CC BY-NC
80
ТЕОРИЯ КОРАБЛЯ И СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА
Б01: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-11-23 УДК 629.5.035.001.5
Л.И. Вишневский1, В.Н. Половинкин1, А.Р. Тогуняц2
1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
2 АО «Гипрорыбфлот», Санкт-Петербург, Россия
ВИНТЫ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА: ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объект и цель научной работы. Проведен обзор результатов исследований, полученных в последние годы в области нетрадиционных движителей - винтов изменяемого шага.
Материалы и методы. Использованы как новые подходы при создании расчетных методов, так и экспериментальные средства.
Основные результаты. Показано, что во многих случаях применение таких движителей связано с изменением условий плавания судна, где они могут иметь преимущество перед традиционными движителями. Заключение. Представленные материалы ориентируют исследователей при продолжении этих работ и позволяют уточнить область использования данных движителей.
Ключевые слова: гребной винт, винт изменяемого шага, динамическое «отключение» лопастей от ступицы. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
NAVAL ARCHITECTURE
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-11-23 UDC 629.5.035.001.5
L. Vishnevsky1, V. Polovinkin1, A. Togunyats2
1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
2 JSC Giprorybflot, St. Petersburg, Russia
ADAPTIVE-PITCH PROPELLERS:
MAIN RESULTS AND DIRECTION OF STUDIES
Object and purpose of research. This paper reviews recent studies in non-conventional propellers (CPPs). Materials and methods. This study is based on both experimental tools and new approaches to development of analytical methods.
Main results. It is shown that application of adaptive-pitch propellers is often caused by the changes of navigation conditions, when these propellers could have advantage over conventional ones.
Conclusion. This study could be a guidance for researchers on how to pursue these studies further on, and it also shows more accurately in what area these propulsors could be useful.
Keywords: propeller, adaptive-pitch propeller, dynamic "separation" of blades from hub. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Для цитирования: Вишневский Л.И., Половинкин В.Н., Тогуняц А.Р. Винты изменяемого шага: основные результаты и направление исследований. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 2(388): 11-23. For citations: Vishnevsky L., Polovinkin V., Togunyats A. Adaptive-pitch propellers: main results and direction of studies. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 2(388): 11-23 (in Russian).
Введение
Introduction
В настоящее время вопрос о создании гребных винтов (ГВ) фиксированного шага (ВФШ) с точки зрения их высокого КПД и низкой виброактивности при работе в неравномерном потоке за корпусом судна может считаться в основном решенным и относится к рутинным задачам инженерной практики. Такое положение дел сложилось благодаря исследованиям отечественных и зарубежных специалистов [1-3], которые разработали теоретические положения на основе вихревой теории, широко используют коммерческие программы и владеют богатым экспериментальным материалом, изложенным в различных научных изданиях. Также имеющиеся данные дают уверенность в том, что ВФШ, спроектированный для того или иного судна в заданных условиях, будет обеспечивать переработку мощности главного двигателя с наибольшей эффективностью или с эффективностью, весьма близкой к этому значению.
На основании изложенного дальнейшее совершенствование лопастных движителей может быть связано с нетрадиционным подходом. В первую очередь, с подходом в проектировании движителей, работающих в условиях многорежимности, т.е. в условиях, отличных от проектного режима работы. Очевидно, что режим, на который спроектирован ВФШ, может быть обеспечен лишь при сдаче судна заказчику в условиях, оговоренных в техническом задании. В реальных же условиях эксплуатации всегда имеют место отступления от указанного режима, обусловленные влиянием различных эксплуатационных факторов: морское волнение, течения, загрузка судна, возрастание сопротивления из-за буксировки тех или иных морских объектов, плавание в ледовых условиях и т.д. Совершенно ясно, что влияние указанных факторов вызовет отклонение работы ВФШ от проектного режима и, следовательно, может привести к значительному снижению его КПД и ухудшению условий работы главного двигателя судна ввиду изменения его загрузки по моменту, а также к ряду других отрицательных последствий.
В этих условиях может возникнуть необходимость использовать ГВ, которые можно приспособить при работе за корпусом судна, сохраняя высокую эффективность за счет не только правильного выбора их геометрии, но и конструктивных особенностей движителя. В первую очередь сказанное относится к винту регулируемого шага (ВРШ).
Как известно, ВРШ в значительной степени обеспечивают указанное «приспособление» при своей работе, сохраняя высокую эффективность в достаточно широком диапазоне режимов работы. Однако из-за силового привода перекладки лопастей, являющегося дорогим, сложным устройством и требующего специального обслуживания в процессе эксплуатации, применение ВРШ на судах существенно ограничено. К сказанному следует добавить то, что замена ВФШ на ВРШ на судах связана с огромными дополнительными затратами и проведением трудоемких работ с линией вало-провода. Кроме того, при наличии гидравлического привода перекладки лопастей всегда существует экологическая угроза из-за утечек масла в окружающую среду.
Опыт проектирования винтов с подвижным креплением лопастей на ступице и некоторые натурные результаты
Design experience of adaptive-pitch propellers and certain full-scale results
Ранее [4] уже отмечалось, что использование винтов с подвижным креплением лопастей на ступице позволяет во многом выполнять функции ВРШ. Однако их создание существенно проще, дешевле и может быть выполнено без доработки линии ва-лопровода. Особенностью таких винтов является то, что их лопасти имеют некоторую свободу перемещения относительно ступицы и в отличие от ВФШ удерживаются в рабочем положении за счет действия моментов гидродинамической, инерционной и, в общем случае, упругой природы, противоположно направленных относительно той или иной оси на ступице. Изменение баланса этих моментов в нужную сторону вызывает перемещение лопастей на ступице и, как следствие, изменение гидродинамических характеристик движителя. Это позволяет ему эффективно использовать полную мощность главного двигателя на промежуточных режимах, оптимально обеспечивая его работу на данных режимах, например, с точки зрения минимизации удельного расхода топлива.
В настоящее время предложено несколько конструкций таких движителей [5], условно названных в этой статье винтами изменяемого шага (ВИШ) (термин заимствован из авиации и относится к движителям, именуемым в судостроительной отрасли ВРШ). Однако широкое распространение на
Рис. 1. Морские объекты, оснащенные винтами изменяемого шага:
а) автономный необитаемый подводный аппарат; б) тральщик; в) катер на подводных крыльях Fig. 1. Marine objects with adaptive-pitch propeller: a) AUV; b) minesweeper; c) hydrofoil boat
натурных объектах получила схема с лопастями, перемещающимися в плоскости диска движителя. На сегодняшний день уже создан и успешно прошел натурную проверку ряд образцов таких движителей для объектов различного назначения. Три из них представлены на рис. 1. Принцип работы такого движителя показан на рис. 2.
Как уже упоминалось, рабочее положение лопастей такого движителя на ступице при достаточно высоких оборотах определяется действием гидродинамических, центробежных восстанавливающих моментов и, в общем случае, их упругими значениями относительно шарниров А в плоскости диска. Результаты исследований показали, что относительному перемещению лопасти в направлении, противоположном ее вращению вместе с движителем, соответствует увеличение момента от центробежной силы М1 и уменьшение момента от гидродинамических сил М2. При отклонении лопасти в противоположном направлении наблюдается обратная картина. Таким образом, при работе ВИШ в потоке положение лопасти на ступице определяется равенством действующих взаимно противоположных моментов. Упругие моменты в данном случае не рассматриваются1. При этом изменяются в сравнении с ВФШ его гидродинамические характеристики (рис. 3), поскольку указанные перемещения (относительно шарнира А, не совпадающего
1 Здесь и далее рассматриваются высокооборотные ГВ, у которых момент от веса лопасти мал по сравнению с моментами Ml и И2. В случае низкооборотных ГВ применяется иная схема движителя по отношению к представленной на рис. 2.
Рис. 2. Схема работы винта изменяемого шага Fig. 2. Layout of adaptive-pitch propeller operation
Рис. 3. Гидродинамические характеристики винта изменяемого шага при фиксированных лопастях на ступице (ф = 10°, 0°, -10°). Штриховая линия соответствует «свободным» лопастям на ступице
Fig. 3. Hydrodynamic parameters of adaptive-pitch propellers for fixed blade angles (ф = 10°, 0°, -10°). Dashed curve corresponds to "free" blades
с осью движителя) приводят к изменению геометрических характеристик винта. Это чрезвычайно важное качество ВИШ позволяет в некоторых случаях использовать их вместо ВРШ, автоматически обеспечивая наиболее оптимальную загрузку главного двигателя на промежуточных режимах работы и согласование его работы с движителем в эксплуатационных условиях без силового привода, только за счет действия на лопасти гидродинамических, центробежных и, в общем случае, упругих сил.
Относительная простота конструкции винта с подвижным креплением лопастей по сравнению с конструкцией ВРШ фирмы Lips иллюстрируется на рис. 4. Здесь же представлен макет ВИШ и его
реализация применительно к тральщику. Единственным недостатком, который может быть отнесен к нетрадиционной конструкции движителя, является отсутствие реверса без изменения направления частоты вращения. У ВРШ такой реверс обеспечивается за счет перекладки лопастей на отрицательный шаг. В случае с ВИШ при изменении направления вращения на режимах реверса его лопасти устанавливаются на упоры, и он работает как ВФШ.
По конструкции ВИШ аналогичен винтам, применяемым, например, в вертолетостроении в качестве несущего винта с шарнирным креплением лопастей. В данной отрасли такие винты используются для снижения усилий в подвижной заделке при взмахе лопасти при вращении. Однако из-за малой ширины и относительно малого диаметра ступицы винтов их аэродинамические характеристики при перемещении на ступице практически не меняются. В то же время у судовых, широколопастных ВИШ гидродинамические характеристики могут меняться весьма значительно. Следует также добавить, что вклад инерционной нагрузки при удержании лопасти в рабочем положении на ступице значительно больше у несущего винта вследствие большей частоты вращения из-за различия плотности сред, в которых работают несущий винт вертолета и судовой ВИШ.
Особенность конструктивного закрепления лопастей состоит в подвижности на ступице, что заставляет учитывать ряд дополнительных требований при проектировании. Их содержание изложено в [5] и является результатом анализа уравнений, описывающих поведение лопастей ВИШ на ступице в относительном движении. Отметим, в частности, что из этого анализа получено выра-
Рис. 4. Винт регулируемого шага фирмы Lips (а), макет винта изменяемого шага (б) и натурный винт изменяемого шага (в)
Fig. 4. Lips adaptive-pitch propeller (а), dummy of adaptive-pitch propeller (b) and full-scale adaptive-pitch propeller (c)
жение, которое должно учитываться при выборе геометрических характеристик ВИШ. Для случая лопастей, перемещающихся в плоскости движителя, оно имеет вид
- 8KAQp Zc = —-,
п d¥pM
где Zc = Zc/R; d = d/R; V = V/R3 - относительные координаты центра тяжести, отстояние между осью поворота лопасти А на ступице и осью вращения движителя и относительный объем лопасти соответственно; R - радиус ВИШ; р и рм - плотность воды и плотность материала лопасти с комлем; Kaq - коэффициент гидродинамического момента относительно оси A (рис. 3).
Правильный выбор вышеперечисленных параметров позволяет реализовать одно из основных преимуществ ВИШ по сравнению с ВФШ: гидродинамические характеристики ВИШ могут быть оптимальными для нескольких режимов движения судна. Действительно, ВФШ, спроектированный как оптимальный движитель из условия наибольшей скорости хода на тихой воде при нормальном водоизмещении судна (рис. 5, кривая 1), не позволяет реализовать имеющиеся резервы в улучшении его ходовых качеств на промежуточных режимах движения, в частности, на режиме, соответствующем экономическому ходу. Этому есть две причины.
Во-первых, ВФШ, спроектированный указанным образом, на промежуточном (экономическом) ходу может изменить свой режим работы, например, при не квадратичном от скорости законе сопротивления судна или из-за дополнительного сопротивления, возникающего при качке судна, и тем самым отклониться от соответствующего полному ходу оптимального режима, на который он спроектирован. В то же время ВФШ, спроектированный на промежуточный (экономический) ход (кривая 2 на рис. 5), может не обеспечить эффективную переработку полной мощности главного двигателя из-за его несоответствия главному двигателю судна и, следовательно, снизить максимально достижимую скорость судна.
Во-вторых, винтовая характеристика, соответствующая оптимальному винту, спроектированному на полный ход судна, близка к кубической параболе и во многих случаях не позволяет реализовать главному двигателю минимальные расходы топлива. Вместе с тем предварительные оценки и анализ показывают, что устранение указанных причин в некоторых случаях позволяет обеспечить значительную
Рис. 5. Характеристика дизеля судна Fig. 5. Parameters of ship diesel
экономию топлива (до 5 %) на промежуточных ходах, включая экономический ход судна. Также из анализа видно, что имеется возможность получения указанной экономии, в частности, за счет применения ВИШ (кривая 3 на рис. 5). Его характерной особенностью, как указывалось выше, является автоматическая перекладка лопастей в зависимости от режима работы движителя только за счет действия на лопасти гидродинамических, инерционных и упругих сил (без силового привода). Это может открыть перспективу разработки движителей, превосходящих по эффективности ВФШ на промежуточных режимах работы, которые, в свою очередь, являются во многих случаях наиболее используемыми в процессе эксплуатации судна.
Следует отметить и еще одно важное обстоятельство, приводящее к повышению пропульсив-ных качеств движителя, работающего совместно с главным двигателем. Оно состоит в том, что ВФШ, как известно, проектируют гидродинамически легким для обеспечения проектной скорости движения судна. Это облегчение, так называемый «морской запас», обычно составляет 10-15 % и направлено на предотвращение перегрузки главного двигателя вследствие изменения условий эксплуатации судна в сторону увеличения сопротивления (обрастание корпуса судна и т.п.). При проектировании ВИШ обеспечивать такой запас нет необходимости, поскольку правильно спроектированный ВИШ (например, на скорость полного хода судна) автоматически не допустит перегрузки главного двигателя, т.к. автоматическое перемещение лопастей приведет к их гидродинамическому облегчению.
Исходные
Рис. 6. Схема проектирования винта изменяемого шага
Fig. 6. Flow chart of adaptive-pitch propeller design
P, кВт 2500
2000 1500 1000 500
0
1300
Te ,кН 240
220 200 180 160 140 120
100
1550 n, об/мин.
1800
Рис. 7. Мощностная и тяговая характеристики
судна на швартовых
Fig. 7. Ship power and thrust at bollard pull
P, кВт; n, с-1 Te ,кН
1900 Ц 200
1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200
— —
-----.
-
- Е ,ФШ ->ИШ -
- ---Е
150
100
0 1 2 3 4 5 Vs
Рис. 8. Зависимость частоты вращения выходного фланца двигателя п, мощности P и создаваемого движителями упора Te
Fig. 8. Rotation speed п of output engine flange, power P and thrust Te developed by propulsors
К сказанному следует добавить, что улучшение эффективности в переработке мощности даже на доли процента способствует повышению индекса энергетической эффективности (EEDI) и может сыграть определяющую роль в получении заказа на постройку судна от будущего судовладельца.
Вместе с тем упомянутые выше требования усложняют процесс проектирования ВИШ. Это усложнение заключается в том, что помимо всего прочего необходимо учитывать массовые характеристики как самих лопастей, так и примыкающих к ним комлей (геометрические и массовые характеристики которых к началу проектирования ВИШ неизвестны), оказывающие существенное влияние на геометрические элементы лопастей. Ввиду сказанного разработку ВИШ приходится вести параллельно с конструкторскими работами с привлечением поэтапного метода, основанного на последовательных приближениях. На рис. 6 приведена приближенная схема такой методологии. К сказанному следует добавить, что проектировочный расчет выполняется по теории несущей поверхности. Для выполнения поверочного расчета наиболее целесообразно применять современные пакеты программ, основанные на RANS-методах и методах вихревой теории.
С использованием изложенного подхода были разработаны все ВИШ для судов и объектов различного назначения; результаты их натурных испытаний частично содержатся в [5]. Анализ этих результатов, а также опыт разработки ВИШ показал, что их применение целесообразно практически на всех судах. Это объясняется тем, что в процессе эксплуатации судна его сопротивление постоянно меняется вследствие влияния на него различных факторов: обрастания, волнения, ветра, ледовой обстановки и т.д. В свою очередь это вызывает отклонение режима работы движителя от проектировочного значения и, следовательно, снижение его эффективности, поскольку обеспечить работу ВФШ как оптимального движителя возможно лишь на проектировочном режиме в условиях сдаточных испытаний. В остальных случаях его работа, строго говоря, не может рассматриваться как максимально эффективная и с точки зрения загрузки двигателя, и с точки зрения удержания его работы на проектировочном режиме.
Вместе с тем наибольшую эффективность от использования ВИШ можно получить в том случае, если имеется значительное отклонение режима работы движителя от проектировочного значения. Выполненные оценки ходовых качеств судов различного назначения подтвердили сказанное. На рис. 7 представлены результаты расчета расходуемой
- ВИШ ----ВФШ □ A - натурные данные с фиксированными и «свободными» лопастями
Рис. 9. Паспортная диаграмма тральщика: кривые 1, 2 соответствуют сопротивлению свободного хода и с «возом»; кривые 3, 4 соответствуют перерабатываемой мощности на свободном ходу и с «возом»; кривые 5, 6 соответствуют ограничительным кривым по мощности и тяги
Fig. 9. Performance diagram of minesweeper: curves 1, 2 - resistance of free running and running with "burden"; curves 3, 4 - power demand for free running and running with "burden"; curves 5, 6 - restrictive curves for power and thrust
мощности P главного двигателя судна и его тяговые характеристики Te на различных скоростях хода в зависимости от частоты вращения выходного фланца этого двигателя. Судно представляет собой буксир каботажного плавания и оборудовано ВФШ, спроектированным на скорость полного хода около 12 уз. Из этих результатов видно, что на малых скоростях его главный двигатель способен перерабатывать лишь около 1300 кВт без перегрузки и развивать тягу на швартовном режиме около 150 кН. Это обусловлено тем, что ВФШ, спроектированный на полную скорость хода (около 12 уз), на предельно малой скорости судна (V ~ 0) является гидродинамически тяжелым (рис. 7, кривая 7). Как показывают оценки, применение ВИШ вместо ВФШ позволяет за счет автоматической перекладки его лопастей гидродинамически облегчить движитель, повысить его обороты и использовать тем самым полную мощность главного двигателя (рис. 7, кривая 2). В свою очередь использование полной мощности на малой скорости хода приводит по расчету к повышению создаваемого упора движителем (сравним кривые тяги Те, соответствующие ВИШ и ВФШ на рис. 8) и к улучшению его тяговых характеристик, которое по оценкам на скорости хода 2 уз составит ~20 %. Аналогичная ситуация была проверена в ходе сравнительных натурных испытаний тральщика (рис. 16): при оснащении судна ВИШ вместо ВФШ тяговая характеристика увеличилась ~15 %о. На рис. 9 представлена паспортная диаграмма тральщика.
Другой пример представлен на рис. 10 и относится к судну на подводных крыльях (СПК). Как известно, выход СПК на крылья при движении сопровождается ростом сопротивления, что значительно отклоняет режим работы движителя от проектировочного значения, соответствующего полному ходу. Это отклонение в случае ВФШ, работающего в паре с дизелем и спроектированного на полный ход СПК, может не обеспечить необходимого запа-
кН 120 100 80 60 40 20 0
3 ВИ - Ш
ь/ —» - « К
/ 9 V Л 1Г
s] ч * 2
Бук сирово чное сс проти! ление СПК В Ф Ш
Скорость СПК, соответствующая перерабатываемо? мощности при преодолении «горба» сопротивления
.1 I.I 1 . .1. 1 1.1
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Vs
ВФШ, спроектированному из условия достижения максимальной скорости хода
ВФШ, спроектированному из условия обеспечения необходимого запаса по тяги для преодоления «горба» сопротивления ВИШ
Рис. 10. Тяговая характеристика судна на подводных крыльях, оборудованного различными движителями
Fig. 10. Thrust performance of hydrofoil vessel with different propulsors
S, м
V, м/с 8
n, с 10
5
0
-5 -10
- 7
- 6
- 5
- 4
- 3
- 2 - 1 - 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 i 12 ! 13 14
---ВИШ
ВФШ
ВРШ
Рис. 11. Экстренное торможение тральщика, оснащенного поочередно винтами изменяемого, фиксированного и регулируемого шага. Мощность торможения составляет 82 % от полной мощности главной энергетической установки Fig. 11. Crash-stop maneuver of minesweeper with variable-, fixed and controllable-pitch propellers. Crash-stop power demand 82 % of the total power plant capacity
са по тяге при выходе его на крылья (рис. 9, кривая 1). В случае же проектирования его на режим преодоления «горба» сопротивления существенно снизится скорость полного хода СПК (рис. 10, кривая 2). ВИШ, благодаря перекладке его лопастей, позволяет и обеспечить такую же максимальную
скорость движения СПК, как с ВФШ, и преодолеть «горб» сопротивления с необходимым запасом по мощности (рис. 10, кривая 3).
Интересны сравнительные расчетные данные, относящиеся к экстренному торможению тральщика, поочередно оснащаемого ВФШ, ВИШ и ВРШ (рис. 11). Они показывают, что при установленном ВИШ выбег тральщика наименьший. Это связано с тем, что с ВИШ обеспечивается большее тормозное усилие при переработке одной и той же мощности вследствие увеличения шага движителя, где он работает как ВФШ, за счет вставания лопастей на упоры (рис. 2). Наибольший выбег наблюдается при использовании ВРШ. Этот результат связан с тем, что время перекладки лопастей с полного хода на полный задний весьма значительно и составляет в расчетном примере 20 с.
На рис. 12 приведены натурные данные, полученные в ходе испытаний СПК. Из них видно (рис. 126), что в случае оснащения ВИШ сохраняется частота вращения движителя во всем диапазоне нагрузок на СПК (пунктирная кривая), следовательно, достигается переработка полной мощности в этом диапазоне. В результате при максимальной нагрузке на СПК оно способно развить скорость на ~2 м/с больше по сравнению с вариантом, оснащенным ВФШ. Это подтверждается данными
Рис. 12. Результаты натурных испытаний судна на подводных крыльях, иллюстрирующие улучшение его пропульсивных характеристик при оснащении винтом изменяемого шага: а) зависимость скорости свободного хода катера а и хода с гидротормозом b от частоты вращения выходного фланца двигателя при номинальной нагрузке; б) зависимость максимальной скорости Vmax и скорости вращения выходного фланца двигателя от нагрузки на катер
Fig. 12. Full-scale test data of hydrofoil vessel illustrating the improvement in her propulsion performance due to variable-pitch propeller: a) speed of boat running free а and with hydraulic brake b versus rotation speed of the outer engine flange at nominal load; b) maximum speed Vmax and outer engine flange speed versus boat load
рис. 12а: скорость свободного хода СПК с ВИШ и с ВФШ одинакова, а скорость СПК с ВФШ и гидротормозом оказывается меньше из-за ограниченности переработки мощности. В качестве ВФШ здесь использовались ВИШ при фиксированных лопастях на ступице в конструктивном положении.
Оценивая выполненные проработки ВИШ для судов различного назначения с учетом результатов натурных испытаний, необходимо отметить, что имеющийся опыт создания таких движителей следует продолжить в области как разработки и совершенствования методических материалов, так и разработки их применительно к судам, движущимся в различных условиях эксплуатации. Сказанное является одним из направлений в создании экономичных судов в условиях нормирования их энергоэффективности по вводимым сегодня правилам IMO.
Реализация эффекта динамического «отключения» переменной составляющей гидродинамической нагрузки
Implementation of dynamic "separation" effect for variable component of hydrodynamic load
Как уже отмечалось, с помощью ВРШ, перекладывая лопасти на ступице, можно в значительной степени обеспечить эффективную работу на промежуточных режимах. Однако при переложенных лопастях ВРШ работает как ВФШ. На указанных режимах можно добиться его эффективной работы в плане как достижения более высокого КПД по сравнению с ВФШ, так и некоторого снижения переменных сил при его работе в неравномерном потоке за корпусом. Сказанное в определенной степени относится и к ВИШ. Вместе с тем ВИШ вследствие подвижного крепления лопастей на ступице позволяет реализовать еще один путь снижения переменной гидродинамической нагрузки, возникающей при его работе в неравномерном потоке за корпусом судна. Он заключается в реализации эффекта динамического «отключения» лопастей на ступице.
Эффект динамического «отключения» хорошо известен в технике. Он используется в амортизаторах и состоит в том, что в колебательной системе колеблющееся тело всегда находится в зарезонанс-ной зоне, т. е. в той зоне, где сила инерции и возмущающая сила направлены навстречу друг другу. За-резонансный режим характерен тем, что в этой области перемещения невелики, а велики ускорения, т. е. в области «работает» масса и силы инерции направ-
2
Рис. 13. Установка для иллюстрации физического эффекта динамического «отключения» лопастной системы от ступицы: 1 - ступица; 2 - лопасти;
3 - индикатор перемещения лопастной системы;
4 - крепежное отверстие на шайбе; 5 - упругие элементы; О - центр поворота лопастной системы; G - центр тяжести лопасти; А - центр поворота лопасти относительно ступицы
Fig. 13. Test rig illustrating the effect of dynamic blade "separation" from hub:
1 - hub; 2 - blades; 3 - blade displacement indicator; 4 - mounting hole in washer; 5 - elastic elements; О - pivot point of blade system; G - blade CoG; А - point of blade pivoting about the hub
лены против возмущающих сил. Благодаря сказанному силы инерции гасят силы возмущения.
Указанный эффект реализуется в ВИШ [5], поскольку лопасть, находясь в поле центробежных сил при вращении движителя, представляет собой колебательную систему: любые ее отклонения от равновесного положения вследствие действия переменных гидродинамических сил стремятся возвратить ее в равновесное положение за счет действия сил центробежных.
Исследования показали, что при любой частоте вращения ВИШ собственная частота колебания лопасти всегда ниже частоты вращения движителя. Это означает, что любые возмущения с вальной частотой и выше находятся в зарезонансной зоне и должны компенсироваться инерционной нагрузкой, возникающей от массы самой лопасти и ее присоединенной массы. Степень компенсации будет зависеть от геометрических и массовых характеристик лопастей ВИШ. Компенсировав переменные нагрузки, являющиеся источником вибрации и шумоизлучения, мы снизим их уровни.
Эффект динамической компенсации демонстрируется на стенде, представленном на рис. 13. Для иллюстрации физического эффекта динамического «отключения» лопасти от ступицы опыт проводят
V/Vo 1,0
0,5
-r'7 4~ / У L, - / /- a — N = 0 o \ ~t _ . 'V
\ 1 ..a = чч o / i- \ / f / I t
j / \ 7
a = 6 o J
l $етренная HflR етрен ная
сторона i i сторона 1 1
Рис. 14. Изменение номинального поля скоростей в месте расположения движителей автономному необитаемого подводного аппарата при различных углах атаки а
Fig. 14. Nominal wake field changes of AUV propulsors at different attack angles а
90
270
360
в двух вариантах. В первом лопасти закрепляются неподвижно относительно ступицы с помощью винта, находящегося в отверстии 4. Он жестко скрепляет обе лопасти 2 (благодаря шайбе) и ступицу 1 в единую конструкцию. Ударное воздействие на одну из лопастей, что эквивалентно высокочастотному воздействию на нее, обеспечивает первоначальное угловое отклонение указанной конструкции относительно центра О с двойной амплитудой, определяемой углом у0 (большой теневой сектор).
В случае отсутствия винта 4 лопасти 2 могут «свободно» перемещаться относительно ступицы 1. Эти перемещения носят зарезонансный колебательный характер благодаря упругим элементам 5, имитирующим центробежные силы на лопастях. Ударное воздействие по ним вследствие зарезонансного режима (режима, где работают силы инерции благодаря наличию массы у лопастей 2) приводит лишь к угловым перемещениям ступицы в диапазоне, показанном на рис. 3 углом уь Видно, что вследствие наличия массы у лопастей передающиеся нагрузки на ступицу значительно меньше (меньший угловой сектор).
Использование эффекта динамического «отключения» особенно важно в тех случаях, когда
предсказать неравномерность поля скоростей в диске винта затруднительно из-за нестационарности движения морского объекта.
Сказанное особенно относится к автономному необитаемому подводному аппарату (АНПА), у которого поле скоростей в месте расположения торпедного движителя изменяется достаточно быстро вследствие изменения углов атаки, дифферента и крена. АНПА практически никогда не движется по прямолинейной траектории, а совершает колебательные движения по углам (атаки, тангажа и т.д.) в пространстве. Такое движение отражается и на поле скоростей в месте расположения движителя, являющемся результатом обтекания АНПА, который произвольно ориентирован в пространстве. По данным [6], в этом случае изменение неравномерности потока в месте расположения движителей может быть значительным и существенно отличаться в каждый момент времени, в частности, из-за изменения углов атаки (рис. 14). Значительно изменяется и спектральный состав поля скоростей.
На рис. 15 дано пояснение принципа компенсации. Здесь показаны упор 1 и нестационарная часть
o
0
Рис. 15. Силы на элементе лопасти гребного винта: а) стационарный случай; б) нестационарный случай; V, шг - осевая и тангенциальная составляющие скоростей (без вызванных скоростей) соответственно; 1 - упор; 2 - составляющая упора, обусловленная неравномерностью потока; 3 - инерционная сила
Fig. 15. Forces on propeller blade element: a) steady case; b) unsteady case;
V, юг - axial and tangential components of speeds (without induced speeds) respectively;
1 - thrust; 2 - thrust component due to flow non-uniformity; 3 - inertial force
АКт1 /Кт
0,5 я
0,4
0,3 □
—
0,2
0,1
0
а)
i ' ВФШ
ВИШ _ П ■ 1
■
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Ст = Ст/(1+Ст)
0,08 0,06 0,04 0,02 0
Ky ♦ + в)
ВФШ
♦
О ♦
■О--- ВИШ
/s
О О -
0,2 0,3
0,4
0,5
0,6
Ст = Ст/(1+Ст)
0,2
0,4
0,6
Ст = Ст/(1+Ст)
Рис. 16. Результаты измерения пульсации относительного упора от изменения относительного коэффициента нагрузки: а) первая гармоника; б) условия проведения эксперимента; в) вторая гармоника; г) третья гармоника
Fig. 16. Measurement data on pulsation of relative thrust versus coefficient of load: a) 1st harmonic; b) test conditions; c) 2nd harmonic; d) 3rd harmonic
0
упора 2. Он появляется вследствие неравномерности потока, в котором работает движитель. Из-за перемещения лопасти в зарезонансном режиме возникает инерционная сила 3, проекция которой компенсирует гидродинамическую силу. Это приводит к снижению пульсирующей нагрузки при работе движителя в неравномерном потоке.
Для подтверждения сказанного на рис. 16 представлены сравнительные результаты измерения пульсации упора на ВИШ (лопасти «динамически» отключены от ступицы) и на ВФШ (лопасти неподвижно закреплены на ступице). В качестве ВФШ использовался тот же ВИШ, но с неподвижно закрепленными лопастями. Обе модели движителя работали в неравномерном поле скоростей, создаваемом решеткой и установленными на ней сетками (рис. 166). Результаты измерения нестационарного упора обрабатывались анализатором. В ходе обработки определялись три гармоники, представленные на рис. 16а, в, г. Секторальные сетки устанавливались так, чтобы усилить лопастную гармонику упора. Число лопастей у модели движителя было равно пяти. Как видно, они подтверждают, что «динамическое» отключение лопастей от ступицы приводит к снижению переменной составляющей упора движителя.
Есть и сравнительные обширные натурные данные, подтверждающие эффективность использования ВИШ в части снижения вибрации и шума, возникающего при работе их в неравномерном потоке за корпусом. Некоторые из них представлены на рис. 17 и 18.
Рис. 17. Результаты измерения уровней шума в полосе третьоктавных фильтров и интегральные уровни шума тральщика на тральном режиме
Fig. 17. Noise measurement data for the band of 1/3-octave filters and integral noise levels of minesweeper in sweeping conditions
Рис. 18. Уровни ходовой вибрации кормового отделения автономного необитаемого подводного аппарата
Fig. 18. Running vibration in the aft compartment of AUV
Таким образом, проведенные сравнительные натурные испытания подтвердили результат, полученный ранее в лабораторных условиях: шарнирное крепление лопастей в ступице является эффективным средством улучшения акустических качеств ГВ. Сформированные физические представления о работе таких винтов в неравномерном потоке показали, что улучшение их акустических качеств связано, во-первых, с изменением их гидродинамических и кавитационных характеристик при перемещении на ступице, во-вторых, с поглощением уровней звукоизлучения лопастей вследствие их колебания относительно рабочего положения на ступице, а в-третьих, с уменьшением структурной составляющей шума, обусловленного колебаниями самого корпуса из-за динамического «отключения» лопастей ГВ от ступицы.
Заключение
Conclusion
На основании изложенного материала можно сделать следующие выводы:
1. Полученные результаты разработок и натурные данные высокооборотных натурных винтов с перемещающимися на ступице лопастями применительно к различным морским объектам показали их достаточно высокую эффективность, способность во многом выполнять функции ВРШ при существенно более простой конструкции, повышая тем самым ходовые качества указанных морских объектов.
2. Важным достоинством винтов с подвижным креплением является то, что их лопастная си-
стема частично динамически «отключена» от ступицы. Это обеспечивает движителю (по сравнению с неподвижным креплением лопастей) существенное погашение их переменной составляющей гидродинамической нагрузки и, как следствие, снижение виброактивности движителя и судна в целом.
3. Говоря о перспективах развития лопастных движителей, разрабатываемых на основе подвижного крепления лопастей к ступице, следует сказать, что, несмотря на значительные результаты, их познание и совершенствование их конструктивных реализаций лишь начинается и существенно сдерживается отсутствием финансирования. Сказанное в значительной степени относится и к движителям роботизированных объектов, разрабатываемым на основе подвижного крепления лопастей к ступице.
Библиографический список
1. Басин А.М., Миниович И.Я. Теория и расчет гребных винтов. Л.: Судпромгиз, 1963.
2. Morgan Wm.B., Silovic V., Denny S.B. Propeller lifting-surface correction // TSNAME. 1968. V. 76.
3. Бавин В. Ф., Завадовский Н.Ю., Левковский Ю.Л., Мишкевич В.Г. Гребные винты, современные методы расчета. Л.: Судостроение, 1983.
4. Vishnevsky L.I., Togunjac A.R. Improvement reliability of ship installation with direct transmission of power by dynamically "switch off" the blade system of propeller // Proceedings of the 7th Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics in Naval Architecture, Ocean Technology and Subsea Technology. Vladivostok, 2014.
5. Вишневский Л.И., Тогуняц А.Р. Корабельные лопастные движители. Новые технические решения, результаты исследований. СПб.: Судостроение, 2012.
6. Воробьев А. С. Разработка метода определения поля скоростей в кормовой оконечности подводного аппарата при малых углах атаки: автореферат дис. ... канд. техн. наук. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2013.
7. Вишневский Л.И. О переменных давлениях на поверхности профиля при его колебаниях на зарезо-нансных частотах в условиях обтекания неравномерным потоком // Труды Крыловского государственного научного центра. 2013. Вып. 78(362). С. 135-144.
References
1. A. Basin, I. Miniovich. Theory and calculation of propellers. Leningrad, Sudpromgiz, 1963 (in Russian).
2. Morgan Wm.B., Silovic V., Denny S.B. Propeller lifting-surface correction // TSNAME. 1968. V. 76.
3. V. Bavin, N. Zavadovsky, Yu. Levkovsky, V. Mishkevich. Propellers: modern calculation methods. Leningrad, Sudostroyeniye, 1983 (in Russian).
4. Vishnevsky L.I., Togunjac A.R. Improvement reliability of ship installation with direct transmission of power by dynamically "switch off' the blade system of propeller // Proceedings of the 7th Asia-Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics in Naval Architecture, Ocean Technology and Subsea Technology. Vladivostok, 2014.
5. L. Vishnevsky, A. Togunyats. Marine blade propulsors. New technical solutions, results of studies. St. Petersburg: Sudostroyeniye, 2012 (in Russian).
6. A. Vorobyev. Development of wake field determination method for the stern of AUV at low attack angles. Auto-abstract of Cand. Sci. Theses. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2013 (in Russian).
7. L. Vishnevsky. On variable pressures on the surface of super-resonating profile in non-uniform flow. // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2013. Issue 78(362). P. 135-144 (in Russian).
Сведения об авторах
Вишневский Леонид Иосифович, д.т.н., ученый секретарь ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Мос-
ковское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 415-46-60. E-mail: [email protected].
Половинкин Валерий Николаевич, д.т.н., профессор, научный руководитель ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 386-67-03. E-mail: [email protected].
Тогуняц Анатолий Радиславович, к.т.н., начальник отдела проектирования судов АО «Гипрорыбфлот». Адрес: 197022, Россия, Санкт-Петербург, Инструментальная, 8. Тел.: 8 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected].
About the authors
Leonid I. Vishnevsky, Dr. Sci. (Eng.), Scientific Secretary, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-46-60. E-mail: [email protected]. Valery N. Polovinkin, Dr. Sci. (Eng.), Prof., Scientific Principal of Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 386-67-03. E-mail: [email protected]. Anatoly R. Togunyats, Cand. Sci. (Eng.), Head of Ship Design Department, JSC Giprorybflot. Address: 8, Instrumen-talnaya st., St. Petersburg, Russia, post code 197022. Tel.: 8 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 03.09.18 Принята в печать / Accepted: 21.05.19 © Коллектив авторов, 2019
