Основы проектирования и расчета судового валопровода, страница 9

Сила тяжести гребного винта приложена к консольной кормовой части гребного вала. В расчетах учитывают уменьшение веса винта за счет выталкивающей силы воды:

                                          .                               (5.9)

Здесь  – сила тяжести гребного винта на воздухе;  – плотность морской воды,  = 1025 кг/м³;  – плотность материала винта: для стали  = 7850 кг/м³ , для бронзы  = 8500 кг/м³ .

При отсутствии паспортных данных массу стального гребного винта (кг) можно ориентировочно оценить по эмпирической формуле

                                                                           (5.10)

где  – диаметр гребного винта, м.

Масса гребных винтов ледоколов примерно в два раза больше значения, подсчитанного по (5.10). Масса винтов из бронзы также больше расчетной величины на 10%.

Нагрузки от масс элементов валопровода являются постоянными. Однако при вращении они создают переменные напряжения, изменяющиеся по симметричному циклу. Период цикла равен времени одного оборота гребного винта.

Упор относится к силам гидродинамической природы и является следствием работы гребного винта в потоке воды. Из-за влияния корпуса судна скорость потока оказывается переменной, соответственно меняется во времени упор. На его нестационарность оказывают влияние как эксплуатационные (загрузка судна, частота вращения гребного винта, волнение моря), так и геометрические факторы (число лопастей, место расположения валопровода, кормовые обводы корпуса). Несмотря на многообразие корреляционных факторов, частота доминанты переменного упора совпадает с так называемой лопастной частотой, которая определяется произведением числа лопастей на частоту вращения винта.

Средняя интегральная величина упора вычисляется по формуле [14]

                                                                  (5.11)

где  и  – КПД гребного винта и передачи;  – коэффициент засасывания;  – скорость судна, уз.

При среднестатистических значениях  = 0,66;  = 0,98 и                                                 = 0,18 вместо (5.11) можно записать

.

Амплитудное значение упора гребного винта также может быть подсчитано по интегрально-дифференциальным зависимостям лопастной теории. Это – весьма трудоемкий путь, поэтому в инженерной практике чаще используют простые соотношения, которые удовлетворительно согласуются с экспериментом. Например, на рис. 5.15 приведено изменение отношения / ( – амплитуда упора) в зависимости от числа лопастей гребного винта. Обращают на себя внимание следующие факты: гребные винты с четным числом лопастей создают большие колебания упора по сравнению с винтами, имеющими нечетное количество лопастей; увеличение числа лопастей сопровождается уменьшением пульсаций упора.

Рис. 5.15. Относительные амплитуды упора гребного винта

Периодический характер изменения упора способствует появлению осевых колебаний судовых валопроводов.

При работе гребного винта в неравномерном потоке распределенные силы, действующие на каждую лопасть, могут быть сведены к главному вектору и главному моменту. Вследствие этого помимо упора на гребном винте возникают переменные моменты. В установках с ДВС амплитуда крутящего момента от двигателя в несколько раз превышает амплитуду гидродинамического крутящего момента. На этом основании переменный характер крутящего момента от гребного винта, как правило, не учитывают.

Изгибающий гидродинамический момент изменяется с лопастной частотой и является возбудителем изгибных колебаний. Плоскость действия этого момента расположена под углом (15¸45)° к вертикали. Следовательно, можно говорить о горизонтальной и вертикальной составляющих изгибающего момента.

Средние и амплитудные значения составляющих изменяются примерно пропорционально квадрату частоты вращения гребного винта, т.е. представляют собой линейную зависимость от крутящего момента. По этой причине на стадии эскизного проектирования пользуются такой зависимостью и гидродинамические моменты определяют в функции  (табл. 5.3).

Таблица 5.3