5.2 Работа гребного винта на разных режимах

Для оценки условий работы двигателей судна надо знать основные характеристики винта: упор Р, момент М и к.п.д. η_р на разных режимах, т.е. при любых значениях поступательной скорости υ_p и частоте вращения n (при разных значениях λ_р = υ_p/nD). Рассмотрим некоторые характерные режимы работы винта, условно заменив его одним эквивалентным элементом лопасти, расположенным на радиусе центра тяжести площади спрямленной поверхности лопасти (при r = 0,7R).

5.2.1 Швартовный режим (рис. 5.6, а). Этот режим работы винта наблюдается при снятии судна с мели, движении в ледяных торосах. В швартовном режиме υ_p = 0 и λ_р = υ_p/nD = 0, т.е. винт работает на месте не совершая полезной работы, КПД его η_р = Р υ_p/2πnМ = 0. Так как угол атаки для элемента лопасти достигает наибольшей величины, упор винта Р и момент М (коэффициенты и ) оказываются наибольшими (рис.5.5). В этом режиме работа винта с полной частотой вращения недопустима из-за перегрузки двигателей и опасности повреждения валопроводов по причине больших осевых усилий и крутящих моментов. Максимальная частота вращения винта на швартовном режиме составляет 60 0,65% частоты вращения расчетного режима полного хода, т.е. n_шв < (0,60 0,65) n_п.

5.2.2 Основной (расчетный) режим переднего хода (рис. 5.6, б). Этот режим соответствует относительной поступи λ_р >0, при которой винт создает полезный упор Р ( >0) за счет подведенного от двигателя вращающего момента М ( >0), причем КПД η_р находится в области максимальных для данного винта значений (рис. 5.6). Угол атаки элемента лопасти, коэффициенты и в рассматриваемом режиме меньше, чем в швартовом режиме.

Рисунок 5.6 − Режимы работы элемента лопасти

5.2.3 Режим нулевого упора (рис. 5.6, в). С дальнейшим увеличением относительной поступи угол атаки для элемента лопасти продолжает уменьшаться, в связи с чем снижаются значения упора и момента винта. При некотором λ_р = λ_р1 упор Р (коэффициент упора ) обращается в нуль и η_р = Р υ_p/2πnМ = 0, т.е. винт не совершает полезной работы (рис. 5.5). Момент М (коэффициент момента ) остается положительным, т.е. винт требует подведения от двигателя некоторого вращающего момента, который целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Относительную поступь λ_р1 называют шаговым отношением нулевого упора или гидродинамическим шаговым отношением Н₁/D, а величину Н₁ − шагом нулевого упора или гидродинамическим шагом. Шаговое отношение нулевого упора Н₁/D превышает конструктивное Н/D, и их численное соотношение специфично для каждой серии гребных винтов. Режим нулевого упора наблюдается при реверсе винта и является кратковременным.

5.2.4 Режим нулевого момента (рис. 5.6, г). При увеличении относительной поступи за режимом нулевого упора при λ_р = λ_р2 наступает режим нулевого момента винта, когда коэффициент момента становится равным нулю. Понятие КПД винта η_р здесь не имеет смысла, так как к винту от двигателя вращающий момент не подводится. Винт вращается под действием набегающего на него потока, а возникающий при этом момент целиком расходуется на преодоление сопротивления вращению винта. Работающий винт оказывает набегающему потоку сопротивление, которое соответствует отрицательному значению упора Р (коэффициент упора ). Таким образом, в пределах относительной поступи от λ_р = λ_р1 до λ_р = λ_р2 гребной винт уже не является движителем, он как бы “парализован” или находится в так называемой зоне Параля (рис. 5.6).

Дальнейшее увеличение относительной поступи за предел λ_р2 приводит к тому, что не только упор Р, но и момент М оказываются отрицательными, т.е. гребной винт из движителя превращается гидротурбину (рис. 5.6, д), что соответствует турбинному режиму работы винта.