Движение судна и движители. Для движения судна необходимо иметь двигатель и движитель. Двигатель преобразует тепловую или электрическую энергию в энергию вращения вала.
Движитель, используя вращение двигателя, создает силу, способную передвигать судно. Для передвижения по воде применяются движители различных типов: шест, весло, парус, гребное колесо, гребной винт, крыльчатый движитель, водомет и др. Наибольшее распространение: в настоящее время имеет гребной винт.
Сопротивление движению судна. Для приведения судна в движение к нему должна быть приложена в диаметральной плоскости движущая сила измеряемая в ньютонах (Н). При горизонтальном равномерном и прямо линейном движении со скоростью v (м/с) движущая сила будет равна сумме сил сопротивления движению R (Н). Мощность, необходимая для преодоления силы полного сопротивления, называется буксировочной мощностью. Буксировочная мощность измеряется в киловаттах (кВт) и определяется выражением: Р = Rv/1000.
Полное сопротивление движению судна состоит из сопротивления трения, вихревого и волнового сопротивлений и сопротивления воздуха.
Сопротивление трения возникает на смоченной поверхности судна под воздействием протекающей вдоль нее воды вследствие вязкости жидкости (плотность воды в 815 раз больше, чем плотность воздуха). Сопротивление трения обусловливается прилипанием частиц вязкой жидкости к смоченной поверхности судна. Сила сопротивления трения действует по касательной к поверхности судна и возрастает пропорционально площади смоченной поверхности судна и примерно пропорционально второй степени скорости его движения. В случае обрастания корпуса судна сопротивление трения: возрастает в еще большей степени.
Вихревое сопротивление, или сопротивление формы, возникает вследствие образования завихрений жидкости в тех местах, где корпус судна имеет значительную крутизну, и прежде всего в кормовой части. Образование завихрений требует дополнительного расхода энергии, что воспринимается как вихревое сопротивление. У судов с более острыми обводам вихревое сопротивление меньше.
Движущееся по поверхности воды судно образует расходящиеся и поперечные волны. Скорость потока воды вдоль корпуса судна неравномерна, что приводит к возникновению зон повышенного давления на корпусе. Форма поверхности воды при этом искажается: там, где давление в потоке больше атмосферного, образуется бугор, а где меньше атмосферного - впадина. Под действием силы тяжести возникает колебательное движение воды в форме волн. С энергетической точки зрения волновое сопротивление определяется мощностью, затраченной на образование волн, зависит от скорости движения, водоизмещения и формы обводов судна, а также от глубины фарватера.
Сопротивление воздуха движению судна зависит от силы и направления ветра, от парусности надводной части судна и от формы надстроек (обтекаемости). При отсутствии ветра оно составляет в зависимости от формы надстроек 1,5 — 3% полного сопротивления, а при значительном встречном ветре может превышать 10% полного сопротивления.
При точных расчетах учитывается также дополнительное сопротивление от выступающих частей корпуса судна, расположенных ниже грузовой ватерлинии: скуловых килей, гребных валов, их выкружек, валоподдерживающих кронштейнов, рулей, ахтерштевня и т. п. Дополнительное сопротивление возникает и при движении судна на взволнованной поверхности воды, при этом скорость судна уменьшается.
С точки зрения ходкости суда делят на тихоходные и быстроходные. У первых в общем балансе сопротивления преобладает сопротивление трения, у вторых — волновое сопротивление.
Весьма перспективным является движение судов под водой, так как на значительной глубине отсутствуют волновое сопротивление, дополнительное сопротивление при движении на взволнованной поверхности и воздушное. Основным видом сопротивления подводного судна является сопротивление трения. Если взять два сравнительно быстроходных судна одинакового водоизмещения и с равными по мощности энергетическими установками, то скорость хода подводного судна будет больше, чем надводного. Чем мощнее установки сравниваемых судов, равных по водоизмещению, тем больше выигрыш в скорости у подводного судна.
Геометрия гребного винта. Гребной винт (рис. 1) состоит из ступицы 1 и лопастей, которые крепятся на ступице болтами или образуют одно целое в литой конструкции. Ступица служит для соединения гребного винта с гребным валом и не участвует в создании силы тяги (упора).
Каждая лопасть имеет корневую (комлевую) часть 2, прилегающую к ступице, и перо 6. Поверхность лопасти со стороны отбрасывания воды (смотрящая в корму) называется нагнетающей 5, а с противоположной (смотрящая в нос) — засасывающей 4. Нагнетающая и засасывающая поверхности являются двумя сложными винтовыми поверхностями.
Линии пересечения этих двух поверхностей, образующие контур лопасти, называются кромками. Передняя кромка, на которую при вращении гребного винта набегает поток воды, называется входящей 3, а противоположная ей — выходящей 7.
Если лопасть рассечь плоскостью цилиндра с радиусом r1, соосным с винтом, то получим сечение (профиль) лопасти. На данном профиле можно построить шаговый треугольник, один катет которого представляет длину окружности радиусом r1, а другой — шаг Н винта на этом профиле, т. е. путь, пройденный каждой точкой радиуса r1 в поступательном движении вдоль оси за один оборот.
Рис. 1. Некоторые геометрические элементы лопасти гребного винта
Рис. 2. Изменение подъемной силы и силы лобового сопротивления при изменении угла атаки.
На рис. 1 показаны шаговые треугольники, построенные на радиусах r1 и r2. Углы ɸ1 и ɸ2 называются шаговыми. Из шаговых треугольников можно определить: tg ɸ1 = Н/2пr1 и tg ɸ2 = Н/2пr2.
Различают гребные винты, лопасти которых в каждом сечении вдоль радиуса имеют постоянный шаг, и винты, у которых шаг вдоль радиуса переменный. Более того, может быть переменный шаг и вдоль сечения. Каждое сечение лопасти расположено на своем радиусе r, поэтому при постоянном шаге Н оно имеет свой шаговый угол, причем чем ближе сечение к ступице, тем больше шаговый угол.
В твердом теле за один оборот винт проходит расстояние, равное шагу. В жидкости действительный шаг винта, или поступь, меньше геометрического шага на величину сколжения.
Поступь определяется делением скорости судна на частоту вращения, т. е. поступь одного и того же винта зависит от его частоты вращения.
Гидродинамические силы на лопасти. Подъемная сила и сила лобового сопротивления в точке лопасти данного профиля зависят от скорости его движения относительно воды и от угла атаки этого профиля. Углом атаки называется угол, под которым хорда профиля встречает набегающим на него поток воды. При постоянной скорости движения профиля и углах атаки 14 — 16° подъемная сила достигает наибольшего значения. Такие углы атаки называются критическими, так как их дальнейшее увеличение приводит к снижению подъемной силы при одновременном росте лобового сопротивления, что объясняется срывом потока воды с хвостовой части профиля и образованием завихрений (рис. 2,а).
По мере уменьшения углов атаки происходит снижение подъемной силы и силы лобового сопротивления (рис. 2,6). При нулевом или небольшом отрицательном угле атаки лобовое сопротивление и подъемная сила достигает минимальных значений (рис. 2,в).
При отрицательном угле атаки, т. е. когда профиль встречает набегающий поток не нижней, а
верхней поверхностью, подъемная сила становится равной нулю (рис. 2,г). дальнейшее увеличение отрицательных углов атаки сопровождается появлением и ростом отрицательной подъемной силы, а также увеличением силы лобового сопротивления, поток срывается и завихряется (рис 2,д). Изменение угла атаки используется в ВРШ.
Лопасть вращается вокруг оси вращения винта и одновременно движется вперед вместе с судном: полная скорость элемента лопасти складывается из окружной и поступательной скоростей судна (на рис. 3 эти векторы обозначены соответственно а и б).
Окружные скорости элементов лопасти при разных радиусах различны и увеличиваются с увеличением радиуса. Работающий гребной винт закручивает поток воды в сторону вращения винта, что создает поступательную (в) и окружную (г) скорости потока. Геометрическая сумма скоростей элемента лопасти представляет собой истинную скорость потока относительно элемента лопасти в данной точке (б). Угол атаки определяется наклоном хорды профиля к истинной скорости движения потока.
Каждое сечение лопасти имеет свою окружную скорость, следовательно, лопасть должна быть сделана так, чтобы угол атаки в каждом сечении был постоянным. Это условие обеспечивается винтовой поверхностью лопасти и определенной формой профиля.
Рис. 3. Многоугольник скоростей. Образование силы упора на элементе лопасти и струя от винта
Подъемная сила в данной точке элемента лопасти направлена перпендикулярно направлению истинной скорости потока, а сила лобового сопротивления совпадает с этим направлением.
Геометрическая сумма этих сил представляет собой гидродинамическую равнодействующую, которая является суммой силы сопротивления вращению и силы упора. Сила упора гребного винта представляет собой сумму всех сил, действующих на каждую точку всех лопастей в направлении движения судна.
Точно так же определяется суммарная сила сопротивления вращению. Сила упора гребного винта воспринимается упорным подшипником главного двигателя, передается корпусу судна и заставляет судно перемещаться.
Моменты сил сопротивления вращению уравновешиваются вращающим моментом главного двигателя (дизеля, турбины, электродвигателя).
Коэффициент полезного действия гребного винта составляет около 55%. Для повышения к.п.д. увеличивается диаметр винта и снижается частота вращения. С увеличением скорости судна к.п.д. увеличивается и достигает при определенной скорости максимального значения.
При движении судна образуется пограничный слой воды, который увлекается корпусом и движется со скоростью несколько меньшей, чем судно.
Набегающий на гребной винт поток направлен встречно попутному потоку, что приводит к уменьшению поступательной скорости потока и, как видно из рис. 3, к увеличению угла атаки, а следовательно, подъемной) силы и силы упора. Гребной винт подсасывает к себе набегающий поток. Поэтому между винтом и расположенной перед ним кормовой частью корпуса судна образуется зона пониженного давления.
Сопротивление воды движению судна зависит от разности давлений на корпус судна в носу и в корме. Так как в носу давление повышенное, то понижение давления i у кормы приводит к повышению сопротивления.
Таким образом, степень полезного использования мощности двигателя зависит не только от к. п. д. гребного винта, но и от влияния попутного потока и засасывания, т. е. от корпуса судна.
Совместное влияние к. п. д. винта, попутного потока и засасывания учитывается пропульсивным коэффициентом винта.
