Ходкость и движители

Основные понятия и определения

Xодкостью называется способность судна развивать заданную скорость под действием приложенной к нему движущей силы.

Учение о ходкости судна принято делить на две части – сопротивление окружающей среды (воды, воздуха) движению судна и судовые движители.

Первая часть посвящена выявлению физической сущности возникновения сил сопротивления среды движению судна и изучению законов, отражающих изменение этих сил, а так же определению количественной зависимости между формой обводов корпуса, силами сопротивления, скоростью судна и необходимой мощностью энергетической установки.

Во второй части изучаются типы движителей, принципы их выбора и методы расчета. Конечной целью исследования является выбор такого сочетания элементов движителя, при которых для достижения заданной скорости судна затрачивается минимальная мощность судовой энергетической установки.

Силы, действующие на судно при его движении

При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в сторону, противоположную его движению.

Гидродинамические силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна, можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную. Касательную составляющую называют силой трения, а нормальную – силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления P действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна.

Рис. 1 Силы трения и давления

Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим результирующую силОпределение результирующих сил инерции многоцилиндрового двигателя трения – сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.

Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.

Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой части они больше, в кормовой – меньше. Такой перепад давлений образует сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части. Первая часть – сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая – волновое сопротивление RВ зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.

Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и выкружки гребных валов, скуловые кили и т. п.). Сопротивление воды, вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВЧ. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.

Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следующих составляющих:

R=RТР+RВ+RФ+RВЧ+RВОЗ          Форм. 1

Для определения каждой составляющей полного сопротивления применяются различные методы. Сопротивление трения определяется расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro , определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.

В практических расчетах полное сопротивление движению судна вычисляется по формуле:

R=C·ρπV22·(S+SВЧ),         Форм. 2

где:

• C – коэффициент полного сопротивления;
• S – смоченная поверхность голого корпуса;
• SВЧ – смоченная поверхность выступающих частей;
• ρ – плотность воды;
• V – скорость судна.

По аналогии с формулой 1 коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:

C = CТР+CВ+CФ+CВЧ+CВОЗ

• или

C= CТР+CО+CВЧ+CВОЗ

где:

• CО – коэффициент остаточного сопротивления.

Следовательно, полное сопротивление судна равно:

R=(CTP+CO+CВЧ+СВОЗ)·ρπV22·(S+SВЧ)        Форм. 3

Основные составляющие полного сопротивления движению судна

Сопротивление трения. В результате опытов было установлено, что при обтекании тела (судна) потоком жидкости вблизи его поверхности образуется тонкий слой жидкости, называемый пограничным слоем. В пределах этого слоя скорости частиц жидкости изменяются от нуля на поверхности тела (частицы прилипают к поверхности) до значений скорости набегающего потока на внешней границе пограничного слоя. Изменение скоростей в этом слое обусловлено интенсивным проявлением сил вязкости.

Предлагается к прочтению: Успокоители качки судна

Движение частиц жидкости внутри пограничного слоя может быть ламинарным или турбулентным. Режим движения жидкости внутри пограничного слоя определяется числом Рейнольдса R:

Re=V·L/ν,

где:

• V – скорость движения жидкости, м/с;
• L – длина судна, м;
• ν – коэффициент кинематической вязкости, м/с.

При значительно небольших значениях Re (при Re < 4·105) в пограничном слое наблюдается ламинарный режим течения жидкости. При таком режиме отдельные слои жидкости движутся в плоскостях, приблизительно параллельных поверхности тела, и никакого переноса частиц жидкости из слоя в слой не происходит; отдельные слои жидкости как бы скользят друг по другу, вызывая вследствие действия молекулярных сил сцепления силы трения, а, следовательно, и изменение скоростей в поперечном сечении пограничного слоя.

Сухогруз Amorita
Источник: fleetphoto.ru

При так называемом критическом числе Re крит. = 5 · 105 происходит переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Турбулентный режим характеризуется тем, что частицы потока, двигаясь по главному направлению – вдоль тела, совершают дополнительное движение – поперек пограничного слоя. В этом случае происходит перенос жидкости из одного слоя в другой, который приводит к интенсивному перемешиванию масс жидкости и, как следствие, выравниванию скоростей потока в пределах слоя, что вызывает соответствующее увеличение сил трения. Таким образом, при турбулентном режиме обтекания силы трения значительно больше, чем при ламинарном.

Турбулентный режим обтекания поверхности корпуса судна возникает из-за шероховатости этой поверхности. Судовая поверхность не является технически гладкой, а имеет значительную шероховатость различного происхождения, влияние которой на сопротивление трения судна необходимо учитывать. В целом шероховатость обусловлена:

• качеством окраски;
• волнистостью наружной обшивки;
• наличием местных неровностей в виде валиков сварных швов;
• заклепочных соединений и коррозионных разрушений листов наружной обшивки.

Обрастание подводной поверхности судна очень сильно увеличивает шероховатость и тем самым уменьшает скорость судна. Интенсивность обрастания зависит от многих факторов: температуры воды, ее солености, времени года, района плавания, соотношения количества ходовых и стояночных дней, скорости судна, состояния обшивки и т. п. В отдельных случаях уже через год после докования при плавании в средних широтах потеря скорости составляет 10 – 15 %.

Наиболее эффективным средством борьбы с обрастанием является периодическое докование судна с обязательной очисткой подводной части корпуса и покрытием его противообрастающими красками. Зачистка подводной части корпуса судна может производиться и без докования судна на воде водолазами. Обрастание судна в этом случае начнется значительно быстрее, так как корпус не был вскрыт соответствующими красками.

Сопротивление формы. У плохо обтекаемых корпусов потери энергии потока из-за действия сил вязкости настолько велики, что частицы жидкости вблизи корпуса, не доходя до ахтерштевня, теряют скорость, а под действием возрастающего давления могут начать двигаться против набегающего потока.

Рис. 2 Сопротивление против надвигающегося потока

Возникающий встречный поток жидкости оттесняет пограничный слой от поверхности судна, приводит к срыву потока и образованию вихрей. Точка А, в которой начинается оттеснение пограничного слоя, называется точкой отрыва пограничного слоя.

Интенсивное вихреобразование в кормовой части судна еще в большей степени снижает давление в этом районе и увеличивает разность результирующих давлений, действующих на носовую и кормовую оконечности, т. е. приводит к росту сопротивления формы.

Естественно, что сопротивление формы в значительной степени зависит от положения точки отрыва пограничного слоя по длине судна: чем ближе к носовой оконечности находится эта точка, тем больше сопротивление. В свою очередь, положение точки отрыва определяется формой корпуса. У судов с большим удлинением (L/B > 6) , т. е. у хорошо обтекаемых корпусов, отрыва пограничного слоя не наблюдается, поэтому эти суда имеют относительно небольшое сопротивление формы (порядка 15-20 % полного сопротивления). У некоторых типов барж с тупой кормой сопротивление формы достигает 50 % полного сопротивления.

Волновое сопротивление. Распределение гидродинамических давлений вдоль корпуса движущегося судна неравномерно и характеризуется повышением в оконечностях и понижением в районе миделя. Вследствие этого форма поверхности воды искажается: там, где давление в потоке выше атмосферного, образуется бугор, а где оно ниже атмосферного – образуется впадина. Выведенные из положения равновесия частицы жидкости под действием сил тяжести и сил инерции стремятся вернуться в свое первоначальное положение. Это приводит к возникновению колебательного движения воды, внешним проявлением которого являются так называемые корабельные волны, образующиеся на спокойной поверхности воды.

Установлено, что корабельные волны имеют два очага возникновения: у форштевня развивается носовая система волн, у ахтерштевня – кормовая. В каждой из них можно выделить расходящиеся и поперечные волны. На создание этой волновой системы судном затрачивается энергия и происходит потеря скорости, что и принято называть волновым сопротивлением.

Сухогруз Amadore
Источник: fleetphoto.ru

Сопротивление выступающих частей . Выступающими частями судна считаются рули, кронштейны и выкружки гребных валов, рудерпост, скуловые кили и т. д. Выступающие части создают добавочное сопротивление RВЧ которое определяется вязкостными составляющими. Если выступающие части рационально спроектированы и правильно расположены относительно корпуса, то их сопротивление вызывается силами трения. При нарушении этих требований резко возрастает сопротивление формы. Величина RВЧ определяется экспериментально, путем сравнительных буксировочных испытаний модели судна с выступающими частями и без них в опытовых бассейнах.

Воздушное сопротивление. Сопротивление воздуха RВОЗ движению судна слагается из сопротивления надводной части корпуса, надстроек, рубок и других палубных сооружении. Основную часть сопротивления (до 60–80 %) создают надстройки, которые по своей конфигурации приближаются к плохо обтекаемым телам.

Назначение судовых движителей, гребной винт, шаг винта и ВРШ

Судовымидвижителями называются специальные устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.

По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т. к. они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых рабочими деталями движителя – лопастями – в сторону, противоположную движению судна.

В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и водометный движители.

Гребной винт служит основным типом движителя для морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей гребных винтов колеблется от 2 до 6 . В целях предотвращения вибраций кормовой оконеч­ности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных судов достигает 6-8 м.

Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с поворот­ными лопастями – винты регулируемого шага (ВРШВлияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна).

Сухогруз Lehmann Belt
Источник: fleetphoto.ru

Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта называется расстояние, на которое переместится точка винта за один полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают левого и правого шага. В отличие от лопастей ВФШ у винтов регулируемого шага (ВРШ) лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме движения судна.

Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей), обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному – наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных двигателей.

Преимущества и недостатки ВРШ по сравнению с обычным винтом: возможность изменять положение лопастей у ВРШ позволяет изменять силу упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к другому значительно сокращается. Это улуч­шает маневренные качества судна, упрощает эксплуатацию двигателя. Но ВРШ значительно сложнее по конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. ВРШ имеют при том же КПД больший вес и размеры, чем обычные винты, что усложняет их крепление.