5.6 Взаимосвязь между работой гребного винта и двигателем
Двигатель, работающий на винт, не является независимым: его мощность может изменяться только по винтовой характеристике Nе(n), которая определяет для него величину противодействующего момента. Мощность на валу двигателя Nе, обеспечивающую мощность Nр потребляемую винтом находят по фрмуле:
Nе = Nр/ ηв ηп = 2π ρn3D5/ ηв ηп,
где ηв, ηп - КПД валопровода и передачи.
При заданных буксировочном сопротивлении и пропульсивном коэффициенте скорость судна v зависит от частоты вращения винта n. Можно считать, что v меняется пропорционально n, т.е. относительная поступь λр = const. Так как в этом случае также является постоянной величиной, можно записать, что Nе = Сn3, где С - постоянный коэффициент.
Из изложенного следует, что с изменением буксировочного сопротивления винтовая характеристика меняется. При увеличении сопротивления винтовые характеристики будут резко возрастать, так как уменьшение относительной поступи винта λр приведет к росту коэффициента момента и, следовательно, коэффициента С. Наиболее крутую винтовую характеристику судно будет иметь на швартовом режиме. При снижении сопротивления винтовые характеристики вследствие увеличения λр и уменьшения становятся более пологими. Наиболее пологую винтовую характеристику судно имеет при плавании в балласте. Как видим, в процессе эксплуатации судна его винтовые характеристики изменяются в широких пределах.
Для оценки связи между винтом и двигателем, помимо винтовых характеристик, необходимо иметь характеристики двигателя, которые получают при стендовых испытаниях и представляют в координатах Nе - n в виде кривых, определяющих поле возможных сочетаний Nе и n. Рассмотрим характеристики наиболее распространенного на промысловых судах двигателя внутреннего сгорания. Работа двигателя данного типа характеризуется следующими кривыми (рис. 5.13): кривая 1 устанавливает минимально устойчивую частоту вращения двигателя; кривая 2, называемая верхней ограничительной характеристикой, определяет зависимость Nе от n при постоянном положении аппаратуры подачи топлива, соответствующем получению номинальной мощности Nе.н при номинальной частоте вращения nн; кривая 3, именуемая регуляторной характеристикой, показывает частоту вращения двигателя при снижении нагрузки; кривая 4 является характеристикой холостого хода. Верхняя ограничительная характеристика является линией постоянного номинального крутящего момента М кр.н, определяющей верхний предел длительной механической напряженности деталей двигателей.
Рисунок 5.13 − Взаимодействие гребного винта с двигателем
внутреннего сгорания
Чтобы установить режимы совместной работы винта и двигателя, необходимо наложить винтовые характеристики на характеристики двигателя (рис. 5.13). Если винтовая характеристика для расчетного режима плавания (кривая I) проходит через точку Н с координатами Nе.н и nн, то гребной винт соответствует двигателю. С ростом сопротивления из-за увеличения осадки судна, обрастания корпуса, волнения и тому подобного изменяется винтовая характеристика (кривая II), поэтому при нормальной эксплуатации двигателя, не допускающей его загрузку выше верхней ограничительной характеристики, взаимосвязь между винтом и двигателем будет наблюдаться в точке Т. В рассматриваемом случае винт становится гидродинамически «тяжелым». При тяжелом винте частота вращения nт двигателя меньше номинальной. С уменьшением сопротивления судна винт оказывается гидродинамически «легким». Винтовая характеристика (кривая III), построенная для этого варианта, пересечет регуляторную характеристику двигателя в точке Л, которой соответствует частота вращения nл, равная или несколько больше номинальной. Как видно из рис. 5.13, всякое несоответствие винта двигателю связано с уменьшением располагаемой мощности двигателя и приводит к снижению скорости судна. Согласованность винта и двигателя окончательно проверяется при натурных (скоростных) испытаниях судна. Практически следует считать, что винт согласован с двигателем, если двигатель при работе на винт развивает номинальную мощность при частоте вращения, которая отличается от номинальной не более чем на 1 3%. Для согласования винта с двигателем корректируется его шаговое отношение: для «легкого» винта - увеличивается, а для «тяжелого» - уменьшается Н/D. Обычно гребные винты проектируют несколько облегченными по сравнению с требуемыми для идеальных условий эксплуатации (при этом имеют в виду, что по мере обрастания корпуса и увеличения сопротивления в реальных эксплуатационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).
В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (промысловые суда, буксиры, паромы), вместо винтов фиксированного шага (ВФШ) применяют винты регулируемого шага (ВРШ).