§ 26 Расчет статических характеристик гребных установок

Обоснованный выбор статических характеристик является одной из основных задач проектирования гребной установки. Для обычных транспортных судов характеристики выбирают обычно по двум точкам, соответствующим полной мощности при швартовном режиме и при ходе на свободной воде. Для ледокола обычно назначают дополнительно еще одну точку, соответствующую стоянке гребного двигателя под током. Однако такой подход не удовлетворяет всем реальным режимам эксплуатации ледокола.

Так, в частности, гребная установка ледокола не должна допускать остановки гребного двигателя при попадании льда под лопасти винта (см. § 24).

Статические характеристики гребной установки включают как характеристики изменения момента сопротивления вращению гребного винта в зависимости от его скорости при различных режимах работы М_с = f(n_в), так и механические характеристики гребного двигателя в тех же режимах n = f(М). Точки пересечения кривых механических характеристик гребного электродвигателя с кривыми характеристик момента сопротивления винта определяют установившиеся (статические) режимы работы гребной установки.

Исходными данными для расчета являются характеристики, определяющие связь между моментом сопротивления вращению винта и скоростью его вращения. Для ледокола это момент сопротивления гребного винта в свободной воде М_в = f(n_в) и момент сопротивления при взаимодействии винта со льдом М_л = f(n_в), т. е.

Механическая характеристика гребной установки n = f(М), выбираемая по кривой М_с = f(n_в), должна удовлетворять всем эксплуатационным режимам работы установки. Поэтому для выбора n = f(М) необходимо построить суммарную характеристику момента сопротивления.

Характеристику М_в определяют аналитическим методом либо принимают по данным испытаний модели гребного винта в бассейне (обычно при скорости хода ледокола V = 6 уз).

Для определения момента сопротивления, обусловленного попаданием льда под лопасти винта, М_л = f(n_в), можно воспользоваться методикой, изложенной в [35]. При этом необходимо знать как величину силы, направленной по касательной к диску винта, так и плечо, на котором она приложена.

Сила, необходимая для разрушения льда, может быть определена по формуле

где р — удельное давление, соответствующее разрушению льда; f — площадь поперечного сечения разрушаемого льда. Наблюдение за разрушением льда лопастью винта показывает, что этот процесс можно уподобить действию клина. При врезании лопасти в лед происходит его смятие входной кромкой на ширину, приблизительно равную толщине лопасти е, сопровождающееся скалыванием. Поэтому силу, необходимую для разрушения льда, можно представить как равнодействующую двух сил: силы смятия Р_см и силы скалывания Р_ск:

Сила смятия направлена по касательной к диску винта и определяется выражением

где р_см — удельное давление разрушения льда смятием, которое при расчете следует принимать равным 260 000 кгс/м²;
e₁ — средняя толщина лопасти, м;
r_л — глубина врезания лопасти винта в льдину, м.

Сила скалывания направлена под некоторым углом к силе смятия. Проектируя силу скалывания на плоскость диска винта, получим составляющую этой силы, которая создает момент сопротивления вращению:

 

Все сказанное относится к случаю, когда при разрушении льда лопастями винта имеет место его скалывание и смятие. Поскольку при попадании льда под лопасти винта скорость его вращения снижается и соответственно увеличивается шаг скалывания, при некоторой скорости вращения может иметь место только смятие льда лопастью.

Сила, необходимая для разрушения льда смятием, может быть определена по формуле

Выражение для момента сопротивления вращению винта будет

Следует отметить, что минимальные величины усилия смятия и момента сопротивления будут соответствовать n_в = V/H (т. е. шагу нулевого упора), поскольку в этом случае проекция ширины лопасти на плоскость смятия льда будет равна е₁ (Н — шаг винта).

Построив зависимости М'_л = f(n_в) и М''_л = f(n_в) и ограничив их величиной минимального момента сопротивления, получим характеристику момента сопротивления, обусловленного попаданием льда под лопасти винта, в функции от скорости его вращения (заштрихованная кривая на рис. 121).

Суммарная характеристика момента сопротивления гребного винта М_с может быть построена суммированием ординат характеристик М_в и М_л согласно формуле (123).

Механическую характеристику гребного электродвигателя можно выбирать, руководствуясь следующими соображениями:

а) предельное значение скорости вращения гребного электродвигателя (например, случай потери гребного винта) должно соответствовать требованиям Регистра СССР и техническим условиям на поставку гребного двигателя;

б) в диапазоне характеристик гребного винта от хода на свободной воде до швартовной механическая характеристика должна совпадать с гиперболой постоянства мощности;

в) в диапазоне скоростей вращения гребного винта от n_gl , соответствующей швартовному режиму, до n_g2, соответствующей нулевому упору, механическая характеристика должна располагаться возможно ближе к гиперболе постоянства мощности и пересекать характеристику М_с. При этом двигательный момент гребного двигателя должен быть максимальным.

Выбор параметров и расчет характеристик гребного двигателя, генератора и систем возбуждения производят, исходя из указанных особенностей статических характеристик ГЭУ ледоколов. Правильность предложенной методики построения М_л = f(n_в) можно подтвердить сравнением расчетных данных с результатами натурных испытаний.

 

На рис. 121 построена расчетная характеристика для носового гребного винта ледокола Капитан Воронин (глубина врезания лопасти в лед — 1 м, скорость судна — 1,6 м/сек). На этом же графике нанесены натурные точки ледового момента, полученные при осциллографировании процесса взаимодействия гребного винта со льдом. Сходимость опытных и расчетных данных весьма удовлетворительна.

На рис. 122 построены статические характеристики режима взаимодействия гребного винта со льдом для ледокола Москва при глубине врезания, равной половине и полной длине лопасти. Механическая характеристика ГЭУ этого ледокола (кривая IV) не имеет точек совместной работы с кривой VI. На практике это приводит к частым случаям заклинивания гребных винтов. Штриховой линией на рис. 122 обозначена механическая характеристика ГЭД, которая исключает заклинивание гребного винта. В отличие от фактической кривой IV, желательная форма механической характеристики на некотором участке (она является продолжением гиперболы постоянства мощности и показана на рисунке штриховой линией) пересекает кривую VI в точке А и обеспечивает в этой точке достижение максимального момента.

На рис. 123 построены статические характеристики для режима взаимодействия гребного винта со льдом при ходе ледокола Капитан Воронин со скоростью 6 уз. Механические характеристики гребного электродвигателя построены для двух значений скорости вращения генераторов: нормальной — 325 и форсированной — 400 об/мин. Глубина врезания лопасти в лед принята равной длине лопасти. Из рисунка видно, что ГЭУ не в состоянии обеспечить успешную работу при взаимодействии гребного винта со льдом ни в нормально-эксплуатационном режиме, ни в форсированном.

На рис. 124 построены статические характеристики среднего контура ГЭУ атомохода Ленин. При полной мощности, его гребная установка в состоянии обеспечить нормальную работу в случае попадания льда под лопасти винта, так как М = f(n) пересекает характеристику М_с = f(n). Точка А характеризует устойчивую работу ГЭУ. Расчеты показывают, что даже в случае предельно возможного взаимодействия гребного винта со льдом заклинивания не должно происходить. Практика эксплуатации ледокола подтверждает, что случаев заклинивания его винтов не отмечалось.

С помощью расчета по предложенной методике можно выбрать оптимальные статические характеристики ГЭУ с учетом основных требований, предъявляемых к работе гребной установки во льдах. Результаты расчета показывают, что при соблюдении постоянства момента вращения на гребном валу время торможения, считая от начала реверса до остановки ледокола на чистой воде, увеличивается на 46%, а путь, проходимый судном — примерно на 47%, по сравнению с аналогичными параметрами при постоянной мощности на гребном валу. Общее время торможения (от момента начала реверса до момента, соответствующего достижению ледоколом полного заднего хода) при этом увеличивается примерно на 71%.