Однако обычные гребные винты для современных судов, отличающихся высокими скоростями хода и большими мощностями, подводимыми к движителю, в ряде случаев оказываются недостаточно эффективными. Причиной тому является развитая кавитация1 на лопастях винта и связанные с ней повышенные шумность, вибрация корпуса и валопровода. Поэтому ученые многих стран интенсивно работают над совершенствованием существующих, а также созданием новых конструкций гребных винтов, обеспечивающих повышение технико-экономических характеристик судна и прежде всего — экономию топлива. Насколько важно это направление, можно судить хотя бы потому, что повышение пропульсивного коэффициента2 судна на 1% приводит к годовой экономии (если исходить из цен на топливо 1982 г.), равной 68 коп. на 1 кВт мощности энергетической установки (ЭУ).
Из теории и практики известно, что для обеспечения наибольшего КПД винта необходимо увеличивать его диаметр и шаговое отношение, снижать частоту вращения, уменьшать дисковое отношение, число лопастей и габариты ступицы. Однако для удовлетворения другим требованиям (например, снижения кавитации, вибрации, шумности и т. д.) в ряде случаев приходится отступать от этих рекомендаций, применять винты с необычной геометрией лопастей. Ниже рассматриваются некоторые из предложенных в последние годы конструкций гребных винтов, анализируются их различные качества и возможности практического использования в катеростроении.
Гребные винты с увеличенной саблевидностью лопастей
Основным источником ходовой вибрации корпуса судна являются пульсирующие давления, возникающие в потоке жидкости при вращении винта и передающиеся на обшивку корпуса. Результирующая этих давлений, называемая поверхностной силой, и приводит к возбуждению колебаний конструкции корпуса, руля и других судовых конструкций. Величина поверхностной силы зависит от мощности на гребном валу, числа лопастей и частоты вращения винта, его расположения относительно корпуса.
Наиболее существенное влияние на величину пульсаций давления на корпусе оказывают неоднородность поля скоростей потока в диске гребного винта, величина зазора между концом лопасти к обшивкой корпуса, а также форма лопастей винта. Ходовая вибрация усиливается при периодически возникающей кавитации на лопастях.
Для обеспечения более равномерного потока, натекающего на винт, применяют специальные обводы корпуса в корме, устанавливают перед винтом стабилизаторы потока, направляющие устройства. Однако пропульсивные качества судна в этих случаях обычно несколько ухудшаются. К снижению пропульсивного коэффициента приводит к увеличение числа лопастей винта, которое может служить средством уменьшения вибрационных нагрузок на корпус.
Более эффективным средством снижения виброактивности гребного винта без ухудшения его гндродинамических характеристик является применение саблевидных лопастей, т. е. имеющих асимметричный контур. Форма такой лопасти характеризуется углом саблевидности Θ, т. е. углом между осевой линией лопасти и линией, соединяющей центр винта с серединой концевого сечения лопасти на нормальной проекции гребного винта (рис. 1). Следует отличать угол саблевидности 6, от угла наклона лопасти (в корму), который используется при проектировании гребных винтов с целью удаления винта от корпуса на одновальном судне или от кронштейнов на двухвальных судах без удлинения гребного вала. У саблевидной лопасти ее верхняя часть имеет вытянутую (ложкообразную) форму.
На рис. 2 показаны контуры лопасти обычного гребного винта и винтов с различной саблевидностью
где z — число лопастей. Другой особенностью гребных винтов с большой саблевидностью лопастей является уменьшение шага на конце лопасти.
Сейчас спроектированы и испытаны серии моделей винтов с углом Θs=30, 60, 90° (у обычных гребных винтов величина угла Θs≤7—8 ). Как показали исследования, гребные винты с большой саблевидностью лопастей (угол Θs составляет больше половины угла между двумя последовательными лопастями) снижают вибрационные нагрузки на корпусе на 40—50%, а при умеренной саблевндности лопастей (угол Θs меньше половины межлопастного угла) — примерно на 25%. В то же время саблевидность сравнительно слабо влияет на КПД к гидродинамические характеристики винта в целом: при изменении угла Θs в пределах от 0 до 20° КПД винта в равномерном потоке практически сохраняется неизменным.
Кроме того, гребной винт с увеличенной саблевидностью лопастей более стоек к кавитации и может быть спроектирован с меньшим дисковым отношением, что позволяет повысить КПД движителя. Шумят такие винты меньше обычных, а значит условия обитаемости на судне делаются лучше.
Указанные положительные качества рассматриваемых гребных винтов объясняются следующим. С увеличением саблевидности лопастей отдельные их сечения постепенно входят в область наиболее подторможенного потока воды в кормовой части корпуса, и благодаря этому гидродинамические характеристики винта за один оборот изменяются более плавно, чем в случае обычного винта с симметричным или почти симметричным контуром лопасти. Поскольку при работе гребных винтов с увеличенной саблевидностью лопастей вибрационные нагрузки на корпусе снижаются на 50%, зазор между концом лопасти и обшивкой может быть уменьшен. Это позволяет увеличить диаметр гребного винта (примерно на 10%) и соответственно снизить частоту его вращения, что приведет к дополнительному увеличению КПД движителя.
Лопасти с большой саблевидностью (рис. 3) в последнее время применяются и при конструировании винтов регулируемого шага, которые широко используются на судах и катерах различных типов — от транспортных судов с одновальной ЭУ и умеренными скоростями до среднескоростных и быстроходных судов с двухвальной установкой. Угол саблевидности лопастей должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом особенностей неоднородности поля скоростей потока в кормовой оконечности судна. Это приводит к усложнению процесса проектирования и технологии изготовления гребных винтов нового типа, их удорожанию по сравнению с обычными винтами.
Следует также отметить, что при значительной саблевидности лопастей увеличивается осевой габарит винта, который можно уменьшить, сдвигая периферийные сечения вдоль оси винта, т. е. изменяя угол наклона. Есть также ряд особенностей в обеспечении прочности лопастей саблевидной формы, особенно на режимах реверса и заднего хода, что вызывает необходимость изготавливать эти винты из высокопрочных материалов.
Гребные винты с изменяемым в процессе оборота шагом
В последнее время в зарубежной печати появились сообщения о разработке гребных винтов, у которых каждая лопасть в процессе оборота вращается вокруг своей оси — шаг изменяется так, чтобы в зонах наибольшей нагрузки на лопасть он уменьшался, а в зонах наименьшей нагрузки — увеличивался. В результате при работе такого винта с изменяемым шагом (ВИШ) может быть значительно снижена величина возбуждаемых им периодических нагрузок, передаваемых на корпус судна, и уменьшена вероятность возникновения кавитационных явлений на поверхностях лопастей. Сечения лопастей ВИШ могут быть выполнены более тонкими, что позволяет улучшить пропульсивные качества движителя и отдалить момент возникновения кавитации. В результате колебательно-вращательных движений лопастей ВИШ вокруг своих осей около положения оптимального шага каждая лопасть нивелирует изменение угла атаки в неравномерном набегающем потоке, уменьшая тем самым отклонение текущего режима работы от оптимального. Благодаря этому обеспечивается дополнительное повышение КПД движителя по сравнению с обычными гребными винтами.
Разработчики наибольшее внимание уделяют конструкциям ВИШ с принудительным управлением шагом лопастей. Таков, например, гребной винт, разработанный шведской фирмой «КаМеВа». Особенностями конструкции этих ВИШ, получивших название «Пиннет пропеллер» (рис. 4), является четное число лопастей, причем каждая пара взаимопротивоположных лопастей закреплена на одной оси, проходящей через ступицу. От направляющей шайбы штанга передает колебательно-вращательные перемещения лопастям вокруг их оси. Изменение наклона направляющей шайбы к оси гребного вала позволяет варьировать амплитуду циклической перекладки лопасти, а перемещение ее вокруг оси вала дает возможность выбирать такое угловое положение в диске гребного винта, при котором перемещение лопастей относительно нейтрального положения максимально. Отмечается простота и надежность такой конструкции, поскольку значительная часть усилий, действующих на каждую пару лопастей, компенсирует друг друга и не передается на ступицу. Лопасти этого винта не подвергаются кавитации. значительно снижается (в два раза и более) уровень пульсирующих давлений на корпусе в кормовой оконечности, КПД движителя при работе его в неравномерном потоке повышается примерно на 5% по сравнению с КПД ВИШ без управления шагом в процессе вращения.
Исследования, проведенные шведской фирмой «КаМеВа», показали, что движители этого типа наиболее эффективны для работы в условиях, близких к чисто скошенному потоку, например на катерах, у которых гребные валы сильно наклонены.
Отмечаются также и некоторые недостатки ВИШ: возможное снижение эффективности этих винтов на циркуляции судна и сложность управления шагом лопастей при эксплуатации судна в условиях нерегулярного волнения.
Гребной винт без концевых вихрей
В течение последних десяти лет в зарубежной печати широко рекламируется конструкция гребного винта типа TVF, свободного от концевых вихрей на лопастях. Исследовательские и проектные работы по разработке новой конструкции гребного винта проводит испанская фирма AESA.
Поясним кратко сущность идеи, заложенной в конструкции винта TVF. Известно, что при вращении гребного винта с концов его лопастей сбегают свободные вихри, которые возникают вследствие перетекания воды через край лопасти с нагнетающей на засасывающую поверхность и являются одним из основных источников кавитации. Было предложено на концах лопастей устанавливать специальные профилированные пластины в виде шайб, изогнутые по винтовой поверхности (рис. 5). Эти шайбы, являясь как бы гидромеханическим барьером, препятствуют перетеканию воды через край лопасти и тем самым предотвращается возникновение концевых вихрей. Таким образом, лопасть винта как бы превращается из крыла конечного размаха в крыло бесконечного размаха.
В зарубежной печати сообщалось о весьма существенном повышении (на 12—35%) пропульсивных качеств винта TVF по сравнению с обычными гребными винтами. Однако проведенные позднее эксперименты с моделями в опытовом бассейне не подтвердили столь высокую эффективность TVF.
Впоследствии проектировщики разработали другие варианты нового типа движителя. Была предложена улучшенная конструкция четырехлопастного винта TVF в сочетании с насадкой, другая испанская фирма «Аукси-Наве» разработала новый энергосберегающий гребной винт, получивший обозначение HEFA. У этого винта на крае каждой лопасти установлены граничные пластинки цилиндрической формы (рис. 6) с минимальным собственным сопротивлением. Кроме того изменен закон распределения нагрузки (циркуляции) по радиусу винта, который, как видно из рис. 7, существенно отличается от обычно применяемого закона при конструктировании традиционных гребных винтов. Пластины на концах лопастей позволяют использовать энергию течения струй жидкости, проходящих через диск винта, что способствует повышению КПД винта. Считается, что винт новой конструкции с увеличенным (примерно на 10 %) КПД по сравнению с обычным винтом менее подвержен кавитации и вызывает меньшую вибрацию на корпусе и шум.
Гребные винты с направляющим устройством и спрямляющим аппаратом
Одним из перспективных путей повышения пропульсивных качеств гребного винта является дальнейшее улучшение характеристик взаимодействия движителя с корпусом. С этой целью применяют различные направляющие и выравнивающие устройства, которые могут быть выполнены в виде кольцевых направляющих насадок, полунасадок или системы направляющих крыльевых элементов.
Кольцевые насадки обычно располагаются в плоскости диска винта соосно с ним и охватывают с небольшими зазорами (до 0,01 D) концы его лопастей. Серьезным недостатком таких насадок, выявившимся в процессе эксплуатации, является эрозионное разрушение их внутренней поверхности, которое обусловлено кавитацией свободных вихрей, сбегающих с концов лопастей.
Этого недостатка лишены так называемые предвинтовые направляющие насадки (ПНН), которые в отличие от обычных насадок располагаются не в плоскости диска винта, а непосредственно перед гребным винтом (рис. 8). Такая насадка японской фирмы «Мицуи» получила условное наименование MJDP. Ее характерными особенностями являются асимметричность формы относительно горизонтальной плоскости, уменьшение осевой протяженности (хорды профиля) от верхней к нижней кромке. Такая конфигурация ПНН позволяет насадке более эффективно участвовать в перераспределении попутного потока, выравнивать и стабилизировать натекающий на винт поток. У ПНН исключается кавитационная эрозия внутренней поверхности.
ПНН может устанавливаться без замены существующего гребного винта как на плавающих, так и на вновь строящихся судах и катерах, т. к. она не влияет на выбор профиля сечений лопастей и распределения шага, как это имеет место в случае обычной кольцевой насадки. По результатам натурных испытаний судов с предвинтовой насадкой, экономия мощности главного двигателя может достигать 5—12% в зависимости от скорости хода и состояния нагрузки судна.
Важным преимуществом комплекса гребной винт — предвинтовая насадка является значительное улучшение кавитационных свойств — область развития кавитации на лопастях снижается на 20—60%. Это обусловлено большей однородностью потока и уменьшением нагрузки на винт благодаря дополнительному упору, создаваемому насадкой. Указывается также на снижение пульсаций давления (до 50%) на корпусе и соответствующее уменьшение ходовой вибрации судна. Улучшаются характеристики поворотливости и маневренные качества судна, оборудованного ПНН: диаметр циркуляции уменьшается на 10—20%, а дистанция торможения судна — на 10—30%.
Другая конструкция направляющего устройства, разработанная в техническом университете ФРГ, изображена на рис. 9. Оно состоит из двух расположенных побортно полуколец, нижние кромки которых находятся близ линии гребного вала, а верхние — на уровне конца лопастей винта. Оси обоих полуколец имеют наклон в нос к основной плоскости, а в плане они расположены симметрично относительно ДП, но непараллельно плоскости мидель-шпангоута. Поперечное сечение такой полунасадки имеет сужение по длине в сторону винта, и по окружности — в сторону верхней кромки. Подобное устройство позволяет сглаживать неравномерность потока, натекающего на гребной винт, и колебания давления. Экономия энергии составляет 5—12% в зависимости от обводов корпуса и скорости судна. Отмечается, что подобные устройства наиболее эффективны при скоростях 12—18 уз.
В отечественной и зарубежной практике получают развитие также различные системы направляющих крыльевых устройств. Так например, для тихоходных маломерных судов советский изобретатель Ю. С. Пунсон предложил устанавливать перед гребным винтом под определенным углом атаки к набегающему потоку одно или несколько направляющих крыльев, которые имеют профилировку контрпропеллера3 (рис. 10). Крылья обеспечивают предварительную закрутку потока перед гребным винтом по всей площади его диска. На одновальных судах крылья устанавливаются только с одного борта: при правом вращении гребного винта — с левого, а при левом вращении — с правого (см. авторское свидетельство № 1096166).
Разработанная автором методика расчета направляющих крыльев позволяет определять геометрические характеристики крыльев с учетом неравномерности поля скоростей потока за корпусом и их положение относительно винта, а также приближенно оценивать эффективность устройства.
Испытания судов, оборудованных устройством Ю. С. Пунсона, показали, что при заданной скорости судна мощность ЭУ при установке направляющих крыльев может быть снижена на 5—7%, а в сочетании с насадкой — на 8—9%.
Профессор Гротуэс-Спорк из Берлинского опытового бассейна предложил свою систему потоко-направляющих крыльев (рис. 11). В зависимости от формы обводов корпуса в кормовой оконечности и степени неравномерности потока установка ее на судне позволяет снизить потребную мощность двигателя в пределах 4—8%.
В последнее время широкое применение в зарубежной практике проектирования движителей получило спрямляющее колесо — контрвинт Грима (по имени автора-изобретателя — профессора из ФРГ), назначением которого является утилизация (до 65%) энергии закрученной винтом струи. Свободно вращающееся колесо-ротор имеет 9 лопастей и устанавливается на гребном валу сразу за винтом (рис. 12). Диаметр колеса составляет примерно 1,2 D, частота вращения его — 30—50% частоты вращения гребного винта. Лопасти колеса имеют комбинированный профиль: на радиусах в пределах струи винта — типа лопаток гидротурбин, а на внешних радиусах — форму сечений лопастей винта. Благодаря такой профилировке гребной винт с этим устройством создает дополнительный упор до 5—10%. Соответственно экономится мощность ЭУ, поданным натурных испытаний ряда судов, порядка 9—15% — в зависимости от гидродинамической нагрузки движителя. Важно, что при установке «Колеса Грима» маневренные характеристики судна практически не изменяются, значительно снижается уровень вибрации корпуса в кормовой оконечности. Это позволяет устанавливать устройство как на проектируемых, так и на уже эксплуатируемых судах.
Гребные винты с перекрывающимися дисками
Информация об изображении
Рис. 13. Расположение гребных винтов при различной степени перекрытия дисков
Существенное влияние на ходовые качества двухвальных катеров оказывает расположение гребных винтов за корпусом и, в особенности,— сближение дисков винтов. Обычно гребные винты располагаются по бортам от диаметральной плоскости (ДП) при расстоянии между их осями а=(1,5÷1,7) D. При этом гребные винты работают в среде с меньшей интенсивностью попутного потока по сравнению с одновальной установкой, в которой винт расположен в области наиболее развитого попутного потока. Благодаря использованию энергии этого потока, при одновальной установке пропульсивный коэффициент несколько повышается и тем самым снижается значение потребной мощности ЭУ. Эта особенность работы гребного винта на одновальном корабле и была положена в основу нетрадиционной компоновки движительного комплекса на двухвинтовом катере, при которой оси гребных винтов сдвинуты к ДП таким образом, что плоскости дисков винтов частично перекрываются (рис. 13, 14). Таким образом оба винта работают в области действия более интенсивного попутного потока, что позволяет улучшить пропульсивные качества катера и обеспечить ряд эксплуатационных преимуществ.
Рис. 13. Расположение гребных винтов при различной степени перекрытия дисков
Основными параметрами, определяющими гидродинамическую эффективность гребных винтов с перекрывающимися дисками являются: степень перекрытия дисков винтов с=а/D, расстояние между плоскостями дисков по длине катера, направление вращения винтов. Оптимальная величина перекрытия с=0,65÷0,80. Смещение дисков гребных винтов в осевом направлении относительно друг друга практически не влияет на характеристики взаимодействия движителя с корпусом. В зависимости от кормовых обводов корпуса экономия мощности ЭУ при использовании винтов с перекрывающимися дисками может составить 6—12%. Отмечается также, что рациональным является вращение винтов наружу, т. е. винт правого борта должен вращаться по часовой стрелке, а винт левого борта — против часовой стрелки, если смотреть с кормы в нос судна.
Компоновка с перекрывающимися дисками винтов обладает также и другими достоинствами. Например, при уменьшении перекрытия до с≈1,0 значительно уменьшаются размеры выступающих частей (кронштейнов, выкружек гребных валов), а следовательно, и их сопротивление (до 30%) по сравнению с обычной двухвальной установкой. Улучшается поворотливость катера, оборудованного одним рулем в ДП, т. к. в этом случае он обтекается с большей скоростью струями гребных винтов. Благодаря более рациональному расположению главных двигателей и линий гребных валов освобождается часть полезного объема корпуса, которая может быть использована для оборудования пассажирских или грузовых помещений.
Рассмотренные в настоящей статье «необычные» гребные винты позволяют улучшить пропульсивные, кавитационные, вибрационные и другие качества системы движитель-корпус, снизить энергозатраты, а следовательно, и потребную мощность главной ЭУ. Эти винты уже находят широкое применение на больших транспортных судах. Есть опыт их использования и на малых судах различных типов.
Примечания
1. О явлении кавитации гребных винтов читайте в КиЯ №129.
2. Пропульсивный коэффициент — характеристика эффективности движителя судна, представляющая собой отношение полезной или буксировочной мощности, необходимой для преодоления сопротивления воды при данной скорости судна, к мощности. подводимой к движителю. Пропульсивный коэффициент представляется произведением η = ηр·ηк; здесь ηр КПД движителя, ηк — коэффициент влияния корпуса.
3. Контрпропеллер — устройство для преобразования энергии закрученной гребным винтом струи в дополнительный упор, двигающий судно вперед.