Расчет и построение частной паспортной диаграммы судна с винтом регулируемого шага при постоянной частоте вращения гребного винта

Для построения паспортной диаграммы судна с ВРШ, работающего при переменой частоте вращения винта, в общем случае потребуется значительное количество показателей (N_e, H/D, n, v), характеризующих согласование между собой режимы работы ГД и ВРШ. Для этой цели обычно используют универсальную ходовую характеристику судна — зависимость мощности ГД N_e от скорости судна v при различных частотах вращения винта п и его шагового отношения H/D выполненную для определенных условий плавания судна.

Построение такой универсальной ходовой характеристики может быть сделано на основании значительного количества испытаний для получения значений N_e, H/D, n, v в различных условиях работы судна. Трудоемкость выполнения таких испытаний весьма высока и не всегда имеются условия для их проведения.

Для транспортных морских судов в силу специфики их работы можно ограничиться рассмотрением совместного управления ГД и ВРШ при постоянной частоте вращения винта. Это намного упрощает задачу построения паспортной диаграммы судна. В таком варианте работы ГД с ВРШ при n=const назначение режима пропульсивной установки осуществляется путем изменения шагового отношения H/D, т.е. разворотом лопастей винта. Для эксплуатационных условий работы транспортного судна в этом случае можно с достаточной точностью принять зависимость изменения скорости движения судна v прямо пропорциональной величине шага винта Н или шаговому отношению H/D, т.е. v/Н= const.

Практика и данные испытаний установок с ВРШ подтверждают справедливость такого допущения в диапазоне эксплуатационных скоростей движения судна.

3.2.1. Для расчета необходимых величин для построения паспортной диаграммы судна с ВРШ исходными данными служат:

номинальная частота вращения n_сн, с^-1;

удельный расход топлива В_е, кг/кВт·ч;

эффективный КПД η_е..

3.2.2. Расчет паспортной диаграммы следует начинать с определения относительной поступи гребного винта λ_Р, взяв за базовый известный режим работы судна в грузу, при этом из паспортных данных судна берем:

v_Г — скорость судна в грузу, узл;

п — частота вращения ГВ на номинальном режиме работы ГД, с^-1. Относительную поступь ГВ определяем по формуле:

где ω — коэффициент попутного потока определяется из выражений:

■ ω = 0,5 δ - 0,05 — для одновинтовых судов;

■ ω = 0,55 δ — 0,20 — для двухвинтовых судов,

Здесь δ — коэффициент полноты корпуса судна.

3.2.3 Затем задаемся несколькими значениями λ_Р, при этом одно значение λ_Р берем больше определенного λ_РР для расчетного режима, а два - три значения λ_Р меньше его с учетом того, чтобы охватить весь возможный диапазон режимов работы пропульсивного комплекса. Ориентировочно можно рекомендовать диапазон изменения λ_Р от 0,75 до 1,15 от расчетного значения λ_РР.

3.2.4.Далее задаемся рядом значений (не менее четырех) шагового отношения H/D меньше величины расчетного шагового отношения H/D < (H/D)_Р, с учетом охвата всего поля возможных нагрузочных режимов работы ГД. Ориентировочно можно рекомендовать задаваться величинами H/D в пределах 0,7...1,0 расчетного шагового отношения (H/D)_Р.

3.2.5. Для всех выбранных значений относительной поступи λ_Р и шагового отношения винта H/D, учитывая соотношение v/H = const при n=const, рассчитываем скорость судна v в узлах по формуле:

где постоянную с₁ находим из выражения для известной из паспортных данных скорости судна в грузу

Здесь индексы «р» у всех величин соответствует расчетному режиму при движении судна в грузу.

3.2.6. Выполняем расчет мощности ГД по закону винтовой характеристики при движении судна в грузу (расчетная номинальная винтовая характеристика), используя кубическую зависимость изменения мощности от скорости движения судна N_e = c₂ v³, где постоянную с₂ определяем из известных судовых паспортных данных N_ен = с₂υ_Г³, откуда с_г = N_ен / υ_Г³.

3.2.7. Для выполнения дальнейших расчетов, необходимых при построении паспортной диаграммы пропульсивной установки, находим по кривым действия гребного винта (по Z и θ) безразмерное коэффициенты момента k₂ для всех принятых значений относительной поступи λ_Р и шагового отношения H/D.

Производим расчет определения мощности ГД N_е для всех принятых значений λ_Р и H/D по формуле, взятой из теории гребных винтов:

Схема вышеприведенных расчетов N_e сведена в табл. 3.1.

3.2.8.По результатам расчетов строим графики изменения эффективной мощности ГД в зависимости от скорости движения судна v и шагового отношения винта H/D при постоянных λ_Р (винтовые характеристики) и постоянных H/D (нагрузочные характеристики).

3.2.9.Для проведения расчетов и построения ходовой характеристики судна, показывающей зависимость изменения полезной тяги винта Р_е от скорости судна v и величины шагового отношения винта H/D, находим по кривым действия ГВ (по Z и θ) безразмерные коэффициенты упора k₁ для всех принятых значений относительной поступи λ_Р и шагового отношения H/D.

3.2.10.Производим расчет определения полезной тяги винта Р_е для всех принятых значений λ_Р и H/D по формуле, взятой из теории движителей,

Р_е =k₁ρn²D⁴(1-t)·10^-3 кH,

где k₁ — безразмерный коэффициент упора ГВ;

t— коэффициент засасывания, который можно определить по следующему выражению:

t = 0,60 (1 + 0,67 ω) ω — для одновинтовых судов,

t = 0,80 (1 + 0,25 ω) ω — для двухвинтовых.

Здесь ω — коэффициент попутного потока.

При постоянных величинах частоты вращения ГВ и коэффициента засасывания (n = const, t = const) в формуле для определения Р_е можно выделить постоянную с₄ = ρn²D⁴(1-t), тогда Р_е = с₄ k₁.

Схема расчета Р_е приведена в табл. 3.1.

Таблица 3.1. – Расчет паспортной диаграммы судна с ВРШ

3.2.11. По результатам расчетов строим ходовую характеристику судна, т.е. зависимость изменения Р_е от скорости хода судна и шагового отношения Н/D в координатных осях «Р_е — υ» [3].

3.2.12. Для определения максимально достижимой полезной тяги Р_е при различных скоростях движения судна, когда ГД может работать с постоянными величинами номинальной мощности (N_eн=const) и частоты вращения (n=const), но с переменном шаговым отношением (H/D=var) находим по кривым действия винта значения безразмерных коэффициентов упора k₁ из условия, что при постоянной мощности ГД соответствует постоянный безразмерный коэффициент момента k₂, т.к. N_е = 2πk₂ ρn³ D⁵ = const, то и k₂=const (см. рис. 3.1).

3.2.13. Определяем значения полезной тяги Р_е по формуле P_e=c₄k₁ для выше найденных величин k₁ и строим зависимость изменения достижимой величины Р_е в области режимов работы пропульсивной установки от расчетного (υ = υ_Г) до швартовного (υ = 0). При скоростях v > v_Г (малые осадки, ход в балласте) предельно достижимой тягой можно считать ее равной при работе ВРШ с расчетным шаговым отношением (H/D)_Р = const.

Рис. 3.1. Определение k₁ при k₂ = const