Определение числа лопастей, дискового отношения и выбор расчетной диаграммы
4.1. Выбор числа лопастей гребного винта.
В реальном проектировании гребных винтов окончательному опре-делению числа лопастей должны предшествовать расчеты собственных колебаний корпуса, валопровода и силовой установки на основном режиме эксплуатации судна. Эти расчеты весьма сложны и трудоемки. Анализ и обобщение результатов этих расчетов позволили выработать ряд рекомен-даций, которыми следует пользоваться при выборе числа лопастей.
Число лопастей гребного винта одновинтовых и двухвинтовых судов выбирают исходя из нагрузки гребного винта. Для этого необходимо предварительно подсчитать коэффициент нагрузки гребного винта по упору, по формуле:
(4.1)
где R – значение сопротивления судна, Н, при 
или 
;
- из расчета по разделу 3;
- число гребных валов.
Если σp < 2÷2,5 , то следует принять число лопастей 
= 4÷5, причем предпочтительнее принять = 4 ( = 5 может быть принято по указанию руководителя).
Если σp ≥ 2÷2,5, что соответствует условиям работы гребных винтов крупнотоннажных судов, то следует принимать число лопастей = 6÷8, причем окончательный выбор необходимо произвести после определения оптимального дискового отношения.
4.2. Выбор дискового отношения.
Для выбора дискового отношения гребного винта, при котором будeт обеспечена переработка мощности без недопустимой кавитации лопастей, на рис. 2-5 приведены диаграммы для различных фиксированных скоростей 
. Диаграммы показывают связь между диаметром четырехлопастного гребного винта и рациональной частотой его вращения для ряда заданных мощностей. На линиях постоянной мощности обозначены значения необходимого дискового отношения гребного винта 
, включая его предельное значение 
= 1, выше которого располагается область диаметров винта и частот его вращения, не обеспечивающих требуемого запаса против возникновения кавитации [3].
Значение оптимального дискового отношения находят по диаграмме, соответствующей определенной ранее скорости обтекания гребного винта , по значениям nop и Dop (или Dпред)
В случае, если
или 
значение определяется по двум ближайшим диаграммам, затем окончательно путем линейной интерполяции.
Для определения дискового отношения гребных винтов с числом лопастей больше 4-х значение определяется по формуле:
, (4.2)
где – число лопастей винта, выбранное по подразд. 3.1.; z=4- значение дискового отношения, снятое с диаграммы для винта с = 4.
При выборе расчетного дискового отношения необходимо иметь в виду, что его уменьшение (в определенных пределах) повышает кпд винта на 1÷3 % , поэтому при ≥ 6 окончательное значение следует принимать с учетом имеющихся расчетных диаграмм.
Рис.2 Диаграмма для определения рационального дискового отношения гребного винта при скорости его обтекания =5 уз.
1- Область изменения диаметра гребного винта ( Ѳ < 1.0), при котором заданная мощность перерабатывается с возникновением кавитации на лопастях;
2- Зона начала развитой кавитации.
Рис.3 Диаграмма для определения рационального дискового отношения гребного винта при скорости его обтекания =10 уз.
1- Область изменения диаметра гребного винта ( Ѳ < 1.0), при котором заданная мощность перерабатывается с возникновением кавитации на лопастях;
2- Зона начала развитой кавитации.
Рис.4 Диаграмма для определения рационального дискового отношения гребного винта при скорости его обтекания =15 уз.
1- Область изменения диаметра гребного винта (Ѳ<1.0 ), при котором заданная мощность перерабатывается с возникновением кавитации на лопастях;
2- Зона начала развитой кавитации.
Рис.5 Диаграмма для определения рационального дискового отношения гребного винта при скорости его обтекания =20 уз.
1- Область изменения диаметра гребного винта (Ѳ < 1.0), при котором заданная мощность перерабатывается с возникновением кавитации на лопастях;
2- Зона начала развитой кавитации.
4.3. Расчетные диаграммы для определения оптимальных элементов гребного винта.
Расчёты ходкости судов и выбор основных элементов гребного винта в настоящее время производится на основе данных испытаний система-тических серий моделей гребных винтов в опытных бассейнах и кавита-ционных трубах.
Широкое распространение в мировой и отечественной практике проектирования гребных винтов получили серии, разработанные и испытанные в 1940 – 1960 гг. В голландском опытном бассейне – серии B (серии Трооста). Основными достоинствами этих серий гребных винтов являются широкая вариация геометрических элементов, надёжности полученных данных по гидродинамическим характеристикам обеспечение эффективной, с достаточно высоким КПД, переработки подводимой мощности.
В Советском Союзе в 70 – 80 годы были выполнены испытания гребных винтов серии М и Т, при проектировании которых были учтены выдвигаемые на современном этапе развития судостроения требования к движителям по эффективности и виброактивности. Гребные винты серий М и Т имеют умеренно саблевидный контур, что способствует снижению вибрации судна и высокий КПД, устойчивы к возникновению кавитации.
Основные характеристики серий В, М, Т , рекомендуемые для выполнения расчётов, приведены в табл. 1. Сами диаграммы в форме, предложенной Э.Э.Паgмелем, представлены в атласе диаграмм, который является приложением к данным методическим указаниям [1].
Выбор соответствующей диаграммы из представленных в табл. 1 производится по установленным, как было показано выше, значениям и Ѳ.
Расчётные диаграммы для каждой серии гребных винтов состоят из двух частей: «Машинной» диаграммы, где показаны зависимости
при различных значениях H/D , и «корпусной» – с кривыми 
при тех же H/D.
На этих же диаграммах нанесены кривые оптимальных значений вспомогательных коэффициентов:
Упора – диаметра 
; (4.3)
Мощности – диаметра 
; (4.4)
Упора - частоты вращения 
; (4.5)
Мощности - частоты вращения
. (4.6)
Таблица 1
Названия диаграмм и основные сведения о сериях гребных винтов, рекомендуемых для расчётов.
| N п\п | Серия | Число лопастей | Дисковое отношение Ѳ | Разработчик | |
| 1. 2. | В4-55 В4-70 | 0,55 0,70 | Голландский опытный бассейн | ||
| 3. 4. 5. | М4-65 М4-75 М4-85 | 0,65 0,75 0,85 | СССР, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова | ||
| 6. 7. 8. 9. 10. | В5-60 В5-75 В5-90 В6-50 В6-80 | 0,6 0,75 0,90 0,5 0,8 | Голландский опытный бассейн | ||
| ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова | |||||
| 11. 12. 13. | Т6-68 Т7-70 Т8-72 | 0,68 0,70 0,72 |
Коэффициенты KDT и KDQ , независящие от частоты вращения гребного винта, используются для определения элементов гребного винта, при задаваемых значениях диаметра гребного винта. Коэффициенты KNT и KNQ, не зависящие от диаметра, используются для определения оптимальных элементов гребного винта при известных n ном и Ne ном или при задаваемой частоте вращения n.
5. Учёт механических потерь в линии валопровода.
Механические потери в линии валопровода учитывают путём введения в расчёт КПД валопровода ηвал и КПД передачи ηпер от двигателя на гребной вал, включающий редуктор и гидравлическую или электромагнитную муфту.
Рекомендуется принимать следующие значения указанных коэффициентов:
1) КПД валопровода:
- при расположении машинного отделения в средней части корпуса - 0.98;
- при расположения машинного отделения в корме - 0.99;
2) КПД зубчатого редуктора - 0.98;
3) КПД гидравлической или электромагнитной муфты - 0.96.
6. Выбор расчётного режима при проектировании гребных винтов.
В процессе эксплуатации судна характеристики его корпуса и гребного винта существенно изменяются. Разрушение лакокрасочного покрытия, коррозия и обрастание подводной поверхности корпуса и лопастей гребного винта, увеличение шероховатости лопастей вследствие механических повреждений и эрозионно-коррозионных процессов в процессе эксплуа-тации наряду с влиянием метеоусловий приводят к гидродинамическому утяжелению винта. Поэтому важным моментом при проектировании гребных винтов является правильный выбор среднего шага винта, обеспе-чивающего некоторое предварительное гидродинамическое облегчение и рациональное использование мощности силовой установки в процессе эксплуатации.
Предпринимаемое в практике проектирования гребных винтов предварительное гидродинамическое облегчение, назначается, исходя из условий предполагаемой эксплуатации судна, его типа, района плавания, типа силовой установки и марки двигателя.
Для судов с дизельной силовой установкой, работающей на гребной винт фиксированного шага, рекомендуется следующий подход к выбору расчётного режима. Проектирование гребного винта должно осуществляться на условия ходовых испытаний судна с чистым корпусом при проектной осадке, на номинальную мощность и частоту вращения nрасч = К n ном , где К – коэффициент запаса частоты вращения , что равнозначно, на расчётное значение мощности Ne расч и частоту вращения n = n ном. В этом случае Ne расч определяется из соотношения: Ne расч = Ne ном/К3.
В основу выбора коэффициента запаса по частоте вращения К могут быть положены следующие факторы:
- конструктивный тип судна – условно учитывается коэффициентом полноты δ, при этом предполагается, что суда с δ ≥ 0,74 в основном тихоходные (Ѵs ≤ 15÷16 уз), а суда с δ< 0,74 - быстроходные;
- периодичность докования судна – в соответствии с существующими нормативами для обычных, универсальных и наливных транспортных судов и ряда специализированных судов – 24 месяца; для крупных контейнеровозов, ролкеров, рефрижераторных, пассажирских и ледокольно-транспортных судов класса УЛА – 12 месяцев; условия эксплуатации судна – учитываются путём выбора основного предполагаемого района его эксплуатации в одной из трёх условных зон: тропики, умеренные широты (лето) и северные широты (зима);
- тип и марка главного двигателя.
Значение коэффициента К для дизелей различного типа приведены в табл 2, а для дизелей различных фирм – изготовителей – в табл 3.
Для судов с паротурбинными, газотурбинными и электрическими силовыми установками изменение внешних условий (обрастание корпуса и винта, ветер, волнение) лишь незначительно отражается на параметрах работы, т.к. ПТУ, ГТУ и ЭУ обеспечивают практически полную мощность в достаточно широком диапазоне снижения частоты вращения. Поэтому гидродинамическое утяжеление гребного винта, вызванное воздействием неблагоприятных внешних условий, не оказывает определяющего влияния на выбор расчётного режима гребного вина, как это имеет место у судов с ДВС. Учитывая вышеизложенное, при выборе расчётного режима гребных винтов судов, с ПТУ, ГТУ и ЭУ рекомендуется принимать: Ne расч =Ne ном ; nрасч = n ном .
Таблица 2
Рекомендуемые общие значения коэффициента К
| Тип двигателя | Тропики | Умеренные широты | Северные широты | |||||||||
| δ > 0,7 | δ ≤ 0,7 | δ > 0,7 | δ ≤ 0,7 | δ > 0,7 | δ ≤ 0,7 | |||||||
| Периодичность докования, месяцы | ||||||||||||
| Двухтактные двигатели с турбонаддувом | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,045 | 1,03 | 1,04 | 1,03 | 1,03 |
| Среднеоборотные четырехтактные двигатели | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,05 | 1,035 | 1,045 | 1,03 | 1,035 |
| Высокооборотные четырехтактные двигатели | 1,04 | 1,045 | 1,03 | 1,04 | 1,03 | 1,03 | 1,03 | 1,03 | 1,03 | 1,03 | 1,03 | 1,03 |
Таблица 3
Рекомендуемые общие значения коэффициента К для известных двигателей
| Тип двигателя | Тропики | Умеренные широты | Северные широты | ||||||||||
| δ > 0,7 | δ ≤ 0,7 | δ > 0,7 | δ ≤ 0,7 | δ > 0,7 | δ ≤ 0,7 | ||||||||
| Периодичность докования, месяцы | |||||||||||||
| БМВ и а\о «Бурмейстер и Вайн» | 1,04 | 1,05 | 1,04 | 1,05 | 1,04 | 1,045 | 1,035 | 1,04 | 1,03 | 1,04 | 1,03 | 1,03 | |
| Фирма «Зульцер» и лицензиаты | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,045 | 1,03 | 1,04 | 1,03 | 1,04 | |
| Фирма «МАН» | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,05 | 1,035 | 1,045 | 1,035 | 1,04 | 1,035 | 1,04 | |
| Фирма «Пилстик» и лицензиаты | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,035 | 1,045 | 1,03 | 1,035 | |
| Фирма «МАК» | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,045 | 1,03 | 1,035 | 1,03 | 1,03 | |
| Фирма «Фиат» и «Ансальдо» | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,05 | 1,045 | 1,05 | 1,04 | 1,045 | 1,03 | 1,035 | 1,03 | 1,03 | |