автордың кітабын онлайн тегін оқу Судовые движители
Информация о книге
УДК 629.12.03(075.8)
ББК 39.455.5
А72
Рецензенты:
Друзь Б. И. — д-р техн. наук, профессор, зав. каф. теории и устройства судна МГУ им. адм. Г. И. Невельского;
Емельянов Н. Ф. — канд. техн. наук, профессор каф. управления судном Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета.
Антоненко С. В.
Даются основные сведения о судовых движителях. Приведен краткий исторический обзор развития движителей и науки о них. Рассматриваются судовые гребные винты, методы их моделирования и практического расчета. Приводятся сведения о взаимодействии между винтом, корпусом, рулем, главной энергетической установкой, о кавитации гребных винтов, способах повышения их эффективности. Сообщается о гребных винтах регулируемого шага, водометных и крыльчатых движителях. Рассмотрены элементы вихревой теории гребного винта, испытания ходкости построенного судна. В конце каждой главы даны вопросы для самоконтроля.
Пособие составлено в соответствии с программой курса «Динамика корабля» и охватывает один из важных разделов этой науки. Предназначено для студентов направления «Кораблестроение и океанотехника» и может быть полезно студентам смежных специальностей, а также работающим в области судостроения и судоремонта.
УДК 629.12.03(075.8)
ББК 39.455.5
© Дальневосточнвй государственный технический университет, 2007
© ДВФУ, 2015
© ООО «Проспект», электронная версия книги, 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Мореходные качества судов оказывают чрезвычайно большое влияние на их экономические характеристики, безопасность плавания и т.д. Как известно, изучением мореходных качеств судов занимается наука, которая называется «Теория корабля». Она подразделяется (несколько условно) на две большие части – статику и динамику, которые, в свою очередь, также состоят из нескольких частей каждая. Динамику корабля обычно подразделяют на четыре дисциплины: «Сопротивление движению судов», «Судовые движители», «Качка судов» и «Управляемость судов». В настоящем пособии рассматривается вторая из указанных дисциплин.
Разделы теории корабля «Сопротивление движению судов» и «Судовые движители» занимаются изучением одного и того же мореходного качества – ходкости. Ходкость – это способность судна двигаться по воде с заданной скоростью; при этом подразумевается, что мощность, затраченная на движение, будет минимальной. Ходкость – одно из важных мореходных качеств судна, определяющее его экономические характеристики.
Цель изучения ходкости студентами-кораблестроителями – ознакомление с природой сопротивления движению судов, зависимостью сопротивления от характеристик формы корпуса и скорости движения судна, методами расчета сопротивления, получение представлений о путях его снижения. Эти вопросы освещаются в пособии «Сопротивление движению судов». В настоящем пособии даются сведения о типах судовых движителей, геометрии и принципах работы судовых гребных винтов, методах их расчета по диаграммам, влиянии характеристик винтов на их эффективность, взаимодействии элементов системы «корпус-двигатель-винт-руль».
При изучении динамики корабля студенты выполняют курсовой проект, который, как правило, представляет собой проектировочный расчет гребного винта. Конкретные вопросы, связанные с расчетами сопротивления движению судна и характеристик гребного винта, рассматриваются в соответствующей учебной, справочной и методической литературе (см. список в конце пособия) и здесь будут освещены лишь в той мере, которая необходима при изучении лекционного курса.
Изучение судовых движителей (наряду с сопротивлением воды движению судна) позволяет производить расчеты движителей, обосновывать выбор рациональных с точки зрения ходкости характеристик судна, а также его главной энергетической установки. Для судоремонтников и эксплуатационников представляет интерес влияние условий эксплуатации гребного винта, состояния его лопастей на работу главного двигателя, на экономические характеристики судна. Очевидно, что ходовые качества судна тесно связаны со многими другими, что важно учитывать при проектировании судна.
При изучении судовых движителей применяются теоретические и экспериментальные методы. Они дополняют и уточняют друг друга. Сложность явлений, связанных с работой движителя на судне, требует тесной взаимосвязи теории и опыта, практической проверки результатов проектных расчетов.
Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СУДОВЫХ ДВИЖИТЕЛЯХ
1.1. История развития типов и теорий судовых движителей
Чтобы судно могло двигаться с постоянной скоростью, к нему нужно приложить движущую силу, равную силе сопротивления при этой скорости и противоположно направленную. В отдельных случаях эта сила создается буксированием, но чаще всего – специальными устройствами, которые называются судовыми движителями.
В соответствии со сложившимися традициями термин «судовые движители», как и ряд других подобных, означает как указанные устройства, так и науку (раздел теории корабля), их изучающую.
Судоходство на Земле существует уже несколько тысячелетий, но во времена парусных (и весельных) судов науки о ходкости судов не было. Скорость парусных судов зависела от скорости ветра, для гребных судов также не требовались какие-либо расчеты. Настоятельная необходимость выполнения расчетов ходкости возникла лишь тогда, когда на судах стали применяться механические двигатели (паровые машины).
Видимо, первыми движителями, которые использовались на плотах и подобных им простейших плавсредствах, были шест и весло. Суда древности были преимущественно весельными, причем у крупнейших из них весла располагались в три ряда, их общее число достигало 300, длина – 15 м, на одном весле работало до 7 чел. Скорость таких судов была около 5 уз. Пика своего расцвета весельные суда достигли много веков назад. В настоящее время весла используются в качестве основного движителя лишь на спортивных судах, рабочих и спасательных шлюпках и других мелких судах.
Другим древним движителем был парус, иногда в комбинации с веслами. Парусные суда оказались более совершенными, они использовали энергию внешней среды – воздуха, не требуя размещения большого числа гребцов. Первые парусники могли двигаться по ветру, но по мере совершенствования парусного вооружения люди научились, двигаясь галсами, перемещаться в требуемом направлении, независимо от направления ветра. Наивысшего расцвета парусные суда достигли примерно в конце XIX в., их скорость при благоприятном ветре достигала 20 уз. Но появление и развитие механических установок на судах привело к постепенному переходу от парусных судов к пароходам. Парус сохранился на спортивных, учебных судах в качестве основного, на промысловых, некоторых исследовательских и т.п. судах – в качестве вспомогательного движителя.
В последние десятилетия в мировом судостроении наблюдается рост интереса к парусам как основному или, чаще, дополнительному типу движителей. Этот интерес обусловлен двумя главными причинами: возможностью экономии топлива при высоких ценах на него и экологической чистотой. Применение парусного вооружения позволяет значительно уменьшить мощность главного двигателя (дизеля) без существенной потери скорости. Достижения современной науки позволяют механизировать установку и уборку парусов, управление ими с целью получения наивысшей скорости хода в требуемом направлении, снизить массу при достаточной прочности и долговечности. В различных судостроительных странах, а также в России и Украине, выполнены разработки парусного вооружения судов, в том числе большого водоизмещения, однако о широком использовании парусов на транспортном флоте говорить преждевременно.
В глубокой древности, еще до нашей эры, было изобретено гребное колесо, которое приводилось во вращение животными (быками). Но колесные суда были вытеснены парусными. На новом уровне гребные колеса возродились в самом начале XIX в. (на судне «Клермонт» в 1802 г.; в России первым парусным судном считается построенная в 1815 г. «Елизавета»). Первые гребные колеса имели обод и неподвижные лопасти – плицы; КПД колес был сравнительно мал, глубина погружения – в несколько раз меньше диаметра. В 1829 г. было предложено колесо с поворотными плицами, что позволило повысить КПД и уменьшить диаметр колес; повышение оборотов двигателей (паровых машин) ведет к уменьшению их размеров.
Наиболее распространенный, эффективный и сравнительно простой движитель – гребной винт. Идея судового гребного винта в виде шнека, подобно применявшемуся в древности винту Архимеда (для перекачки жидкостей), впервые возникла у Леонардо да Винчи в XV в., но в ту пору она не нашла применения. В 1752 г. винт в виде двухзаходного червяка предложил Д. Бернулли, но КПД такого движителя оказался невелик. Как указывают в литературе, случай помог усовершенствовать конструкцию винта: одно судно, оборудованное деревянным винтом, коснулось им грунта, значительная часть винта отломилась и всплыла, но, к удивлению экипажа судна, оно увеличило ход. С тех пор было предложено множество усовершенствований винтов. Менялись их размеры, формы контура и сечений лопастей и другие характеристики. Некоторые усовершенствования продолжают появляться до сих пор.
В середине XVII в. появились первые водометные движители. Водометный движитель представляет собой систему водопроточных каналов (в частном случае – один канал), расположенных внутри корпуса судна, по которым перемещается забортная вода с помощью специального насоса, чаще всего осевого (винт в трубе). С помощью заслонок поток воды направляется в те или иные каналы (в случае одного канала изменяется направление движения струи, выходящей из канала в корме), что позволяет изменять направление движения судна.
К характерным особенностям водометных движителей можно отнести хорошую защищенность рабочего органа (расположенного в канале внутри корпуса; входное отверстие канала снабжено решеткой, которая препятствует попаданию крупных предметов в канал) и прекрасные маневренные качества (возможность двигаться передним и задним ходом, разворачиваться почти на месте благодаря соответствующей установке заслонок). Но эти движители отличаются большой массой (в которую входит система водопроточных каналов с водой внутри корпуса), занимают большой объем, затрудняя размещение полезного груза, обладают сравнительно невысоким КПД. Строго говоря, КПД водометного движителя – понятие достаточно условное, поскольку упор такого движителя создается на корпусе и не всегда удается точно разделить силы сопротивления и упора. Грубо ориентировочно, КПД обычного водометного движителя может составлять примерно 30%.
Долгое время водометные движители мало применялись на судах. Считалось, что область их применения ограничивается сравнительно тихоходными судами, плавающими на мелководном или засоренном фарватере (например, такие суда использовались на лесосплаве). Но примерно с середины XX в. их популярность стала возрастать. Этому способствовали два обстоятельства. Вопервых, вместо развитой системы водопроточных каналов было предложено устраивать один короткий канал в кормовой оконечности судна, обеспечивая управление судном с помощью заслонок, отклоняющих струю движителя в нужную сторону. Во-вторых, было показано, что КПД водометного движителя на быстроходных судах может достигать 60% и более, тогда как у обычных гребных винтов в этих условиях он может снижаться из-за кавитации.
Сравнительно недавно был предложен своеобразный водометный движитель для подводных лодок, торпед и других плавучих объектов, имеющих кормовую оконечность в форме тела вращения. Этот движитель представляет собой ряд лопастей, вращающихся вместе с кольцом, установленным заподлицо с наружной обшивкой. Снаружи установлено кольцо типа направляющей насадки; от гребного винта в насадке эта конструкция отличается тем, что винт в насадке располагается за пределами корпуса.
Около 1930 г. были предложены крыльчатые движители. Эти движители состоят из барабана, установленного внутри корпуса заподлицо с днищем и имеющего вертикальную или почти вертикальную ось вращения, и нескольких лопастей, расположенных по окружности барабана. При вращении барабана лопасти совершают колебательные движения, в результате чего создается упор, направление которого может быть произвольным, а величина – изменяться от нуля до максимального значения.
Крыльчатый движитель одновременно является прекрасным средством управления. Судно, оборудованное двумя крыльчатыми движителями, расположенными в оконечностях, может двигаться передним или задним ходом, лагом, разворачиваться на месте. Но такой движитель сравнительно сложный и громоздкий, требует наличия протяженного участка плоского днища в районе установки, неудобен подвод мощности к нему, при скоростях свыше 20 уз возникает кавитация. КПД крыльчатого движителя меньше, чем гребного винта.
Новые, иногда довольно экзотические конструкции судовых движителей продолжают появляться до сих пор. Среди наиболее известных можно назвать магнитогидродинамический (МГД) движитель, имеющий канал, окруженный магнитной обмоткой, по которой течет постоянный ток. Как известно из физики, катушка с током выталкивает расположенный внутри нее проводник, каким является морская вода. Реакция отбрасываемой струи движет судно вперед.
Разработкой МГД-движителей занимаются в ряде стран, например в Японии. Наиболее серьезные проблемы связаны со слабой проводимостью морской воды, что требует использования сверхпроводящих обмоток. КПД испытанных моделей МГД-движителей крайне мал, он не достигает 10%. К преимуществам таких движителей можно отнести прямое преобразование электроэнергии в движение (не требуется двигатель), отсутствие движущихся частей, малую шумность.
Прямое преобразование электроэнергии в движение потока воды осуществляется также в электрогидравлическом движителе. Внутри расширяющейся к корме трубы имеется своеобразный отражатель с отверстиями для прохода воды и определенным образом расположенными электродами, между которыми возникают электрические разряды. Вода выталкивается из преобразователя в корму, через отверстия поступает новая, и процесс повторяется, причем движение получается почти непрерывным.
Для подводных лодок был предложен роторный движитель, состоящий из обода, расположенного в плоскости шпангоута в средней части корпуса и имеющего большое количество лопастей. Заметим, что подобный движитель с насадкой выше назван как разновидность водометного движителя. Лопасти имеют возможность поворачиваться (наподобие винта регулируемого шага, но за время одного оборота ротора углы их установки могут изменяться). Такие движители называют движителями с циклической перекладкой лопастей. Роторов на судне должно быть не меньше двух, вращающихся в разные стороны, иначе появляется большой крутящий момент, передаваемый на корпус в виде кренящего. При этом лодка может двигаться с различными скоростями, маневрировать в горизонтальной и вертикальной плоскостях без установки вертикальных и горизонтальных рулей, что уменьшает сопротивление выступающих частей.
Известен также своеобразный способ движения по воде – с помощью одного или нескольких колес, катящихся по воде («суда на колесах»). Колеса делаются гладкими и лишь незначительно погружаются в воду. Такой способ движения в какой-то мере подобен глиссированию, причем, как считают специалисты, он может быть достаточно эффективным с гидродинамической точки зрения.
В начале ХХ в. появились башенные движители («роторы Флеттнера») в виде цилиндрических башен с вертикальной осью вращения, которые приводились во вращение маломощными двигателями, установленными под верхней палубой. Принцип работы ротора Флеттнера основан на эффекте Магнуса, который заключается в появлении подъемной силы на цилиндре, вращающемся в потоке жидкости или газа. Величину этой силы можно рассчитать по формуле Жуковского:
P = ρvГl,
где ρ – плотность среды (воздуха); v – скорость набегающего потока (ветра); Г – циркуляция скорости на контуре профиля (цилиндра), в данном случае равная произведению длины окружности ротора на линейную скорость его поверхности; l – длина (высота ротора).
Упор ротора направлен перпендикулярно скорости ветра. Эти движители эффективнее парусов (мощность двигателя в десятки раз меньше мощности, «извлекаемой из воздуха»), но не могут убираться, чем представляют опасность при сильном ветре.
Известный советский кораблестроитель профессор В.Г. Павленко предложил устанавливать по бортам судна специальные плавники, получившие название «плавники Павленко», которые являются вспомогательным средством движения. При плавании на волнении, когда скорость судна снижается из-за увеличения сопротивления и других причин, плавники, изгибаясь от давления воды, обусловленного бортовой качкой, создают дополнительный упор, увеличивая скорость судна. Такие плавники, насколько нам известно, не получили распространения на флоте, но управляемые крылья, устанавливаемые в районе скул в средней части многих судов с целью уменьшения бортовой качки, способствуют и некоторому увеличению скорости хода на волнении.
Этот обзор не претендует на полноту, но позволяет судить о том, насколько разнообразны могут быть судовые движители. Предлагалось множество других конструкций, некоторые из них были осуществлены практически, преимущественно на небольших судах или плавучих средствах и в единичных экземплярах, другие же существовали только на бумаге.
Долгое время характеристики судовых движителей не рассчитывались, а выбирались по опыту, на глазок. Для парусных судов проблемы расчета парусов вообще не существовало: скорость судна зависела от скорости и направления ветра. Но с появлением паровых машин возникла необходимость в выполнении расчетов ходкости с определением и сопротивления движению, и характеристик движителей, которые должны были соответствовать установленным двигателям. Первая теоретическая работа, посвященная расчету гребного весла, была опубликована Л. Эйлером в его книге «Полное умозрение строения и вождения кораблей» в 1778 г. Весла, рассмотренные Л. Эйлером, отличались своеобразием конструкции и принципа действия. Около 1865 г. англичане Ранкин и Фруд создали теорию идеального движителя, с основными положениями которой мы скоро познакомимся. В начале ХХ в. (примерно в период 1910-1920 гг.) появилось несколько теорий, относящихся к гребным винтам. Среди них можно назвать паральную теорию (российский профессор Брикс, 1914-1922 гг.), струйную теорию, в создание которой внесли вклад также отечественные ученые Джевецкий, Рузский, Сабинин, Юрьев. Наиболее известной и совершенной явилась вихревая теория гребного винта, созданная «дедушкой русской авиации» Н.Е. Жуковским в 1912-1918 гг. В последующие годы теория судовых движителей развивалась по многим направлениям, которые мы не рассматриваем. Назовем лишь вопросы взаимодействия винта и корпуса, проблемы кавитации гребных винтов, работу винтов в неравномерном потоке, винты регулируемого шага и в насадках.
1.2. Классификация и краткое описание судовых движителей
Классификация судовых движителей может осуществляться по различным признакам, в частности, по местонахождению источника энергии и по принципу действия. По первому из этих признаков судовые движители подразделяют на механические, если источник энергии находится на судне, и немеханические, – если вне судна. Такой способ классификации иногда может вызвать улыбку: роторы Флеттнера, использующие энергию ветра, относятся к немеханическим, а весла – к механическим, поскольку источник энергии – гребец – находится на судне. Другие примеры: гребной винт – механический, а парус – немеханический движитель.
По принципу действия движители подразделяют на активные, создающие упор за счет изменения скоростей внешней среды (парус, ротор Флеттнера, плавники Павленко), и реактивные, упор которых создается за счет отбрасывания струи (воды, иногда воздуха или иной среды). Наиболее распространенными являются реактивные движители, действие которых не зависит от внешних условий. Эту классификацию можно продолжить.
Рассмотрим некоторые движители из числа наиболее распространенных. Начнем с гребного винта. Далее мы будем подробно изучать его устройство, принцип действия и т.д., а здесь коснемся общих сведений.
Винты – на сегодняшний день наиболее эффективные судовые движители, КПД лучших из которых достигает 80%. Чаще всего он лежит вблизи 60%, а у некоторых судов бывает заметно меньше. Диаметры крупнейших винтов достигли 10 м, масса – 70 т. Винты не предъявляют особых требований к форме корпуса судна, они довольно удобно сочетаются с двигателем, ось вращения которого должна быть горизонтальной, как и ось вращения винта (хотя в ряде случаев требуется угловая передача или другая усложненная конструкция). Винт обычно неплохо работает на волнении. Разработано множество способов повышения их эффективности, часть из которых нами будет в свое время рассмотрена.
Гребные колеса – ранее довольно распространенный движитель для речных и озерных судов. Рабочим органом являются плицы в виде прямоугольных пластин криволинейного (иногда прямолинейного) сечения, размещенные по окружности и связанные со ступицей с помощью ободьев и спиц. Плицы обычно бывают поворотными. Колеса довольно сложны и громоздки; имея невысокую частоту вращения (примерно 20-25 об/мин), они погружаются в воду на 20-27% своего диаметра. Плицы легко повреждаются плавающими предметами, но и легко ремонтируются без вывода судна из эксплуатации. Гребные колеса почти всегда размещаются по бортам в средней части судна, что увеличивает габаритную ширину, иногда – в корме. Колеса неплохо работают на мелководье, значительно хуже – в условиях волнения и при значительных изменениях осадки. КПД лучших колес может достигать 60%, что довольно много.
Первый крыльчатый движитель (КД) предложил инженер Шнайдер в 1928 г. Этот движитель имеет барабан с вертикальной или почти вертикальной осью вращения, нижняя поверхность которого совпадает с поверхностью днища. По окружности барабана размещаются 3-8 лопастей. В первой конструкции КД каждая лопасть совершала вращательное движение вокруг своей оси, параллельной оси вращения барабана, делая пол-оборота за один оборот барабана. Профиль лопастей – симметричный сегмент.
У другого варианта КД (предложенного Фойтом, почему такие движители называют также движителями Фойта-Шнайдера) лопасти не вращаются, а колеблются, так что на одной половине окружности их носики «смотрят» наружу, а на другой – внутрь. Управление лопастями производится таким образом, чтобы в каждом положении на окружности лопасть была перпендикулярна радиусу-вектору, проведенному к ней из точки управления, расположенной внутри круга, радиус которого может достигать 0,7-0,8 радиуса, на котором расположены оси лопастей. Упор направлен перпендикулярно отрезку прямой, соединяющей точку управления и ось вращения барабана, и в первом приближении может считаться пропорциональным длине этого отрезка. Таким образом, судну, оборудованному крыльчатыми движителями, не нужен руль: оно может двигаться вперед и назад, разворачиваться на месте, если имеет два КД, двигаться лагом, если два КД располагаются в разных оконечностях. КПД движителя второго типа больше, чем первого, благодаря тому, что у лопастей имеется передняя и задняя кромка, которые не меняются местами, как в первой конструкции, и имеют форму крыла, изогнутого по окружности, вдоль которой они движутся. Двигатель может быть нереверсивным, он легко согласовывается с движителем (в отличие от обычного гребного винта), управление работой КД производится непосредственно с мостика. Вибрация и качка у судов с КД несколько меньше, чем с гребным винтом.
Но эти движители довольно громоздкие, неудобен подвод мощности к ним (нужны или сложная и дорогая угловая передача, или почти вертикальное расположение главного двигателя); требуют наличия плоского и горизонтального днища в районе их установки (на некоторое расстояние от КД во все стороны). При скоростях порядка 20 уз на лопастях КД возникает кавитация, что ограничивает скорости судов с КД. Обычно такие движители плохо взаимодействуют с корпусом судна (у них коэффициент попутного потока близок к нулю, а коэффициент засасывания – около 0,15, в результате чего снижается КПД; см. гл. 3 о взаимодействии винта и корпуса). В целом КПД КД меньше, чем гребного винта.
Крыльчатые движители устанавливают на судах, для которых важна хорошая маневренность при умеренной скорости, например, на буксирах, паромах, причем КД может находиться в районе миделя, увеличивая осадку судна. В СССР (в Севастополе) было построено много различных плавучих кранов с двумя-тремя КД, схемы размещения которых были довольно разнообразны.
Первый водометный движитель (ВД) появился в 1661 г. Он располагался в средней части судна и представлял собой своеобразный центробежный насос в виде наклонного барабана, в который из-под днища засасывалась вода. Затем она по двум каналам с поворотными патрубками отводилась к бортам и выбрасывалась из корпуса в нос или в корму. Таким образом, судно могло двигаться вперед, назад, разворачиваться на месте.
Уже в этом варианте видны черты, характерные для многих современных конструкций ВД: хорошая защищенность, высокая маневренность, большая масса (с учетом воды в каналах и в барабане), сравнительно невысокий КПД. В последующие годы водометные движители не получили широкого распространения, интерес к ним стал появляться примерно в середине ХХ в. благодаря указанным преимуществам. ВД применялись, в первую очередь, на небольших и сравнительно тихоходных судах, плававших на мелководном и часто засоренном фарватере. Такие катера не боялись мелей, плавающих бревен, небольших льдин. Из-за значительных гидравлических потерь в трубах КПД ВД составлял примерно 30-40% (заметим, что КПД ВД строго не определяется, поскольку упор у них создается на корпусе, так что нельзя достоверно разделить сопротивление и упор).
В дальнейшем выяснилось, что ВД упрощенной схемы могут с успехом применяться на быстроходных судах. Таким образом, их развитие пошло по пути уменьшения количества и размеров каналов, увеличения их диаметров и скоростей движения судов. Приемное отверстие ВД располагается под днищем в кормовой части, в коротком трубопроводе устанавливается насос, чаще всего осевой, который может быть многоступенчатым, а струя воды может выбрасываться не только под воду, но также частично или полностью над водой. На скоростных судах обычные гребные винты становятся менее эффективными, поскольку при больших скоростях не удается избежать кавитации, при которой КПД винта снижается. У многоступенчатых ВД можно избежать возникновения кавитации. Как показывают исследования, КПД ВД на быстроходном судне может достигать 0,60,65 и превысить КПД кавитирующего гребного винта.
1.3. Элементы теории идеального движителя
Как мы отмечали, на подавляющем большинстве судов применяются реактивные движители, создающие упор за счет отбрасывания струи. Это обстоятельство позволяет выполнять их расчет. Теория идеального движителя (ИД) ставит задачу расчета основных характеристик любого реактивного движителя (по крайней мере, выяснения предела возможностей). Реальные движители чрезвычайно разнообразны, мы рассмотрели лишь некоторые конструкции. Трудно представить себе модель, которая объединила бы в себе все существующие.
Прежде чем заняться непосредственно теорией идеального движителя, обсудим вопрос о том, зачем она вообще нужна. Надо сказать, что в любой науке изучаются не реальные явления, конструкции и т.п., а их модели. Вначале путем выделения наиболее существенных черт и отбрасывания тех, которые исследователь считает несущественными, создается физическая модель. Затем разрабатывается математическая модель, описывающая эту физическую. Наконец, нужен метод численного расчета (иногда это представляет самостоятельную сложную задачу) с последующим анализом получаемых результатов. В гидродинамике, например, используется модель идеальной жидкости, в теории упругости – модель твердого тела и т.д. Такова же модель идеального реактивного движителя.
Достоинство этой модели и основанной на ней теории – в простоте и общности. В самом деле, здесь нет необходимости учитывать конкретные особенности каждого существующего судового движителя, что позволяет максимально упростить теорию. Полученные выводы можно распространить на любой реактивный движитель. Но результаты всегда будут неточными в связи с тем, что некоторые важные особенности реального движителя не учитываются теорией.
Итак, что же такое идеальный движитель?
Идеальным движителем называют гидромеханическую особенность, обладающую способностью создавать вызванные осевые скорости, т.е. дополнительные скорости, направленные назад. Иначе говоря, ИД – это плоская пластинка, способная пропускать сквозь себя воду и при этом ее разгонять. В результате увеличения скорости струи возникает движущая сила – упор ИД. Заметим, что теория ИД совершенно не интересуется вопросом, как именно происходит разгон струи – эта задача решается при разработке конкретного движителя. В литературе иногда ИД считают диском, что неверно и относится к гребному винту, тогда как теория идеального движителя охватывает также гребные колеса, крыльчатые движители и др., сечение струи у которых не является круговым.
Рассмотрим и кратко прокомментируем основные положения и допущения теории идеального движителя.
1. Движитель работает в идеальной жидкости (т.е. невязкой, несжимаемой и обладающей сплошностью, т.е. занимающей весь объем).
2. Движитель создает только вызванные осевые скорости, необходимые для создания упора, и никаких других (например, пренебрегаем радиальными скоростями, т.е. поджатием струи, волнообразованием на поверхности жидкости). При этом по площади струи скорости неизменны, иначе КПД движителя снижается. В любом реальном движителе всегда возникают так называемые побочные скорости, например окружные у гребного винта, – они обусловлены конструкцией движителя, но не нужны для создания упора и ведут к снижению КПД.
3. Движитель бесконечно тонкий. Допущение введено для удобства решения задачи.
4. Размытую границу между струей и остальной жидкостью заменим поверхностью раздела – бесконечно тонкой вихревой пеленой. На самом деле, нет четко выраженной границы струи, как говорят, обрабатываемой движителем, – это также сделано для удобства. На границе струи происходит скачкообразное изменение скоростей, что при строгом рассмотрении задачи представляется в виде вихрей, распределенных по поверхности. Струя, обрабатываемая движителем, является трубкой тока, через поверхность которой жидкость не перетекает.
Введем важное понятие «гидравлическое сечение струи» (или движителя), под которым понимается площадь струи в месте установки движителя F. Для гребного винта это круг, диаметр которого равен диаметру винта, для колеса – прямоугольник, ширина которого равна длине плиц, а высота – глубине погружения нижней плицы в воду, для КД – прямоугольник, ширина которого равна диаметру по лопастям, а высота – длине лопастей и т.д. По длине струи площадь изменяется.
5. Движение жидкости установившееся. При работе движителя имеются переходные режимы (начало и конец работы, маневрирование), которые здесь не рассматриваются. При этом удобно пользоваться системой координат, связанной с движителем, поскольку в ней скорости и давления в любой точке потока неизменны во времени, тогда как в неподвижной системе координат они изменяются, хотя и движение установившееся.
6. Скорости и площади в струе меняются плавно, так как поток неразрывный, но в месте установки движителя существует перепад давлений: непосредственно перед движителем давление пониженное р1, а сразу за ним – повышенное р2 (в бесконечности и перед ИД, и за ним давление равно атмосферному с учетом давления столба воды р0). Скорость изменяется от скорости движителя v (на бесконечности перед ИД) до v + w, где w – вызванная осевая скорость; скорость в месте установки движителя обозначим v1.
Перейд
...
