CC BY
45УДК 656.62.052.4:629.12.03
Ю В. Бажанкин, ст. преподаватель, ВГАВТ.
603005, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРЕБНОГО ВИНТА С РУЛЕВЫМ ОРГАНОМ СУДНА
В статье приведён анализ работы открытого гребного винта при криволинейном движении судна.
Подавляющее большинство исследований работы системы двигатель - движитель посвящены анализу усилий, развиваемых гребным винтом при прямолинейном движении судна. Результаты таких исследований могут быть использованы либо для расчёта и проектирования гребных винтов [1-6], либо для определения инерционных характеристик судов [7].
Первая попытка исследования работы винтового движителя при перекладке рулевого органа в швартовном режиме и на циркуляции была предпринята в 1988-1990 годах С.В. Филатовым [8, 9] и В.В. Бажанкиным [10]. Однако результаты, полученные ими путём тензометрического определения момента и упора гребного винта, носят отрывочный характер, не систематизированы и позволяют лишь качественно судить о работе движителя при циркуляции судна.
Попытаемся приближённо проанализировать работу открытого гребного винта при криволинейном движении судна, основываясь на известных в теории ходкости положениях.
В случае равномерного прямолинейного движения судна со скоростью V и частотой вращения винтов П полезная тяга, создаваемая движительным комплексом, уравновешивается силой сопротивления воды, то есть
^в Ре = R , (1)
где zв - число движителей;
Ре - полезная тяга винта;
R - сопротивление воды прямолинейному движению судна.
Полезная тяга открытого гребного винта, работающего вблизи корпуса судна, определяется по выражению [1]:
Ре = К1(1 - *с )pn2D^. (2)
Здесь К1 - коэффициент упора винта в свободной воде;
tс - коэффициент засасывания (при работе винта за корпусом судна); р - плотность воды;
Dв - диаметр винта.
Коэффициент упора К1 для гребного винта, имеющего вполне определённые геометрические элементы (число лопастей zл , дисковое в и шаговое Нв/Dв отношения), с использованием диаграмм для расчёта открытых гребных винтов [3] может быть представлен в виде зависимости
К1 = ^1 - в1Хр - С1Хр , (3)
где Л[, В1, С - коэффициенты регрессии;
Хр - относительная поступь гребного винта.
Режим работы винта и создаваемые им гидродинамические усилия определяются относительной поступью
Хр = ^ . (4)
nDв nDв
Здесь под величиной Vр понимается скорость перемещения винта вдоль своей оси [1], а под величиной у/0
- расчётное значение коэффициента попутного потока, определяемого для водоизмещающих судов внутреннего плавания по выражению [1]:
П 1 1 °Л6 с2
У0 = 0,11 Л---------о
У, (5)
где 2 - величина, равная 1 для винтов, расположенных в диаметральной плоскости, и 2 - для бортовых винтов;
г
5 - коэффициент полноты водоизмещения судна;
V - объёмное водоизмещение судна;
y/w - коэффициент волнового попутного потока.
Величина y/w рассчитывается по формуле [1]
¥w = 0,35 (Fr - 0,2) и учитывается лишь в тех случаях, когда число Фруда Fr > 0,2.
Коэффициент засасывания t(. может считаться величиной постоянной, зависящей лишь от геометрических характеристик кормовой оконечности судового корпуса в районе выхода гребного вала. При известном значении сопротивления воды продольному движению судна коэффициент засасывания может быть подсчитан по выражению:
, CX0LTvl
к = 1-------0 2 4, (6)
2 гв K10 «0 Ав
где CX0 - коэффициент общего сопротивления воды продольному движению судна;
L, T - расчётные длина и осадка судна;
V0 - скорость прямолинейного движения судна, соответствующая частоте вращения винтов «0 ;
Ki0 - коэффициент упора винта при Хр0 = V0 (l -^0 )/ «0Ав .
Очевидно, что коэффициент полезной тяги Ke может быть представлен в виде зависимости, аналогичной выражению (3), то есть
Ke = K1(l - ^ )= Ae - вв^р - Св^р. (7)
При перекладке руля от нулевого положения на угол 5r симметричность его обтекания струёй
движителя нарушается, что приводит к появлению составляющей скорости струи Ur, усреднённое направление которой может быть принято перпендикулярным к плоскости хорды руля. В результате ось струи винта, согласно постулату Жуковского - Чаплыгина и равенству
U5 = U - Ur,
отклонится от оси гребного вала в ту же сторону, что и руль, на угол 5r .
Поскольку внешний поток жидкости практически не изменяет направления реакции вытекающей в него под некоторым углом струи [11], то последняя может рассматриваться как бесконечная струя с прямолинейной осью, совпадающей с осью её начального участка.
Упор винта P после перекладки руля будет представлять собой сумму двух составляющих: реакции отклонённой струи P5 и дополнительной реакции R5 , возникающей вследствие натекания части струи на переложенный руль. Применяя векторную форму закона сохранения количества движения, можем записать:
P5 = P - R5 . (8)
Необходимо отметить, что на руле возникает сила Rr, равная величине R5, но противоположно направленная, то есть
Rr = -R5 . (9)
Проецируя равенства (8) и (9) на диаметральную плоскость судна и плоскость мидельшпангоута, получаем выражения для продольной и поперечной составляющих силы P5 :
Px = P5 cos 5r = P (l - sin2 5r ); (10)
Py = P5 sin 5r = P sin 5r cos 5r . (11)
Таким образом, после перекладки руля, расположенного в струе движителя, на некоторый угол 5r на
кормовую часть корпуса судна через конусы гребных валов будут действовать продольная и поперечная
составляющие силы, развиваемой движителями:
Xp = zePx(1 -^ас)= zePe1 -sin2 5r); (12)
Yp = zePy (1 - ^зас) = zePe sin 5r cos 5r , (13)
а каждый гребной вал при этом будет воспринимать дополнительное усилие
Qx = Pdr sin2 5r , (14)
где вг = Fg / Fp - коэффициент, учитывающий отношение площади диска винта, перекрываемой рулём при
гипотетической перекладке последнего на 90°, ко всей площади диска.
Увеличение усилия, воспринимаемого гребным валом при перекладке руля, фиксируется тензодатчиками [8-10], но ошибочно трактуется С.В. Филатовым как рост упора вследствие изменения
а коэффициент момента К с использованием диаграмм для расчёта открытых гребных винтов [3] может быть представлен в виде, аналогичном зависимости (3), то есть
Для приближённых расчётов, согласно данным работы [7], крутящий момент Мс учётом работы регулятора частоты вращения винта может быть представлен следующим образом:
а коэффициент момента К20 находится в зависимости от значения Хр^ .
Криволинейное движение судна приводит к тому, что поток жидкости подтекает к винту под углом Рр к оси гребного вала, равным местному углу дрейфа в районе движительно-рулевого комплекса (ДРК). При этом режим работы винта и создаваемые гидродинамические усилия (упор Р , полезная тяга Ре и момент Мс) будут определяться продольной составляющей скорости судна vx [1, 11, 12]. Следовательно, выражения (12)-(15) при использовании значения продольной составляющей скорости vx будут справедливы и для случая циркуляционного движения судна.
Заметим также, что при криволинейном движении на открытом гребном винте возникает стабилизирующая поперечная сила Qy, действующая в плоскости его диска по направлению поперечной
составляющей скорости потока. Эта сила, линейно зависящая от угла Рр , может быть определена по данным работы [13].
Литература
[1] Басин А. М. Ходкость и управляемость судов. - М.: Транспорт, 1977. - 456с.
[2] Басин А. М., Миниович И. Я. Теория и расчёт гребных винтов. - Л.: Судпромгиз, 1963. - 760с.
[3] Басин А. М., Степанюк Е. И. Руководство по расчёту и проектированию гребных винтов судов внутреннего
плавания. - Л.: Транспорт, 1981. - 352с.
[4] Русецкий А. А., Жученко М. М., Дубровин О. В. Судовые движители. - Л.: Судостроение, 1971. - 287с.
[5] Сандлер Л. Б. Практические методы расчёта ходкости судов внутреннего плавания. - Новосибирск: НИИВТ, 1970. -432с.
[6] Судовые тяговые расчёты. Анфимов В. Н., Ваганов Г. И., Павленко В. Г. Под ред. В. Г. Павленко. Учебник для ин-
тов водн. трансп. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1978. - 216с.
[7] Горелкин В. И. Определение инерционных характеристик судов с дизельными энергетическими установками. - М.: Транспорт, 1990. - 76с.
[8] Филатов С. В. Совершенствование паспортных характеристик судов // Речной транспорт, 1988, №9, с. 27-29.
[9] Филатов С. В. Методические положения разработки базового справочника маневренных характеристик судов речного флота. - Тр./ГИИВТ, 1988, вып. 230, с. 26-57.
[10] Бажанкин В. В. Исследование влияния условий эксплуатации на степень загрузки главных двигателей «Нефтерудовоза-8». - Тр./ГИИВТ. 1990, вып. 253, с. 91-117.
характера кривой К1 [Хр ).
Подводимая к винту мощность Nр с учётом выражения (15) может быть представлена в виде
V /
/
Тогда
Мдв = Мс (і + вг sin2 8Г ).
(15)
Здесь Мдв - крутящий момент на валу гребного винта;
Мс - момент сопротивления жидкости вращению винта. Момент сопротивления Мс определяется известной формулой
М с = К2рп2 Dв5,
(16)
(17)
где
Мдв = Мсо (1,1 - 0,02п - 0,08п 2), М с0 = К20 рп0 Dв5; п = п / п,,
(18)
[11] Гофман А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник. - Л.: Судостроение, 1988. -360с.
[12] Васильев А. В. Управляемость судов: Учеб. Пособие. - Л.: Судостроение. 1989. - 328с.
[13] Ходкость и управляемость судов: Учебник для вузов / В. Ф. Бавин, В. И. Зайков, В. Г. Павленко, Л. Б. Сандлер. Под ред. В. Г. Павленко. - М.: Транспорт. 1991. - 397с.
ANALYSIS OF PROPELLER -STEERING ELEMENT INTERACTION
Y. Bazhankin
This article presents the analysis of open propeller performance at vessel’s curvilinear motion.
