дисковое отношение гребного винта кпд
Дисковое отношение гребного винта кпд
Что нужно знать о кавитации.
Упор гребного винта создается главным образом за счет разрежения — падения давления на выпуклой засасывающей стороне лопасти.
Если площадь лопастей небольшая, то давление здесь понижается настолько, что вода, обтекающая лопасть, вскипает, выделяя пузырьки пара.
Микроскопические пузырьки сливаются в более крупные—каверны, а при очень сильном разрежении — в сплошную полость, что нарушает непрерывность потока. Это явление и называется кавитацией.
Различают две стадии кавитации. На первой студии каверны невелики и на работе винта практически не сказываются.
Однако пузырьки, лопаясь, создают огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.
При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.
Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение числа оборотов; гребной винт при этом издает специфический шум, на корпус передается вибрация, лодка движется скачками.
Степень разрежения на лопасти, а следовательно, и момент наступления кавитации зависят прежде всего от скорости потока, набегающего на лопасть.
п = Vr \ πD =3500\(3.14*0.3)= 3700 об/мин,
а винт диаметром 0,4 м — не более 2800 об/мин.
Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от ряда других характеристик. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля, ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. «раньше», наступает кавитация.
Появлению кавитации способствуют также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.
Что такое дисковое отношение винта.
Упор, развиваемый гребным винтом, практически не зависит от площади лопастей.
Наоборот, с увеличением этой площади возрастает трение о воду, и на преодоление этого трения дополнительно расходуется мощность двигателя.
C другой стороны, надо учесть, что при том же упоре на широких лопастях разрежение на засасывающей стороне меньше, чем на узких.
Следовательно, широколопастной винт нужен там, где возможна кавитация (т. е. на быстроходных катерах и при высоких числах оборотов гребного вала).
В качестве характеристики винта принимается рабочая, или спрямленная площадь лопастей. Чтобы ее найти, нужно из центра винта на нагнетающей поверхности лопасти провести равноотстоящие одна от другой дуги окружностей (рис. 234). Выпрямив эти дуги, мы получим спрямленную площадь лопасти.
В характеристике винта обычно указывается не спрямленная площадь лопастей, а ее отношение к площади сплошного диска такого же, как винт, диаметра.
Обозначается это дисковое отношение буквами А\Ад. На винтах заводского изготовления его величина выбита на ступице.
Для винтов, работающих в докавитациопном режиме, дисковое отношение принимают в пределах 0,3—0,6 (рис. 235).
У сильно нагруженных винтов на быстроходных катерах с мощными высокооборотными двигателями А\Ад увеличивается до 0,6—1,1.
Большое дисковое отношение необходимо и при изготовлении винтов из материалов с низкой прочностью, например из силумина или стеклопластика. В этом случае предпочтительнее делать лопасти шире, чем увеличивать их толщину.
Киль — помеха для винта.
Бывает, что на вновь построенной лодке мотор развивает полное число оборотов, а ожидаемой скорости достичь не удается. Может оказаться, что виноват в этом киль.
Срывающиеся с него вихри и пузырьки воздуха проникают под антикавитационную плиту, попадают на лопасти винта и вызывают кавитацию, а в результате снижают упор винта и скорость хода.
Срежьте киль под углом, как показано на рис. 236, на длине примерно 500—600 мм от транца — и скорость лодки возрастет. Полезно также уменьшить и толщину киля.
На водоизмещающих катерах и лодках лопасти винта в вертикальном положении нередко на всю ширину закрываются толстым дейдвудным брусом (рис. 237).
При этом вихри, срывающиеся с кромок дейдвуда, также снижают упор; неравномерная нагрузка на лопасти вызывает вибрацию корпуса катера.
В значительной мере устранить эти неприятные явления можно, срезав, насколько это позволяет прочность конструкции, боковые грани дейдвуда, придав им обтекаемость.
Гребной вал, установленный в кронштейне, будет вибрировать, если зазор между днищем катера и лопастью пинта окажется меньше 10—20% диаметра винта (рис. 238).
Не менее важно выдержать и зазор между лопастью и стойкой кронштейна: он должен быть не менее 15—20% О при условии, что стойка имеет обтекаемый профиль.
Завихрения или каверна, образующиеся за плохо обтекаемой стойкой, могут попасть на лопасть и вызвать кавитацию винта. Избежать этого можно, заострив кромки стойки и несколько удлинив вал.
Можно рекомендовать стойки обтекаемого профиля с соотношением длины к толщине 10 : 1. Втулка кронштейна должна быть одинакового со ступицей винта диаметра; передний торец ее необходимо закрыть обтекателем или соответственно проточить.
Опорную пластину, которой кронштейн ставится на корпус, рекомендуется утопить заподлицо с обшивкой и закрепить винтами с потайно й головкой. Весь кронштейн следует хорошо отполировать.
Гребной винт и его основные характеристики. Определение шага винта.
Любой современный гребной винт — лопастной, и состоит из ступицы и лопастей, установленных на ступице радиально, на одинаковом расстоянии друг от друга и повёрнутых на одинаковый угол относительно плоскости вращения, и представляющих собой крылья среднего или малого удлинения.
Гребной винт насаживается на гребной вал, приводимый во вращение судовым двигателем. При вращении гребного винта каждая лопасть захватывает массу воды и отбрасывает её назад, сообщая ей заданный момент импульса, — сила реакции этой отбрасываемой воды передаёт импульс лопастям винта, лопасти, в свою очередь, — гребному валу посредством ступицы, и гребной вал, далее, — корпусу судна посредством главного упорного подшипника.
Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трёхлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить достаточную прочность лопастей двухлопастного винта. Поэтому наиболее распространены на малых судах трёхлопастные винты (двухлопастные винты применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно-моторных яхтах, где гребной винт — вспомогательный движитель). Четырёх- и пятилопастные винты применяют сравнительно редко, — в основном на крупных моторных яхтах и крупных океанских судах для уменьшения шума и вибрации корпуса.
Диаметр винта — диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта — современных винтов колеблется от десятков сантиметров до 5 метров (такие крупные винты характерны для крупных океанских судов).
Интерцептор — загнутая исходящая кромка — на гребных винтах способствует увеличению способности винта к захвату воды (особенно это важно на лодках с высоко установленным мотором и большими углами ходового дифферента). Интерцептор также обеспечивает дополнительный подъём носа катера в случае установки на линиях угла наклона лопасти. Применение интерцептора на исходящей и внешней кромках лопасти увеличивает шаг. Применение стандартного интерцептора обычно выражается в снижении оборотов на 200—400 об./мин. (это означает, что в случае замены обычного винта на винт с интерцептором потребуется снижение шага на 1-2 дюйма).
Скорость вращения гребного винта выгодно выбирать в пределах 200—300 об/мин или ниже — на крупных судах. Кроме того, при низкой скорости вращения существенно ниже механический износ нагруженных деталей двигателя, что весьма существенно при их больших габаритах и высокой стоимости.
Гребной винт лучше всего работает, когда его ось вращения расположена горизонтально. У винта, установленного с наклоном, и в связи с этим — обтекаемого «косым» потоком, коэффициент полезного действия всегда будет ниже, — это падение КПД сказывается при угле наклона гребного вала к горизонту большем чем 10°.
Ось гребного винта на глиссерах расположена сравнительно близко к поверхности воды, поэтому нередки случаи засасывания воздуха к лопастям винта (поверхностная аэрация) или оголения всего винта при ходе на волне. В этих случаях упор винта резко падает, а частота вращения двигателя может превысить допустимый максимум. Для уменьшения влияния аэрации шаг винта делается переменным по радиусу — начиная от сечения лопасти на r = (0,63—0,7) R по направлению к ступице шаг уменьшается на 15
Для передачи большой мощности часто применяют двух- и трехвальные установки, а некоторые большие корабли (например авианосцы, супертанкеры, атомные ледоколы) оснащаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами.
Гребные винты морских ледоколов арктического класса всегда имеют повышенную прочность, так как их вторая функция — дробление льда при движении ледокола задним ходом.
Гребные винты различаются по:
Шагу — расстоянию, которое проходит винт за один оборот без учёта скольжения;
Диаметру — окружности, описываемой наиболее удалёнными от центра концами лопастей;
Дисковому отношению — отношению суммарной площади лопастей к площади круга с радиусом равным радиусу винта;
количеству лопастей — от 2 до 7 (изредка больше, но наиболее часто 3—4 лопасти);
Конструкционному материалу — углеродистая или легированная (напр. нержавеющая) сталь, алюминиевые сплавы, пластики, бронзы, титановые сплавы;
Конструкции ступицы (резиновый демпфер, сменная втулка, сменные лопасти;
Прохождению выхлопа — выхлоп через ступицу или под антикавитационной плитой;
Количеству шлицов втулки.
Преимущества и недостатки
Работает как движитель только при непрерывной или возрастающей скорости вращения, в остальных случаях — как активный тормоз.
КПД винта
30-50 % (теоретически максимально достижимый — 75 %). «Идеальный» винт невозможно сделать из-за постоянного изменения условий его работы — условий рабочей среды.
Гребной винт все же проигрывает веслу (КПД
В сравнении с гребным колесом у гребного винта выше КПД и гребной винт очень компактен и легок. Но поврежденное гребное колесо может быть легко отремонтировано, гребные винты же чаще всего неремонтопригодны, и повреждённый гребной винт заменяют новым. Также, гребной винт наиболее уязвимый в сравнению с другими судовыми движителями и наиболее опасный для морской фауны и упавших за борт людей. Вместе с тем, гребные колеса обеспечивают бо́льшую тягу с места (что удобно для буксиров, а также позволяло им иметь меньшую осадку). Однако при волнении они очень быстро оголяются (колесо одного борта вхолостую вертится в воздухе, тогда как колесо противоположного полностью погружается под воду, до предела нагружая ведущую тяговую машину), что делает их практически непригодными для мореходных кораблей (вплоть до конца третьей четверти XIX веке их использовали по большому счёту лишь ввиду отсутствия альтернативы, а также вспомогательной роли парового двигателя на парусно-паровых кораблях тех лет).
Особенно преимущества винтового движителя перед колесным несомненны для военных кораблей — снималась проблема расположения артиллерии: батарея вновь могла занимать все пространство борта. Также исчезала и очень уязвимая цель для неприятельского огня, — гребной винт находится под водой.
Определение шага винта.
Гребной винт
Важным звеном механической установки, от параметров которого существенно зависят скорость и экономичность хода судна, является гребной винт.
Устройство и принцип действия. Гребной винт состоит из лопастей и ступицы с осевым отверстием для гребного вала. Когда гребной винт вращается вокруг своей оси, его лопасти обтекает поток воды подобно тому, как самолетное крыло — воздушный поток. Возникает гидродинамическое давление на лопасти винта. Одна составляющая этого давления, направленная вдоль оси винта, образует упор; другая составляющая — момент сопротивления вращению винта.
При работе винта на поверхностях его лопастей, обращенных вперед по ходу движения судна, создается пониженное, а на обращенных назад — повышенное давление воды. Поэтому переднюю сторону лопасти называют засасывающей, а тыльную — нагнетающей.
«Тяговые» качества гребного винта. Их недостаточно характеризовать одним только упором. Мощность двигателя преобразуется в упор не полностью, часть ее тратится на преодоление силы сопротивления вращению винта. Поэтому важен также КПД винта, который равен отношению мощности, «вложенной» в упор, ко всей мощности, «поглощенной» винтом от двигателя.
Величины упора и КПД зависят от режима работы и геометрических параметров винта.
Режимы работы гребного винта. В процессе работы гребной винт вращается вокруг своей оси и перемещается в осевом направлении. Поэтому режим работы винта определяется его частотой вращения и скоростью поступательного перемещения. Упор и КПД винта зависят и от частоты вращения, и от скорости поступательного перемещения. Эти зависимости достаточно сложные, но в них можно выделить простые закономерности.
Максимальный упор развивает винт неподвижного судна, такой режим называют режимом на швартовах. С увеличением скорости упор в определенный момент становится равным нулю (рис. 10).
Рис.10. Зависимость упора Р (1) и КПД η (2) гребного винта от поступательной скорости винта υ при постоянном числе оборотов
Этот режим называют режимом нулевого упора.. Он может наблюдаться на буксируемом судне или на судне, идущем под парусом.
Совершенно не обязательно, чтобы в ходовом режиме винт имел упор, меньший, чем на швартовах: при постоянной скорости осевого перемещения упор растет с увеличением числа оборотов винта. Поэтому на движущемся судне упор может быть выше, чем на швартовах за счет более высокого числа оборотов винта.
В режиме на швартовах скорость судна равна нулю, в режиме нулевого упора — сам упор равен нулю. В обоих случаях винт не совершает полезной работы — «вложенная» в упор р мощность равна нулю, следовательно, равен нулю и КПД винта. Наибольший КПД достигается при определенном соотношении величин скорости перемещения и частоты вращения. Такой режим называют оптимальным. В этом случае винт работает наиболее эффективно, с наименьшими потерями мощности. У каждого винта множество оптимальных О режимов. Такой режим может быть при любой частоте вращения или при любой скорости осевого перемещения. Важно лишь, чтобы оставалось неизменным их отношение.
Частота вращения обычного гребного винта ограничена из-за опасности развития кавитации. Так называют физическое явление, когда на засасывающей стороне лопасти образуются и с силой «схлопываются» пузырьки пара. По мере увеличения частоты вращения возникают целые воздушные каверны возле лопастей, существенно влияющие на гидродинамические процессы, в результате чего уменьшаются и упор, и КПД винта.
Геометрические параметры гребного винта. Конфигурация и размеры винта связаны с величинами упора и КПД.
Диаметр гребного винта D — это диаметр круга, очерчиваемого лопастями вращающегося винта.
Шаг гребного винта Н — расстояние, на которое винт продвинулся бы за один оборот, если бы «врезался» лопастями в «затвердевшую» воду, как бы ввинчиваясь в нее. Но вода не твердое тело — она «податлива» под лопастями винта, и он проходит в ней меньшее расстояние. Это расстояние h называют поступью винта, а разность шага и поступи С = Н—h — его скольжением.
Эффект скольжения является следствием гидродинамического давления на лопасти винта: чем больше упор, тем больше скольжение. Скольжение — необходимое условие работы гребного винта в качестве движителя судна: без скольжения нет упора.
Геометрические параметры винта принято выражать в долях его диаметра или шага. Шаг винта и его поступь, выраженные в долях диаметра, называют соответственно шаговым отношением, H/D и относительной поступью h/D.
На тяговые качества винта влияют диаметр его ступицы, число лопастей и профиль их поперечного сечения.
Взаимосвязь характеристик гребного винта. По результатам испытаний винтов с разными дисковыми и шаговыми отношениями построены диаграммы зависимостей упора и КПД от значений относительной поступи, с помощью которых рассчитывают режимы работы и параметры винтов, геометрически подобных испытанным. По этим же диаграммам можно проследить, как влияют геометрические параметры винтов на их тяговые качества в оптимальном режиме работы.
Максимальный КПД винта определяется, главным образом, шаговым отношением H/D, а упор — диаметром D. Например, у гребного винта большего диаметра, но с тем же шаговым отношением, что и у данного, относительная поступь Яо и максимальный КПД остаются практически прежними. Значительно возрастает только упор. Увеличение диаметра, например, на 5 % вызывает возрастание упора на 30 %. Естественно, при новом диаметре винта меняется и оптимальное отношение осевой скорости к частоте вращения, поскольку для работы винта в оптимальном режиме необходимо, чтобы относительная поступь сохраняла прежнее значение Хо.
Если диаметр винта тот же, а его шаговое отношение возросло, то увеличивается и Ко, и максимальный КПД. Упор также возрастает, но не столь значительно, как при увеличении диаметра винта.
Дисковое отношение сравнительно незначительно влияет на тяговые качества винта: оптимальное значение относительной поступи Ко практически не меняется, упор несколько увеличивается, но в то же время снижается максимальный КПД из-за возрастания сопротивления трения на более широких лопастях. Тем не менее величина дискового отношения играет существенную роль: чем она меньше, тем при более низкой частоте вращения винта проявляется действие кавитации на его лопастях. Кроме того, у винта с уменьшением дискового отношения возрастает удельное гидродинамическое давление на лопасти.
У двухлопастных винтов КПД несколько выше, чем у трехлопастных. Но реализовать это преимущество удается только при высоких скоростях движения судна и больших частотах вращения винта, имеющего узкие лопасти; в таких режимах работают винты на легких спортивных судах.
При увеличении диаметра ступицы винта снижается его КПД, поэтому размер ступицы определяется ее прочностью. На КПД винта существенно влияет шероховатость его лопастей. Поэтому повышение качества поверхности лопастей — важный элемент доводки винта.
Согласованный гребной винт. Так называют винт, ходовой режим которого согласован с характеристиками корпуса и двигателя судна для достижения максимальных скорости или экономичности хода судна. В первом случае винт должен с максимальным КПД преобразовать в упор максимальную мощность двигателя, во втором — ту величину мощности, при которой достигается наилучшая топливная экономичность.
Для данного корпуса и двигателя можно рассчитать целый набор согласованных винтов, которые отличаются один от другого шаговым и дисковым отношениями, диаметрами, числом лопастей. Конструктивные и технологические ограничения, например, по величине диаметра винта, как правило, позволяют сохранить оптимальный режим работы винта. В некоторых случаях согласования достичь не удается, и винт рассчитывают на ходовой режим, наиболее близкий к оптимальному.
Влияние корпуса судна на работу гребного винта. Проявляется в виде двух физических эффектов: попутного потока корпуса и засасывания воды под корпус.
Попутный поток, — это поток воды, увлекаемый корпусом за собой, который уменьшает скорость набегающей на винт воды. Скорость попутного потока зависит от формы обводов кормы и места расположения винта. Чем менее плавны и полнее обводы кормы, чем ближе к корпусу расположен винт, тем больше замедление потока воды, набегающего на винт.
Явление засасывания связано с тем, что гребной винт, работающий вблизи кормы, увеличивает скорость потока, омывающего кормовую часть корпуса и тем самым уменьшающего давление воды на корму. Из-за этого судно как бы притормаживается, что можно выразить некоторым увеличением сопротивления воды. Чем ближе к корме расположен винт и чем полнее корма, тем больше сказывается эффект засасывания.
На работу гребного винта влияет также наклон его оси по отношению к набегающему потоку воды и к горизонту. В первом случае падает КПД винта, во втором — уменьшается упор.
Гребные винты маломерных судов. Оптимальная величина скольжения s для винтов с шаговым отношением H/D, меньшим 1,2, лежит в диапазоне 0,14—0,16, а с шаговым отношением, большим 1,2,— в пределах 0,12—0,14. Максимальный КПД достигает 70-80% причем у винтов с большим дисковым отношением, большим 1,2,— в пределах 0,12—0,14. Максимальный КПД с узкими лопастями — больше. КПД винта достигает максимума при значениях шагового отношения от 1,4 до 1,8, постепенно возрастая с увеличением этого отношения до значения 1,5 и резко падая после значения 2,0.
Характер зависимостей КПД винта от относительного скольжения s и шагового отношения H/D таков, что отклонение от оптимальных значений этих параметров на 10 — 15 % уменьшает КПД не более чем на 3%. Можно считать достаточно близкими к оптимальным режимы работы винтов с относительным скольжением s в пределах 0,1 — 0,3, соответствующим относительной поступи.
На практике величины относительного скольжения маломерных судов имеют следующие значения: 0,08 — 0,15 — для легких гоночных мотолодок; 0,15 — 0,25 — для глиссирующих мотолодок и катеров; 0,2 — 0,4-для тяжелых водоизмещающих катеров. Шаговые отношения применяемых винтов находятся в пределах: 0,9 — 1,5 (до 2,0) — у гоночных мотолодок; 0,8 — 1,2-у легких глиссирующих судов; 0,6 — 1,0 — у водоизмещающих судов. При этом режим работы винта сохраняется близким к оптимальному, если частота вращения вннта увеличивается примерно на 600 — 650 об/мин» 1 на каждые 10 км/ч скорости судна.
Дисковое отношение достигает максимальной величины у тяжелых водоизмещающих катеров 0,6 — 0,8. У прогулочных средних и легких судов оно лежит в диапазоне 0,3 — 0,5, у гоночных мотолодок 0,6 — 1,2. На практике стремятся к уменьшению дискового отношения, поскольку, например, увеличение его на 30 % снижает КПД винта на 10 %.
Как правило, на маломерных судах применяют трехлопастные винты. Двухлопастные винты используют только на спортивных мотолодках, где удается реализовать их преимущества, и в маломощных подвесных моторах из-за упрощения технологии изготовления.
Ступица, диаметр которой не превышает одной пятой части диаметра винта, на работу винта существенно не влияет.
Подбор параметров гребного винта. На практике вызван необходимостью согласовать его с двигателем механической установки судна. Несогласованность проявляется в том, что двигатель не набирает или превышает число оборотов, указанное в паспорте. В первом случае гребной винт называют гидродинамически тяжелым, во втором — легким (в обоих случаях только для данного корпуса и двигателя). Винт не способен поглотить всю мощность двигателя: легкий — потому, что момент сопротивления его вращению слишком мал, тяжелый — потому, что этот момент чересчур велик.
«Облегчить» или «утяжелить» гребной винт можно, изменяя его диаметр или шаг. При этом нужно стремиться обеспечить оптимальное значение относительной поступи (скольжения). Если, например, у тяжелого винта величина поступи больше оптимальной, следует уменьшить его диаметр, если меньше — шаг (для скольжения — наоборот).
Изменять геометрические параметры винта можно путем его замены либо доводки. В последнем случае проще всего «облегчать» винт, обрезая его лопасти по диаметру. Латунные и стальные винты можно «утяжелять», разворачивая их лопасти на больший угол.
Корректировать диаметр винта можно по приближенной формуле:
где D — исходный диаметр винта; п0 — номинальные или требуемые обороты двигателя; п\ — фактически достигнутое число оборотов. Знак «+» используют для случая «утяжеления» винта, знак « — » для случая «облегчения».
Необходимые изменения шага винта оценивают аналогичным образом по формуле:
где Н — исходный шаг винта.
Для быстрого подбора практически равноценных винтов выработано эмпирическое правило: сумма величин шага и диаметра должна оставаться неизменной. Если при подборе параметров винта изменения шага и диаметра не превышают 10 %, КПД винта можно считать неизменным.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет