Введение к работе
Актуальность темы. В реальных условиях гребной винт работает за корпусом судна в неравномерном набегающем потоке. Каждой точке диска гребного винта соответствует своя скорость набегающего потока. При этом на каждой фазе вращения гребного вала изменяются углы атаки и гидродинамические характеристики лопасти. Наблюдается отклонение шаговых углов от оптимальных, возникают периодические усилия, передающиеся на корпус судна, появляется вибрация и акустическое излучение (шум), снижается КПД винта.
Управление шаговыми углами лопастей с учетом фактической скорости судна, частоты вращения гребного вала и неравномерности потока даёт возможность улучшать эксплуатационные качества гребных винтов. Известны винты, позволяющие регулировать шаг лопастей (ВРШ) и бинты с изменяемым за один оборот шагом каждой лопасти (ВИШ), улучшающие кавитационные,г гидроакустические и пропульсивые характеристики. Вместе с тем при использовании этих винтов возникает ряд проблем. Они связаны со сложностью конструкции, большим весом и стоимостью, трудностью размещения механизма поворота в ступице при малых диаметрах винтов.
На режиме заднего хода обтекание лопастей винтов фиксированного шага (ВФШ) ухудшается из-за того, что задняя кромка движется в сторону набегающего потока и наблюдается смена рабочей функции засасывающей и нагнетающей поверхностей.
Обычно лишь выбор конструкции гребного винта с учетом характеристик корпуса и параметров судового двигателя позволяет существенно улучшить его эксплуатационные качества. Поиск конструкщш, приспособленной к условиям работы в неравномерном потоке на разных режимах, продолжает оставаться одним из важных и актуальных направлений исследований.
Объектом исследования является гребной винт со свободно-поворотным креплением лопастей и его эксплуатационные качества при работе в неравномерном потоке, а также эксплуатационные характеристики этого винта в комплексе с двигателем и корпусом. Противоположные лопасти винта крепятся к свободно-поворотному валу лопастей, расположенному б стушгае перпендикулярно гребному валу. Вал лопастей обеспечивает жёсткую или гибкую (при другом конструктивном исполнении) связь между парой лопастей. Жесткий вал сохраняет неизменным положение лопастей в паре между собой. А гибкий вал допускает упругое кручение, что позволяет изменять шаг гребного винта. Во время работы винта такое крепление даёт возможность шаговым углам лопастей изменяться на любой фазе вращенпя с учётом и под влиянием неравномерного поля ско—остей пеед движителем. Другими слонами пгзотивоположные лопасти поворачиваются за счет общего разворота пары и за счет гибкой связи между лопастями так, чтобы уменьшить различие в углах атаки лопастей в неравномерном пото-
ке. На режимах заднего хода передние кромки лопастей разворачиваются в сторону набегающего потока.
Такая конструкция обеспечивает более высокие значения коэффициента полезного действия гребного винта. Она позволяет уменьшать периодические нагрузки, вибрацию, шум, а также износ валопровода.
Цель диссертационной работы состоит в формировании теоретических и физических представлений о работе гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей в неравномерном потоке воды за корпусом судна и разработке конструкции на их основе.
Для этого были поставлены следующие задачи:
разработать математическую модель взаимодействия механических и гидродинамических сил, действующих на гребной винт,
на основе математической модели сформулировать требования к выбору геометрических характеристик,
создать алгоритм и программу, позволяющие рассчитывать периодические усилия, передаваемые на вал гребного винта,
рассчитать эксплуатационные характеристики комплекса гребной винт-двигатель-корпус,
создать аппаратуру и разработать методику для регистрации динамических изменений шаговых углов винта в неравномерном поле скоростей воздушной среды,
разработать конструкцию и изготовить экспериментальный образец-модель гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей для воды.
Методы исследования.
В теоретической части работы при проведении исследований использовалось описание движения механической системы, состоящей из ступицы гребного винта и двух пар свободно-поворотных лопастей, дифференциальными уравнениями Лагранжа второго рода в обобщенных координатах.
Расчёт гидродинамических сил, кривых действия, паспортных диаграмм, других характеристик гребного винта выполнялся с использованием вихревой теории на ЭВМ.
Экспериментальная часть работы выполнена с моделью гребного винта на специально разработанной для этого установке. Испытания модели выполнены в воздушной среде, а экспериментального образца-модели - в воде. Опыт по развороту передних кромок в сторону набегающего потока при реверсе направления вращения проведен на модели и экспериментальном образце. Теоретические и
методов обработки и анализа полученных данных.
Научная новизна. Создан алгоритм и программа на ЭВМ для расчёта кривых действия исследуемого гребного винта и ходовых характеристик комплекса исследуемый винт-двигатель-корпус.
Практическая ценность заключается в разработке конструкции и основных вопросов проектирования гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей для работы в неравномерном потоке. Для изучаемого гребного винта получены и экспериментально подтверждены конструктивные решения, позволяющие обеспечить регулирование шаговых углов лопастей так, чтобы углы атаки стремились к оптимальным на любой фазе вращения гребного вала в неравномерном потоке за корпусом судна. Показана возможность самостоятельного разворота лопастей на 180 при реверсе вращения гребного вала.
Апробация. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на заседании кафедры "Судостроение и судоремонт" Московской государственной академии водного транспорта.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, получен 1 патент на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложения. Ее объем составляет 154 страницы , в том числе 43 рисунка, 5 таблиц. Список цитированной литературы включает 115 отечественных и 42 иностранных источника.
