ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.08.2019
Просмотров: 12951
Скачиваний: 276
180
Зависимость коэффициента засасывания от скольжения определяется
формулой
???? =
????
0
????
1
, (9.20)
где
0
1
p
t
t
H
D
– коэффициент засасывания при работе винта на швартовых.
А относительная поступь ????
р
и коэффициент засасывания
???? соответствуют
расчетному режиму гребного винта.
Теперь можно оценить полезное действие гребного винта, работающего за
корпусом судна. Как уже говорилось, под пропульсивным коэффициентом
понимается отношение буксировочной мощности ????
б
к мощности
????
????
,
подводимой к винту
???? =
????
б
????
????
=
???? ∙ ????
????
????
????
=
????
1
∙ ???? ∙ (1 − ????) ∙ ????
????
????
2
∙ ???? ∙ 2 ∙ ???? ∙ ???? ∙ (1 − w)
, (9.21)
где ???? – полное сопротивление, кН;
????
????
– эксплуатационная скорость судна, уз;
????
1
и
????
2
– коэффициенты влияния неравномерности попутного потока на упор
и на момент соответственно;
???? – коэффициент засасывания;
????
????
– осевая скорость гребного винта, м/с;
???? – частота вращения гребного винта, с
-1
;
w – коэффициент попутного потока.
Подставляя выражения для упора ???? и момента ????, после сокращения
получим
???? =
????
1
????
2
(1 − ????)
(1 − ????)
∙ ????
????
= ????
????
∙ ????
????
, (9.22)
где ????
????
– коэффициент полезного действия гребного винта;
????
????
=
????
1
????
2
(1 − ????)
(1 − ????)
− коэффициент влияния корпуса
На современных транспортных судах значения пропульсивного
коэффициента достигают для одновинтовых судов ???? = 0,7 – 0,8, а для
двухвинтовых ???? = 0,6 – 0,7.
При выборе мощности главного двигателя ????
е
следует учесть механические
потери. И тогда
181
????
е
=
????
б
????
к
????
????
????
мех
, кВт, (9.23)
где ????
мех
– коэффициент полезного действия, учитывающий механические
потери.
9.7 Кавитация гребных винтов
Нарушение сплошности жидкости, сопровождающееся образованием
полостей, заполненных паром и газом, носит название кавитации. Кавитация
возникает в результате понижения давления, происходящего в процессе
обтекания жидкостью твердых тел, движущихся с большими скоростями.
Понижение давления приводит к появлению растягивающих напряжений и
нарушению прочности жидкости.
С увеличением частоты вращения возрастает упор судового движителя
вследствие возрастания давления на нагнетательной стороне лопасти или крыла
и понижения давления до величины насыщенного пара на засасывающей
стороне.
В этом случае вода вскипает, и на засасывающей поверхности образуются
пустоты, заполняющиеся парами воды и растворенными в ней газами. Наличие
этих пустот, или, как их называют, кавитационных каверн, существенно
изменяет условия обтекания лопасти или крыла и влияет на его характеристики.
Каверны в жидкости имеют различные размеры и формы, которые и
определяют вид и степень развития кавитации.
Известны следующие основные виды кавитации:
- вихревая, представляющая собой отдельные пузырьки или сплошные
кавитационные области, располагающиеся в ядрах свободных вихрей, которые
образуются при обтекании гребных винтов и крыльев;
- профильная пузырчатая, имеющая вид отдельных сферических или почти
сферических пузырьков, располагающихся вблизи поверхности обтекаемого
жидкостью тела. Пузырьки, образующиеся у передней границы кавитационной
области, не связаны с телом и перемещаются вдоль его поверхности,
схлопываясь у задней границы области;
- профильная пленочная, связанная с обтекаемым телом кавитационная
область, представляющая собой сплошную полость, лишенную отдельных
пузырьков. В хвостовой части каверны наблюдается либо пузырчатая область,
либо обратная струйка, стремящаяся ее заполнить. Возможен периодический
переход пленочной кавитации в пузырчатую, и обратно.
В настоящее время на вопрос о том, в каких случаях возникает та или иная
форма кавитации, нельзя считать окончательно решенным. Можно лишь
отметить, что для начальных стадий кавитации наиболее характерны вихревая
и пузырчатая формы, которые затем переходят в пленочную. Иногда пленочная
кавитация возникает, минуя пузырчатую форму, – подобное явление
182
характерно для обтекания тел, на поверхности которых имеются резкие пики
разрежения.
Важнейшей характеристикой, определяющей возникновение кавитации,
является величина критического давления ????̅, которая зависит от способности
жидкости выдерживать растягивающие напряжения. Исследование физических
свойств воды показало, что величина растягивающих напряжений,
выдерживаемых водой, может изменяться в широких пределах.
Экспериментальные исследования кавитации гребных винтов показывают,
что кавитация начинается у края лопасти и распространяется далее по
направлению к ступице узкой полосой по засасывающей поверхности лопасти в
районе входящей кромки, если профиль авиационный, и в районе наибольшей
толщины, если профиль сечения лопасти сегментный. Такая картина
соответствует первой стадии кавитации винта.
Хотя гидродинамические характеристики винта практически не меняются,
но, смещаясь потоком в область меньшего разрежения, пузыри схлопываются,
вызывая кавитационную эрозию, разрушающую материал лопасти, вследствие
чего лопасти теряют прочность, и сокращается срок безопасной работы
гребного винта.
При дальнейшем возрастании скорости обтекания лопасти наступает
вторая стадия кавитации, характеризующаяся тем, что кавитацией охватывается
вся засасывающая поверхность лопасти, так что схлопывание каверн
происходит уже вне лопасти, за ее выходящей кромкой, и поэтому эрозия
отсутствует, но вследствие существенного изменения режима обтекания
существенно меняются гидродинамические характеристики винта и резко
падает его коэффициент полезного действия.
Скорость обтекания элемента лопасти
(без учета вызванных скоростей)
представляет собой геометрическую сумму поступательной скорости
р
и
вращательной скорости
????
= 2 ∙
p
∙ ???? ∙ ????, т.е.
= √????
????
2
+ (2 ∙
p
∙ ???? ∙ ????)
2
, рад./с. (9.24)
Из этой формулы видно, что скорость обтекания
тем больше, чем
больше скорость движения винта
р
, и чем больше частота вращения п и
радиус ????. Таким образом, с ростом числа оборотов и поступательной скорости
движения судна увеличивается вероятность возникновения кавитации.
Увеличение скорости обтекания элемента при постоянном угле атаки
вызывает повышение давление на нагнетающей поверхности, а на
засасывающей – понижение. Но падение давления на засасывающей
поверхности ограничивается практически величиной давления насыщенного
пара ????
????
при данной температуре воды. Следовательно, когда давление на
засасывающей поверхности станет равным ????
????
,
вода вскипит и начнется
кавитация.
Число оборотов, при котором начинается кавитация, называется
критическим ????
кр
.
183
Для того, чтобы не возникала кавитация, гребной винт должен работать на
ходовом режиме при числе оборотов, на 10 – 15% меньшем, чем ????
кр
.
Так как упор элемента лопасти гребного винта создается главным образом
за счет разрежения на засасывающей поверхности, следовательно, чем больший
упор должен развить гребной винт, тем большее разрежение должно
создаваться на засасывающей поверхности, а это может привести к кавитации.
Но начиная с того момента, когда давление на этой поверхности станет
постоянным, упор уже почти не будет возрастать, несмотря на увеличение
скорости обтекания.
Если появившаяся кавитационная каверна охватывает не только
засасывающую поверхность, но и переходит на нагнетающую сторону, тогда же
происходит уменьшение упора.
Если же каверна охватывает весь профиль, то давление ????
????
установится
неизменным по обе стороны элемента лопасти гребного винта и упор станет
равным нулю.
Для того чтобы устранить отрицательные последствия, связанные с
появлением первой стадии кавитации, при проектировании винта стремятся
устранить или отдалить ее появление, что достигается увеличением площади
лопастей, характеризуемой дисковым отношением
, и соответствующим
профилированием сечений лопастей, обеспечивающим более равномерное
распределение давлений по площади лопасти.
Полностью устранить первую стадию кавитации не удается, т.к. это
потребовало бы увеличить дисковое отношение
до такой величины, при
которой существенно падает коэффициент полезного действия винта.
Практически выбирают дисковое отношение, исключающее появление второй
стадии кавитации.
Для выбора дискового отношения
удобно пользоваться диаграммой (см.
рис. 9.10), на которой построены кривые погружения оси гребного вала ????, а по
оси абсцисс отложена величина критического давления ????̅, воспринимаемая
винтом при заданной эксплуатационной скорости судна.
Критическое давление определяется по формуле
????̅ =
????
p
∙ ????
2
4
, кН/м
2
, (9.25)
где Р – упор винта, при заданной эксплуатационной скорости судна, кН;
???? – диаметр гребного винта, м.
Диаграммой можно пользоваться для гребных винтов с дисковыми
отношениями
0,75.
Толщина лопастных сечений также влияет на возникновение кавитации.
Чем больше относительная толщина лопасти, тем ниже давление на
засасывающей поверхности при неизменной скорости и угле атаки.
184
Следовательно, гребные винты с толстыми лопастями, более подвержены
кавитации.
Рис. 9.10 Диаграмма выбора дискового отношения гребного винта
Чем глубже погружен винт, тем меньше вероятность его кавитации, так
как давление столба жидкости увеличивает величину давления на
засасывающей поверхности.
Для ориентировочной оценки соблюдения безкавитационной работы
гребного винта необходимо чтобы выполнялись следующие критерии:
1. Окружная скорость края лопасти
????
не должна превышать 70 – 80 м/с.
????
= 2 ∙
p
∙ ???? ∙ ???? < 70 – 80 м/с, (9.26)
где ???? – частота вращения гребного винта, с
-1
;
???? – радиус гребного винта, м.
2. Давление на единицу поверхности лопасти не должно превышать
78 – 88 кН/м
2
????
????
????
< 78 − 88 кН/м
2
, (9.27)
где ???? – упор винта при заданной эксплуатационной скорости судна, кН;
????
????
– площадь диска гребного винта, м
2
,
Вредные последствия кавитации не ограничиваются только ухудшением
пропульсивных качеств, эрозией, шумом и вибрацией гребного винта.
,
кН/м
2