Эксплуатационные качества гребных винтов, работающих в неравномерном потоке при свободно-поворотном креплении лопастей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Швец, Василий Николаевич

• Швец, Василий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Швец, Василий Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Периодические усилия от работы гребных винтов в неравномерном набегающем потоке

1.2. Характеристики и конструкции винтов ВФШ и ВРШ

1.3. Конструкции винтов изменяемого шага

1.3.1. Винты ВИШ со "свободным " и упругим креплением лопастей

1.3.2. Винт ВИШ с принудительным управлением лопастями

1.3.3. Конструкция вертолётных несущих винтов (НВ)

1.4. Методы практических расчётов гидродинамики винта

1.5. Расчёты прочности гребных винтов

1.6. Условные обозначения, системы координат и геометрия лопасти

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, ОПИСЫВАЮЩЕЙ ДВИЖЕНИЕ ГРЕБНОГО ВИНТА СО СВОБОДНО-ПОВОРОТНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ЛОПАСТЕЙ, КАК МЕХАНИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ В НЕРАВНОМЕРНОМ ПОТОКЕ ЗА КОРПУСОМ СУДНА

2.1. Конструктивные особенности изучаемого гребного винта

2.2. Составление дифференциальных уравнений движения в обобщенных координатах

2.2.1. Уравнения Лагранжа второго рода

2.2.2. Вычисление кинетической энергии механической системы

2.2.3. Определение потенциальной энергии

2.2.4. Вычисление функций Лагранжа и её производных

2.2.5. Нахождение обобщённых сил, действующих на механическую систему

2.3. Моделирование неравномерного поля скоростей потока воды за корпусом судна

ГЛАВА III. МЕТОДИКА ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ И ПОВЕРОЧНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА НА ЭВМ ГРЕБНОГО ВИНТА

СО СВОБОДНО-ПОВОРОТНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ЛОПАСТЕЙ

3.1. Анализ колебательных движений свободно-поворотной пары лопастей

3.2. Выбор контура лопасти для гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей

3.3. Задание профилей сечений лопасти

3.4. Приближенные формулы для функций распределения толщины профиля гребного винта

3.5. Расчёт координат центра масс, моментов инерции и других интегральных характеристик лопасти

3.6. Порядок расчёта по вихревой теории гидродинамических сил и моментов, действующих на лопасть винта

3.7. Оценка прочности деталей, входящих в исследуемый гребной винт

3.7.1. Определение размеров вала лопастей

3.7.2. Расчет прочности лопастей гребного винта

ГЛАВА IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ УСИЛИЙ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ НА ВАЛ ГРЕБНОГО ВИНТА СО СВОБОДНО-ПОВОРОТНЫМ И ФИКСИРОВАННЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ЛОПАСТЕЙ ПРИ РАБОТЕ В НЕРАВНОМЕРНОМ ПОТОКЕ

4.1. Варианты исходных данных

4.2. Назначение расчётного режима движения судна

4.3. Анализ расчётной модели и основных допущений

4.4. Основные результаты численных экспериментов по определению периодических усилий, передаваемых на гребной вал винта со свободно-поворотным и фиксированным креплением лопастей при работе в неравномерном потоке

ГЛАВА V. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРЕБНОГО ВИНТА СО СВОБОДНО-ПОВОРОТНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ЛОПАСТЕЙ И ГИБКОЙ СВЯЗЬЮ

5.1 Подбор жесткости упругого элемента для получения оптимальных шаговых углов гребного винта

5.2. Расчет кривых действия для гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей и упругим элементом

5.3. Построение ходовых характеристик судового комплекса с гребным винтом со свободно-поворотным креплением лопастей и упругим элементом в виде пружины и комплекса с винтом фиксированного шага

ГЛАВА VI. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ГРЕБНОГО ВИНТА СО СВОБОДНО ПОВОРОТНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ЛОПАСТЕЙ

6.1. Разработка модели гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей и экспериментальной установки для её испытаний в воздушной среде

6.2. Результаты исследований модели гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей

6.3. Разработка экспериментального образца-модели гребного винта регулируемого шага со свободно-поворотным креплением лопастей и испытание его при реверсе направления вращения

ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эксплуатационные качества гребных винтов, работающих в неравномерном потоке при свободно-поворотном креплении лопастей»

Актуальность темы

В реальных условиях гребной винт работает за корпусом судна в неравномерном набегающем потоке. Каждой точке диска гребного винта соответствует своя скорость набегающего потока. При этом на каждой фазе вращения гребного вала изменяются углы атаки и гидродинамические характеристики лопасти. Наблюдается отклонение шаговых углов от оптимальных, возникают периодические усилия, передающиеся на корпус судна, появляется вибрация и акустическое излучение (шум), снижается КПД винта.

Управление шаговыми углами лопастей с учетом фактической скорости судна, частоты вращения гребного вала и неравномерности потока даёт возможность улучшать эксплуатационные качества гребных винтов. Известны винты, позволяющие регулировать шаг лопастей (ВРШ) и винты с изменяемым за один оборот шагом каждой лопасти (ВИШ), улучшающие кавитационные, гидроакустические и пропульсивые характеристики. Вместе с тем при использовании этих винтов возникает ряд проблем. Они связаны со сложностью конструкции, большим весом и стоимостью, трудностью размещения механизма поворота в ступице при малых диаметрах винтов.

На режиме заднего хода обтекание лопастей винтов фиксированного шага (ВФШ) ухудшается из-за того, что задняя кромка движется в сторону набегающего потока и наблюдается смена рабочей функции засасывающей и нагнетающей поверхностей.

Обычно лишь выбор конструкции гребного винта с учетом характеристик корпуса и параметров судового двигателя позволяет существенно улучшить его эксплуатационные качества. Поиск конструкции, приспособленной к условиям работы в неравномерном потоке на разных режимах, продолжает оставаться одним из важных и актуальных направлений исследований.

Объектом исследования является гребной винт со свободно-поворотным креплением лопастей и его эксплуатационные качества при работе в неравномерном потоке, а также эксплуатационные характеристики этого винта в комплексе с двигателем и корпусом. Противоположные лопасти винта крепятся к свободно-поворотному валу лопастей, расположенному в ступице перпендикулярно гребному валу. Вал лопастей обеспечивает жёсткую или гибкую (при другом конструктивном исполнении) связь между парой лопастей. Жесткий вал сохраняет неизменным положение лопастей в паре между собой. А гибкий вал допускает упругое кручение, что позволяет изменять шаг гребного винта. Во время работы винта такое крепление даёт возможность шаговым углам лопастей изменяться на любой фазе вращения с учётом и под влиянием неравномерного поля скоростей перед движителем. Другими словами, противоположные лопасти поворачиваются за счет общего разворота пары и за счет гибкой связи между лопастями так, чтобы уменьшить различие в углах атаки лопастей в неравномерном потоке. На режимах заднего хода передние кромки лопастей разворачиваются в сторону набегающего потока.

Такая конструкция обеспечивает более высокие значения коэффициента полезного действия гребного винта. Она позволяет уменьшать периодические нагрузки, вибрацию, шум, а также износ валопровода.

Цель диссертационной работы состоит в формировании теоретических и физических представлений о работе гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей в неравномерном потоке воды за корпусом судна и разработке конструкции на их основе.

Для этого были поставлены следующие задачи:

- разработать математическую модель взаимодействия механических и гидродинамических сил, действующих на гребной винт,

- на основе математической модели сформулировать требования к выбору геометрических характеристик,

- создать алгоритм и программу, позволяющие рассчитывать периодические усилия, передаваемые на вал гребного винта,

- расчитать эксплуатационные характеристики комплекса гребной винт-двигатель-корпус,

- создать аппаратуру и разработать методику для регистрации динамических изменений шаговых углов винта в неравномерном поле скоростей воздушной среды,

- разработать конструкцию и изготовить экспериментальный образец-модель гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей для воды.

Методы исследования.

В теоретической части работы при проведении исследований использовалось описание движения механической системы, состоящей из ступицы гребного винта и двух пар свободно-поворотных лопастей, дифференциальными уравнениями Лагранжа второго рода в обобщенных координатах.

Расчет гидродинамических сил, кривых действия, паспортных диаграмм, других характеристик гребного винта выполнялся с использованием вихревой теории на ЭВМ.

Экспериментальная часть работы выполнена с моделью гребного винта на специально разработанной для этого установке. Испытания модели выполнены в воздушной среде, а экспериментального образца-модели - в воде. Опыт по развороту передних кромок в сторону набегающего потока при реверсе направления вращения проведен на модели и экспериментальном образце. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием компьютерных методов обработки и анализа полученных данных.

Научная новизна. Создан алгоритм и программа на ЭВМ для расчёта кривых действия исследуемого гребного винта и ходовых характеристик комплекса исследуемый винт-двигатель-корпус.

Практическая ценность заключается в разработке конструкции и основных вопросов проектирования гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей для работы в неравномерном потоке. Для изучаемого гребного винта получены и экспериментально подтверждены конструктивные решения, позволяющие обеспечить регулирование шаговых углов лопастей так, чтобы углы атаки стремились к оптимальным на любой фазе вращения гребного вала в неравномерном потоке за корпусом судна. Показана возможность самостоятельного разворота лопастей на 180° при реверсе вращения гребного вала. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель гребного винта, которая включает систему дифференциальных уравнений и отражает особенности работы гребного винта, состоящего из ступицы и двух пар лопастей со свободно-поворотным креплением, в условиях неравномерного поля скоростей за корпусом судна.

2. Решены основные вопросы проектирования исследуемой конструкции и определены периодические усилия, передаваемые на вал гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей при работе в неравномерном потоке. Расчетами показано уменьшение периодических нагрузок по сравнению с винтом фиксированного шага.

3. Создан алгоритм и программа, которые позволяют рассчитывать основные эксплуатационные характеристики комплекса гребной винт-двигатель-корпус судна. Получены кривые действия и ходовые характеристики комплекса, имеющего гребной винт со свободно-поворотным креплением лопастей.

4. Разработана методика и создана аппаратура для регистрации динамических изменений шаговых углов винта со свободно-поворотной парой лопастей, которые испытаны при работе в воздушной среде и позволяют определять изменения шаговых углов в зависимости от фазы положения лопастей. Экспериментально показана зависимость шаговых углов лопастей от неравномерности потока.

5. С целью повышения эксплуатационных качеств гребного винта разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец-модель, в котором выполнено свободно-поворотное крепление лопастей, что обеспечивает способность лопастей самонастраиваться по шаговым углам, уменьшать периодические нагрузки на вал, изменять положение лопастей при реверсе таким образом, чтобы их передние кромки разворачивались в сторону набегающего потока.

Материалы диссертационной работы распределены по главам следующим образом.

В первой главе изложен обзор публикаций по опыту эксплуатации, конструкциям, теории и методам расчета судовых гребных винтов. Даны описания особенностей эксплуатации известных конструкций (ВФШ, ВРШ, ВИШ). Приведены системы координат и условные обозначения, принятые для описания и проектирования гребных винтов. Рассмотрены практические методы расчета, сделаны выводы о необходимости и направлении дальнейших исследований.

Во второй главе приводится схема и устройство, исследуемого гребного винта, особенностью которого является наличие свободно-поворотных пар лопастей, связанных между собой валом лопастей и работающих в неравномерном потоке воды. Разработана математическая модель, описывающая движение исследуемого гребного винта, выраженная в виде системы дифференциальных уравнений, полученных из уравнений Лагранжа второго рода. Она позволяет изучить влияние неравномерного потока жидкости и особенностей конструкции на эксплуатационные качества работающего гребного винта.

В третьей главе гребной винт изучается как механическая колебательная система. Определена частота свободных колебаний пары лопастей. Показано влияние отдельных геометрических параметров конструкции и эксплуатационных условий на режим работы винта. Изложен порядок расчета по вихревой теории гидродинамических сил и моментов. Выполнена оценка прочности. В конце главы представлена блок-схема программы расчета параметров и характеристик исследуемого винта.

В четвертой главе проводятся сравнительные расчеты периодических усилий, передаваемых на вал гребного винта со свободно-поворотным и фиксированным креплением лопастей, при работе в неравномерном потоке.

Теоретический расчет эксплуатационных характеристик выполняется в пятой главе. Получены кривые действия для гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей с гибкой связью в виде пружины и для винта фиксированно

10 го шага. Построены ходовые характеристики судового комплекса с исследуемым гребным винтом и комплекса с винтом фиксированного шага.

В шестой главе отражены экспериментальные исследования. Изучается модель, состоящая из ступицы, закрепленной на гребном валу, и двух лопастей, жестко связанных между собой валом, который имеет возможность свободно вращаться в ступице. Испытания модели и определение изменений шаговых углов лопастей выполнялись в воздушной среде с помощью установки, созданой автором. По результатам моделирования и экспериментальных исследований создан экспериментальный образец-модель гребного винта для воды со свободно-поворотным креплением лопастей.

Приложение содержит комплект чертежей экспериментального образца-модели гребного винта.

Диссертационная работа выполнена на кафедре "Судостроение и судоремонт" Московской государственной академии водного транспорта.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Швец, Василий Николаевич

выводы

1. Разработана математическая модель гребного винта, которая включает систему дифференциальных уравнений и отражает особенности работы гребного винта, состоящего из ступицы и двух пар лопастей со свободно-поворотным креплением, в условиях неравномерного поля скоростей за корпусом судна.

2. Решены основные вопросы проектирования исследуемой конструкции и определены Периодические усилия, передаваемые на вал гребного винта со свободно-поворотным креплением лопастей при работе в неравномерном потоке. Расчетами показано уменьшение периодических нагрузок по сравнению с винтом фиксированного шага.

3. Создан алгоритм и программа, которые позволяют рассчитывать основные эксплуатационные характеристики комплекса гребной винт-двигатель-корпус судна. Получены кривые действия и ходовые характеристики комплекса, имеющего гребной винт со свободно-поворотным креплением лопастей.

4. Разработана методика и создана аппаратура для регистрации динамических изменений шаговых углов винта со свободно-поворотной парой лопастей, которые испытаны при работе в воздушной среде и позволяют определять изменения шаговых углов в зависимости от фазы положения лопастей. Экспериментально показана зависимость шаговых углов лопастей от неравномерности потока.

5. С целью повышения эксплуатационных качеств гребного винта разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец-модель, в котором выполнено свободно-поворотное крепление лопастей, что обеспечивает способность лопастей самонастраиваться по шаговым углам, уменьшать периодические нагрузки на вал, изменять положение лопастей при реверсе таким образом, чтобы их передние кромки разворачивались в сторону набегающего потока.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Швец, Василий Николаевич, 2000 год

1. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П.

2. Сопротивление материалов. М.: Высш. шк., 1995. - 560 с.

3. Алексеев A.M., Сборовский А.К.

4. Судовые виброгасители. Л,: Судпромгиз, 1962.

5. Амелин B.C., Швец В.Н., Швец Н.В.

6. Амелин B.C., Швец В.Н., Швец Н.В.

7. Возможности улучшения эксплуатационно-экономических показателей гребных винтов со свободно-поворотными лопастями; МГАВТ. М, 1998. -8 е.: ил. - Библиограф.: 3 назв. в конце ст. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ 25.02.98, № 561-В98.

8. Анфимов В.Н., Ваганов Г.И., Павленко В.Г.

9. Судовые тяговые расчёты. М.: Транспорт, 1978. - 216 с.

10. Артюшков Л.С., Ачкинадзе А.Ш., Русецкий A.A.

11. Судовые движители. Л.: Судостроение, 1988.7. Ачкинадзе А.Ш.

12. Проектировочный расчёт некавитирующих и сильнокавитирующих гребных винтов по вихревой теории с учётом нагрузки и радиальной неравномерности потока. Дис. д-ра т.н. СПб., 1993. -473 с.8. Бабаев H.H.

13. Исследование периодических усилий, передаваемых корпусу корабля работающим винтом. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1952, вып. 65.9. БавинВ.Ф.

14. Оценка влияния амортизации ГВ и увеличения его плавучести на уровень низкочастотного излучения на лопастной и кратной ей частотах. Вопросы кораблестроения. Сер. Проектирование кораблей, вып. 56, 1984.

15. Бавин В.Ф., Завадовский Н.Ю., Левковский Ю.Л., Мишкевич В.Г.

16. Гребные винты. Современные методы расчёта. Л.: Судостроение, 1983. -296 с.

17. Бавин В.Ф., Зайков В.И., Павленко В.Г., Сандлер Л.Б.

18. Ходкость и управляемость судов. М.: Транспорт, 1991. - 397 с.

19. Бавин В.Ф., Вашкевич М.А., Миниович И.Я.

20. Гидродинамическое давление, создаваемое гребным винтом, работающим в неоднородном потоке. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1967, вып. 237.-С. 3-14.13. Бавин В.Ф., Тимошин Ю.С.

21. Метод и алгоритм проектировочного расчёта гребного винта на ЭВМ. В сб. Вопросы судостроения, сер. Проектирование судов. 1980, вып. 23. - С. 3 - 13.

22. Бакшт Ю.В., Лофенфельд Е.Г., Русецкий A.A.

23. Гребные винты регулируемого шага. Л.: Судпромгиз, 1961.15