Особенности напряженного состояния гребных винтов сложной геометрии на реверсивных режимах работы Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-57-62 УДК 629.5.035.004.13

Л.И. Вишневский1, Д.Ч. Лук2

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

2 Государственный морской технический университет, Санкт-Петербург, Россия

ОСОБЕННОСТИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИИ НА РЕВЕРСИВНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Объект И цель научной работы. Целью работы является анализ напряженного состояния гребного винта (ГВ) сложной геометрии в зависимости от режимов его работы, включая экстренное одерживание судна. Материалы И методы. В работе используются экспериментальные материалы, полученные в ходе лабораторных и натурных испытаний.

Основные результаты. Показано, что у ГВ сложной геометрии, находящихся под гидродинамической нагрузкой, деформации лопастей могут быть достаточными для изменения их гидродинамических характеристик. Отмечается, что напряженное состояние таких ГВ может вызывать особые опасения относительно их надежности для случая реверсивных режимов работы.

Заключение. В результате выполненного исследования сделан вывод о том, что при проектировании высокооборотных ГВ сложной геометрии недопустимо пользоваться в качестве прототипа данными, относящимися к низкооборотному движителю, во избежание снижения их надежности.

Ключевые слова: гребной винт сложной геометрии, прочность, реверсирование. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-57-62 UDC 629.5.035.004.13

L. Vishnevsky1, D. Luk2

1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

2 State Maritime Technical University, St. Petersburg, Russia

CRASH-STOP OF COMPLEX-GEOMETRY PROPELLERS: STRESSED-STATE SPECIFICS

Object and purpose Of research. This work analyses stressed state of propeller with complex geometry depending on its operational conditions, including crash-stop scenario.

Materials and methods. The study is based on laboratory and full-scale test data.

Main results. It has been shown that blade strains of complex-geometry propellers under hydrodynamic loads must be sufficient to alter their hydrodynamic performance. It is pointed out that stresses in these propellers could be especially hazardous in terms of reliability in crash-stop conditions.

Conclusion. This paper shows that low-speed propellers cannot be taken as design prototypes for high-speed propellers with complex geometry, otherwise there might be reliability implications. Keywords: complex-geometry propeller, strength, crash-stop. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Для цитирования: Вишневский JI.П., Лук Д.Ч. Особенности напряженного состояния гребных винтов сложной геометрии на реверсивных режимах работы. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 3(389): 57-62.

For citations: Vishnevsky Г., PukD. Crash-stop of complex-geometry propellers: stressed-state specifics. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 3(389): 57-62 (in Russian).

Введение

Introduction

Гребные винты сложной геометрии получили распространение за рубежом в середине 70-х гг. прошлого столетия. Главным их отличием являлось то, что они были многолопастными (как правило, пяти-семилопастными) и имели саблевидную форму контура. Проведенные отечественные исследования таких движителей подтвердили их эффективность, относящуюся к их меньшей виброактивности при работе в неравномерном потоке, без существенного снижения КПД по сравнению с винтами традиционной геометрии. Это послужило основанием для их распространения в отечественном судостроении. При этом зачастую для создания прототипа пользовались зарубежными данными, в частности о распределении толщины вдоль радиуса, отнесенном к диаметру ГВ. На рис. 2 представлено сравнительное распределение относительной толщины вдоль радиуса ГВ сложной геометрии, спроектированных для ряда судов на номинальную частоту вращения в диапазоне 200-300 об/мин. Исключение составляет кривая SHA, которая относится к ГВ судна San demente [1]; сам ГВ показан на рис. 1. Номинальная частота вращения этого ГВ составляет 92 об/мин. Как видно из рис. 2, толщины, отнесенные к диамет-

Рис. 1. Саблевидный винт, устанавливаемый на судно San Clemente [1]

Fig. 1. Skewed propeller aboard San Clemente ship [1]

ру движителя, достаточно близки друг к другу, несмотря на то, что все ГВ были спроектированы для разных судов и на разную частоту вращения. Особенно следует отметить, что ГВ судна San Clemente имел очень низкую частоту вращения по сравнению с отечественными судами. Таким образом, ГВ сложной геометрии применительно к отечественным объектам морской техники были спроектированы на обороты в 2 раза более высокие, чем те, на которые проектировались ГВ сложной геометрии для зарубежных объектов, в частности для судна San Clemente. В то же время распределение относительной толщины сечений, отнесенной к диаметру ГВ вдоль радиуса, было почти одинаковым.

Такой подход к проектированию ГВ сложной геометрии нельзя признать удачным. Это связано с понижением их надежности, особенно при экстренном торможении заказа с полного переднего на задний ход. Из-за их повышенного напряженного состояния по сравнению с ГВ традиционной геометрии наблюдалось отклонение в геометрии, например, шагового угла от проектных значений так, что это приводило к ухудшению спецификационных качеств заказа при движении на прямом ходу. Это подтверждалось анализом натурных данных и проведенными натурными измерениями геометрических характеристик движителя.

Рис. 2. Распределение относительной максимальной толщины сечений лопасти e/D вдоль радиуса

Fig. 2. Distribution of relative maximum thickness e/D of blade sections along the radius

Анализ напряженного состояния гребного винта

Stressed-state analysis of the propeller

Действительно, сложная форма лопасти, как известно, начинает сказываться на напряженном состоянии углов с саблевидностью 20-23° (угол саб-левидности измеряется между лучами, выходящими из центра ГВ и проходящими через центры корневых и концевых сечений). При углах 40-45°, которые нашли применение при проектировании отечественных ГВ сложной геометрии, это влияние можно рассматривать как заметное и отличающееся с точки зрения имеющихся прогибов и действующих напряжений от ГВ традиционной геометрии. Это влияние определяется числом Коши [2]:

Са = р-n2-D2№,

где р - плотность воды; п - частота вращения; D -диаметр ГВ; Е - модуль упругости. Оно характеризует отношение гидродинамических сил к силам упругости. Его влияние легко проследить по результатам испытаний модели саблевидного ГВ в свободной воде для ряда значений частоты вращений на закритических числах Рейнольдса (рис. 3,4).

Эти результаты показывают, что веерообразное расхождение кривых действия с увеличением нагрузки можно объяснить лишь теми деформациями, которые уже достаточны для изменения геометрических характеристик ГВ. В значительной степени сказанное относится к области больших нагрузок, в частности к той области, в которой работают ГВ при маневрировании судна (рис. 2). Однако принимаемые коэффициенты запасов прочности по пределу текучести для отечественных движителей достаточны для того, чтобы материал движителя находился в пределах упругости и не приводил к остаточным деформациям. Сказанное относится к работе движителей, работающих на передний ход.

В условиях жесткого реверса, как показывают исследования, картина существенно меняется. Для ее выяснения были проведены модельные испытания в кавитационной трубе в диапазоне относительных поступей J = 0-0,9 и ./ • 0...-1.2, что соответствует работе натурного ГВ при разгоне корабля и его одерживании с полного переднего хода. Объектом исследования служила семилопастная саблевидная модель ГВ. На каждую сторону одной из ее лопастей было наклеено по 36 тензодатчиков, которые закрывались специальным водонепроницаемым составом (рис. 5). Испытания проходили при числе Са : К) .

0 12 3 СТ-Щ

п J-

Рис. 4. Уменьшение коэффициентов упора и момента саблевидного гребного винта в зависимости от увеличения коэффициента нагрузки и числа Коши

Fig. 4. Decrease of thrust and torque coefficients for skewed propeller along with the growth of load coefficient and Cauchy number

Рис. 3. Влияние числа Коши Са на кривые действия саблевидного гребного винта

Fig. 3. Effect of Cauchy number (Са) upon performance curves of skewed propeller

При проведении опытов использовалась система бесконтактной передачи измерений с вращающегося вала, обеспечивавшая высокую помехозащищенность регистрируемых сигналов. Подробные сведения об условиях проведения опытов и результатах измерений содержатся в [2].

На рис. 6 в качестве примера представлены обработанные результаты измерений напряжений.

_ а-102

p n D i t-- Г = 0,9

-7 t- k-

r = 0,5

-1 1— -1 1-

-1,2 -0,7 -0,2 J

Да-102

4 ifz

2 —

0 _

1.2

Рис. 5. Модель ГВ, испытанная в кавитационной трубе на ходовых и реверсивных режимах:

а) до закрытия тензодатчиков спецсоставом;

б) после закрытия датчиков спецсоставом [2]

Fig. 5. Propeller model tested in the cavitation tunnel in running and crash-stop conditions: a) before and b) after the strain gauges were sealed by a special compound [2]

Данные, относящиеся к напряженному состоянию традиционного ГВ и представленные на этом рисунке, заимствованы из работы [2].

Рассматривая эти результаты, следует отметить, что напряженное состояние саблевидного ГВ выше, чем у ГВ с традиционным контуром лопасти. По оценкам, осредненное по времени напряженное состояние саблевидных лопастей при работе на задний

_ а-102

_ Ла-102

1,5

r= U,У

г =0,5

1 <►

0,5

г= 0,!

-0,7

-0,2 J

0,2

0,4 0,6

Рис. 6. Средние значения о и размах колебаний До относительных напряжений, действующих в середине засасывающей поверхности саблевидной лопасти

Fig. 6. Average magnitude Да and amplitude Да of relative stresses in the middle of the suction surface of the skewed blade

ход судна увеличивается в 4-5 раз по сравнению с тем же состоянием при работе на передний ход. Как известно, похожая картина наблюдается и у традиционного ГВ. Отсюда следует, что для предотвращения повреждения натурных ГВ при маневрировании судна необходимо ограничивать перерабатываемую ими мощность главной энергетической установкой (ГЭУ). Выполненные оценки на основании полученных экспериментальных данных показывают, что для сохранения запасов прочности на необходимом уровне при одержании корабля следует снижать обороты движителя почти в 1,7 раза и потребляемую мощность более чем в 5 раз по сравнению с номинальными оборотами и мощностью ГЭУ. Повышения надежности можно добиться путем увеличения толщины концевых сечении лопастей ГВ.

Результаты испытаний показывают (рис. 6), что средние напряжения увеличиваются на режимах работы ГВ на реверсивных режимах к периферийным сечениям. В то же время это увеличение при создании ГВ положительного упора, т.е. упора, направленного навстречу набегающему потоку, менее выражено, хотя эти напряжения больше. Сказанное косвенно подтверждается смещением гидродинамической нагрузки к концевой части лопасти по сравнению с ее распределением, относящимся к переднему ходу судна. Следует также добавить, что в широком диапазоне отрицательных относительных поступей обезразмеренные напряжения, действующие в материале лопасти, практически сохраняют постоянное значение. Этот экспериментальный результат указывает на то, что при оценке прочности ГВ в условиях реверса корабля достаточно ограничиться швартовым режимом работы их моделей при проведении опытов, т.е. тем режимом, при котором образующаяся при сходе с лопастей вихревая пелена не пересекает самой несущей поверхности. Последнее обстоятельство является существенным упрощением при расчете гидродинамической нагрузки.

Степень надежности ГВ определяется не только уровнем осредненного напряженного состояния лопастей, но и величиной амплитуды переменной составляющей напряжения, действующего в материале лопастей при работе движителя. С одной стороны, эта величина определяет статический запас прочности, с другой - циклический. Наибольший практический интерес величина амплитуды пульсации напряжений представляет для реверсивного режима работы ГВ. Это подтверждается данными, представленными на рис. 6. Видно, что пульсации

напряжений существенно увеличиваются к концевым сечениям и в широком диапазоне нагрузок сохраняют постоянное значение. Размах колебаний напряжений при этом близок по величине к средним значениям. В диапазоне же положительных относительных поступей такой пульсации почти не наблюдается, и потому он более благоприятен для работы ГВ. Сказанное в полной мере относится и к началу разгона корабля. Несмотря на больший упор, создаваемый лопастью в этом периоде, напряженное состояние лопастей, как показывают исследования, значительно меньше.

Наиболее важный с практической точки зрения результат состоит в том, что при проектировании высокооборотного ГВ следует чрезвычайно осторожно пользоваться данными, относящимися, в частности, к распределению относительной толщины вдоль радиуса низкооборотного движителя, поскольку при проектировании ГВ особенно сложной геометрии это может привести к недостаточной их прочности в условиях жесткого реверса корабля. Действительно, если высокооборотный ГВ проектируется на переработку той же мощности, что и мощность, перерабатываемая низкооборотным движителем, то справедливо равенство

где Ко. п. I) - коэффициент момента, частота вращения и диаметр соответственно; обозначение «П» соответствует низкооборотному ГВ-прототипу.

Последнее равенство можно переписать в виде

Квп { Б ) и ) '

Вводя в это выражение напряжения по формуле о = о • п2 ■ Б2 (где о - обезразмеренное значение напряжения), легко переписать его в виде

°п «п {Вп) { к<2 )

Анализ формулы (1) и имеющихся систематических материалов, относящихся к гидродинамическим характеристикам ГВ сложной геометрии, показывает, что увеличение оборотов проектируемого ГВ в 3 раза, т.е. п = Зя,,. влечет уменьшение его диаметра в ~1,9раза, т.е. I) ~ Э,, /1.9. При этом предполагается, что названные движители спроектированы на оптимальный режим с точки зрения КПД. Другими словами, диаметр высокооборотного ГВ должен быть уменьшен в ~2 раза, а значение

Kqh увеличено в —1,5 раза по отношению к Kg. Таким образом, у высокооборотного ГВ напряженное состояние увеличивается по сравнению с низкооборотным прототипом более чем в два с половиной раза. При этом предполагается, что оба движителя имеют равное распределение толщины, отнесенное к его диаметру. На основании сказанного все ГВ сложной геометрии с саблевидным контуром лопасти, распределение относительных толщин которых представлено на рис. 2, имеющие повышенную частоту вращения при переработке одинаковой мощности ГЭУ и близкие относительные геометрические характеристики, обладают пониженной надежностью; особенно это касается реверсивных режимов работы.

Вышесказанное подтверждается и экспериментальными данными, представленными безразмерными напряжениями, действующими в материале ГВ сложной геометрии с углом саблевидности —45° и отнесенными к произведению n2-D2. Из них несложно установить, что действующие напряжения увеличатся более чем в 2 раза. При этом принято во внимание то, что, распределение относительной толщины, т.е. толщины, отнесенной к диаметру ГВ, одинаковое у модели и у высокооборотного ГВ (рис. 1). Сказанное позволяет сделать вывод о том, что проектирование высокооборотных саблевидных ГВ сложной геометрии с использованием данных, относящихся к западным, низкооборотным образцам (например, подводная лодка Los Angeles США имеет номинальную частоту вращения ГВ 100 об/мин.), привело к более низкой надежности отечественных движителей. Это нашло подтверждение в ходе натурных испытаний [3].

Заключение

Conclusion

Проведенные исследования позволяют заключить также и то, что проектирование низкооборотного движителя по данным высокооборотного движителя путем перенесения размеров, ответственных за прочность движителя и отнесенных к его диаметру, может привести к чрезмерной прочности и, соответственно, к его переутяжелению. В обоих случаях целесообразно пользоваться численным моделированием для определения как внешних нагрузок, так и его напряженного состояния.

Библиографический список

1. Valentine D.Т., DashnawF.J. Highly skewed propeller for San demente class ore/bulk/oil carrier design con-

siderations, model and full-scale evaluation // Proceedings of First Ship Technology and Research Symposium. Washington, D.C., 1975. P. 11-1-11-22.

2. Вишневский Л.И., ТогуняцА.Р. Корабельные лопастные движители: новые технические решения, результаты исследований. СПб.: Судостроение, 2012.

3. Вишневский Л.И. К оценке и нормам общей прочности гребных винтов // Всесоюзная научно-техническая конференция по судовым движителям и системам управления. М., 1985.

References

1. Valentine D. Т., Dashnaw F.J. Highly skewed propeller for San Clemente class ore/bulk/oil carrier design considerations, model and full-scale evaluation // Proceedings of First Ship Technology and Research Symposium. Washington, D.C., 1975. P. 11-1-11-22.

2. L. Vishnevsky, A. Togunyats. Bladed marine propulsors: new solutions and research results. St. Petersburg: Sudostroenie, 2012 (in Russian).

3. L. Vishnevsky. On global strength assessments and regulations for. // All-USSR Scientific & technical conference on marine propulsors and control systems. Moscow, 1985 {in Russian).

Сведения об авторах

Вишневский Леонид Иосифович, д.т.н., главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7(911)968-28-23. E-mail: vishli@yandex.ru.

Лук Дык Чин, аспирант Государственного морского технического университета. Адрес: 190003, Россия, Санкт-Петербург, Лоцманская, 3. Тел.: +7(965)080-06-83 E-mail: ludutri@gmail.com.

About the authors

Leonid I. Vishnevsky, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Mos-kovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (911) 968-28-23. E-mail: vishli@yandex.ru. Dyk Chin Luk, Post-Graduate, St. Petersburg State Marine Technical University. Address: 3, Lotsmanskaya st., St. Petersburg, Russia, post code 190008. Tel. +7 (965) 080-06-83. E-mail: ludutri@gmail.com.

Поступила / Received: 23.05.19 Принята в печать / Accepted: 17.07.19 © Вишневский Л.И., Лук Д.Ч., 2019