1.3 Влияние шероховатости лопастей гребных винтов на их гидродинамические характеристики.

В процессе эксплуатации состояние поверхностей лопастей гребных винтов, изготовленных из любых материалов, значительно ухудшается. Этому способствуют высокие окружные скорости, перепады давлений вдоль лопасти, содержащиеся в воде абразивные частицы, электрохимическая коррозия и кавитационная эрозия.

Гребные винты из латуней всех марок при отсутствии протекторной защиты, особенно в тропических водах, подвергаются обесцинкованию, т.е. удалению цинка из сплава. В этом случае металл лопастей в районе кромок приобретает губкообразный вид и становится менее прочным.

Шероховатость лопастей гребных винтов в эксплуатации увеличивается вследствие выпадения на поверхность катодного солевого осадка. Это явление вызвано особенностями протекания катодных процессов на металлах в морской воде, имеющих высокое содержание солей кальция и магния, а также ионов угольной кислоты. Солевые осадки могут быть стойкими и нестойкими. Стойкость осадка в быстродвижущейся морской воде определяется его агдезией, гранулометрическим составом, степенью шероховатости и толщиной.

Одной из наиболее вероятных причин резкого увеличения шероховатости лопастей является обрастание гребного винта зоопланктоном и водорослями. Как правило, для судов находящихся в обычной эксплуатации, гребные винты обрастают более умеренно по сравнению с любыми частями корпуса судна.

Для практических целей наибольший интерес представляют характеристики эксплуатационной шероховатости, которая имеет высокую неравномерность по поверхности гребного винта. Наиболее развитая шероховатость наблюдается в районах наибольших окружных скоростей в периферийных зонах.

Увеличение шероховатости лопасти влияет на гидродинамические характеристики, а именно, уменьшают тангенс угла наклона зависимости коэффициента подъемной силы и значение нулевого угла атаки и повышает значения коэффициента профильного сопротивления (рис.5).

Учет влияния шероховатости на изменение подъемной силы позволил существенно уточнить изменение коэффициентов упора и момента в процессе эксплуатации (рис. 6).

Рис.5. Влияние шероховатости профиля лопасти на гидродинамические характеристики: 1- гладкий профиль; 2- шероховатый профиль.

Рис. 6. Зависимости для гребных винтов из латуни от времени эксплуатации (

Обслуживание и ремонт гребных винтов относятся к вопросам эксплуатации. Технологические процессы обслуживания и ремонта разрабатываются в зависимости от материала изготовления гребного винта.

Осмотр гребных винтов в эксплуатации рекомендуется производить не реже одного раза в течение 6 месяцев. Во избежание кавитационной эрозии необходимо осуществить правку даже самых незначительных погибов лопастей.

Гребные винты, изготовленные из сплавов на медной основе, категорически запрещается окрашивать. При окраске кормового подзора корпуса судна в доке необходимо принять меры, предотвращающие попадание краски на поверхность винта. Брызги краски окажутся источником ниттинговой коррозии. При каждой возможности не реже одного раза в год необходимо производить очистку и шлифование лопастей.

Обслуживание и ремонт гребных винтов желательно производить в заводских условиях квалифицированным техническим персоналом, строго следуя требованиям и рекомендациям отраслевого стандарта.

Устранение коррозионного и эрозионного воздействия морской среды может быть обеспечено применением электрохимической катодной или протекторной защиты, при которой в результате катодной поляризации потенциал защищаемой конструкции смещается в сторону отрицательных значений. При достижении определенного значения потенциала или плотности тока защищаемая поверхность полностью становится катодной и перестает корродировать.

Протектирующие действия на гребной винт оказывает стальной корпус судна, оборудованный местной протекторной защитой. Окраска корпусов судов коррозионно- стойкими покрытиями обеспечивает надежную электрическую изоляцию стального корпуса и создает условия для коррозии гребного винта особенно на ходу судна.

На ходу гребной вал обычно самоизолируется масляной пленкой от корпуса. Наличие появившегося сопротивления между валом и корпусом судна приводит к резкому снижению электрического тока, проходящего к гребному винту. В связи с этим для надежной противокоррозионной защиты гребных винтов должен быть создан электрический контакт между валом и корпусом, который обеспечивается контактно- щеточными устройствами, устанавливаемыми на любом участке валопровода, имеющем металлический контакт с гребным винтом.

Переходное сопротивление между щетками и валом должно быть не более 0,01 Ом, суммарное сопротивление от щетки до корпуса должно составлять не более 0,006 Ом.

1.4 Совместная работа дизеля и гребного винта.

Главный двигатель может работать в широком диапазоне изменения винтовых характеристик: от швартовного режима до хода судна при порожнем состоянии.

Рис. 7 Характеристики

совместной работы гребного винта фиксированного шага с дизелем.

На рис. 7 представлены характеристики совместной работы гребного винта фиксированного шага и двигателя внутреннего сгорания. Характеристика АО соответствует условиям договорной спецификации, то есть состоянию судна с полным грузом при чистом свежеокрашенном корпусе, на глубине, исключающей влияние мелководья. Крайняя левая винтовая характеристика ВО представляющая предельное увеличение сопротивления воды увеличению судна или предельный момент сопротивления гребного винта, является швартовной винтовой характеристикой. Крайняя возможная правая винтовая характеристика ĐО соответствует движению судна при порожнем состоянии и при благоприятных метеорологических условиях. Внешняя характеристика двигателя, соответствующая номинальной мощности АК, ограничительная характеристика, соответствующая М ограничительная характеристика тепловой напряженности AFE, регуляторная характеристика GD. Точка 1 соответствует эксплуатационной мощности и эксплуатационной частоте вращения. При длительной работе выше ограничительной характеристики в области АВВ А возможны тепловая и механическая перегрузки двигателя.

В процессе эксплуатации вследствие увеличения шероховатости обшивки корпуса и лопастей гребного винта происходит “утяжеление” винтовой характеристики, которая располагается левее номинальной (характеристика О F ). В точке F как и в другой точке пересечения винтовых характеристик с ограничительной по тепловой напряженности, двигатель будет работать на допустимом пределе уровня тепловой напряженности.

Закономерность “утяжеление” винтовых характеристик от времени, в том числе вследствие не восстановления после докования первоначальных пропульсивных качеств судна можно проследить по коэффициенту

С = .

Из сопоставления результатов наблюдений за эксплуатацией судов следует, что через 3 года эксплуатации после постройки коэффициент С после докования увеличивается в среднем на 8 % и, соответственно утяжеляется винтовая характеристика. В то же время частота вращения от момента докования до следующей постановки судна в док уменьшается в среднем на 2 - 5 % в зависимости от районов плавания, материалов изготовления корпуса и гребного винта, качества защиты корпуса от коррозии, соотношения стояночного и ходового времени и т.д.

На рис.8 приведена зависимость снижения частоты вращения от времени эксплуатации.

Рис. 8 Уменьшение частоты вращения гребного винта от времени эксплуатации:1,2,3,4,5- время докования.

“Облегчение ” винтовых характеристик имеет менее систематический характер. Оно обусловлено главным образом эксплуатацией судов при осадках меньших грузовой марки.

Изменение состояния поверхностей корпуса, лопастей приводит к повышению сопротивления движению судна, изменению гидродинамических характеристик гребного винта, “утяжелению ”винтовых характеристик дизеля.

При этом уменьшаются частота вращения винта, мощность дизеля и, соответственно, упор, развиваемый гребным винтом. Одновременно снижается КПД винта и скорость хода судна.

Повышение шероховатости корпуса в процессе эксплуатации вызывает увеличение буксировочного сопротивления R и коэффициента попутного потока

Рис. 9 Снижение скорости теплохода ( винт бронзовый) от времени эксплуатации: 1 –суммарная потеря скорости; 2 - потеря скорости вследствие увеличения шероховатости винта; А, А`- влияние на скорость изменения КПД винта, вызванного шероховатостью корпуса; Б, Б` - обратное влияние попутного потока; _______ - зона “Тропики”, ------------ зона “Зима”.

На рис. 9 представлены зависимости снижения скорости судна от времени эксплуатации, вызванные различными факторами. В зависимости от зоны эксплуатации суммарные потери скорости могут достигать 25%.

По данным “Аустралиан Андерватер Инжиниринг ” после 12-14 мес. Эксплуатации скорость судов снижается до 10%, восстановления скорости достигается дополнительным расходом топлива, составляющим 8-12 %. Среди направлений по сбережению топлива ведущее место занимает рациональная эксплуатация пропульсивного комплекса судна. В частности, это относится к корпусу судна и гребному винту.