4. 9. Судовые движители

9.1. Основные понятия, принцип действия и типы движителей

Движителем называется гидравлическое устройство, преобразующее работу главного двигателя, приводящего в действие движитель, в работу по преодолению силы сопротивления движению судна. Принцип действия движителей состоит в отбрасывании масс воды рабочими элементами (лопастями, плицами) в сторону, противоположную направлению движения судна,

Рисунок 9. 1. Принцип действия и схема гребного колеса

и использование силы реакции этих масс воды для создания упора движителя, преодолевающего сопротивление движению судна. Простейшим движителем является весло,

Рисунок 9. 2 . Схема действия гребного винта

приводимое в д

Рисунок 9. 3. Схема действия крыльчатого движителя и его установка на буксирном судне

ействие мускульной силой гребца.

Одновременно с развитием судостроения было предложено много конструкций движителей, однако практическое применение нашли только несколько типов. К ним относятся гребные колеса (рис.9.1), гребные винты (рис.9.2), крыльчатый движитель (рис.9.3 а и 9.3 б) и водометный движитель (рис.9.4). Из перечисленных типов движителей, благодаря высокому КПД, малому весу и большой надежности, гребной винт получил исключительное распространение на судах и в настоящем разделе подробно рассматриваться будет только этот тип движителя.

Рисунок 9. 4. Водометные движители с подводным (а) и надводным (б) выбросом струи

9.2. Основы теории идеального движителя

Можно получить важные закономерности работы движителя, если схематизировать его действие, абстрагируясь от побочных эффектов предположением, что массы воды, проходящие через движитель, отбрасываются в виде струи, как это изображено на рис.9.5. Предположим, что движитель представляет собой диск, который сообщает приращение скоростей массе жидкости, протекающей через него, за счет скачка давлений перед и за движителем; предположим также, что скорости жидкости по площади движителя распределены равномерно. Будем рассматривать движитель неподвижным в набегающем равномерном потоке.

Обозначим площадь диска движителя (гидравлическое сечение) через . Для гребного винта , где D – диаметр гребного винта. Пусть и – давления непосредственно перед и за движителем соответственно, а – давление далеко впереди и позади движителя.

Обозначим скорости: набегающего потока , в диске движителя , далеко за движителем в его струе , где – с

Рисунок 9. 5. Схема идеального движителя

корость, вызванная движителем.

Тогда уравнение Бернулли для участка линии тока от невозмущенной жидкости в сечении I-I до сечения II-II перед диском дает:

, (9.1)

а для участка от сечения III-III за диском до IV-IV далеко за ним:

. (9.2)

Из этих уравнений определяется скачок давления в диске:

. (9.3)

Полный упор, развиваемый движителем, будет:

(9.4)

С другой стороны упор можно вычислить, используя закон количества движения, записав разность количества движения массы жидкости , протекающей через движитель в единицу времени:

. (9.5)

Очевидно, что:

, (9.6)

и поэтому

. (9.7)

Из (9.4) и (9.7) следует что:

, (9.8)

т.е. вызванная скорость в диске движителя составляет половину полной вызванной скорости.

Вычислим КПД идеального движителя. Полезная мощность есть , а затрачиваемая больше на величину кинетической энергии отбрасываемых масс воды, уходящих за корму, т.е. на . Поэтому КПД будет:

(9.9)

Введем понятие коэффициента нагрузки движителя по упору:

, (9.10)

и, используя (9.4), получим:

,

отсюда для получаем квадратное уравнение:

, (9.11)

решая его, найдем:

, (9.12)

подставляя в (9.9), получим:

(9.13)

Для примера использования формулы (9.13) сравним идеальные КПД водяного и воздушного винтов одинакового диаметра = 4 м при скорости = 15 уз =7,72 м/с и необходимом упоре = 100 кН.

Для водяного винта = 1,025 т/м³, коэффициент нагрузки и КПД будут:

;

для воздушного винта = 0,00129 т/м³, получим:

.

Можно достигнуть одинакового КПД для обоих винтов, если воздушный винт сделать такого диаметра, чтобы коэффициенты нагрузки были одинаковы. Нетрудно видеть, что для этого диаметр воздушного винта должен быть:

.

Из выражений (9.5), (9.6) и (9.9) видно, что заданный упор выгоднее получать, увеличивая массу отбрасываемой воды и уменьшая вызванную скорость , т.е. увеличивая или, что то же, диаметр винта . Однако, для реальных винтов, из-за дополнительных потерь, существует наивыгоднейший диаметр , при превышении которого КПД начинает падать.

Условие постоянства расхода жидкости в струе дает:

,

откуда для площади сечения струи далеко за движителем найдем:

(9.14)

и этот коэффициент сужения струи изменяется от 1 при = 0 до ½ при .