Подбор гребных винтов по диаграммам

Проектирование гребных винтов транспортных судов, как правило, сводится к выбору оптимального (см. § 4.5) винта. При этом он должен обладать необходимой прочностью и удовлетворять условию отсутствия негативных последствий кавитации. В случае, когда требуется обеспечить судну заданную скорость, оптимальность винта означает минимальную мощность механической установки. Если заданы характеристики двигателя, оптимальный винт позволяет судну двигаться с наибольшей скоростью.

Все задачи, связанные с проектированием гребного винта, в том числе и оптимального, эффективно могут решаться с помощью диаграмм для расчета гребных винтов (см. § 4.5). Исходной информацией при этом являются известные геометрические элементы гребного винта: D_mix, Z_p, А_Е/А₀ и характеристики взаимодействия W_T, ?, i_Q. Практически все многообразие заданий на проектирование гребных винтов можно свести к четырем основным типам, для каждого из которых используется своя расчетная схема.

Схема 1. Заданы: скорость судна v расчетное сопротивление /?, диаметр винта D. Оптимальный гребной винт находится с помощью коэффициента задания K_DT [см. (4.44)], вычисляемого с учетом того, что винт работает за корпусом судна:

На диаграмме, соответствующей элементам задания Л_?/Л₀, Z_p на линии K_DTopl находят точку, отвечающую рассчитанному значению (4.74) этого коэффициента, затем, как это описано в § 4.5, снимают величины P/D, у, К_г Т|₀. Искомые значения оптимальной частоты вращения двигателя и его мощности P_s находятся, но очевидным формулам:

где t|_D = Г|_нТ|₀ — пропульсивный коэффициент; r_s — КПД передачи мощности.

Потери энергии в валопроводе зависят от его длины (МО в середине, в корме, промежуточное положение) и составляют 1—3%. Соответственно при прямой передаче мощности: двигатель — вал — движитель r_s = 0,99+0,97. Наличие дополнительного звена — механического редуктора либо гидромуфты — увеличивает потери мощности, при этом r_s = 0,94+0,96. Еще меньшие значения КПД имеют место при электрической (дизель-генератор — электродвигатель —вал — винт) передаче мощности: ц₅ — 0,88+0,90.

Использование коэффициента К_пт фактически означает задание коэффициента нагрузки С_ТА — 8/пК²_0Т, а вместе с ним и предела коэффициента полезного действия rj₀ (см. § 4.2), что ограничивает возможности оптимизации винта. Поэтому часто ту же задачу решают с помощью коэффициента задания К^.

Схема 2. Исходные величины те же, что и в схеме 1. Задавая ряд значений частоты вращения винта п, для каждой из них с учетом взаимодействия винта и корпуса определяют.

находят на линии диаграммы соответствующую точку, снимают относительную поступь J, а затем ее корректируют:

Указанная корректировка необходима для учета влияния корпуса: в связи с тем что t (J) максимумы функций т)₀(/) ^и П₀(/) ^не совпадают, т. е. диаметр оптимального винта в свободной воде и за корпусом не одинаковы. Корректировка поступи фактически означает корректировку оптимального диаметра.

Для гребных винтов в ДП а — 1,05, для бортовых винтов, где влияние корпуса слабее, а = 1,03.

Последовательность дальнейших расчетов: /-* D _|Х—" К_т —"P/D —" -" Г|₀ —>Р/ их удобнее выполнять в табличной форме.

По результатам расчетов строят графические зависимости P_s (п) и D (п), а затем выбирают гребной винт, обеспечивающий Р_Гп1я. Очевидно, что практический интерес представляют только те варианты, при которых D_opl < D_max. Для винтов транспортных судов обычно искомый вариант P_Sm. соответствует максимальной величине диаметра. (Пример реализации указанной схемы расчета оптимального гребного винта — см. в табл. 4.4 § 4.12.).

Схема 3. Заданы R, v, D и п. Находят значения K_TnJ (с учетом взаимодействия), которые однозначно определяют координаты точки, сответствующей искомому винту. С диаграммы снимаются величины P/D, Г|₀; затем рассчитывают мощность механической установки Р_т

Рассматриваемая схема исключает любые вариации, полученный гребной винт не является оптимальным.

В приведенных выше схемах заданы характеристики корпуса — скорость и сопротивление, а искомой является мощность двигателя. Для решения таких задач и предназначены корпусные диаграммы.

В том случае, когда задаются характеристики двигателя, логичнее было бы использовать машинные диаграммы (см. § 4.5). Однако и эти задачи могут столь же эффективно решаться с помощью корпусных диаграмм.

Схема 4. Исходные данные: зависимость сопротивления судна от скорости R (v) и характеристики главной механической установки Р_г п.

В районе предполагаемой скорости задаются несколькими ее значениями и для каждого из них рассчитывают коэффициент задания К^. Дальнейший расчет идентичен таковому в схеме 2. Построив по его данным зависимости P_s(v), D (v) и P/D = f (v), находят искомые характеристики винта в точке, где мощность равна заданной P_s (v) ⁼P_Sm- В этом варианте предполагается, что диаметр винта не ограничен. В наиболее интересном с практической точки зрения случае диаметр винта всегда имеет верхний предел D_max. Тогда для скоростей, при которых D < D_max, расчет ведется по схеме 2, а при.

D > D_mM — по схеме 3. В последнем случае принимают D = D_max и выбранный винт, строго говоря, уже не будет оптимальным.

Пример такого расчета см. в табл. 4.5 § 4.12, в первых четырех столбцах которой ?>_ор[ < D_nax и принимается D — D_{op (}, а в пятом D_o > D , в связи с чем принято D = D_mM. В последнем случае КЙД винта мало отличается от Т|_0тах, поскольку невелики и различия в D_opt и D_max. Однако, если ограничение диаметра винта при заданных характеристиках двигателя (Р#п) приводит к существенному снижению пропульсивного коэффициента, то решается вопрос о редукции частоты вращения. Такая ситуация возможна, когда по каким-либо причинам не удается подобрать подходящий двигатель. В этом случае расчет винта можно вести по схеме 1 для нескольких скоростей движения.

Обычно проектирование гребного винта выполняется в несколько этапов. На первом определяются основные геометрические параметры (D, А_с/А_а, Z ') и коэффициенты взаимодействия винта и корпуса (W_T, t, i_Q). Далее рассчитывают гребной винт, обеспечивающий заданному судну заданную скорость (схемы 1 или 2) и находят необходимые для этого характеристики (Р_у я) главной механической установки. Затем выбирают двигатель, мощность и частота вращения которого в наибольшей степени отвечают требуемым. На заключительном этапе рассчитывают гребной винт, обеспечивающий проектируемому судну с выбранным двигателем максимальную достижимую скорость. Пример подобного расчета приведен в § 4.12.

Для подбора двигателя можно пользоваться каталогами отечественных и зарубежных фирм, а также табл. 4.1, где приведены основные характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей, выпускаемых консорциумом «МАН—Бурмейстер и Вайн». ДВС этой фирмы широко применяют на отечественных судах.