Эксплуатационные качества гребных винтов, работающих в неравномерном потоке при свободно-поворотном креплении лопастей

Актуальность темы

.

В реальных условиях гребной винт работает за корпусом судна в неравномерном набегающем потоке. Каждой точке диска гребного винта соответствует своя скорость набегающего потока. При этом на каждой фазе вращения гребного вала изменяются углы атаки и гидродинамические характеристики лопасти. Наблюдается отклонение шаговых углов от оптимальных, возникают периодические усилия, передающиеся на корпус судна, появляется вибрация и акустическое излучение (шум), снижается КПД винта.

Управление шаговыми углами лопастей с учетом фактической скорости судна, частоты вращения гребного вала и неравномерности потока даёт возможность улучшать эксплуатационные качества гребных винтов. Известны винты, позволяющие регулировать шаг лопастей (ВРШ) и винты с изменяемым за один оборот шагом каждой лопасти (ВИШ), улучшающие кавитационные, гидроакустические и пропульсивые характеристики. Вместе с тем при использовании этих винтов возникает ряд проблем. Они связаны со сложностью конструкции, большим весом и стоимостью, трудностью размещения механизма поворота в ступице при малых диаметрах винтов.

На режиме заднего хода обтекание лопастей винтов фиксированного шага (ВФШ) ухудшается из-за того, что задняя кромка движется в сторону набегающего потока и наблюдается смена рабочей функции засасывающей и нагнетающей поверхностей.

Обычно лишь выбор конструкции гребного винта с учетом характеристик корпуса и параметров судового двигателя позволяет существенно улучшить его эксплуатационные качества. Поиск конструкции, приспособленной к условиям работы в неравномерном потоке на разных режимах, продолжает оставаться одним из важных и актуальных направлений исследований.

Объектом исследования является гребной винт со свободно-поворотным креплением лопастей и его эксплуатационные качества при работе в неравномерном потоке, а также эксплуатационные характеристики этого винта в комплексе с двигателем и корпусом. Противоположные лопасти винта крепятся к свободно-поворотному валу лопастей, расположенному в ступице перпендикулярно гребному валу. Вал лопастей обеспечивает жёсткую или гибкую (при другом конструктивном исполнении) связь между парой лопастей. Жесткий вал сохраняет неизменным положение лопастей в паре между собой. А гибкий вал допускает упругое кручение, что позволяет изменять шаг гребного винта. Во время работы винта такое крепление даёт возможность шаговым углам лопастей изменяться на любой фазе вращения с учётом и под влиянием неравномерного поля скоростей перед движителем. Другими словами, противоположные лопасти поворачиваются за счет общего разворота пары и за счет гибкой связи между лопастями так, чтобы уменьшить различие в углах атаки лопастей в неравномерном потоке. На режимах заднего хода передние кромки лопастей разворачиваются в сторону набегающего потока.

Такая конструкция обеспечивает более высокие значения коэффициента полезного действия гребного винта. Она позволяет уменьшать периодические нагрузки, вибрацию, шум, а также износ валопровода.

Цель диссертационной работы состоит в формировании теоретических и физических представлений о работе гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей в неравномерном потоке воды за корпусом судна и разработке конструкции на их основе.

Для этого были поставлены следующие задачи:

— разработать математическую модель взаимодействия механических и гидродинамических сил, действующих на гребной винт,.

— на основе математической модели сформулировать требования к выбору геометрических характеристик,.

— создать алгоритм и программу, позволяющие рассчитывать периодические усилия, передаваемые на вал гребного винта,.

— расчитать эксплуатационные характеристики комплекса гребной винт-двигатель-корпус,.

— создать аппаратуру и разработать методику для регистрации динамических изменений шаговых углов винта в неравномерном поле скоростей воздушной среды,.

— разработать конструкцию и изготовить экспериментальный образец-модель гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей для воды.

Методы исследования.

В теоретической части работы при проведении исследований использовалось описание движения механической системы, состоящей из ступицы гребного винта и двух пар свободно-поворотных лопастей, дифференциальными уравнениями Лагранжа второго рода в обобщенных координатах.

Расчет гидродинамических сил, кривых действия, паспортных диаграмм, других характеристик гребного винта выполнялся с использованием вихревой теории на ЭВМ.

Экспериментальная часть работы выполнена с моделью гребного винта на специально разработанной для этого установке. Испытания модели выполнены в воздушной среде, а экспериментального образца-модели — в воде. Опыт по развороту передних кромок в сторону набегающего потока при реверсе направления вращения проведен на модели и экспериментальном образце. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием компьютерных методов обработки и анализа полученных данных.

Научная новизна. Создан алгоритм и программа на ЭВМ для расчёта кривых действия исследуемого гребного винта и ходовых характеристик комплекса исследуемый винт-двигатель-корпус.

Практическая ценность заключается в разработке конструкции и основных вопросов проектирования гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей для работы в неравномерном потоке. Для изучаемого гребного винта получены и экспериментально подтверждены конструктивные решения, позволяющие обеспечить регулирование шаговых углов лопастей так, чтобы углы атаки стремились к оптимальным на любой фазе вращения гребного вала в неравномерном потоке за корпусом судна. Показана возможность самостоятельного разворота лопастей на 180° при реверсе вращения гребного вала. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель гребного винта, которая включает систему дифференциальных уравнений и отражает особенности работы гребного винта, состоящего из ступицы и двух пар лопастей со свободно-поворотным креплением, в условиях неравномерного поля скоростей за корпусом судна.

2. Решены основные вопросы проектирования исследуемой конструкции и определены периодические усилия, передаваемые на вал гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей при работе в неравномерном потоке. Расчетами показано уменьшение периодических нагрузок по сравнению с винтом фиксированного шага.

3. Создан алгоритм и программа, которые позволяют рассчитывать основные эксплуатационные характеристики комплекса гребной винт-двигатель-корпус судна. Получены кривые действия и ходовые характеристики комплекса, имеющего гребной винт со свободно-поворотным креплением лопастей.

4. Разработана методика и создана аппаратура для регистрации динамических изменений шаговых углов винта со свободно-поворотной парой лопастей, которые испытаны при работе в воздушной среде и позволяют определять изменения шаговых углов в зависимости от фазы положения лопастей. Экспериментально показана зависимость шаговых углов лопастей от неравномерности потока.

5. С целью повышения эксплуатационных качеств гребного винта разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец-модель, в котором выполнено свободно-поворотное крепление лопастей, что обеспечивает способность лопастей самонастраиваться по шаговым углам, уменьшать периодические нагрузки на вал, изменять положение лопастей при реверсе таким образом, чтобы их передние кромки разворачивались в сторону набегающего потока.

Материалы диссертационной работы распределены по главам следующим образом.

В первой главе изложен обзор публикаций по опыту эксплуатации, конструкциям, теории и методам расчета судовых гребных винтов. Даны описания особенностей эксплуатации известных конструкций (ВФШ, ВРШ, ВИШ). Приведены системы координат и условные обозначения, принятые для описания и проектирования гребных винтов. Рассмотрены практические методы расчета, сделаны выводы о необходимости и направлении дальнейших исследований.

Во второй главе приводится схема и устройство, исследуемого гребного винта, особенностью которого является наличие свободно-поворотных пар лопастей, связанных между собой валом лопастей и работающих в неравномерном потоке воды. Разработана математическая модель, описывающая движение исследуемого гребного винта, выраженная в виде системы дифференциальных уравнений, полученных из уравнений Лагранжа второго рода. Она позволяет изучить влияние неравномерного потока жидкости и особенностей конструкции на эксплуатационные качества работающего гребного винта.

В третьей главе гребной винт изучается как механическая колебательная система. Определена частота свободных колебаний пары лопастей. Показано влияние отдельных геометрических параметров конструкции и эксплуатационных условий на режим работы винта. Изложен порядок расчета по вихревой теории гидродинамических сил и моментов. Выполнена оценка прочности. В конце главы представлена блок-схема программы расчета параметров и характеристик исследуемого винта.

В четвертой главе проводятся сравнительные расчеты периодических усилий, передаваемых на вал гребного винта со свободно-поворотным и фиксированным креплением лопастей, при работе в неравномерном потоке.

Теоретический расчет эксплуатационных характеристик выполняется в пятой главе. Получены кривые действия для гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей с гибкой связью в виде пружины и для винта фиксированно.

10 го шага. Построены ходовые характеристики судового комплекса с исследуемым гребным винтом и комплекса с винтом фиксированного шага.

В шестой главе отражены экспериментальные исследования. Изучается модель, состоящая из ступицы, закрепленной на гребном валу, и двух лопастей, жестко связанных между собой валом, который имеет возможность свободно вращаться в ступице. Испытания модели и определение изменений шаговых углов лопастей выполнялись в воздушной среде с помощью установки, созданой автором. По результатам моделирования и экспериментальных исследований создан экспериментальный образец-модель гребного винта для воды со свободно-поворотным креплением лопастей.

Приложение содержит комплект чертежей экспериментального образца-модели гребного винта.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Судостроение и судоремонт» Московской государственной академии водного транспорта.

выводы.

1. Разработана математическая модель гребного винта, которая включает систему дифференциальных уравнений и отражает особенности работы гребного винта, состоящего из ступицы и двух пар лопастей со свободно-поворотным креплением, в условиях неравномерного поля скоростей за корпусом судна.

2. Решены основные вопросы проектирования исследуемой конструкции и определены Периодические усилия, передаваемые на вал гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей при работе в неравномерном потоке. Расчетами показано уменьшение периодических нагрузок по сравнению с винтом фиксированного шага.

3. Создан алгоритм и программа, которые позволяют рассчитывать основные эксплуатационные характеристики комплекса гребной винт-двигатель-корпус судна. Получены кривые действия и ходовые характеристики комплекса, имеющего гребной винт со свободно-поворотным креплением лопастей.

4. Разработана методика и создана аппаратура для регистрации динамических изменений шаговых углов винта со свободно-поворотной парой лопастей, которые испытаны при работе в воздушной среде и позволяют определять изменения шаговых углов в зависимости от фазы положения лопастей. Экспериментально показана зависимость шаговых углов лопастей от неравномерности потока.

5. С целью повышения эксплуатационных качеств гребного винта разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец-модель, в котором выполнено свободно-поворотное крепление лопастей, что обеспечивает способность лопастей самонастраиваться по шаговым углам, уменьшать периодические нагрузки на вал, изменять положение лопастей при реверсе таким образом, чтобы их передние кромки разворачивались в сторону набегающего потока.