Шляхи зменшення опору руху суден

Одна з найбільших витрат при експлуатації суден – витрати на горюче – мастильні матеріали. Тому всілякі дії, направлені на зменшення опору руху суден, були, є і завжди будуть актуальними.

Існує безліч методів зменшення опору руху суден. Одні реальні - інші на даний час фантастичні.

Методи зменшення опору руху суден поділяються на методи зменшення

в’язкістного опору (тертя і форми) і хвильового.

Відомі наступні методи зменшення опору тертя. Реальні – періодичні докування суден з очищенням підводної частини від балянусу і пофарбуванням. На даний час фантастичні – часткова заміна турбулентного руху води в приграничному шарі ламінарним за рахунок зміни фізичних властивостей води на поверхні корпусу введенням поверхнево-активних речовин., підігрівом поверхневого шару або введенням в нього повітря. Гасіння в приграничному шарі турбулентності також можливе покриттям поверхні корпусу пружним, легко деформованим матеріалом.

Зменшення опору форми можливо за рахунок покращення обводів кормової кінцівки корпусу і використання носових бульбів

Ефективним способом зменшення хвильового опору, окрім використання носових бульбів, є побудова напівзанурених суден з малою площею ватерлінії . Такі судна вже побудовані в багатьох країнах світу.В останні роки ведуться роботи по використанню в якості додаткових рушіїв повітряних зміїв SKY SAILS. При цьому зменшуються затрати на паливо, але збільшуються затрати на утримання додаткового екіпажу.

Рушії

Рушій –це пристрій, що долає опір руху судна.

Першими рушіями були і зостаються до цього часу вітрило і весло. Перше перетворює енергію вітру в роботу, що долає опір руху судна. Друге – енергію м’язів людини. З появою парових машин з’явилося гребне колесо, яке зараз майже повністю витіснене гребним гвинтом.

Зараз гребний гвинт –рушій переважної більшості суден. Ще на деяких спортивних суднах використовуються водомети.Як гребний гвинт, так і водомет. відкидають від судна маси води і тим створюють силу, яка штовхає судно. Гребні гвинти діляться на гвинти фіксованого і гвинти регульованого кроку.Перші – це деталі, другі – механізми судна. Типовий гребний гвинт фіксованого кроку показаний на рисунку 6.

Рисунок … - Гребний гвинт фіксованого кроку (ВФШ) і схема створення упорного тиску елементарної площадки лопасті гвинта

Рисунок Гребний гвинт регульованого кроку (ВРШ) з поворотно шатунним механізмом зміни кроку

1 – лопасті гвинта, 2 – ступиця, 3 – гребний вал. 4 – повзун зі штангою, 5 – палець шатуна. 6 – підшипник кореневого кінця лопасті, 7 – обтічник.

Основні складові гребного гвинта – ступиця і приєднані до неї лопасті.

Лопасті гребного гвинта – це профільовані крила, які здійснюють одночасно обертальний і поступальний рухи вздовж осі обертання.

Діаметр гвинта (D) – це діаметр кола, що умовно проходить через кінці лопатей. Диск гвинта –це круг діаметром, рівним діаметру гвинта D з центром на осі гвинта. Площа диска гвинта

.

Відношення площі всіх лопатей до площі диска гвинта

,

де z – число лопастей гвинта,

А – площа поверхні лопасті,

називається дисковим відношенням.

Дискові відношеннягребних гвинтів транспортних суден мають значення від 0,35 до 0,80.

Місце примикання лопасті до ступиці називається коренем лопасті.

Гвинти бувають правого і лівого обертання. Якщо, дивлячись в корму судна, що віддаляється, бачимо, що гвинт обертається по годинниковій стрільці – це гвинт правого обертання. Якщо в протилежному напрямку – лівого.

Бокова кромка лопасті, повернута в сторону обертання гвинта, називається вхідною, протилежна – вихідною. Поверхня лопасті, на яку діє при передньому ході реакція води, що відкидається, називається нагнітаючою поверхнею .Протилежна поверхня, що повернена в сторону корпусу судна, - засмоктуючою.Перетин лопасті циліндром, вісь якого співпадає з віссю гвинта, дає профіль лопасті.Для гребних гвинтів застосовуються сегментні і авіаційні профілі.

Поверхні лопатей гребних гвинтів – це гвинтові поверхні. Крок гвинта (Н) –це відстань по осі, на яку переміщається гвинт за один оберт при русі в твердому середовищі (нерухомій гайці).

Гребний гвинт характеризується не кроком, а відношенням кроку до діаметра гвинта. Відношення називається кроковим відношенням.

В воді гвинт, відкидаючи воду, проходить відстань h_p менше кроку Н. Відстань h_p називається лінійною ходою гвинта.

де v_p – швидкість судна в м/с,

n – число обертів гвинта за секунду.

Відносна хода гвинта (в долях діаметра гвинта)

де D – діаметр гвинта.

Гребний гвинт працює в потоці води, збаламученої корпусом судна. Це впливає як на роботу гвинта, так і на сили, що діють на корпус судна. Корпус судна при русі захоплює за собою маси води і створює потік, направлений в сторону руху судна. Цей потік називається попутним потоком.

Швидкість попутного потоку оцінюють в долях швидкості судна. Відношення де u – середнє значення швидкості попутного потоку по диску гвинта, називається коефіцієнтом попутного потоку. Для одно гвинтових суден коефіцієнт попутного потоку

w 0,50 – 0,05,

де – коефіцієнт загальної повноти судна.

З іншого боку, працюючий за кормою гребний гвинт підсмоктує до себе маси води, внаслідок цього кормова кінцівка судна обтікається водою з більшою швидкістю, ніж в випадку, коли судно просто б буксирували. Тиск при цьому в кормі на підводну поверхню зменшується і з’являється додаткова сила Т , направлена проти руху судна. Ця сила називається силою засмоктування.Відношення , де Р упор гвинта, називається коефіцієнтом засмоктування. Коефіцієнт засмоктування залежить від форми корпусу і приблизно оцінюється в долях попутного потоку.

t ≈ (0,5 – 0,7) w.

Відношення потужності, необхідної для буксирування судна, до потужності, що підводиться до гребного гвинта ,

,

де R – упор гвинта,

v – швидкість судна,

N _p – потужність, що підводиться до гребного гвинта,

називається пропульсивним коефіцієнтом.

Пропульсивний коефіцієнт для одногвинтових суден η ≈ 0,4 – 0,8.

Гребний гвинт, головний двигун і корпус судна зв’язані між собою як кінематично, такі динамічно.

Зв'язок між двигуном і гвинтом полягає в наступному:

кінематичний зв'язок– частота обертання гребного гвинта дорівнює (або кратна) частоті обертання колінчатого валу головного двигуна

n_гв = n_дв;

динамічний зв'язок – момент, що крутить гребний гвинт, дорівнює (або кратний) моменту на вихідному фланці колінчатого валу з урахуванням коефіцієнта корисної дії валопроводу

М_гг = η_гв М_гд .

При сталому русі судна всі залежності виконуються. Але якщо одна із величин змінюється, то автоматично змінюються і всі інші величини. Наприклад, змінюється число обертів колінчатого вала – змінюється момент на валу,змінюється швидкість судна.

Дуже важливо, щоб гребний гвинт по своїм гідродинамічним характеристикам відповідав головному двигуну. Якщо при певних числах обертів гребний гвинт не вибирає повну потужність головного двигуна то такий гребний гвинт називають гідродинамічно легким гвинтом.Якщо навпаки, головний двигун перевантажений, то гребний гвинт гідродинамічно важкий.І потрібно зменшувати число обертів.

Гребні гвинти регульованого кроку (ВРШ) дозволяють змінювати упор гвинта і його напрям (відповідно швидкість і напрям руху судна ) при незмінному числі обертів. ВРШ – це складні механізми, набагато дорожчі від звичайних гвинтів фіксованого кроку. Окрім великої вартості ВРШ менш надійні,маса їх більша, експлуатація і ремонт їх більш дорогі і коефіцієнт корисної дії менший. Тому їх ставлять тільки на судна, в яких при експлуатації значно змінюється опір руху (буксири, риболовні траулери) або необхідно часто змінювати швидкість при проході в вузькостях, портах при швартовці і т.п.

Останні часом на відносно невеликі судна в якості рушіїв ставлять гвинто – рульові колонки типу AZIPOD , вперше розроблені в Фінляндії на заводі Вяртсіла. Вони можуть повертатися на 360º. Гвинт насаджений на вал електродвигуна, який розміщений в водонепроникній гондолі.

Рисунок … Рушій типу «Азіпод»