Физические свойства и параметры жидкостей. Основные элементы потоков и виды течений. Кавитация. Уравнение Бернулли. Связь скорости и давления в потоке. Структура формулы для силы в гидродинамике. Геометрические и гидродинамические характеристики крыльев. Составляющие сопротивления судна, страница 7

12.  Геометрические и кинематические характеристики гребных винтов. Конструктивные особенности винтов различных типов.

Основными элементами гребного винта являются ступица, пред­ставляющая собой тело вращения, и укрепленные на ней лопасти . Расстояние Rоси винта до конца лопасти (точки, наиболее удаленной от оси) - радиус винта, его удвоенное значение равно диаметру винта DB= 2R. Боковую кромку лопасти, обращенную в сто­рону вращения гребного винта при переднем ходе судна, называют входящей, противоположную ей кромку - выходящей. Поверхность лопасти, обращенная в корму судна и воспринимающая реакцию отбрасываемой воды при переднем ходе судна, именуют нагнетатель­ной, противоположную ей (обращенную к корпусу судна) - засасываю­щей поверхностью. Форма лопасти характеризуется ее контуром, который образуется пересечением нагнетающей и засасывающей поверхностей. Число лопастей винта z=2-8 в зависимости от типа судна.

Рис.(1-лопасть;2-засасывающая поверхность;3-ступица;4-нагнетательная поверхность;5-входящая кромка;6-выходящая кромка;7-край лопасти;8-корень лопасти.)

В основе геометрии лопастей гребного винта лежит винтовая поверхность. Рассмотрим, как она образуется.

Возьмем горизонтальный отрезок прямой линии ВВ1 = r будем вращать его равномерно вокруг вертикальной оси 00, одновременно перемещая его вверх с постоянной скоростью (рис. 6.6). В результате такого сложного движения отрезок ВВ1 опишет в пространстве винто­вую поверхность. Если теперь вокруг оси 00 построить цилиндричес­кую поверхность радиусом г, то точка В1 опишет на этой поверхности винтовую линию. Отрезок ВВ1 называют образующей винтовой по­верхности, а путь, проходимый любой точкой образующей ВВХ в ак­сиальном направлении за один полный оборот вокруг оси 00, -геометрическим шагом винтовой линии Нв. Если ВВ1 не доходит до оси 00, то при одновременном поступательном движении она образует винтовую поверхность в виде винтовой ленты. Разрежем цилиндрическую поверхность с прочерченной на ней винтовой линией E1B1D1по вертикальной образующей E1D1и развер­нем   ее   на плоскость. Полученная   развертка   будет   иметь   вид прямоугольника ACDE, длина основания которого равна длине окруж­ности 2πr, а высота - шагу винтовой линии Hв. Если вращение и подъем образующей ВВ1 происходит с равномерной ско­ростью, то винтовая линия при этом превратится в гипотенузу ADпря­моугольного треугольника ADE, называемого шаговым треугольни­ком. Угол φ при основании треугольника именуют шаговым углом. Этот угол определяют из соотношения

Отношение шага винтовой поверхности, положенной в основу образо­вания лопасти, к диаметру винта называют шаговым отношением HB/DB.

Рассекая телесную лопасть соосным с винтом цилиндром радиусом г и развертывая контур полученного сечения на плоскость, получаем профиль сечения лопасти на данном радиусе. В зависимости от типа и условий работы винта применяют сегментные, авиационные и клино­видные профили . У сегментных профилей наибольшая тол­щина приходится на середину хорды профиля, у авиационных она смещена к передней кромке в район трети хорды профиля. Сегментные и авиационные профили могут быть плосковыпуклыми, двояко­выпуклыми и выпукло-вогнутыми. В зависимости от направления вращения образующей лопастей гребные винты могут быть правыми и левыми.

Рис.  Профили сечений греб­ного винта: а — сегментный; b- авиационный;  в- клиновидный

Кинематические характеристики гребного винта.

Представим себе, что гребной винт или лопастной элемент винта вращается не в воде, а в твердой среде. Тогда за один оборот он пройдет в аксиальном направлении путь, равный геометрическому шагу. В воде расстояние, проходимое винтом за один полный оборот, будет меньше шага. Путь, проходимый гребным винтом в во­де в осевом направлении за время, соответствующее одному обороту, называют поступью гребного винта hp= υр /n. В теории гребных вин­тов в качестве важнейшей кинематической характеристики исполь­зуют относительную поступь λpp/(DBn). Скорость движения греб­ного винта в твердой среде в осевом направлении была бы Hвn, ско­рость этого же движения в воде будет меньше. Разность Нвп-υр именуют скольжением гребного винта S1. Важным кинематическим параметром гребного винта является относительное скольжение

Величина υр - это скорость движения гребного винта в жидкости в аксиальном направлении, не равная скорости судна относитель­но воды.

Оба кинематических параметра связаны между собой. Как следует из выражения:

Треугольники пути, пройденного гребным винтом за один оборот (а), и его скоростей (б)

13. Образование упора и момента гребного винта в свободной воде.

Рассмотрим    многоугольник    скоростей    потока,    натекающего на кольцевой элемент лопасти  винта толщиной dr,  образованный сечениями винта двумя соосными с ним цилиндрами радиусами г и r + dr:

Очевидно, что этот элемент можно рассматривать как элемент крыла, расположенный в потоке жидкости под некоторым углом атаки αi,-. Двумя взаимно перпендикулярными сторонами этого многоугольника являются окружная скорость ωr = 2πrn, обусловлен­ная вращением гребного винта, и осевая скорость υр, вызванная посту­пательным движением элемента лопасти в жидкости в направлении движения судна.

Угол β = arctg (υpr) называют углом поступи. Поскольку углы АОВ и CDBравны, то угол βi,- определится формулой:

Этот угол именуют углом индуктивной поступи. Он характеризует режим работы рассматриваемого элемента гребного винта с учетом индуктивных потерь, являющихся следствием появления вызванных скоростей ωа и ωt

Направление вектора результирующей скорости υiи хорды элемен­та лопасти определяют три угла: угол атаки элемента ло­пасти αr, кромочный угол αк, угол нулевой подъемной силы α0.

В соответствии с теорией крыла на рассматриваемом элементе ло­пасти возникнут сила профильного сопротивления dX, направленная вдоль вектора скорости υi, и перпендикулярная к ней подъемная си­ла dY. Проецируя эти силы на ось Ох, совпадающую с направлением окружной скорости элемента лопасти, и перпендикулярную к ней ось Оу, совпадающую с направлением поступательной скорости винта, получаем соответственно элементарные упор и касательную силу: