Влияние зазоров между лопастями винта и корпусом судна на КПД винта

Каждый элемент упругой системы двигатель — валопровод — гребной винт располагает определенными сосредоточенными массами, которые вращаются под действием периодически ме­няющегося крутящего момента со своими степенями неравно­мерности. При этом происходит периодическое закручивание и раскручивание участков валопровода вследствие того, что каж­дая из масс то опережает соседние, то отстает от них, т. е. на­блюдается явление крутильных колебаний. Под действием таких колебаний в валопроводе возникают дополнительные напряже­ния, которые могут превосходить основные напряжения, вызы­ваемые средним крутящим моментом. Эти напряжения непо­стоянны, они изменяются в зависимости от частоты вращения валопровода.

Максимальное напряжение от крутильных колебаний возни­кает в момент совпадения частот колебаний от возмущающих моментов с частотой собственных колебаний валопровода, т. е. в момент резонанса или вблизи него. Частота вращения вало­провода, соответствующая резонансу его вынужденных и соб­ственных колебаний, называется критической.

Напряжения от крутильных колебаний являются опасными, т. е. могут привести к аварийной поломке валопровода в целой зоне частот вращения вблизи критической. Эта зона называется запретной. Она выделяется на тахометрах в машинном отделе­нии и на мостике в виде красного сектора.

Гребной винт, работая в неоднородном попутном потоке за корпусом судна, обусловливает появление неравномерного мо­мента М_х (см. рис. 3.32), который является одним из важных источников крутильных колебаний для дизельных установок и основным возбудителем крутильных колебаний для турбозуб-чатых и электрогребных энергетических установок. Период Т_д неравномерного крутящего момента, вызванного гребным вин­том, равен отношению периода одного оборота вала Т к числу лопастей гребного винта; поэтому порядок основных гармоник крутильных колебаний, вызванных гребным винтом, равен числу лопастей винта, а порядок последующих гармоник соответст­венно в два и три раза выше, т. е. v = T/T_v = z; v = 2z; v = 3z и т. д.

Из курса теоретической механики известно, что все элементы крутильной схемы характеризуются только полярным моментом инерции массы данного элемента, без знания которого невоз­можно численно определить необходимые параметры (частоту и амплитуду) крутильных колебаний.

Полярный момент инерции массы гребного винта 1_Р с учетом присоединенного момента инерции массы воды, увлекаемой гребным винтом, определяется по формуле

где k_p — коэффициент присоединенного момента инерции массы воды, принимаемый равным 0,3—0,4.

Заметим, что ранее в расчетах крутильных колебаний вало-провода часто пользовались понятием махового момента греб­ного винта Af_M = 4Gi², где i — радиус инерции винта.

Между полярным моментом инерции массы винта и его маховым моментом существует следующее соотношение:

Расчет полярного момента инерции массы гребного винта производят либо графоаналитическим методом, либо по прибли­женным эмпирическим формулам. При использовании графо­аналитического метода расчет проводят отдельно для лопастей и ступицы. Каждую лопасть делят на некоторое число элемен­тов и определяют площадь сечения каждого элемента s, после чего полярный момент инерции всех лопастей находят по фор­муле

где z — число лопастей; у — удельный вес материала лопасти.

Интеграл, входящий в эту формулу, вычисляют табличным способом, используя правило трапеций.

Полярный момент инерции массы ступицы можно прибли­женно определить, представляя ступицу в виде полого цилиндра, по формуле

где D_CT —наружный диаметр ступицы; d_CT — внутренний диа­метр ступицы; / — длина ступицы.

Приближенная оценка полярного момента массы гребного винта может быть произведена по эмпирической формуле Куту­зова

здесь θ — дисковое отношение винта.

Если бы не было трения, амплитуды вынужденных колеба­ний теоретически достигали бы бесконечно большой величины. Трение поглощает энергию колебаний, демпфируя их. Гребной винт также демпфирует амплитуды крутильных колебаний за счет трения лопастей о воду. Работа за одно колебание сил трения воды, окружающей винт, достигает значительной вели­чины и учитывается в расчете по эмпирическим формулам. Для устранения или уменьшения резонансного пика крутильных ко­лебаний и тем самым запретной зоны частоты вращения греб­ного вала часто прибегают к изменению момента инерции массы гребного винта путем уменьшения его диаметра. Эти во­просы решаются после проведения расчетного анализа резуль­татов измерений частот и амплитуд крутильных колебаний си­стемы. Такой анализ необходимо также производить в период эксплуатации при замене гребных винтов на другие, с сущест­венно отличающимися моментами инерции (например, при за­мене цельных винтов на сборные и наоборот или при изменении материала винта). При необходимости проектируют новый греб­ной винт с уменьшенным диаметром и соответственно подобран­ным шаговым отношением.

Сместить резонансный максимум можно также, изменяя число лопастей, т. е. устанавливая новый гребной винт с иным числом лопастей, не кратным основной частоте колебаний.