Предварительный выбор конструктивного типа и диаметра гребного винта, ориентировочных значений мощности, частоты вращения двигателя и (или) скорости хода судна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВЫХ И ДИПЛОМНЫХ РАБОТ

на тему

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ, СКОРОСТИ ХОДА

И ПОТРЕБНОЙ МОЩНОСТИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ СУДНА

 

Для курсантов судомеханического, электромеханического

и судоводительского факультетов и студентов ЗФ.

 

 

Санкт-Петербург

Введение

 

При решении разнообразных проектных и эксплуатационных задач возникает необходимость в применении методов, связанных с расчетом гребных винтов и использованием винтовых диаграмм.

Подобные расчеты входят составной частью в курсовые работы и дипломные проекты, выполняемые курсантами различных факультетов ГМА по курсу «Теория и устройство судна». В основу этих расчетов положены диаграммы, содержащие кривые действия гребных винтов и расчетные коэффициенты задания, необходимые для определения элементов гребного винта и других результатов расчета в зависимости от поставленных задач.

Расчет ходкости судов и выбор основных элементов гребных винтов в настоящее время производится на основе данных испытаний систематиче-ских серий моделей гребных винтов в опытных бассейнах и кавитационных трубах. На их основе также определяются исходные данные для детального расчета геометрии лопастей гребных винтов на ПК.

В настоящих указаниях используются расчетные диаграммы в форме, предложенной Э.Э.Папмелем, сведенные в атлас диаграмм, который является приложением к данным методическим указаниям [1].

 

Общие положения

 

1.1. Назначение гребного винта

Прямолинейное равномерное движение судна происходит под воздействием движущей силы упора гребного винта. Часть силы упора Р, называемая силой тяги Ре , равна и противоположно направлена силе сопротивления среды движению судна R. При движении судна со скоростью сила тяги Ре совершает работу, которая в единицу времени характеризуется полезной или буксировочной мощностью

Движение самоходного судна обеспечивается с помощью источника механической энергии – главного двигателя, а также устройства, преобра-зующую эту энергию в энергию поступательного движения судна - движителя. Из курса «Судовые движители» известно, что в процессе этого преобразования участвует также корпус судна в составе единого пропульсивного комплекса: корпус-движитель-двигатель.

Степень эффективности пропульсивного комплекса характеризуется значением пропульсивного коэффициента:

,

где Ne - эффективная мощность главного двигателя;

η0 - кпд движителя;

ηк - коэффициент влияния корпуса.

В настоящее время наиболее распространены лопастные движители, из числа которых преимущественное применение получили гребные винты. Высокая эффективность, простота конструкции и передачи мощности от главного двигателя, невысокая стоимость изготовления, надежность в эксплуатации делают гребной винт самым экономичным судовым движителем. Одним из недостатков гребных винтов фиксированного шага является жесткая зависимость их гидродинамических характеристик от режима работы двигателя и условий эксплуатации судна.

 

1.2. Цели и задачи расчета гребного винта.

Расчет гребного винта позволяет решить ряд проектных и эксплуа-тационных задач в зависимости от заданных исходных условий. В общем случае для конкретного судна с известными главными измерениями, коэффициентами полноты и формой обводов корпуса расчет гребного винта направлен на определение геометрических элементов гребного винта и его гидродинамических характеристик с установлением потребной мощности главного двигателя при заданной скорости или наивысшей скорости судна при заданной мощности на фланце двигателя.

Расчеты гребного винта, основанные на общей методике, выполняются при решении следующих конкретных задач:

- проектирование судна и его энергетической установки;

- подбор главного двигателя для определенного судна при заданной скорости движения;

- выбор элементов гребного винта и определение скорости хода для определенного судна;

- анализ результатов натурных испытаний или рейсовых эксплуатационных задач;

- определение потребной мощности, скорости хода и частоты вращения гребных винтов применительно к определенным внешним эксплуатационным условиям и т. п.

В зависимости от цели расчета выбирается схеме его выполнения и необходимые исходные данные, в число которых во всех случаях входят результаты расчета сопротивления среды движению судна и буксировочной мощности [2].

В соответствии с учебной программой ГМА по курсу ТУС в настоящих методических указаниях рассмотрены методы решения двух задач, связанных с расчетами гребных винтов:

1. В курсовой работе по курсу «Судовые движители» решается эксплуатационная задача, которая сводится к определению оптимальных геометрических элементов гребного винта применительно к существующему (заданному) судну. В этом случае известными являются главные измерения и коэффициенты полноты судна, а также основные параметры силовой судовой установки – номинальная мощность двигателей и частота вращения гребного вала.

В работе требуется определить элементы гребного винта, обеспечивающего наибольшую скорость хода в эксплуатации при заданной мощности главного двигателя, рассчитать и построить паспортную диаграмму, при помощи которой определить скорость хода, мощность и частоту вращения при различных условиях эксплуатации.

2. В разделе «Ходкость судна» дипломного проекта может решаться проектно-эксплуатационная задача, которая сводится к определению оптимальных элементов гребного винта судна, скорость хода которого задана. В ряде случаев в задании на дипломный проект указывается ориентировочная скорость хода судна и тип двигателя, тогда задача сводится к уточнению скорости хода, выбору элементов гребного винта и апробации мощности и частоты вращения двигателя.

В работе применительно к известным главным измерениям и скорости необходимо определить основные параметры судовой силовой установки – номинальную мощность и частоту вращения двигателя, уточнить скорость хода судна в эксплуатации, рассчитать и построить паспортную диаграмму.

В соответствии с современным уровнем проектирования процесс расчета оптимальных элементов гребного винта применительно к решению обеих указанных выше задач рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

1) Предварительный выбор конструкционного типа и диаметра гребного винта, ориентировочных значений мощности, частоты вращения двигателя или скорости хода судна.

2) Определение коэффициентов взаимодействия гребного винта и корпуса судна.

3) Определение числа лопастей и дискового отношения гребного винта. Выбор расчетной диаграммы.

4) Учет механических потерь в линии валопровода.

5) Выбор расчетного режима при проектировании гребного винта.

6) Расчет оптимальных элементов гребного винта по одной из расчетных схем.

7) Проверка гребного винта на возможность возникновения кавитации.

8) Расчет и построение паспортной диаграммы. Определение эксплуатационных значений скорости хода, мощности и частоты вращения главного двигателя, запаса мощности для преодоления неблагоприятных условий плавания.

 

1.3. Понятие скорости хода судна и мощности силовой установки судна

В курсовых работах и дипломных проектах используются различные понятия скорости хода судна и мощности, которые не всегда являются однозначными.

При выполнении расчетов рекомендуется применять следующие понятия мощности двигателя и скорости хода судна:

1) Номинальная мощность двигателя Ne ном, гарантированная заводом-изготовителем, максимальная длительная (без ограничения во времени) мощность (МДМ) на фланце двигателя при номинальной частоте вращения nном;

2) Длительная эксплуатационная мощность двигателя (ДЭМ), долевая от номинальной мощности на фланце двигателя, рекомендуемая в качестве основного режима его работы в процессе эксплуатации при эксплуатационной частоте вращения nэкс.

Разность между ДЭМ и номинальной мощностью определяет резерв, необходимый для обеспечения стабильной эксплуатации двигателя при износе деталей ЦПГ двигателя, топливной арматуры, загрязнения воздухоохладителей и т.п. в период между моточистками или ремонтами, а также при изменении внешних условий (барометрического давления и температуры окружающей среды).

Взаимосвязь между Ne ном и Ne дэм определяется соотношениями:

В задании, которое выдается на курсовую (контрольную) работу, равнозначно могут быть указаны и Ne ном и Ne дэм;

3) Расчетная мощность двигателя Ne расч - это мощность при n = nном , необходимая для достижения проектной скорости хода судна при проектной осадке с чистым корпусом и при благоприятных гидро-метеорологических условиях. Разность между Ne ном и Ne расч определяет запас мощности, необходимый для поддержания проектной (или заданной) скорости хода при неблагоприятных погодных условиях, увеличении шероховатости и обрастания корпуса судна и гребного винта в течении междокового периода;

4) Проектная скорость хода судна – скорость, которую судно должно развивать в эксплуатации при благоприятных гидрометео-рологических условиях, среднем состоянии наружной обшивки корпуса и поверхностей лопастей гребного винта в нормальный период между докованием при проектной осадке и частоте вращения n = nном.

Значение проектной скорости судна задается заказчиком (в случае реального проектирования) или руководителем(в случае дипломного проектирования);

5) Максимальная скорость – скорость хода, которую может развить судно в тех же условиях, но при повышенной сверх номинальной частоте вращения двигателя, допускаемой заводом-изготовителем, и при условии отсутствия перегрузки двигателя по среднему индикаторному давлению (для ДВС) или по крутящему моменту (для ПТУ, ГТУ и ЭУ).

 

 

Предварительный выбор конструктивного типа и диаметра гребного винта, ориентировочных значений мощности, частоты вращения двигателя и (или) скорости хода судна.

На первой стадии выполнения расчета оптимальных элементов гребного винта необходимо принять те его геометрические элементы, которые определяются, главным образом, требованиями прочности и вибрации, а также другими общепроeктными соображениями, т.е. выбрать конструктивный тип гребного винта (Со съемными лопастями или цельнолитой), относительный диаметр ступицы и ориентировочное значение диаметра.

2.1. Выбор ориентировочного значения диаметра и частоты вращения гребного винта.

Правильный выбор на начальной стадии проектирования диаметра гребного винта и частоты вращения гребного вала, согласующихся с размерами корпуса, заданной скоростью хода или мощностью силовой установки, играет важную роль в достижении высоких ходовых качеств судна и исключении его повышенной вибрации.

При решении этого вопроса может быть использована номограмма для предварительного определения оптимальной частоты вращения и диаметра гребного винта в зависимости от мощности силовой установки и скорости обтекания гребного винта (рис. 1)[3].

При решении проектно-эксплуатационной задачи (дипломный проект), когда задана скорость хода судна номограмма используется для определения ориентировочных значений частоты вращения вала, мощности двигателя и диаметра гребного винта.

В этом случае для входа в номограмму в первом приближении находят:

1. - скорость обтекания гребного винта, уз.;

, (2.1)

где - коэффициент попутного потока.

Для определения значения на этой стадии расчета может быть использована приближенная формула Тейлора:

для одновинтовых судов (2.2)

для двух винтовых судов (2.3)

2. Ne oр - ориентировочное значение мощности силовой установки, кВт, определяется по соотношению:

(2.4)

где EPS – буксировочная мощность, определенная в расчете ходкости при (снимается с графика );

η - пропульсивный коэффициент, значение которого на данной стадии расчета выбирается исходя из следующих рекомендаций:

Для судов, у которых коэффициент общей полноты δ ≥ 0,74 –

Для судов с δ ≤ 0,74 -

На номограмме соответствующей найденному значению , по точке пересечения кривой n со значением Ne oр находят значение оптимальной частоты вращения nop . Таким же путем по кривым D определяется ориентировочный диаметр гребного винта.

 

Рис.1. Номограмма для предварительного определения оптимальной частоты вращения и диаметра гребного винта в зависимости от мощности судовой установки и скорости обтекания гребного винта

 

Найденные значения nop, D op , Ne oр являются приближенными и подлежат уточнению при окончательном расчете оптимальных элементов гребного винта.

Определенная по номограмме частота вращения nop гребного винта заданного диаметра для одновинтовых судов является предельно большой. На последующих стадиях расчета при окончательном выборе Ne ном и n ном силовой установки рекомендуется уменьшать частоту вращения по сравнению с nop на 5 – 15%.

Для двухвинтовых быстроходных судов n ном рекомендуется выбирать из диапазона (1,0÷1,15) nop.

При решении эксплуатационной задачи (курсовая, контрольная работа) при заданных Ne ном и n ном номограмма используется только для определения ориентировочного значения диаметра гребного винта. В этом случае для входа в диаграмму находят ориентировочное значение скорости хода судна , которое снимают с графика по значению , где η- пропульсивный коэффициент, который на данном этапе расчета выбирается в соответствии с рекомендациями к формуле (3.4). Далее по формуле (2.1) находят значение и с номограммы рис.1 по значениям и Ne ном на кривых D определяют значение Dop.

 

2.2. Размещение гребного винта за корпусом судна.

Полученное в соответствии с рис.1 значение диаметра Dop гребного винта необходимо сравнить с осадкой судна и оценить возможность его размещения за корпусом. При отсутствии теоретического чертежа можно воспользоваться следующими рекомендациями для установления предельного (максимально допустимого по уровням расположения винта в кормовом подзоре судна) диаметра гребного винта:

- для одновинтовых судов ;

- для двухвинтовых судов .

По технологическим соображениям не следует принимать диаметр гребного винта более 11 м.

В случае, если , то окончательное значение диаметра гребного винта подлежит уточнению на последующих стадиях расчета. Если , то в дальнейшем диаметр гребного винта следует принять равным Dпред и считать заданным, а значения nop , Ne oр или (в зависимости от типа задачи) нужно уточнить по номограмме (рис.1) при

D = Dпред.

 

3. Определение коэффициентов взаимодействия гребного винта с корпусом судна.

Трудности гидродинамического и математического характера исключают в настоящее время возможность точного определения коэффициентов взаимодействия гребного винта с корпусом аналитическим путем.

В реальном проектировании эти коэффициенты, зависящие от размеров, формы обводов корпуса, условий расположения гребного винта за корпусом, режима движения судна и т.п., определяются экспериментально по данным модельных испытаний в опытном бассейне.

Для приближенной оценки коэффициентов взаимодействия в настоящее время имеет ряд эмпирических формул, полученных в результате систематизации данных модельных испытаний при использовании статических методов.

3.1. Коэффициент попутного потока.

Для определения коэффициента расчетным путем одновинтовых транспортных судов может быть рекомендована формула Холтропа, которая обеспечивает достаточно хорошее совпадение с экспериментальными данными:

, (3.1)

где Ω - смоченная поверхность корпуса судна, принимается из расчета сопротивления;

D - диаметр гребного винта; если Dop ≤ Dпред, то D = Dop

если Dop > Dпред, то D = Dпред

CѴ - вязкостная составляющая коэффициента полного сопротивления корпуса, приближенно Cv = 1,04 (ζ f + ζ n), значение (ζ f + ζ n) находят из расчета сопротивления при скорости или подразд. 2.1;

- коэффициент продольной полноты корпуса.

.

Для контроля целесообразно также использовать формулу Э.Э.Папмеля

, (3.2)

где m = 1 для одновинтовых судов;

m = 2 для двухвинтовых судов;

- водоизмещение судна; если не задано, то его значение можно найти по формуле:

- поправка на влияние числа Фруда; если

При

Для определения коэффициента попутного потока двухвинтовых судов могут быть рекомендованы формулы Шенхерра:

При наличии выкружек гребных валов и вращении винтов наружу -

(3.3)

 

С кронштейнами гребных валов –

, (3.4)

где - угол наклона выкружек к горизонту; если не известно, то рекомендуется принять = 20 ÷ 40 o для контроля, как и для одновинтовых судов, целесообразно использовать формулу Э.Э. Папмеля.

 

3.2. Коэффициент засасывания

Для определения коэффициента засасывания t одновинтовых судов рекомендуется использовать формулу Холтропа:

(3.5)

Для двухвинтовых судов - формулы Шенхерра:

с выкружками гребных валов – t = 0,25 ωt+ 0,14 (3.6)

с кронштейнами – t = 0,7 ωt+ 0,06 (3.7)

Для контроля полученных по формуле (3.5) значений целесообразно использовать следующие соотношения: t = (0,5 ÷ 0,7 )ωt - при обтекаемом руле и профилированном рудерпосте; t = (0,7 ÷ 0,9)ωt - при обтекаемом руле и рудерпосте с прямоугольным сечением.

 

3.3. Коэффициент неравномерности потока в диске винта.

Для современных транспортных судов значение коэффициентов влияния неравномерности потока в диске винта изменяются обычно в следующих пределах.

1.Коэффициент влияния на упор:

Для одновинтовых судов – =0,95÷1,05 (3.8)

Для двухвинтовых судов – =0,95÷0,99 (3.9)

2.Коэффициент влияния на момент – =0,99÷1,01

3.Влияние неравномерности потока на кпд гребного винта определяется соотношением: (3.10)

 

3.4. Коэффициент влияния корпуса

Коэффициент влияния корпуса может быть найден по формуле:

(3.11)