Гидродинамические силы, создаваемые гребным винтом

Большинство морских и речных судов в качестве движителей имеют гребной винт. Гребной винт проектируется на условия основного ходового режима со скоростью и частотой вращения . Упор Т и момент М_В гребного винта определяются в виде: ; . Коэффициенты К₁ и К₂ определяются по диаграммам в зависимости от шагового отношения винта и относительной поступи , диапазон изменения которой составляет от 0 (швартовный режим) до поступи нулевого упора (турбинный режим).

В расчетах управляемости такое представление характеристик действия ГВ является недостаточным и неудобным, поскольку изменение параметров движения корпуса и режима работы двигателя могут изменяться при выполнении маневра в широких пределах, в том числе и со сменой направления движения (+ - передний ход; - - задний ход). При застопоренном ГВ (n=0) относительная поступь l_P обращается в бесконечность.

По этой причине В.Г. Бакаев и В.М. Лаврентьев / 4 / предложили другое представление Т и М гребного винта:

;

где коэффициенты упора и момента определяются в зависимости от шагового отношения ГВ и обобщенной поступи .

Обобщенная поступь охватывает все возможные режимы работы ГВ ( u; n). Ими были проведены систематизированные испытания моделей открытых ГВ на переднем и заднем ходу, а И.А. Титовым разработана расчетная методика определения упора и момента ГВ на этих режимах движения, которая приведена в справочнике / 4 /.

Варьируя скорость и направление движения корпуса и гребного вала, по этой методике определяем упор и момент ГВ и строим диаграммы: ; , как это показано на рис. 2.8.

Аналогичная методика для ГВ в НН предложена В.И. Зайковым, с которой можно ознакомиться в справочнике / 14 /.

Данные диаграммы, которые называют винтовыми характеристиками ГВ, можно табулировать и использовать в программах расчета управляемости судна. Однако, вид кривых упора и момента ГВ позволяет достаточно точно аппроксимировать их. В.И. Небесновым / 7 / предложена такая форма аппроксимации:

;

(2.37)

где и - полезная тяга и момент ГВ на номинальном режиме движения; - относительная частота вращения; - относительная скорость движения корпуса; - коэффициенты аппроксимации, определяемые отдельно для переднего хода и для заднего хода.

Рис. 2.8. Винтовые характеристики судна.

В случае криволинейного движения судна скорость натекания воды на ГВ будет отличной от скорости при прямолинейном движении, как по величине, так и по направлению. Рассмотрим это на диаграмме скоростей на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема векторов скоростей.

Решение этой геометрической задачи дает такие выражения для скорости и угла натекания воды на ГВ:

(2.38)

В этих формулах обозначено:

- относительная абсцисса ГВ;

- относительная ордината ГВ.

Корпус судна оказывает спрямляющее действие на поток воды и это учитывается коэффициентом влияния

(2.39)

который принимается по эмпирическим данным / 4, 5 / равным 0.3 для диаметрального ГВ при развитом кормовом дейдвуде; равным 0.5 для бортовых ГВ при развитом кормовом дейдвуде; равным 1.0, если корма транцевая и дейдвуд отсутствует. Для более точного определения следует проводить модельный эксперимент.

Влияние корпуса на скорость uв, как правило, не учитывается.

При косом натекании воды на ГВ возникает еще и поперечная гидродинамическая сила Q, которая направлена в сторону поперечной составляющей скорости потока воды.

Величину поперечной силы можно представить в таком виде / 4 /:

;