Частково занурені гребні гвинти (Суднобудування
Проблема використання частково занурених гвинтів для швидкохідних і, зокрема, гоночних суден є вкрай актуальною. Так, на думку багатьох зарубіжних фахівців, ЧПВ є єдиним перспективним типом рушія для глісерів.
Установка ЧПВ на глісуючому судні дозволяє частково або повністю усунути опір виступаючих частин рушійного комплексу, який для малих суден водотоннажністю 0,3—1,5 т на швидкості 50—60 км/год становить 10—30%, на швидкості 80—90 км/ год — 25—60%, але в швидкостях 110—130 км/год — вже 50—100% (і більше) опору власне корпусу судна. (Менші значення відносяться до установок з похилими гребними валами, великі - до кутових колонок.) Деяке (на 10-15%) зменшення к. п. д. в порівнянні з повністю зануреними гвинтами повністю компенсується цим зниженням опору руху.
Орієнтовно вважатимуться, що застосування ЧПВ при зануреннях гвинта 0,3—0,5 діаметра на катерах з двигунами потужністю від 10 до 100 л. с. ефективно при швидкостях, що перевищують відповідно 45-60 км/год - при установках з кутовими колонками та 60-80 км/год - з похилими гребними валами.
Переваги ЧПВ вже давно використовуються гонщиками на скутерах та глісерах. В останні роки, після зняття обмежень з обводів днища мотолодок, коли більшість з них почала виконуватися за триточковою або катамаранною схемами, ЧПВ стали застосовуватися і на спортивних судах цих типів. Використання ЧПВ дозволило збільшити швидкість мотолодок майже в 1,3-1,5 рази.
Проте спортсмени, використовуючи за традицією дволопатеві гвинти, зустрілися і зі специфічними труднощами. Особливість ЧПВ - більш жорсткі вимоги до міцності лопатей, гребного валу та інших елементів механічноїпередачі. Знакозмінні динамічні навантаження, що виникають при почерговій роботі лопатей, призводять до втомних руйнувань гребних валів, а крім того, збільшуються і навантаження на лопату: підвищуються значення упору, що створюється (навіть при трьох-або чотирилопатевому гвинті) тільки на одній лопаті.
У пропонованій увазі читачів статті канд. техн. наук І. В. Коритова узагальнюється досвід застосування ЧПВ на швидкісних суднах і даються деякі рекомендації з розрахунку та конструювання ЧПВ.
Ідея застосування гребних гвинтів, що працюють в умовах часткового занурення, коли лопаті перетинають вільну поверхню води, відома давно. Сто років тому запатентовані перші конструктивні схеми частково занурених гвинтів (ЧПВ), які тоді пропонувалося встановлювати на річкових суднах з обмеженою осадкою. Застосування ЧПВ забезпечувало підвищення прохідності цих суден завдяки зменшенню габаритного осаду та кращому захисту рушіїв від пошкоджень при плаванні в умовах мілководдя.
Останнім часом проблема використання ЧПВ стає дедалі актуальнішою у зв'язку з розвитком нових принципів руху швидкохідних суден. Застосування ЧПВ на глісуючих катерах, суднах на підводних крилах і повітряній подушці дозволяє зменшити кут нахилу гребного валу і цим знизити шкідливий вплив косого потоку працювати гвинта (особливо за умов кавітаційного обтікання); дає можливість зменшити або навіть виключити опір виступаючих частин - гребних валів та їх кронштейнів; у ряді випадків дозволяє усунути небезпеку ерозійного руйнування гвинта, оскільки парогазова кавітація, що викликає його, переходить в атмосферну.
Як показують розрахунки, при швидкості 80 уз використання похилого валу для приводу повністю зануреногогвинта - ППВ (рис. 1, а) знижує пропульсивний коефіцієнт катера на величину до 10-20% внаслідок збільшення гідродинамічного опору. Застосування ж ЧПВ при набагато меншому нахилі валу гребного (рис. 1,6) або в поєднанні з вертикальною колонкою (рис. 1,а) істотно зменшує ці втрати.
Установка ЧПВ на суднах на підводних крилах забезпечує значне підвищення живучості рушійного комплексу, оскільки зменшується ймовірність пошкоджень гребних валів та гвинтів; крім того, знижується несприятливий вплив гвинта на гідродинамічні характеристики крила, покращується взаємодія гвинта з корпусом, відсутня ерозія гвинта.
ЧПВ розглядаються як перспективний тип рушія і високошвидкісних суден на повітряній подушці скегового типу. У США теоретичні дослідження та випробування моделей ЧПВ проводяться саме у зв'язку з розробкою великотоннажних СВП.
Розглянемо особливості роботи ЧПВ. Відомо, що гідродинамічні характеристики будь-якого підводного крила при наближенні до вільної поверхні зазнають суттєвих змін. Розрідження на поверхні, що засмоктує, крила падає, роль його у створенні підйомної сили зменшується. У міру зменшення глибини занурення зменшуються значення коефіцієнта підйомної сили крила Cy та коефіцієнта опору Сх, а при h/b Мал. 2. Зміна навантаження на лопату ЧПВ протягом одного обороту
Зміна режиму обтікання лопатей призводить до неврівноваженого характеру зусиль та вібраційних навантажень, що діють на лопаті ЧПВ (рис. 2). Крім того, при кожному ударі лопаті про воду виникають великі напруги біля вхідної кромки. При роботі гвинта в умовах часткового занурення відбувається зміщення лінії дії упору в горизонтальній та вертикальній площинах щодо осі гребінцявалу, виникає зусилля, перпендикулярне до осі гребного валу.
Зі сказаного ясно, що для розрахунку ЧПВ не можуть бути використані звичайні методи, що застосовуються при розрахунку гребних гвинтів, що працюють в умовах повного занурення.
У ЛІВТі були виконані випробування серії моделей ЧПВ, розробленої для суден на підводних крилах і катерів, що гліссують, з малою осадкою. Однією із завдань дослідження було визначення впливу числа Фруда
на гідродинамічні характеристики ЧПВ залежно від їхнього відносного занурення Т/D (де Т — глибина занурення нижньої кромки гвинта). Варіювалися крокові та дискові відносини, кількість лопатей та відносне занурення ЧПВ.
Аналіз отриманих кривих показує, що максимумам коефіцієнтів упору та моменту гвинтів відповідають значення критичної відносної поступи
де λ1 - хода нульового упору.
Зі зростанням числа Фруда максимум коефіцієнта упору трохи зміщується у область високих поступів. Число Фруда мало впливає на значення відносної ходи, що відповідає максимальному значенню к. п. д. Наближено за даними експериментів це значення ходу визначається як
На зміну характеристик ЧПВ істотно впливають (особливо зі збільшенням числа Fr) втрати на інтенсивне хвилеутворення, а також засмоктування атмосферного повітря безпосередньо в зону відриву потоку від лопаті при вході її у воду і вихрових шнурів, що збігають з кінців лопатей.
Для кількісної оцінки впливу занурення на характеристики ЧПВ величини його коефіцієнта упору К'1 та відносного зменшення к. п. д. були представлені в залежності від коефіцієнта упору гвинта глибоко зануреного K1. На основі отриманих експериментальних даних розроблено розрахункову схему для виборуелементів частково зануреного гвинта, наведена в гол. X «Довідника з теорії корабля. Суднові рушії та керованість» (Я. І. Войткунський, Р. Я. Першиць, І. А. Титов. Л., «Суднобудування», 1973).
Випробовані в ЛІВТ моделі гвинтів мали сегментне профільування перерізів і шаблеподібну форму контуру лопаті. Оскільки на високошвидкісних катерах зазвичай застосовують суперкавітуючі гребні гвинти з клиноподібною формою перерізів лопаті, що істотно впливає на всі їх характеристики, практичний інтерес вивчення роботи таких гвинтів в умовах їх часткового занурення.
У США були проведені дослідження характеристик невеликої серії моделей суперкавітуючих гвинтів при їх різному зануренні. Дво- та трилопатеві гвинти серії мали різні значення дискового відношення A/Ad≈(0,304÷0,565), крокового відношення H/D0,7>=(1,319÷1,628) та розподілу кроку по радіусу лопатей. Кривизна середньої лінії профілю лопаті була однаковою. Поряд із вимірами упору та моменту визначалися вертикальне та горизонтальне зміщення лінії дії сили упору (так званий ексцентриситет) та радіальне зусилля на валу.
З діаграми кривих дії моделі № 3767 (рис. 3) видно, як і у ЧПВ із звичайним профільуванням лопатей, наявність максимуму упору та моменту при деякому значенні відносної ходи.
Порівняння характеристик гвинта при частковому і повному зануренні було зроблено перерахунком експериментальних даних з використанням коефіцієнта навантаження по упору С'р, що визначається фактично зануреної площі диска гвинта A'd.
Характеристики моделі № 4002 у вигляді залежностей к. п. д. та відносної ходи при різних відносних зануреннях від коефіцієнта навантаження С'р (рис. 4) показують, що значення максимуму Цр для ЧПВ та ППВпорівняні, проте область значень С'р, у якій ЧПВ працює ефективно, значно вже, ніж для ППВ.
Для суперкавітуючого ЧПВ, як і для крила з клиноподібною формою перерізів, що рухається поблизу вільної поверхні, характерна наявність двох основних режимів обтікання перерізів лопаті.
Режим вентиляції біля основи профілю спостерігається при малих кутах атаки і характеризується тим, що вентиляція профілю відбувається в області тупої кромки, а вентильована область простягається далеко за лопатою гвинта. При цьому режимі обтікання на перерізах лопаті виникає досить велика підйомна сила, лопаті мають високу гідродинамічну якість.
При меншій величині відносного ходу обтікання елемента лопаті відбувається в режимі повної вентиляції. Область вентиляції виникає у тонкої вхідної кромки профілю перерізу, тому вся поверхня, що засмоктує, його виявляється повністю вентильованою атмосферним повітрям. У цьому режимі спостерігається зменшення підйомної сили перерізу лопаті і зниження якості.
Як показали випробування моделі № 3768 (Z=3; H/D0,7=1,180; А/Аd=0,506), перший із зазначених режимів спостерігається при λ=0,75, а другий — при λ=0,35. Між цими двома основними режимами може існувати ще й режим часткової вентиляції, при якому кавітаційна порожнина на стороні профілю, що засмоктує, за розмірами не перевищує довжини хорди; при цьому сили і моменти носять характер, що не встановився.
На рис. 5 показаний характер обтікання лопатей моделі ЧПВ при різних режимах вентиляції. У процесі цих випробувань змінювалися ступінь і завантаженості гвинта (за рахунок виміру X) і відносне занурення його осі.
Як бачимо на рис. 5, а, у слабо навантаженого гвинта має місце часткова вентиляція черезкінцеві вихори, що збігають з лопатей; при цьому можливе виникнення часткової кавітації на лопатях. Зі збільшенням навантаження (зменшенням 7.) ступінь вентиляції зануреної у воду частини лопатей зростає (рис. 5,6), бризкоутворення поступово зміщується вперед, вібраційні навантаження зменшуються. На рис. 5, показано виникнення на лопатях поряд з вентиляцією і повністю розвиненої кавітації.
Режим обтікання лопатей ЧПВ впливає також і характер зміщення лінії дії сили упору гвинта. Як показали експерименти, для гвинта правого обертання в режимі вентиляції лопаті в основі профілю ексцентриситет сили упору в горизонтальній площині становить близько 5% D на правий борт, а в режимі повної вентиляції - величину того ж порядку, але на лівий борт. Ексцентриситет у вертикальній площині залежить від занурення гвинта: кеніпі занурення відповідає велика його величина.
Додаткове поперечне зусилля, що виникає під час роботи ЧПВ, в режимі вентиляції лопаті біля основи значно більше, ніж у режимі повної вентиляції, і при відносному зануренні гвинта T/D=0,5 може досягати 40% упору. Цю обставину необхідно враховувати під час проектування системи передачі потужності.
Спостереження за характером обтікання ЧПВ показали, що бризкоутворення, що призводить до втрат потужності, у результаті знижується к. п. д., особливо інтенсивно в режимі вентиляції лопатей біля основи.
Як показали експерименти, зниження значних вібраційних навантажень, що виникають під час роботи ЧПВ, доцільно, навіть у збитки к. п. буд. гвинта, збільшувати кількість його лопатей. Оптимальними, тобто мають досить високий к. п. д. і в той же час значно менше схильні до вібрації, є п'яти- і шестилопатеві ЧПВ.
УСША спроектовані та виготовлені два суперкавітуючі шестилопатеві ЧПВ регульованого кроку діаметром 1,07 м (рис. 6) для катера на повітряній подушці «SES-100В» водотоннажністю близько 100 т. На два гвинти працюють три газові турбіни потужністю по 4500 л. с. На ходових випробуваннях було досягнуто швидкість 70 уз при числі обертів гвинтів 2600 за хвилину.
На СВП скегового типу необхідно враховувати специфічні особливості роботи рушіїв, обумовлені наявністю різко вираженого горба опору при виході на повітряну подушку. Двигун повинен забезпечувати подолання цього «горба», оскільки інакше розгін СВП до розрахункової швидкості виявиться неможливим. Таким чином, гребний гвинт СВП повинен працювати з можливо вищим к. п. д. у широкому діапазоні швидкостей ходу, для чого необхідна зміна відносного занурення також у широкому діапазоні (у межах 30-40% розрахункового). Це завдання може вирішуватися різними конструктивними заходами — створенням ЧПВ із регульованою глибиною занурення або застосуванням скег із змінною геометрією. На «SES-100В» для передачі потужності від двигунів до рушіїв використані кутові колонки, розміщені за транцем скег зі змінною геометрією.