ПОВЫШЕНИЕ ПРОПУЛЬСИВНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ПЛАВАЮЩЕГО ТРАНСПОРТЕРА

АННОТАЦИЯ

В данной работе проведен анализ опыта эксплуатации плавающих машин и паромов, раскрыт пропульсивном коэффициенте полезного действия, рассмотрены режимы работы гребного винта для машин с водометным движителем и машин с гусеничными движителями, представлен расчет коэффициента нагрузки реального движителя.

Ключевые слова: плавающие машины, паромы, эксплуатация, пропульсивный коэффициент, гребной винт, эффективность.

Развитие средств для преодоления (форсирования) водных преград занимает особое и ведущее место в системе инженерного вооружения. Недаром инженерное обеспечение форсирования называют венцом боевой славы инженерных войск.

Опыт эксплуатации плавающих машин и паромов показывает, что они имеют невысокие мореходные качества, при которых затруднительно или даже невозможно их применение на реках, уже при скорости течения свыше 1,5 м/с. Максимальная скорость движения их на воде достигает 8 – 8,5 км/ч. Для обеспечения высокой плавучести и непотопляемости на транспортерах корпус выполняется из алюминиевых сплавов с двойной бортовой обшивкой, внутреннее пространство между наружной и внутренней обшивками заполняется негорючим труднозатопляемым материалом [3 с.33-37].

В настоящее время уделяется большое внимание водоходным качествам плавающих машин и паромов, от этого повышаются и конструктивные требования к этим машинам.

Приспособленность к работе на воде является важнейшей конструктивной особенностью плавающих машин и катеров. Степень приспособленности, определяющая безопасность и эффективность применения плавающих средств на воде, оценивается в эксплуатационном отношении совокупностью их специфических качеств, называемых водоходными (или мореходными). К ним относится плавучесть, остойчивость, непотопляемость, ходкость, способность плавать на волнении (качка) и управляемость.

Принять обоснованное решение на применение переправочных средств в соответствии с обстановкой и при этом реализовать их максимальные возможности командир может лишь на основе всесторонней оценки условий применения и соотнесения их с техническими возможностями, заложенными в переправочных средствах, в первую очередь с водоходными качествами. Примером может служить выбор мест для оборудования и содержания десантных и паромных переправ должны сопоставляться глубины водной преграды ( с учетом их изменения в ходе содержания переправ) с осадками переправочных средств; ширина створов переправ - с параметрами управляемости; крутизна съездов и выездов – с допускаемыми углами входа и выхода по условиям незаливаемости и проходимости; скорость течения и степень ветрового волнения- с пределами применимости и т.д. Знание этих положений позволит военному инженеру грамотно и высокоэффективно решать практические задачи, связанные с оборудованием и содержанием переправ.

Остановимся на пропульсивном коэффициенте полезного действия, в дальнейшем (КПД) [1 с.124-126].

Расчет пропульсивного коэффициента полезного действия

Наиболее полно работа любого плавающего средства характеризуется так называемым пропульсивным (движительным или тяговым) к.п.д., которым учитываются все потери на пути силового потока от двигателя до гребного винта, а также потери в самом движителе, связанные с преобразованием подведенной мощности в мощность полезной тяги. Следовательно, пропульсивный КПД равен:

η0  = Nс ∕  Nе = Ρе · V ∕  ωМ · ηмех  ,                                                                          (1)

 где:  Nе  – мощность силовой установки;

          ωМ – мощность, потребляемая гребным винтом;

          ηмех  –  механический КПД привода к гребному винту.

          V  – скорость набегающего на средство потока;

           Ρе –  упор движителя;

Подставляя в формулу (1) значения входящих величин (с учетом взаимодействия с корпусом), получим:

η0 = і1 ∕  і2 · 1–t  ∕  1 –ω ·Κ1 ∕ Κ2 · λр  ∕ 2π · ηмех                                                         (2)

Отношение ηк =1–t  ∕  1 – ω  называется коэффициентом влияния корпуса.

С учетом введенного коэффициента  ηк  и учитывая, что   і1 ∕  і2  = і    и Κ1 ∕ Κ2 · λр  ∕ 2π = ηр, проведем сокращенную запись формулы для пропульсивного КПД

η0  = і · ηк · ηр · ηмех                                                                                    (3)

где:  і  – коэффициент влияния неравномерности потока динамических характеристик винта деталей и его крепления  ( на КПД  і = і1 ∕  і2 )

            Κ1 – коэффициент влияния неравномерности потока за корпусом;

            Κ2 – коэффициент влияния неравномерности потока в свободной воде;

            λр  – величина относительной поступи выраженная в долях диаметра гребного винта;

            t   – коэффициент засасывания движителя.

Относительная поступь является важнейшим кинематическим параметром, характеризующим режим работы гребного винта (и любого другого реактивного движителя) [2 с.498-500].

λр    = Н ∕ D · (1–S)                                                                                           (4)

 где: Н – шаг гребного винта, м;

            D – диаметр гребного винта, м;

            S – относительное скольжение гребного винта.

Значения пропульсивного КПД зависит от расположения грибных винтов относительно корпуса и очертаний его в кормовой части. Так, для самоходных переправочных средств, у которых гребные винты размещаются в кормовых тоннелях при наличии перед винтом местных сопротивлений типа торсионных балок, решеток и т.п.

 і1 = 0,85 ÷ 0,9; - на упор; і2 = 1,1 ÷ 1,2; -на момент; t = 0,22 ÷ 0,28; ω ≈ 0,2.

Для моторизованных понтонов, имеющих лыжеобразную корму, если ось винта находится на уровне днища:

і1 = і2 = 1;       ω ≈ 0,1       t ≈ 0,5

При расположении винтов под днищем или сбоку корпуса:

і1 = і2  = 1,0;           ω  = t = 0

Пропульсивный К.П.Д. у плавающих машин с гребным винтом достигает значения   η0 = 0,25 ÷ 0,35;

для машин с водометным движителем η0 = 0,15 ÷ 0,25

для машин с гусеничными движителями η0 = 0,05 ÷ 0,15

Следует отметить, что приведенные значения КПД даже для машин с гребными винтами в полтора-два раза ниже, чем у судов [4 с. 440-445].

Повышение пропульсивного КПД самоходных переправочных средств является, таким образом, одной из актуальных задач.

Методы повышения пропульсивного КПД самоходных переправочных средств.

Рассмотрим методы повышения пропульсивного КПД самоходных переправочных средств. [1 с.124-127].

При рассмотрении работы идеального движителя было выявлено, что наиболее эффективным методом повышения КПД гидравлического движителя является повышение его коэффициента нагрузки по упору.

Из формулы

B=P ∕ F ∙  ρV∕ 2                                                                                             (5)

Это отношение называется коэффициентом нагрузки движителя по упору видно, что это может быть достигнуто увеличением площади действующего гидравлического сечения движителя, увеличением скорости подтекания воды к движителю и снижением потребного упора винта.

Обращаясь к выражению (5) для коэффициента нагрузки реального движителя

B = P ∕  ρV∕ 2 ∙F                                                                                          (6)

где:   F– площадь гидравлического сечения движителя,   м;

    ρ – массовая плотность жидкости, кг ∙ сек/м.

Мы видим, что для повышения его КПД необходимо кроме того добиваться всемерного уменьшения коэффициентов попутного потока и засасывания. Естественно, что повышению пропульсивного КПД также способствует увеличение механического КПД движительной установки и улучшение условий подтекания воды к винту (см. формулу 3).

Самоходные переправочные средства и паромы по сравнению с речными судами имеют относительно большое сопротивлению движению, а, следовательно, и гораздо большие значения коэффициентов нагрузки движителей по упору. Вместе с тем возможности для увеличения гидравлического сечения движителей (путем применения винтов большого диаметра или увеличения числа гребных винтов) чрезвычайно ограничены из-за небольшой величины углубления корпусов, относительно малой их ширины и требованиями защиты движителей для обеспечения работы переправочных средств на мелководье.

Известны различные методы повышения эффективности гребных винтов посредством установки непосредственно вблизи них специальных устройств, благоприятно изменяющих характер обтекания винтов набегающим потоком. К числу таких наиболее эффективных устройств относятся направляющие насадки на гребные винты и так называемые удобообтекаемые рули судового типа.

Принцип действия движительного комплекса гребной винт-направляющая насадка заключается в следующем (рис. 1).

Направляющая насадка, представляющая собой кольцевое конусообразное крыло, устанавливается таким образом, чтобы винт находился в самой узкой части кольца. Между краями лопастей и телом насадки оставляется небольшой зазор порядка 0,005- 0,01 от диаметра винта. Площадь входного сечения насадки АА больше площади диска винта (в 1,35÷1,4), а площадь выходного сечения ВВ равна или несколько больше площади диска винта (в 1,08-1,12 раза). Набегающий на насадку поток воды, имеющий скорость Vi и угол атаки  α взаимодействует с крыльевым профилем насадки [[1 с.128-132].].

Рисунок 1. Принципа действия направляющей насадки

На каждом элементарном отрезке насадки (по длине окружности), как на крыле, воздействует подъемная сила dy и сила сопротивления dx, которая по своему абсолютному значению во много раз меньше силы dy. Если спроектируем действующие силы на направление движения и на направление, перпендикулярное ему, то получим:

dPн  =  dPну  –  dRнх   и    dQн  =  dQну  +   dQнх                                                             (7)

 где:    dPн     – элементарный упор, развиваемый на теле насадки;

           dQн   – элементарная радиальная сила, вызывающая сжатие насадки.

Сумма элементарных сил dPн определяет величину упора насадки. Очевидно, что при заданном упоре гребной винт должен развивать упор, меньший на величину насадки.

С другой стороны, поток, протекающий через насадку, существенно ускоряется вследствие ее значительного диффузорного эффекта, обусловленного тем, что «спинка» крыльевого профиля обращена внутрь насадки, а также и конусностью входной части насадки. Нетрудно видеть (см. формулу 5), что применение направляющей насадки приводит к уменьшению числителя и увеличению знаменателя, т.е., в конечном счете, к снижению коэффициента нагрузки движителя и повышению его КПД.

При установке направляющих насадок на тяжело нагруженные гребные винты можно добиться увеличения пропульсивного к.п.д. на рабочих скоростях движения на 30 ÷ 40%, а тяги на швартовых на 40 ÷ 60%.

Помимо повышения гидромеханической эффективности движительной установки направляющая насадка позволяет улучшить защиту гребного винта, условия его работы при наличии волнения и косого обтекания, эффективность использования в качестве рулевого устройства и др. [4 с.452-454].

Принцип действия удобообтекаемого руля аналогичен действию насадки. Руль представляет собой вертикальное крыло симметричного профиля, поставленное непосредственно за движителем в отбрасываемом и закрученном им потоке воды. От установки удобообтекаемого руля может быть достигнуто увеличение пропульсивного КПД на 5 ÷ 10%.

Список литературы:

1. Д.Г.Егоров учебное пособие «Водоходные качества плавающих средств» Москва, ВИА 1972г. с 125-128.
2. Ф.М. Кацман, А.Ф. Пустошный, В.М. Штумпф. Учебник «Пропульсивные качества морских судов» Издательство «Судостроение» Ленинград,  1972 г. с. 509.
3. В.Л. Фукельман. Учебник «Жизнь корабля» Теоретические расчеты плавающих средств. Издательство «Судостроение» Ленинград,  1978 г. с. 166.
4. Н.Г. Бородин, А.Н. Андросов, Ф.З. Кичатов, «Машины инженерного вооружения. Часть 2. Машины для преодоления препятствий и водных преград. Москва, Воениздат 1986г. с 470.