Судовые движители

1. Судовые движители

2.

Движителями
называются
специальные
устройства,
преобразующие механическую работу судовой силовой
установки
в
упорное
давление,
преодолевающее
сопротивления и создающее поступательное движение судна.
По принципу действия движители разделяют на
-активные, непосредственно преобразующие энергию в поступательное
движение судна,
- реактивные —создаваемое упорное давление получается в результате
реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению
судна.

3.

гребные винты
,
крыльчатые движители,

4.

водометные
движители

5.

гребные колеса

6.

Элементы теории идеального движителя
Идеальным движителем называют гидромеханическую
особенность, обладающую способностью создавать вызванные
осевые скорости, т.е. дополнительные скорости, направленные
назад.

7.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И
ДОПУЩЕНИЯ ТЕОРИИ ИДЕАЛЬНОГО
ДВИЖИТЕЛЯ
1. Движитель работает в идеальной жидкости (т.е. невязкой, несжимаемой
и обладающей сплошностью, т.е. занимающей весь объем).
2. Движитель создает только вызванные осевые скорости, необходимые для
создания упора, и никаких других.
3. Движитель бесконечно тонкий.
4. Размытую границу между струей и остальной жидкостью заменим
поверхностью раздела – бесконечно тонкой вихревой пеленой

8.

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СЕЧЕНИЕ СТРУИ
Для гребного винта это круг, диаметр которого
равен диаметру винта,
для колеса – прямоугольник, ширина которого
равна длине плиц, а высота – глубине погружения
нижней плицы в воду,
для КД – прямоугольник, ширина которого равна
диаметру по лопастям, а высота – длине лопастей
и т.д.

9.

Упор Рi, создаваемый идеальным движителем, можно определить из
выражения
a
Pi p Fp a p
Fp
2
Скорость s является важной характеристикой любого гидравлического
движителя, которая определяет массу жидкости, обрабатываемую им
ежесекундно и равную
m Fp s
На основании закона количества движения для массы жидкости
m=const, протекающей через сечения 0—0 и 2—2, имеем:
Pi m m p m a Fp s a .
Соответственно искомая величина
a
1
s p
p ,
2 2
откуда следует, что осевая вызванная скорость нарастает наполовину
перед движителем и наполовину за ним (теорема Фруда).

10.

К. п. д. идеального движителя
p
p
1
pi
s a 1 1
p
2
2
a
Из формулы видно, что к. п. д. идеального движителя определяется
скоростью протекания жидкости s через его рабочее сечение.
a
Эта формула также показывает, что с ростом значения a
величина
p
pi снижается.

11.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРЕБНОГО ВИНТА
ГЕОМЕТРИЯ, КОНСТРУКЦИЯ И РАЗМЕЩЕНИЕ ГРЕБНЫХ
ВИНТОВ
Гребной винт — судовой гидравлический движитель, состоящий из
нескольких одинаковых крылообразных лопастей, примыкающих к ступице,
которая насажена на гребной вал.
Для образования лопасти гребного винта используются участки винтовых поверхностей, которые получаются за неполный оборот образующей.
Каждая из таких поверхностей представляет собой совокупность винтовых
линий, находящихся на различных расстояниях (радиусах r Rв) от оси вращения винта, имеющего диаметр D=2Rв.

12.

13.

Форму и размеры поверхности лопасти гребного винта характеризует ее
контур. Точку СR этого контура, отстояние которой от оси винта равно его
радиусу Rв=D/2, принято называть концом или краем лопасти. Площадь
круга Fp
D2
4
Rв2 называется площадью диска винта и одновременно
является его гидравлическим сечением. Внутренняя часть А1, С1, В1 каждой
лопасти, называемая ее корнем, примыкает к ступице винта, которая
представляет собой тело вращения и имеет здесь диаметр d0 = 2r0. Расстояние
Rв r0 является длиной лопасти, а ее наибольший размер hm вдоль оси
винта определяет подъем лопасти.

14.

Конструктивным шагом H на данном радиусе r называется шаг винтовой
линии, совпадающей с хордой сечения лопасти цилиндром того же радиуса,
соосным с винтом. Для винтов, сечения лопастей которых имеют почти прямолинейную нагнетающую поверхность, значение H практически совпадает с
ее шагом. Величина H/D называется шаговым отношением гребного винта
(конструктивным).
Угол подъема винтовой линии , называемый шаговым углом, определяется из соотношения
дисковое отношение гребного винта» АЕ/А0, где АЕ –площадь (нагнетательных
поверхностей) всех лопастей; А0 – площадь диска
. tg H .
2 r

15.

.
В жидкости винт пройдет за один оборот расстояние, меньшее шага, это
расстояние называется абсолютной; или линейной поступью винта . Линейная
поступь связана со скоростью и периодом (временем, за которое винт совершает
один оборот) соотношением.
Относительная поступь - отношение линейной поступи к диаметру винта, это основная безразмерная кинематическая характеристика гребного винта,
определяющая режим его работы в жидкости:
.
Жидкость приобретает вызванные, или индуктивные, скорости, которые приводят
к ускорению потока за гребным винтом, закручиванию струи, а также
уменьшению ее поперечного сечения. Составляющие скорости — осевая
,окружная , радиальная .
Разность называется скольжением винта. Оно определяет, насколько отстает
винт при своем перемещении в жидкости от перемещения винта в твердой среде.
Скольжение, выраженное в долях от шага, называют относительным
скольжением

16.

Типовые контуры лопасти и сочетание их с профилями сечений

17.

Конструкция винта фиксированного шага (схема)
1 — цилиндрическая часть гребного вала; 2 — коническая часть
гребного вала; 3 —шпонка; 4 — концевая гайка; 5 — хвостовик гребного
вала; 6 — обтекатель; 7 — ступица; 8 — лопасть винта

18.

Размещение винтов за корпусом судна
а, б — при обычных кормовых обводах (одно- и двухвальная
установка); в — в тоннеле

19.

Направляющие насадки
а)
а — неподвижная; б — поворотная

20.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕСУЩЕГО КРЫЛА
Основными геометрическими элементами крыла являются размах , т.
е. наибольшая длина, измеренная перпендикулярно направлению движения,
ширина крыла — хорда b и наибольшая толщина его сечения е. Форма
крыльев в плане может быть различной (например, прямоугольной или
эллиптической). Профиль сечения крыльев обычно принимается
e
аэродинамическим или сегментным и имеет относительную толщину b b
от 0,03—0,05 до 0,20—0,22.
Геометрический (или кромочный) угол атаки измеряется между
хордой профиля крыла и направлением скорости невозмущенного потока
жидкости далеко перед крылом (в обращенном движении).
Схема действия несущего крыла

21.

Эффективность действия крыла обычно характеризуется величиной
обратного качества e
X
. Направление скорости невозмущенного потока,
Y
соответствующее условию Y = 0 (или е = ), называется направлением
нулевой подъемной силы. От него отсчитывается эффективный, или
гидродинамический, угол атаки i связанный с величиной соотношением
i 0 ,
где 0 — нулевой угол (равный обычно 2—3°).
Значения сил Y и X, которые вместе с величиной е являются
гидродинамическими характеристиками крыла, удобно представить в
безразмерном виде. Коэффициенты подъемной силы и лобового
сопротивления для крыла, имеющего площадь Fкр (в плане), принимаются
соответственно равными :
2
Fкр
2
X
Cx
2
Fкр
2
Cy
Y
e
X Cx
Y Cy
а величина е получается в виде:

22.

ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕМАТИКИ ГРЕБНОГО ВИНТА
Работающий гребной винт участвует одновременно в двух движениях:
перемещается поступательно вдоль своей оси со скоростью р относительно
воды и вращается вокруг той же оси с угловой скоростью =2 n.
Соотношение между значениями р и n (или ) определяет абсолютную, или
линейную, поступь винта:
p
p
hp
2
n
и представляет собой его осевое перемещение в воде за время,
соответствующее одному обороту.
При нормальных условиях работы гребного винта в воде, являющейся
для него податливой, подвижной «опорой», поступь hр получается меньше,
чем геометрический шаг Н. Разность Н — hр называется скольжением винта.
Важнейшей безразмерной кинематической характеристикой винта,
определяющей режим его работы, является относительная поступь гребного
винта:
p
p
,
D nD Rв
hp
p

23.

24.

25.

КАВИТАЦИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ
Кавитацией принято называть процесс образования разрыва сплошности
потока капельной жидкости вблизи поверхности тела при высоких скоростях
обтекания, вызывающих понижение давления до некоторого критического
значения. Область разрыва, называемая кавитационной каверной,
представляет собой объем, заполненный парами капельной жидкости (воды)
и растворенными в ней газами.

26.

27.

. Критерием, определяющим начало и степень развития, является число
кавитации, равное
2 p0 pн
2
р
2 pa gh pн
р2
Если величина > max ,то можно считать, что кавитация практически
отсутствует . Ее началу соответствует критическое значение числа кавитации
к= max . Обычно различают две степени паровой кавитации.
Первая стадия кавитации, началу которой соответствует условие = к,
характеризуется тем, что парогазовые каверны являются местными и замыкаются на поверхности профиля крыла (обычно на его засасывающей стороне).
Уменьшение пика эпюры коэффициента вблизи каверны компенсируется
при этом увеличением его ординат за областью = max куда уносятся парогазовые пузырьки набегающим потоком жидкости. Поэтому гидродинамические характеристики профиля крыла (значения Су, Сх) в первой стадии кавитации остаются практически такими же, как и при бескавитационном обтекании.

28.

Вторая стадия кавитации является следствием дальнейшего увеличения
скорости набегающего потока. Эта стадия характерна тем, что парогазовая
каверна замыкается за профилем. Во второй стадии кавитации, когда
значения по всей засасывающей стороне профиля крыла оказываются ниже,
чем при бескавитационном обтекании, коэффициенты Су и Сх снижаются по
мере уменьшения чисел . Поскольку парогазовая каверна замыкается уже за
телом, то эрозия в этой стадии кавитации не возникает.

29.

Для предотвращения кавитации обычно применяются перечисленные
ниже практические мероприятия. Они же одновременно снижают и
опасность эрозионного разрушения материала, из которого изготовлен винт.
1. Наиболее простым средством отдаления начала кавитации винта
является увеличение его дискового отношения, благодаря чему снижается
удельная нагрузка лопасти, т. е. упор Р, отнесенный к площади их
спрямленной поверхности F. Однако с повышением значения
увеличивается площадь лопастей и соответственно возрастают вязкостные
потери при работе винта и снижается его конструктивный к. п. д. Поэтому
значение , необходимое для предотвращения кавитации, должно быть
возможно меньшим.
2. Отдалению начала кавитации способствует применение сегментных
профилей для образования лопастей винта, поскольку они, в отличие от
профилей аэродинамического типа, не имеют резко выраженного пика
разрежения на засасывающей стороне.

30.

3. Опасность кавитации винта снижается с уменьшением числа
лопастей до 2 или 3 при заданном значении , так как в данном случае
увеличивается ширина сечений каждой лопасти.
4. Начало кавитации отдаляется при увеличении относительного
погружения оси винта под свободную поверхность воды, поскольку это
сопровождается повышением статического давления. При недостаточном
погружении может произойти засасывание воздуха с поверхности воды к
лопастям винта (поверхностная кавитация). Для борьбы с кавитационной
эрозией гребных винтов применяются также специальные меры. Они
позволяют
устранить непосредственную
причину неустойчивости
кавитационных каверн — резко выраженную неравномерность потока и
косое натекание воды на винт при работе за корпусом судна. Устранению
этих явлений способствует, например, рациональный выбор кормовых
обводов судна (с пологими батоксами). Эрозии можно избежать и в
результате применения кавитирующих винтов. Они предназначены для
работы в начале второй стадии кавитации и имеют из-за этого несколько
меньший к. п. д., чем обычные винты, работающие в докавитационных
режимах.

31. все