Экспериментальные исследования давлений на лопастях гребного винта Текст научной статьи по специальности «Физика»

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-27-32 УДК 532.58:629.5.035

Н.А. Бахарев, В.И. Ванюхин, Л.И. Вишневский

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАВЛЕНИЙ НА ЛОПАСТЯХ ГРЕБНОГО ВИНТА

Объект и цель научной работы. Приведены результаты измерения на лопасти крупномасштабной модели гребного винта (ГВ) в равномерном и неравномерном потоках с целью подтверждения адекватности математической модели течения, используемой при расчетах по вихревой теории.

Материалы и методы. Использовались экспериментальные сертифицированные средства.

Основные результаты. Полученные данные могут быть использованы для уточнения вихревой модели ГВ.

Заключение. Экспериментальные результаты, приведенные в настоящей работе, полезны как для профилировки

лопастей ГВ, так и для создания других типов движителей, например винтов изменяемого шага.

Ключевые слова: гребной винт, давления, равномерный и неравномерный потоки.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-4-390-27-32 UDC 532.58:629.5.035

N. Bakharev, V. Vanyukhin, L. Vishnevsky

Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

PRESSURES ON PROPELLER BLADES: EXPERIMENTAL STUDIES

Object and purpose of research. This paper presents measurement results obtained on a large-scale propeller model in uniform and non-uniform flow in order to validate the mathematical model of the flow used in vortex theory-based calculations.

Materials and methods. The measurements were taken with certified test equipment and instrumentation. Main results. These data could be used to update the vortex model of propeller.

Conclusion. The test data given in this study could be helpful in both profiling of propeller blades and development of other

types of propulsors, e.g. adaptive-pitch propellers.

Keywords: propeller, pressure, uniform flow, non-uniform flow.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Введение

Introduction

Судовой гребной винт в реальных условиях работает в неравномерном поле скоростей, обусловленном наличием перед ним корпуса судна и его выступающих частей. Лопасти ГВ при этом обтекаются с периодическими во времени скоростями, изменяющимися по величине и направлению. В результате гидродинамическое давление на поверхности

лопастей, а следовательно, и гидродинамические силы на каждой лопасти, имеют ярко выраженный периодический характер.

Появление таких сил на движителе сопровождается рядом негативных явлений, таких как вибрация лопастей и корпуса судна, неблагоприятно влияющая на работу судового оборудования и условия обитаемости, а также обусловленное вибрацией акустическое излучение, которое отрицательно сказывается на экологическом состоянии окружающей

Для цитирования: Бахарев Н.А., Ванюхин В.И., Вишневский Л.И. Экспериментальные исследования давлений на лопастях гребного винта. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 4(390): 27-32.

For citations: Bakharev N., Vanyukhin V., Vishnevsky L. Pressures on propeller blades: experimental studies. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 4(390): 27-32 (in Russian).

среды. Простое перечисление этих явлений делает очевидной необходимость проведения мероприятий по уменьшению периодических (пульсирующих) нагрузок на элементах движителя. Разработка таких мероприятий требует эффективного инструмента для исследования самого процесса возникновения пульсирующих сил, в том числе надежных методов определения давления на лопастях в условиях, по возможности приближенных к условиям реальной эксплуатации движителя.

Актуальность попыток решения вышеназванных задач подтверждается неослабевающим в течение долгого времени интереса к ним со стороны ведущих исследовательских лабораторий [1-10].

Оборудование

для измерения давлений

Instrumentation for pressure measurements

В данной статье приведены результаты измерения давления на лопасти модели ГВ на различных режимах работы. Экспериментальная установка, схематически изображенная на рис. 1, включает в себя модель ГВ с датчиками давления, установленную в рабочем участке кавитационной трубы, устройства для создания неоднородности и скоса потока, а также аппаратуру для усиления, регистрации и анализа сигналов датчиков давления.

Измерения проводились на модели ГВ со следующими геометрическими характеристиками:

■ диаметр - D = 2R = 0,5 м;

■ относительный диаметр ступицы - d/D = 0,2;

■ число лопастей - Z = 3;

■ дисковое отношение - Ае /Ао = 0,95;

■ шаговое отношение - Р/R = 2,4.

На лопасти модели ГВ заподлицо с поверхностью было установлено 20 датчиков давления (рис. 2), из которых 18 - на относительном радиусе

r/R = 0,72 (по 9 на засасывающей и нагнетающей сторонах лопасти) и по одному - на относительных радиусах r/R = 0,6 и 0,8 в районе входящей кромки на засасывающей стороне лопасти. Измерение давления выполнялось малогабаритными тензодатчи-ками (рис. 3) с диапазоном измерения ±0,2 МПа, приведенной относительной погрешностью не более 0,5 %. Диаметр мембраны, воспринимающей давления, составлял 5 мм.

Для передачи сигнала от датчиков к усилителю использовались контактные токосъемные устройства. Были приняты необходимые меры, связанные с балансировкой вращающейся измерительной системы, для снижения погрешности, вносимой токосъемниками.

Испытания ГВ в кавитационной трубе выполнялись в равномерном, скошенном и неравномерном потоках. Скос потока создавался двумя крыльями, установленными в рабочем участке кави-тационной трубы сверху и снизу модели (рис. 1). Для определения угла скоса в месте расположения ГВ поток визуализировался с помощью шелковинок, укрепленных на проволоке между крыльями. В описываемом эксперименте угол скоса равнялся 10°. При испытании в неравномерном потоке крылья снимались, а перед моделью ГВ устанавливалась вдоль потока пластина длиной 1,3 м с закрепленной на ней мелкоячеистой сеткой. Расстояние между пластиной и ГВ составляло 1,5 м. Неравномерность поля скоростей за пластиной приближенно моделировала неравномерность поля скоростей за стойкой, кронштейном вала и элементами направляющего аппарата в водометном движителе (рис. 4).

Испытания в скошенном потоке проводились на рабочей поступи модели ГВ J = 0,90 при частотах вращения вала 5, 10 и 15 об/с. При работе на этой поступи экспериментальное значение поступи

1 2 jLJL

3

4

5

6

Рис. 1. Рабочий участок кавитационной трубы

Fig. 1. Cavitation tunnel. Test section

Рис. 2. Расположение тензодатчиков на лопасти Рис. 3. Тензодатчик

Fig. 2. Strain gauge locations on the blade Fig. 3. Strain gauge

находилось в диапазоне 0,86-0,95. В неравномерном потоке при прохождении лопастью подторможенной зоны за пластиной относительная поступь уменьшалась до 0,57.

Поскольку целью работы являлось, в частности, исследование влияния неравномерности потока на величину давления на лопасти ГВ, программой испытаний в однородном потоке предусматривались измерения на указанных экстремальных поступях, а также на рабочей поступи. Измеренное таким образом давление называется квазистационарным, в отличие от пульсирующего давления, измеряемого при работе ГВ в неравномерном или косом потоках.

Результаты измерения

Measurement results

Результаты эксперимента представлены на рис. 5-9. На рис. 5 показаны зависимости давления в 4 точках лопасти от ее углового положения при работе ГВ в неравномерном потоке. Из этого рисунка следует, что:

■ давление на поверхности лопасти ГВ в неравномерном поле скоростей изменяется вместе с ее угловым положением;

■ характер колебания давления вблизи входящей кромки лопасти (кривая 2) близок к характеру изменения скорости набегающего потока (рис. 4);

■ по мере удаления от входящей кромки указанное выше сходство постепенно ослабевает и практически пропадает со средней части лопасти;

■ максимальные амплитуды колебаний давления фиксируют датчики, установленные в районе входящей кромки (кривые 1 и 2);

■ амплитуды колебаний давления тем меньше, чем дальше от входящей кромки расположены датчики (кривые 3 и 4);

■ наибольшее разрежение, регистрируемое датчиком в течение одного оборота ГВ, фиксируется с некоторым запаздыванием относительно момента прохождения датчиком углового положения, соответствующего минимуму осевой скорости потока, т.е. максимальному углу атаки сечения лопасти.

Величина сдвига по фазе указанных величин не зависит от частоты вращения ГВ, что подтверждает результаты теоретических исследований (3), согласно которым оно является функцией

3 /

/ 2/ У \\ r 1 f 1 \

1 / \ \\ Л\ 1 III V I

•V \\i \\ 1 ' III ji

\ III

0 90 180 270 0

Рис. 4. Поле скорости за пластиной, служащей для создания неоднородности потока в кавитационной трубе:

1 - г = 145 мм; 2 - г = 175-190 мм; 3 - г = 205 мм

Fig. 4. Wake field behind the plate making the flow in the cavitation tunnel non-uniform: 1 - г = 145 mm; 2 - г = 175-190 mm; 3 - г = 205 mm

Рис. 5. Изменение давления за один оборот лопасти (неравномерный поток): 1 и 2 - на входящей кромке; 3 и 4 - на выходящей кромке

Fig. 5. Pressure changes per one blade revolution (non-uniform flow): 1 and 2 - leading edge; 3 and 4 - trailing edge

Рис. 6. Изменение давления за один оборот лопасти (скошенный поток): 1 - угол атаки сечения лопасти; 2 - давление на середине лопасти; 3 - давление на входящей кромке

Fig. 6. Pressure changes per one blade revolution (oblique flow): 1 - attack angle of blade section; 2 - pressure in the middle of the blade; 3 - pressure on the leading edge

только числа Струхаля и характера неоднородности потока.

Результаты испытаний модели ГВ в скошенном потоке представлены на рис. 6. В этом случае, как и при работе ГВ в неравномерном потоке, наблюдается сходство зависимостей давления на поверхности лопасти и угла атаки сечения лопасти от ее углового положения. Вместе с тем обращает на себя внимание изменение давления на середине лопасти

Р

2 0 -2 -4 -6

1 1 1 -3

t 1 2 s /

А > — 4

*— — г-. = : - — Л

s ~ • — ___ J,. в » —

■s

-10

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 х

Рис. 7. Результаты измерения давления на лопасти модели гребного винта на относительном радиусе 0,72: 1 - равномерный поток, J = 0,9; 2 -равномерный поток, J = 0,57; 3 - равномерный поток

Fig. 7. Pressure measurement data for the propeller model blade, relative radius 0.72: 1 - uniform flow, J = 0.9; 2 - uniform flow, J = 0.57; 3 - non-uniform flow

(кривая 2), указывающее на постоянство давления вблизи середины сечения. Такое изменение может быть объяснено отрывным явлением в потоке вблизи поверхности лопасти и требует тщательных исследований, которые не могли быть проведены в рамках настоящей работы из-за отсутствия более обширных экспериментальных данных.

На рис. 7 изображены эпюры распределения давления по лопасти при работе ГВ в неравномерном потоке (пульсирующее давление) в той фазе движения лопасти, когда имеет место максимум разряжения вблизи входящей кромки. На этом же рисунке приведены аналогичные эпюры, полученные в равномерном потоке на поступи 0,9 и на поступи 0,57, равной минимальной мгновенной поступи при работе ГВ в неравномерном потоке (квазистационарное значение поступи). Сравнение этих эпюр свидетельствует о существенном влиянии периодичности потока на величину давления на лопасти ГВ, а именно: пульсационное разрежение на засасывающей стороне лопасти заметно меньше, чем квазистационарное. Эта разница максимальна в районе входящей кромки лопасти.

Аналогичные результаты для косого потока приведены на рис. 8 и 9. Здесь сопоставлены эпюры распределения периодического давления, которое измерено в косом потоке в моменты, соответствующие экстремальным величинам давления в районе входящей кромки лопасти, с эпюрами квазистационарного давления, измеренного в однородном потоке при поступях 0,86 и 0,95. Эти поступи равны

экстремальным значениям поступей в косом потоке. Также наблюдается редуцирование разрежения при нестационарном обтекании лопасти, но оно заметно меньше, чем в рассматриваемом выше случае работы ГВ в неоднородном потоке.

Полученные результаты находятся в полном соответствии с теоретическими выводами (3), согласно которым степень редуцирования величины разрежения на поверхности профиля (сечения лопасти) зависит как от числа Струхаля, определяемого частотой колебаний скорости натекающего потока, так и от характера периодичности, т.е. от закона изменения скорости внутри одного периода колебаний.

0,1

-0,1

\

\ . 7

\ /

,1

\\

\ / ,1

/ 7

\ r - ■ — • ~ — is

j.

/

\ l/x

- - у

-

v ■ **"

f 4 ✓

0

Заключение

Conclusion

Приведенные в настоящей работе данные по давлениям чрезвычайно важны при выборе формы сечений лопасти винта в процессе его проектирования. Особенно это касается нетрадиционных винтов, например винтов изменяемого шага, при проектировании которых необходимо, кроме всего прочего, учитывать гидродинамические моменты, обеспечивающие рабочее положение лопастей на ступице. Надо полагать, что представленные выше экспериментальные результаты имеют значение для проектирования движителей различных типов.

Библиографический список

1. Takei J., Koyma K., Kurobe J. Measurement of pressures on a blade of propeller model // Paper of Ship Institute. 1979. Vol. 55.

2. Vervissen G.P., van Gent W. Hydrodynamic pressure measurement in a ship model propellers // Proc. of 14th Symp. on Naval Hydrodynamics. Washington, 1982.

3. Jessup S.D. Measurement of the pressure distribution on two model propellers // DTNSRDC - 82/035. David Taylor Research Center. Bethesda, Md., 1982.

4. Jessup S.D. Further measurements of model propeller pressure distribution using of novel technique // DTNSRDC - 86/011. David Taylor Research Center. Bethesda, Md., 1986.

5. Ukon Y., Kudo T., Kurobe J. Measurement of pressure distribution and cavity shape on conventional and highly skewed propeller model // Naval Architecture and Ocean Engineering. 1990. Vol. 28. P. 1-18.

6. Ukon Y., Kudo T., Kurobe J., Kamirisa H., Juasa H., Kubo H., Hadoni J. Measurement of pressure distribution on a full scale propeller - measurement on a conventional propeller // Naval Architecture and Ocean Engineering. 1991. Vol. 29. P. 1-14.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x

Рис. 8. Распределение коэффициента давления вдоль сечения лопасти гребного винта: 1 - в потоке со скосом 10°, угловое положение лопасти 0 = 90°;

2 - в однородном потоке, J = 0,86; 3 - в однородном потоке, J = 0,9

Fig. 8. Distribution of pressure coefficient

along propeller blade section: 1 - oblique flow (10°),

blade angle 0 = 90°; 2 - uniform flow, J = 0.86;

3 - uniform flow, J = 0.9

0,1

-0,1

\

\ . /

V /

✓

\\

\ / — Ъ ft

/ 7

\ t - • — ь 7", —«■

1.

\

x\ - -

\ , -

у

Г ч _ У

i

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 x

Рис. 9. Распределение коэффициента давления вдоль сечения лопасти гребного винта: 1 - в потоке со скосом 10°, угловое положение лопасти 0 = 270°;

2 - в однородном потоке, J = 0,9; 3 - в однородном потоке, J = 0,95

Fig. 9. Distribution of pressure coefficient

along propeller blade section: 1 - oblique flow (10°),

blade angle 0 = 270°; 2 - uniform flow, J = 0.9;

3 - uniform flow, J = 0.95

0

7. Бахарев Н.А. и др. Применение кремниевых датчиков в гидродинамическом эксперименте / Тензометрия / под ред. Е.М. Аристова. Л.: ДНТП, 1977.

8. Vishnevskii L.I., Horoshev V.G. Propellers making use free moveable system on the hub // Proceedings of the Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics in Naval Architecture, Ocean Technology and constructions. Hanoi, Vietnam, 2016.

9. Насыров А.М., Хромов А.Н. Измерение пульсирующих давлений на лопасти модели гребного винта в неравномерном потоке // НТОСП. Материалы выездной сессии в Киеве. 1971. Вып. 165. С. 112-120.

10. ВанюхинВ.И., Махиненко Т.А. Расчет распределения давления по поверхности профиля конечной толщины в неоднородном нестационарном потоке идеальной жидкости // Всесоюзная научно-техническая конференция по применению ЭВМ и численных методов в гидродинамике корабля (Крыловские чтения). 1977. С. 115-117.

References

1. Takei J., Koyma K., Kurobe J. Measurement of pressures on a blade of propeller model // Paper of Ship Institute. 1979. Vol. 55.

2. Vervissen G.P., van Gent W. Hydrodynamic pressure measurement in a ship model propellers // Proc. of 14th Symp. on Naval Hydrodynamics. Washington, 1982.

3. Jessup S.D. Measurement of the pressure distribution on two model propellers // DTNSRDC - 82/035. David Taylor Research Center. Bethesda, Md., 1982.

4. Jessup S.D. Further measurements of model propeller pressure distribution using of novel technique // DTNSRDC - 86/011. David Taylor Research Center. Bethesda, Md., 1986.

5. Ukon Y., Kudo T., Kurobe J. Measurement of pressure distribution and cavity shape on conventional and highly skewed propeller model // Naval Architecture and Ocean Engineering. 1990. Vol. 28. P. 1-18.

6. Ukon Y., Kudo T., Kurobe J., Kamirisa H., Juasa H., Kubo H., Hadoni J. Measurement of pressure distribution on a full scale propeller - measurement on a conventional propeller // Naval Architecture and Ocean Engineering. 1991. Vol. 29. P. 1-14.

7. N. Bakharev et al. Application of silicon sensors in hydrodynamic tests / Strain gauging. Under editorship of Ye. Aristov. Leningrad: DNTP, 1977 (in Russian).

8. Vishnevskii L.I, Horoshev V.G. Propellers making use free moveable system on the hub // Proceedings of the Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics in Naval Architecture, Ocean Technology and constructions. Hanoi, Vietnam, 2016.

9. A. Nasyrov, A. Khromov. Measurement of pressure pulses on model propeller blade in non-uniform flow // NTOSP. Materials of the Visiting session in Kiev. 1971. Issue 165. P. 112-120 (in Russian).

10. V. Vanyukhin, T. Makhinenko. Calculation of pressure distribution over the surface of blade profile with finite thickness in non-uniform unsteady flow of perfect fluid // All-USSR scientific & technical conference on application of computers in numerical methods in hydrodynamics of ship (Krylov Readings). 1977. P. 115-117 (in Russian).

Сведения об авторах

Бахарев Николай Андреевич, к.т.н., начальник научно-производственного центра ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected]. Ванюхин Валентин Иванович, к.т.н., старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected].

Вишневский Леонид Иосифович, д.т.н., главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел: +7 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected].

About the authors

Nikolay A. Baharev, Cand. Sci. (Eng.), the Head of Scientific manufacturing center, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected].

Valentin I. Vanuhin, Cand. Sci. (Eng.), Senior Research Scientist, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected]. Leonid I. Vishnevskij, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Krylov State Research Centre. 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected].

Поступила / Received: 02.08.19 Принята в печать / Accepted: 21.11.19 © Коллектив авторов, 2019