличии полной информации о распределении скоростей в попутном потоке.

Для обеспечения циклической прочности должно выполняться условие.

где а_, — предел усталости материала; а_о — амплитудное изменение напряжения; а — среднее значение напряжения; п_ж «(3,5+4) — коэффициент запаса циклической прочности.

Расчеты прочности широколопастных гребных винтов быстроходных судов, приведенные, но более сложной методике, показали, что максимальные напряжения у этих винтов наблюдаются в районе входящей кромки лопасти на радиусах г = 0,7+0,8. Определяющим здесь оказалось стесненное кручение лопасти, которое не учитывается для винтов транспортных судов.

В заключение отметим, что точное определение напряжений в лопастях в различных условиях эксплуатации (реверс, движение на волнении и др.) пока еще не всегда возможно. Это компенсируется значительными запасами прочности, вводимыми при назначении допускаемых напряжений.

На предварительных стадиях расчета винта для оценки его прочности можно использовать выражение (4.73).