2. РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЬНО-ДВИЖИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
С ГРЕБНЫМ ВИНТОМ ФИКСИРОВАННОГО ШАГА
Целью второй части курсового проекта является расчет и выбор двигательно-движительного комплекса, обеспечивающего заданную скорость хода в условиях эксплуатационного рейса с последующей оценкой ходовых и тяговых качеств судна на различных режимах движения.
После выбора типа и мощности главного двигателя и определения расчетного режима работы гребного винта уточняют его основные геометрические и конструктивные элементы, которые должны удовлетворять полному использованию мощности двигателя.
При выполнении расчетов потребуется знание предельно допустимого диаметра гребного винта (габаритного диаметра) . Величина определяется из условия размещения винта в кормовом подзоре, а также из требования достаточного погружения его под свободную поверхность.
Для определения габаритного диаметра в первом приближении можно воспользоваться эмпирической формулой, связывающей величину с осадкой судна в районе расположения гребного винта :
(1)
Параметры гребных винтов в курсовой работе определяются с помощью формул, выведенных на основе математической обработки диаграмм серийных испытаний гребных винтов, построенных по способу Э. Э. Папмеля.
2.1. Определение исходных расчетных величин
Для выполнения расчетов движителя по серийной диаграмме необходимо перейти от заданных параметров судна: скорости хода в узлах и полезной тяги , равной в общем случае суммарному буксировочному сопротивлению судна и воза , к характеристикам движителя: поступательной скорости и упора гребного винта .
Определим коэффициенты — коэффициент попутного потока, — коэффициент засасывания, KDE – коэффициент задания, по следующим зависимостям:
(2)
(3)
(4)
Перечисленные величины связаны между собой известными соотношениями:
(5)
(6)
Влияние величины распределения попутного потока по диску гребного винта на характеристики взаимодействия определяются по формуле:
(7)
2.2. Выбор расчетной серии гребного винта
При выполнении расчетов диаметр гребного винта принимается равным его габаритному значению =5.79 м.
Заглубление оси гребного винта определяется по приближенной формуле
(8)
Дисковое отношение ( — площадь спрямленной поверхности лопастей, — площадь диска гребного винта), обеспечивающее отсутствие второй стадии кавитации, определяется по формуле:
(9)
где =4 — число лопастей;
— атмосферное давление, принимаемое 100 кПа;
— гидростатическое давление на оси гребного винта, кПа;
— заглубление оси гребного винта, м;
— давление насыщенных паров, кПа;
— упор гребного винта, кН.
Минимальное дисковое отношение из условия обеспечения достаточной прочности может быть определено по формуле:
(10)
где — диаметр ступицы и гребного винта соответственно, м;
;
— для буксиров и траулеров коэффициент, учитывающий условия работы гребного винта;
— упор гребного винта, кН;
— допускаемые напряжения, кПа.
Увеличение дискового отношения приводит к снижению коэффициента полезного действия гребного винта. Поэтому его выбирают так, чтобы выполнить требования обеспечения прочности и отсутствия вредных последствий кавитации.
В качестве проектного дискового отношения выбирается ближайшее серийное значение , удовлетворяющее условиям:
=0.36
=0.36
Таблица 1
Условное обозначение серии Элементы серии
Z
Z4-85 4 0,85 0,18 0,045 0,9÷1,4 0,9÷1,6 1,0÷2,0 2,6÷4,0 6,0÷13,0 0,5÷1,3 0,5÷0,7
Z4-100 4 1,0 0,18 0,045 0,9÷1,4 0,8÷1,6 1,0÷2,4 2,2÷4,2 6,0÷17,0 0,5÷1,2 0,5÷0,7
M4-65 4 0,65 0,20 0,06 0,6÷1,4 0,4÷1,6 0,2÷2,4 1,0÷4,0 1,0÷17,0 0,1÷1,1 0,15÷0,7
M4-75 4 0,75 0,20 0,06 0,6÷1,4 0,3÷1,4 0,1÷2,1 0,8÷3,5 1,5÷15,0 0,1÷1,5 0,1÷0,7
M4-85 4 0,85 0,20 0,055 0,6÷1,4 0,3÷1,4 0,1÷2,0 0,6÷4,0 1,0÷15,0 0,1÷1,4 0,1÷0,7
ГВ-1 3 0,50 — — 0,5÷1,4 0,4÷1,8 0,2÷2,6 1,2÷4,8 1,0÷18,0 0,1÷1,5 0,1÷0,75
ГВ-2 3 0,65 — — 0,5÷1,4 0,4÷1,8 0,2÷3,0 1,2÷4,8 1,0÷24,0 0,1÷1,4 0,1÷0,75
ГВ-3 4 0,40 — — 0,5÷1,4 0,4÷1,8 0,2÷2,4 1,2÷4,4 1,0÷18,0 0,1÷1,4 0,1÷0,75
ГВ-4 4 0,70 — — 0,5÷1,4 0,4÷1,8 0,2÷2,6 1,2÷4,8 1,0÷20,0 0,1÷1,4 0,2÷0,75
При выборе расчетной серии по табл.1 следует учитывать и выбор числа лопастей гребного винта. В этом случае следует принимать во внимание то, что с увеличением числа лопастей несколько возрастает дисковое отношение, обеспечивающее отсутствие кавитации, а также несколько уменьшается оптимальный диаметр винта. При этом несколько снижается и КПД гребного винта, что связано с увеличением относительной толщины лопастей в результате уменьшения хорды лопасти.
В качестве проектного выбираем винт ГВ-3 с дисковым отношением 0.40, которое удовлетворяет рассчитанным условиям.
2.4. Расчет оптимального движителя
в первом приближении
Расчет гребного винта на этом этапе сводится к определению эффективной мощности двигателя и оборотов гребного винта, необходимых для обеспечения заданной скорости хода.
Как показывают расчеты, оптимальный диаметр гребного винта, как правило, оказывается больше габаритного диаметра . Поэтому на данном этапе проектирования диаметр гребного винта можно принять равным и расчет вести по вспомогательному коэффициенту
(11)
Необходимые для расчета значения КПД и относительной поступи , а также шаговое отношение гребного винта определяются по формулам, приведенным в табл. 2.
Таблица 2
Определение величин J, и , соответствующих корпусным диаграммам в осях КТ–J
Гребной винт
a b c a b c a b c
ГВ-3 -0,023 0,475 -0,009 -0,116 0,548 0,095 -0,044 0,492 0,317
Искомые величины эффективной мощности и оптимальные обороты винта в этом случае вычисляются по формулам:
(12)
(13)
2.5. Подбор главного двигателя и решение
вопроса об установке редуктора
Выберем для нашего судна двигатель 8TAD48 (8ДРН 48/70) номинальной мощностью 2200 кВт и частотой 3.75 об/с.
Желательно, чтобы номинальная частота вращения двигателя была близка расчетной . Поскольку в нашем случае частота вращения двигателя не совпадает с оптимальной частотой вращения винта, необходимо установить одноступенчатый редуктор с передаточным отношением:
(14)
— коэффициент механических потерь при передаче мощности на гребной винт.
Коэффициент примем при передаче с одноступенчатым редуктором.
Коэффициент учитывает потери мощности в валопроводе в зависимости от его длины
Номинальная эффективная мощность выбранного главного двигателя должна удовлетворять условию
( 15 )
Построим упрощенную диаграмму двигателя (рис.1).
Рис. 1 Диаграмма двигателя внутреннего сгорания
1 – линия минимальных устойчивых оборотов,
2 – верхняя ограничительная характеристика,
3 – регуляторная характеристика,
4 – нижняя ограничительная характеристика
2.4. Уточненный расчет гребного винта, обеспечивающего судну максимально достижимую скорость
Цель уточненного расчета состоит в том, чтобы определить элементы гребного винта, использующего всю мощность выбранного двигателя.
Если удалось подобрать главный двигатель с оптимальной мощностью и оборотами , выбор гребного винта сводится к определению шагового отношения, соответствующего расчетному значению , поскольку все остальные геометрические параметры гребного винта были определены ранее в процессе подбора расчетной серии гребного винта и двигателя.
В том случае, когда мощность и обороты главного двигателя существенно отличаются от требуемых значений по условиям (12) и (13) необходимо подобрать новый гребной винт, согласованный с двигателем и обеспечивающий при этом максимальную скорость хода.
Для сокращения объема расчетов целесообразно предварительно определить ожидаемое значение максимальной скорости хода судна с выбранным двигателем . Величина o может быть определена по приближенной формуле
, ( 16 )
полученной в допущении, что требуемая мощность двигателя связана со скоростью хода кубической зависимостью . Расчет ведем в табл. 3 при для пяти значений . Полученное по формуле (16) значение округляем до ближайшего 0.5.
Таблица 3
Расчет гребного винта, обеспечивающего максимальную скорость
Величина Численные значения
, уз
16 16,5 17 17,5 18
, м/с
8,22 8,48 8,74 9,00 9,25
, м/с
4,61 4,75 4,89 5,04 5,18
, кН
158,5 170 185 220 253
, кН
264,2 283,3 308,3 366,7 421,7
1,0591 1,0734 1,0827 1,0668 1,0596
0,660 0,669 0,675 0,665 0,660
0,684 0,687 0,689 0,686 0,684
0,891 0,900 0,907 0,896 0,891
1,043 1,043 1,043 1,043 1,043
1,027 1,027 1,027 1,027 1,027
0,703 0,706 0,708 0,705 0,703
1763,163 1941,289 2170,291 2670,063 3165,617
Таблица 4
Гребной винт
a b c а b c а b c
ГВ-3 0,021 0,600 0,001 -0,268 0,791 0,147 -0,009 0,690 0,170
Vs=16.0 0,660 0,684 0,891
Vs=16.5 0,669 0,687 0,900
Vs=17.0 0,675 0,689 0,907
Vs=17.5 0,665 0,686 0,896
Vs=18.0 0,660 0,685 0,891
По результатам расчета строим графики зависимостей , , и , по которым для определяем , и .
Рис.2. График зависимости
Рис.3 График зависимости
Рис.3 График зависимости
Рис.5 График зависимости
Из графиков определяем оптимальные параметры:
, и
2.7. Построение кривых действия гребного винта
в свободной воде
Для расчета паспортной диаграммы судна потребуется знание гидродинамических характеристик выбранного гребного винта на режимах, отличающихся от расчетного. Такая информация может быть получена из кривых действия гребного винта в свободной воде.
Для построения кривых действия гребного винта в свободной воде необходимо для расчетного гребного винта по формулам табл. 4 вычислить коэффициенты и в зависимости от ряда значений . Коэффициент полезного действия для тех же значений определяется по формуле
(17)
Таблица 5
Определение коэффициентов упора КТ и момента 10KQ
Гребной винт
a b c d e a b c d e
ГВ-3 -0,103 -0,222 0,424 1,451 -0,586 -0,198 -0,146 0,577 1,243 -0,461
J=0.60 0,1852 0,2786
J=0.65 0,1724 0,2655
J=0.70 0,1592 0,2518
J=0.75 0,1457 0,2373
J=0.80 0,1318 0,2222
Результаты расчетов представлены в виде графиков .
Основные геометрические характеристики выбранного гребного винта: Серия ГВ-3, , , , .
Рис.6 График
Рис.7 График 10
Рис.8 График
2.8. Расчет и построение паспортной диаграммы судна
Для оценки ходовых и тяговых характеристик судна на нерасчетных режимах используются различные диаграммы ходкости судна. Наиболее универсальной из них является паспортная диаграмма, которая фактически состоит из двух диаграмм, расположенных одна под другой (рис. 9).
Рис. 9 Паспортная диаграмма судна
Обе диаграммы имеют одинаковую ось абсцисс — скорость хода судна . По оси ординат верхней диаграммы (корпусной) откладывают полезную тягу (кН), по оси ординат нижней (машинной) — эффективную мощность главного двигателя (кВт). Корпусная диаграмма содержит кривые развиваемых винтом полезных тяг при фиксированных значениях частоты вращения двигателя (об/мин), а машинная диаграмма — требуемые значения эффективной мощности при тех же частотах вращения.
Обычно паспортная диаграмма содержит 5-7 кривых и , построенных в диапазоне . Целесообразно фиксированные значения , соответствующие этим кривым, выбирать таким образом, чтобы при использовании паспортной диаграммы было удобно осуществлять интерполяцию по частоте вращения. Далее в нижней части диаграммы наносят верхнюю ограничительную характеристику двигателя (кривая ). Из точек пересечения этой кривой с кривыми потребной мощности восстанавливают перпендикуляры до пересечения их с кривыми полезной тяги гребного винта при n = const и через эти точки проводят плавную кривую , представляющую собой кривую предельной тяги винта при соответствующей ограничительной характеристике двигателя.
Затем наносят на диаграмму расчетную кривую сопротивления судна и определяют потребную мощность .
Паспортная диаграмма позволяет решать ряд эксплуатационных задач. Например:
• выяснить, соответствует ли гребной винт двигателю на изучаемом режиме движения;
• выявить диапазон возможных скоростей хода;
• определить режим работы двигателя, необходимый для обеспечения заданной скорости хода;
• оценить запас по тяге на любой скорости движения судна.
Расчет расчета кривых паспортной диаграммы и выполнен в таблице 7. Расчет выполнен для 5 значений в диапазоне от до . В таблице 6 выполнен расчет КТ для 5 значений в диапазоне от до . Коэффициент полезного действия определяется по диаграммам гребных винтов для тех же значений . Относительная поступь свободного хода . соответствует максимальной скорости свободного хода в условиях эксплуатационного рейса.
Таблица 6
Определение коэффициентов упора КТ
Гребной винт
a b c d e
ГВ-3 -0,103 -0,222 0,424 1,451 -0,586
J=0.01 0,3079
J=0.2 0,2741
J=0.4 0,2327
J=0.6 0,1852
J=0.7 0,1592
J=0.8 0,1318
Таблица 7
Расчет паспортной диаграммы
0,01 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8
0,3079 0,2741 0,2327 0,1852 0,1592 0,1318
0,01 0,24 0,44 0,64 0,69 0,73
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
0,44 0,44 0,44 0,44 0,44 0,44
0,0112 0,2682 0,4917 0,7152 0,7711 0,8158
0,062 1,246 2,491 3,737 4,359 4,982
20,379 18,143 15,400 12,259 10,540 8,721
48,386 2,016 1,100 0,756 0,701 0,663
, об/с
= 1.266
0,070 1,401 2,802 4,204 4,904 5,605
25,793 22,962 19,491 15,516 13,339 11,037
87,437 64,867 60,067 49,311 45,876 41,003
, об/с
0,125 2,491 4,982 7,473 8,719 9,964
81,518 72,571 61,601 49,038 42,159 34,882
491,28 364,47 337,49 277,06 257,76 230,38
, об/с
0,249 4,982 9,964 14,946 17,437 19,929
326,071 290,29 246,40 196,15 168,64 139,53
3930,21 2915,7 2699,9 2216,5 2062,1 1843,0
, об/с
0,234 4,671 9,341 14,012 16,348 18,683
286,59 255,13 216,57 172,4 148,22 122,6
3238,4 2402,5 2224,7 1826,3 1699,1 1518,6
Рис.10 Паспортная диаграмма
2.9. Выводы по расчету ходкости судна с гребным
винтом фиксированного шага
Тип судна: Т (транспортное судно).
Длина судна L=180.0 м
Ширина судна В=24.5 м
Осадка судна d=8.50 м
Коэффициент общей полноты Cb=0.7
Коэффициент полноты мидель-шпангоута Cm=0.98
Абсцисса центра величины объемного водоизмещения XC=-0.02
Заданное значение хода судна VS=16.8 уз
Двигатель 8TAD48 (8ДРН 48/70)
Номинальная мощностью 2200 кВт
Частота 3.75 об/с
Передаточное отношение редуктора 3.23
Основные геометрические характеристики выбранного гребного винта:
Серия ГВ-3
Число лопастей 4
Дисковое отношение 0.40
Шаговое отношении 0.907
Диаметр винта 5.79 м.
Минимальная скорость свободного хода в условиях эксплуатационного рейса и сдаточных испытаний Vmin=4.0 узл; режимы работы двигателя
Максимальная скорость свободного хода в условиях эксплуатационного рейса и сдаточных испытаний Vmax=17.0 узл; режимы работы двигателя
Заданная скорость судна 16.8 узл достижима.
Запас по тяге на скорости траления узлов составляет 80 кН (зеленый отрезок на паспортной диаграмме.
Список литературы
1. Басин А. М., Миниович И. Я. Теория и расчет гребных винтов. ГИЗ Судпром, Л., 1963.
2. Дорогостайский Д. В., Жученко М. М., Мальцев Н. Я. Теория и устройство судна. Л., Судостроение, 1976
3. Дубровин О. В. Расчет буксировочной мощности по прототипу. Л., 1960.
4. Войткунский Я. И. Сопротивление движению судов. Л., 1964.
5. Цуренко Ю. И. Лекции по теории корабля., 2003.