Конспект лекции на тему Винтовые характеристики

Винтовые характеристики.

Винтовые характеристики определяются зависимостями, представляющими собой квадратичную (рис. 14.4,а) или кубическую (рис. 14.4, б) параболы. Зависимость момента сопротивления (Н·м) гребного винта имеет вид квадратичной параболы и подчиняется выражению

М_в=С'n² (14.6)

Поглощаемая винтом мощность при тех же условиях должна подчиняться закону кубической параболы

(14.7)

где показатель степени при стендовых испытаниях принимается равным 3, в действительности же он зависит от гидродинамических свойств судна и гребного винта и для разных типов судов колеблется в пределах 1,5-3,5 (у большинства транспортных судов он близок к 3).

Если же принимать во внимание сравнительно небольшие потери мощности в промежуточной передаче от двигателя к гребному винту, считая, то при установившемся движении судна и прямой передаче должны существовать равенства между моментом сопротивления винта и крутящим моментом двигателя

М_в=M_е=С'n² (14.8)

и между поглощаемой винтом мощностью и мощностью двигателя

N_B=N_e=C"n³ (14.9)

Таким образом, при непосредственной передаче мощности (прямое соединение двигателя с гребным винтом) нагрузка двигателя по мощности и моменту однозначно определяется его частотой вращения п или скоростью v судна, поскольку при неизменных условиях плавания v₁/v₂ - n₁/n₂. Отсюда, если необходимо увеличить скорость судна в х раз, во столько же раз должна быть повышена частота вращения гребного винта и двигателя, а это в свою очередь может быть достигнуто путем увеличения крутящего момента двигателя в х² раз или мощности в х³ раз.

В практике использования винтовых характеристик часто бывает удобно заменить крутящий момент М_е на пропорциональное ему среднее эффективное давление р_е. Правомерность такой замены вытекает из следующего:

М_е = 9550N_е/п, но N_e = Cp_eni,

тогда

(14.10)

Винтовая характеристика, проходящая через точку номинального режима (1), пересекающаяся в этой точке с внешней номинальной характеристикой, когда орган управления подачей топлива находится в положении ТР_ном, называется теоретической или номинальной винтовой характеристикой (поступь винта λ_р1, см. рис. 14.4). Тогда согласно формуле (14.8)

Ре = С₂n² (14.11)

При изменении поступи винта [путь, проходимый винтом за один оборот λ_р = v_s/(n_вD)], а это возможно при изменении сопротивления движению судна, винтовая характеристика меняет свое положение и вид, меняется значение коэффициента С" в уравнении (14.9). Так, при увеличении сопротивления вследствие увеличения осадки судна, усиления встречного ветра или волнения, буксировки, обрастания корпуса скорость судна и поступь винта падают, поэтому гребной винт при той же частоте вращения поглощает больший крутящий момент. Винтовая характеристика, соответствующая новому значению поступи λ_р3 = const, на графике располагается левее характеристики. К подобному изменению приводит также утяжеление гребного винта (увеличение шагового отношения H/D), поэтому такая характеристика часто называется характеристикой «тяжелого» винта.

При работе двигателя в условиях неподвижного судна (на швартовах) λ_рш = v_s/(n_вD) = 0. В этих условиях гребной винт поглощает наибольший момент, и соответствующая винтовая характеристика λ_рш в семействе представленных на рис. 14.4 характеристик занимает крайнее левое положение.

При уменьшении сопротивления движению судна, что возможно при попутном ветре или уменьшении осадки (плавание в балласте), скорость судна и поступь винта возрастают, и винтовая характеристика, соответствующая новому значению поступи λ_р3 = const, располагается правее и ниже номинальной характеристики λ_p4 = const. Характеристика λ_р3 = const может быть получена и при установке винта с малым шаговым отношением или с обрезанными по диаметру лопастями, поэтому она называется характеристикой «легкого» винта. Аналогичное положение может занимать характеристика при плавании судна в балласте.

При работе двигателя в условиях «легкой» характеристики загрузка его оказывается значительно меньшей, чем в предыдущих случаях. В частности, для поддержания номинальной частоты вращения (точка 2 на рис. 14.4) от двигателя потребуются значительно меньшая мощность и среднее эффективное давление. Линией R показана регуляторная характеристика по предельной частоте вращения.

Изменение параметров двигателя при работе по винтовой характеристике показано на рис. 14.5, а.

Переход с режима полной нагрузки к малой осуществляется путем сокращения цикловой подачи топлива. Подача воздуха турбокомпрессорами с уменьшением нагрузки и частоты также уменьшается, но в меньшей степени. Поэтому коэффициент избытка воздуха увеличивается (на рисунке показан α_сум). Это влечет за собой рост индикаторного КПД и снижение расхода топлива g_i. Удельный эффективный расход топлива g_e в связи с уменьшением η_мех сначала несколько снижается, достигает минимума при п = 115 об мин, а затем растет. Наиболее экономичная работа двигателя обеспечивается в области (0,82-1) n_ном.

Уменьшение нагрузки и сокращение расхода g_ц приводит к падению температуры выпускных газов и максимального давления цикла.

Тепловая и механическая напряженность двигателя в области малых нагрузок и скоростей меньше, чем при полной частоте вращения. Об этом можно судить по изменению температур в поршне двигателя RND 68М (рис. 14.5, б, в).