Устройство для улучшения гидродинамических характеристик гребного винта (варианты)

Изобретение относится к судостроению и касается разработки устройств для улучшения гидродинамических характеристик гребных винтов. При первом варианте реализации устройство оно содержит насадку этого гребного винта и расположенный перед последним направляющий аппарат в виде соосного винту кольца. Направляющий аппарат имеет расположенные между упомянутыми кольцом и насадкой ячейки, выполненные в виде полых цилиндров или обращенных к винту своими меньшими основаниями конусов. Ячейки могут быть скреплены между собой, а периферийные - и с насадкой гребного винта. Целесообразно ячейки располагать в несколько рядов при площадях поперечного сечения и длинах образующих этих ячеек, уменьшающихся по мере удаления ряда от общего центра. Внутренняя поверхность ячеек может иметь резьбу, соответствующую направлению вращения винта. При втором варианте реализации устройства оно имеет, кроме насадки гребного винта, расположенный перед последним направляющий аппарат. Направляющий аппарат выполнен в виде одного ряда ячеек в виде полых цилиндров или обращенных к винту своими меньшими основаниями конусов, оси которых расположены на окружности, соосной винту, при этом ячейки могут быть скреплены между собой и с насадкой. Внутренняя поверхность ячеек, как и при первом варианте реализации устройства, может иметь резьбу, соответствующую направлению вращения винта. Технический результат заключается в уменьшении интенсивности или ликвидации вихреобразования при эксплуатации гребного винта, чем достигается улучшение его гидродинамических характеристик. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относятся к гидродинамике гребного винта и может быть использовано в судостроении, особенно в крупнотоннажном, при применении винтов большого диаметра.

Рассмотрим работу гребного винта, пользуясь гидромагнитной аналогией (9, с.89). Вращаясь, лопасти винта отбрасывают назад жидкость, создавая гидродинамические силы и ее осевую скорость (1). За винтом струя жидкости закручивается в сторону его вращения (фиг.1). Перед винтом возникает область пониженного давления. За винтом - область повышенного давления. В результате образуется сила - упор, направленная вперед. Наибольшая скорость жидкости в осевом направлении (вниз по потоку) достигается лишь на некотором расстоянии за винтом. Благодаря этому, а также закрутке, вначале струя (спутное течение - СТ) сжимается, а затем расширяется под уменьшающимся углом.

Представим гидродинамическое поле гребного винта в виде пространственного диполя, комбинации источника и стока с равными расходами. Упрощенное силовое поле является набором "эллиптических" силовых линий, расположенных вокруг винта. Здесь полезна аналогия с электромагнитным полем соленоида, состоящего из двух половин: неподвижной (пространство за винтом) и подвижной (пространство перед винтом). Источником является северный полюс, а стоком - южный (фиг.2).

Принципиальным отличием поля винта от поля соленоида является наличие у первого закрутки силовых линий (для упрощения закрутка на фиг.2 не показана). Также не показано влияние корпуса носителя. В соответствии с (1, c.95) крутящий момент винта рассчитывается по формуле

где D - диаметр винта (м),

n - скорость вращения винта (об./сек.),

ρ - плотность жидкости (кг. сек²/м⁴),

К₂ - коэффициент момента.

Из формулы следует наличие резкого различия величины крутящего момента у винтов большого и малого диаметра. Отношение их может достигать 6÷8 порядков.

Выражение для упора винта имеет вид: Р_у=К₁·ρ·n²·D⁴, где К₁ - коэффициент упора. Отношение упоров указанных винтов может достигать 5÷7 порядков. Давление за винтом большого диаметра значительно превышает давление за винтом малого диаметра. Следствием этого является существенное возрастание сил трения между слоями жидкости. К этому же приводит и увеличение гидростатического давления среды.

Таким образом, для винтов большого диаметра характерно наличие очень больших крутящего момента и упора. Например, увеличение диаметра в два раза приводит к увеличению момента в 32, а упора в 16 раз (при постоянных оборотах). В результате резко возрастает степень закрутки жидкости.

Уточняя картину силового поля, рассмотрим траекторию одной замкнутой силовой линии, сходящей с концевой кромки лопасти (рис.1, Л.5). Такая линия является спиралью. Визуализация ее кавитационными пузырьками начинается на ступице, на засасывающей стороне. Далее линия поднимается к концевой кромке лопасти и уходит в пространство, вниз по потоку, образуя спираль. Начальная часть линии подтверждает факт закручивания потока перед винтом. За винтом шаг спирали на начальном участке в основном определяется шагом винта по концевой кромке. По мере движения вниз по потоку шаг спирали увеличивается, а ее радиус незначительно уменьшается. Последнее обусловлено освобождением пространства, занятого ступицей, и происходит на коротком участке (фиг.6).

По мере ослабления силы закручивания радиус спирали увеличивается, а ее шаг уменьшается. Это более длинный участок интенсивного увеличения, и его геометрия подтверждается расширением спутного течения (СТ) за кормой носителя (5, фото СТ). Шаг спирали приближается к нулю и меняет свой знак на противоположный. Спираль начинает свое движение в противоположном направлении по большому радиусу, т.е. к винту, на засасывающую поверхность лопасти. Дальнейшее распространение спирали происходит с уменьшением радиуса и увеличанием шага. Таким образом, происходит замыкание спирали - силовой линии.

Совокупность множества силовых линий образует силовое поле гребного винта. Вдоль этих линий происходит движение масс жидкости. Для глубоко погруженного винта картина поля осесимметрична. При уменьшении глубины возникает асимметрия в вертикальной плоскости. Плотность поля над винтом больше плотности под винтом. Считаем, что винт расположен значительно ближе к поверхности, чем к дну объема жидкости. C уменьшением глубины степень асимметрии увеличивается. Расположение перед винтом носителя также создает асимметрию: повышение плотности перед винтом, возникновение скоса потока. Определенная асимметрия возникает при наличии плотностной стратификации, например, от близости и величины скачка плотности, от наличия внутренних волн, от удаленности дна.

Продолжим рассмотрение симметричного поля. Шаг спиралей по мере перемещения к ступице изменяется, чаще увеличивается. Используем понятие среднего шага (3, с.13), вихревой трубки, вихревого слоя и ядра вихря (9, с.172-182). У винта вихревые образования начинаются на ступице (фиг.1), в ядре, центр которого расположен на оси. С увеличением крутящего момента и упора ядро начального вихря перемещается по оси вперед, достигая диска винта, и далее. Начальные вихревые движения, обусловленные работой винта, могут иметь место в вертикальной плоскости, расположенной впереди диска на расстоянии, превышающем половину длины корпуса носителя (5, рис.4). Автор наблюдал устойчивое образование двух вихрей в передней части корпуса носителя при движении против течения с малой скоростью (двухвальная модель, отсутствие волнения). Вихри синхронно возникали в носовой части, по бортам; перемещались к корме, увеличиваясь в диаметре. За кормой, в районе расположения винтов вихри исчезали. После этого в носовой части образовывалась следующая пара вихрей.

Геометрическую модель поля около винта можно представить в виде двух конусов, имеющих одну ось и основание. Их ось совпадает с осью винта, а основание с диском винта. В переднем конусе - недостаток давления, в заднем - избыток. Конусы усеченные. Их общее малое основание совмещено с диском винта. На фиг.4 за кормой носителя хорошо просматривается задний конус. На фиг.1 хорошо видны вихревые жгуты силовых линий, сходящие с краев лопастей. Их число равно числу лопастей. Имеется такое же количество осевых жгутов, являющихся остаточным результатом деятельности засасывающих поверхностей лопастей (передний конус).

На образовавшийся перед винтом водоворот (вначале его ось горизонтальна) действует выталкивающая сила, направленная вверх (устойчивая стратификация). При неустойчивой плотностной стратификации эта сила направлена вниз. В области, окружающей ось водоворота, имеет место разрежение (дефицит давления). Встречный поток и выталкивающая сила создают результирующую силу и момент вращения. Водоворот описывает в вертикальной плоскости подобие сектора-квадранта. Существование водоворота носит циклический характер. При зарождении его ось горизонтальна, при исчезновении - вертикальна (точнее, наклонена назад).

В большинстве случаев выталкивающая сила направлена вверх, и водоворот циркулирует в верхней половине пространства. Этот случай и будет рассмотрен подробнее (фиг.3). Водоворот на поверхности просматривается редко, так как его верхняя часть находится в турбулентном пограничном слое носителя. Примерно на середине корпуса начинают действовать (НРВ) носовые расходящиеся волны (10, с.20). Их действие на водоворот, особенно на его концевую часть, направлено от корпуса (фиг.4). В результате траектория движения водоворота более сложная. Она является. совместным действием системы сил: выталкивающей и деформирующей. Возможны случаи, когда сила деформации от действия BB и HPB будет доминирующей. При этом характерным атрибутом рассматриваемого явления будут: его зарождение, рост, достижение максимума, спад и исчезновение, а также их периодические повторения. Указанное проявляется в пространстве, окружающим винт, т.е. в структуре силового поля.

Рассмотрим дополнительные факторы, влияющие на возникновение водоворота перед винтом. Их можно разделить на способствующие и препятствующие, на долговременные и кратковременные. К способствующим долговременным относится двухзальная модель носителя с внутренним вращением винтов (3, с.9). У нее момент вращения от корпуса направлен согласно с моментом водоворота при его подъеме (фиг.5а). При наружном вращении винтов моменты направлены встречно (фиг.5б), что препятствует развитию водоворота. Одновальную модель следует отнести к препятсвующей, так как рулевой комплекс разделяет пространство на две части. Однако водоворот может расчлениться на два, но менее мощных. Винт в насадке - это увеличение плотности силового поля и повышение вероятности образования (усиления) водоворота. Парные винты, работающие "враздрай" - ослабление водоворота.

Кратковременные факторы действуют эпизодически, в течение особых режимов движения, например на циркуляции, при качке и т.п. Они способны усилить (ослабить), возбудить (погасить) водоворот на один или несколько циклов. Возможны случаи, когда у винта относительно малого диаметра (крутящий момент меньше критического, и на прямолинейном курсе водоворот отсутствует) под влиянием фактора возникает устойчивый водоворот. Количество циклов водоворота пропорционально длительности фактора.

Последствием циклического действия водоворота является циклической изменение упора винта, его величины и направления. Период водоворота определим по формуле

где t₀ - время образования (длительность переднего фронта),

t_u - время исчезновения (длительность заднего фронта),

t_д - время действия.

где L - длина оси водоворота в горизонтальном положении,

U_н - скорость носителя.

Частота обратна периоду . Упор можно представить в виде пульсирующей временной зависимости, в которой выделяется постоянная и переменная составляющие. Задаваясь значением L=100 м и принимая U_н=5 м/с, получим приблизительные значения периода - 20 c и частоты - 0,05 Гц.

Вектор упора имеет вертикальную составляющую, изменяющуюся за период от нуля до максимума. При этом относительно центра тяжести носителя периодически возникает момент крена (фиг.7б), приводящий к килевой качке при прямолинейном движении. На циркуляции возникает бортовая качка (см. систему сил на фиг.7г). Качка от указанных, режимов движения носителя усиливается при неблагоприятной, интерференции. На фиг.7д показана система сил с учетом центробежной R_ц на циркуляции.

Отметим, что до настоящего предложения в литературе при проектировании винтов и движительных комплексов считалось, что винт (независимы от его диаметра) засасывает воду со всех трех сторон примерно одинаково. Возможность существования перед винтом водоворота не учитывалась и не предполагалась. Поэтому выбор и анализ аналогов и прототипа затруднен. Автор считает, что данное изобретение является пионерным.

Продолжим описание водоворота. Циркулируя перед винтом, он значительно повышает уровень шума. Достигая поверхности, водоворот засасывает воздух, что уменьшает постоянную составляющую упора, увеличивает амплитуду его переменной и уровень шума. При этом увеличивается неравномерность загрузки лопастей и, как следствие, повышается уровень вибраций. Врезультате снижается коэффициент полезного действия движителя.

Покажем, что построенная физическая модель силового поля гребного винта не противоречит основным положениям вихревой теории (9, с.170-182; 4, с.36-70; 12, c.104-141). Силовая линия замкнута, т.е. она не имеет ни начала, ни конца. Движитель имеет определенную мощность. Следовательно, число силовых линий конечно. Вблизи винта плотность силовых линий больше, чем на удалении. Силовое поле распространяется в бесконечность. Однако его влияние конечно из-за наличия силового поля фона. Напряженность вдоль силовой линии не изменяется. Интенсивность вдоль вихревой трубки также не изменяется, она постоянна по длине трубки. Более удаленные силовые линии создают меньшие напряженности. Интенсивность более удаленных вихревых трубок убывает. Длина силовой линии увеличивается по мере удаления на периферию поля. Мощность, приходящаяся на единицу длины, уменьшается. Учитывая геометрию винта, отметим, что по мере приближения к ступице мощность силовых линий уменьшается.

Поперечные эпюры средних осевых скоростей, измеренные в модельных экспериментах (1, 2, 4, с.69), показывают их наличие не только вблизи за винтом, в его струе, но и вне струи и далеко за движителем. При этом обнаруживается обратное течение в осевом направлении, наиболее интенсивное вблизи границы струи. Иными словами: поперечные эпюры на границе струи (вблизи винта) меняют свой знак. Следовательно, основная струя, текущая от винта, окружена периферийной, текущей к винту, на засасывающую сторону. Они расположены концентричнее оси винта. Это подтверждает правильность представленной модели на периферии участков 2, 3 и 4 (фиг.6). Модельные испытания (4, с.19, фото 2а) показывают наличие расходящейся спирали, что подтверждает модель на участке 4 (фиг.6).

Радиальные скорости нестационарного потока далеко за движителем не равны нулю. В струе (как далеко за движителем, так и в плоскости диска) пульсации радиальных скоростей растут от ее оси к периферии, а вне струи убывают с ростом радиуса (4, с.69). Это также подтверждает стремление силовых линий отклониться от оси винта к периферии, имея вертикальную (радиальную) составляющую, и изменить направление распространения на противоположное (рис.2а). В пространстве сопряжения силовых линий противоположного направления возникают наибольшие пульсации как осевых, так и радиальных скоростей.

Современные супертанкеры и суда для навалочных грузов отличаются большим значением коэффициентов полноты, что приводит к значительной неравномерности потока в месте установки движителя. Неравномерность потока может явиться причиной вибраций и больших периодических нагрузок на гребной вал. Гребной винт работает за корпусом судна в неравномерном потоке, скорости которого в верхней части диска винта меньше, чем в нижней (3, с.319).

Попытаемся установить главную причину неравномерности потока перед винтом, используя результаты испытаний, изложенные в 3 и 4. Гребные винты с числом лопастей 5, 6 и 7 используются в основном для уменьшения возмущающих сил при повышенной неравномерности поля скоростей за корпусом судна и высокой мощности силовой установки (3, с.17-28). При увеличении числа лопастей с 5 до 7 КПД винтов в свободной воде снижался на 2% (модель).

В настоящее время основными критериями выбора числа лопастей являются вопросы снижения возмущающих периодических сил, передаваемых на валопровод и корпус судна. Винты за корпусом работают в переменном поле скоростей и давлений. За один оборот винта силы, действующие на отдельные лопасти, различны, и равнодействующая сила всего винта приводится к силе, не совпадающей с осью винта, и моменту, действующему не в плоскости диска. Поэтому кроме периодически меняющихся силы упора и момента сопротивления вращению на винте возникает поперечная сила в плоскости вращения винта и момент, изгибающий гребной вал (3, с.20-22).

Авторы (3, с.20) считают, что повышенная полнота кормовых обводов танкеров и рудовозов обуславливает особенно высокую неравномерность величины и направления потока, натекающего на винт. Модельный эксперимент показал, что U-образный вариант обвода приводит к более равномерному распределению по окружности осевого попутного потока. При этом тангенциальная составляющая изменяется слабо. Второй вариант модели имел V-образный кормовой обвод. При этом количественная оценка отсутствует.

Способ уменьшения амплитуд колебаний упора и крутящего момента для гребных винтов с четным числом лопастей и изгибающего вал момента с нечетным числом лопастей (модельный: эксперимент, 3, с.25) предусматривал эксцентричное смещение винта относительно диаметральной плоскости к правому борту на 5 и 10% от диаметра винта. При этом отклонения от среднего значения не превысили по упору 5%, по моменту сопротивления вращению 3%. Увеличение мощности на валу не превысило 4%.

Модельные исследования влияния формы сечения и контура лопастей (3, с.29-40) показали изменения КПД винта на 5%. Модельные исследования влияния размеров и формы ступицы винта (3, с.41-46) на его гидродинамические характеристики показали, что это влияние невелико (влияние диаметра ступицы пренебрежимо мало) при диаметре ступиц, не превышающем пятую часть диаметра винта.

Учитывая изложенное, необходимо заключить: перечисленные факторы не играют решающей роли в создании мощных пульсаций скоростей и давлений перед винтом. Главной причиной является водоворот перед винтом и его циркуляция.

В модельных испытаниях водоворот перед винтом отсутствует. Влияние того или иного фактора на изменения упора и крутящего момента проводятся в свободной среде. Указанное делает анализ более строгим, а эксперимент более чистым.

В (3, c.124) сообщается о влиянии на попутный поток дискретных вихрей, развивающихся в носу и в кормовой оконечности вследствие пространственного обтекания корпуса. В районе скулы, в носовой оконечности образуется пара дискретных вихрей. Подобная же пара вихрей большей интенсивности образуется в корме. Дискретные вихри не только вызывают перераспределение скоростей течения в пограничном слое, но и приводят к появлению сложных поперечных течений.

В изложенном отсутствует связь между носовыми и кормовыми вихрями и их возможная связь с потоком в диске винта. Последнее является обязательным, так как ось вихря (водоворота) должна оказаться в диске винта. При расчете нестационарных сил сведения о натекающем на винт потоке получают из модельного эксперимента по измерению номинального поля скоростей. При этом не учитывается влияние на поле работающего гребного винта (3, с.125). Автор изобретения при построении физической модели силового поля гребного винта учел это влияние.

В (3, с.125) сообщается о том, что влияние работающего гребного винта в большей степени должно исказить характер и степень неравномерности натекающего потока. Автор изобретения считает, что основные гидродинамические характеристики судна определяются его движителем. Корпус и его части искажают поле движителя. Меры коррекции этого поля в первую очередь должны учитывать его особенности и при необходимости воздействовать на их источник, т.е. на водоворот перед диском винта. Возвращаясь к "дискретным" вихрям, необходимо заметить о их маловероятности. В действительности по каждому борту существует одно вихревое образование, ось которого начинается в диске винта. Вначале этот вихрь просматривается в носовой части. Затем по мере сноса потоком из-за полноты корпуса и НРВ вихрь (его верхняя часть) исчезает под днищем (ниже ватерлинии). При уменьшении полноты корпуса в кормовой части вихрь вновь показывается на поверхности.

Таким образом, вихрь непрерывен в течение всего цикла. Его визуализация на поверхности при V-образных обводах непрерывна (см. с.3), а при U-образных обводах дискретна.

Вернемся к рассмотрению фиг.1. По оси имеем систему центральных вихрей, сбегающих в поток. Эта система локальна и не смешивается с периферийной по крайней мере на участке 2 фиг.6. Малые вихри образуются корневыми поверхностями лопастей, где имеется наибольший дефицит давления. Обе системы вихрей (периферийная и центральная) имеют "привязку" к винту. Каждая лопасть индивидуальна. Последнее обуславливает флуктуации средних значений упора и крутящего момента, измеренных на валу в течение одного оборота винта. При этом количество периодов переменной составляющей равно числу лопастей (3, с.131, рис.3.14, 3.15, с.125, рис.3.6).

Водоворот перед винтом не имеет жесткой привязки. Он циркулирует в пространстве. Его ось из горизонтального положения переходит в вертикальное, приближаясь к диску винта. При этом растет неравномерность загрузки винта. В случае подъема оси верхняя половина (часть) диска оказывается недогруженной, а нижняя - перегруженной. Возникает изгибающий момент, направленный против часовой стрелки (движение носителя справа налево). Уменьшается упор. Таким образом, возникает амплитудная модуляция флуктуации упора, крутящего и изгибающего моментов. Несущая частота (частота флуктуации) определяется числом лопастей и скоростью вращения винта. Модулирующая частота - частотой циркуляции водоворота. При отсутствии водоворота модуляции нет.

Изложенное можно рассматривать как периодическую разбалансировку движителя, в отсутствие водоворота ее нет или она значительно меньше. Дадим количественную оценку пульсациям упора и моментов. В (3, с.125, натура) амплитуда несущей упора составляет 8%, удвоенная амплитуда - 16%. В (3, c.321) отклонения от среднего значения составляют по упору и крутящему моменту от +50% до -50% за один оборот винта. Требования к балансировке (3, c.267) больших гребных винтов по центробежной силе находятся в пределах 1-2% от веса винта. Следовательно, статически сбалансированный гребной винт в движительном комплексе обладает большой гидродинамической несбалансированностью, обусловленной циркуляцией водоворота. Повышать требования к статической балансировке винта не следует (возможно их снижение). Необходимо принимать специальные меры по ослаблению водоворота перед винтом.

Результаты испытаний (3, с.131, рис.3.15) показывают слабую зависимость крутящего момента от качки и явную зависимость изгибающего момента. Модельные испытания (4, с.137, рис.33) показывают слабую зависимость упора от качки и явную зависимость вертикальной силы (изгибающего момента) от качки. Рассматриваются только случаи глубокого погружения винта, без оголения лопастей.

Действие гребного винта представляет наиболее существенную причину вибрации судна (5, с.154). Работающий винт создает два вида вибрационной нагрузки: одна передается корпусу через подшипники, другая через воду от объемов с пульсирующим давлением. Гребной винт является генератором амплитудно-модулированных колебаний. Спектр этих колебаний линейчатый. Основная энергия колебаний сосредоточена в несущей частоте f_н и в двух боковых частотах: f_н-f_м; f_н+f_м. При этом f_м - частота модулирующей функции (циркуляция водоворота перед винтом). Несущая частота определяется по формуле

где n - скорость вращения винта (об/с),

N - количество лопастей.

Для рассматриваемого случая при n=120 об/мин (2 об/c) и N=5 несущая частота равна 10 Гц, верхняя боковая равна 10,05 Гц, нижняя боковая составляет 9,95 Гц. В кормовой части судна необходимо демпфировать эти частоты. Представленный спектр является упрощенным, вытекающим из гармонического представления несущей. Реальная форма несущей более сложная. Однако в ней можно выделить первую гармонику. Лучшим демпфированием является гидродинамическое, направленное на уменьшение интенсивности водоворота перед винтом, т.е. на уменьшение амплитуды модулирующей функции.

Аналогами могут быть движительные комплексы c направляющими насадками (3, с.309-339). Насадки формируют поток за винтом и в его диске. Точнее, несколько корректируют его структуру в районе концевых кромок лопастей. Они уменьшают потери, связанные с перетеканием воды через края нагнетающей стороны лопасти на засасывающую сторону, а также уменьшают потери на закручивание потока. Этому способствует малость зазора между лопастью и насадкой и экранирующее действие ее внутренней поверхности. Эффективность насадки растет с увеличением коэффициента нагрузки. При этом тяга на буксирном гаке может увеличиться на 40-50%, а КПД движительного комплекса на 20-30% (10, c.184).

В качестве прототипа рассмотрим судно с одним валом и гребным винтом в неподвижной осесимметричной насадке. При этом кормовая часть киля разделяет пространство перед винтом на две симметричные половины. Она и насадка способствуют расчленению общего водоворота перед винтом на два с меньшей интенсивностью. На большее эта конструкция не способна. В худшем положении находится двухвальная модель, так как киль расположен не на оси вала винта.

Эффективность насадки подтверждает тезис о том, что основная неравномерность гидродинамического поля перед винтом обусловлена вращением винта. Однако только насадка не способна до конца решить проблему. Нужны дополнительные меры, позволяющие воздействовать на основную причину - водоворот перед винтом. Последнее обуславливает необходимость принципиально иной конструкции насадки. Такими мерами могут быть перегородки, разделяющие пространство перед винтом на объемы, симметричные относительно оси винта.

Гребной винт, расположенный в насадке, это винт в трубе. Результатом этого является локализация силового поля (повышением плотности в прямой струе), повышение вероятности образования водоворота перед диском, уменьшение времени возникновения и исчезновения водоворота и его периода (увеличение частоты, см. ф.2), уменьшение амплитуды пульсаций упора и моментов. Однако насадка снижает величину критического момента и повышает актуальность борьбы с водоворотом. Переход к осенесимметричной насадке не снижает указанную актуальность.

В качестве аналога (13) рассмотрим способ повышения КПД судового движителя. Сущность способа заключается в подведении воды в места перед винтом, где наблюдается дефицит давления. Точнее, в места пульсаций давления менее нагруженных лопастей. Предлагается забирать воду в носовой части судна, накапливать ее в корпусе и выпускать в кормовой части на лопасти под определенным давлением.

Однако указанная вспомогательная система требует отбора части мощности от главной энергетической установки (ГЭУ) судна. Последнее снижает мощность, подводимую к движителю. Увеличивая КПД движителя, мы снижаем КПД ГЭУ за счет дополнительного потребления. Автор патента (13) считает, что выгоды превысят расходы по энергии. При этом не приводятся доказательства, нет расчета энергетических потерь.

В этом предложении не учитывается, что с изменением режима движения судна меняется расположение объекта воздействия, что потребует изменение положения источника воздействия и степени его влияния. Потребуется сложная следящая система, алгоритм работы которой не дается.

В итоге рассмотренное предложение приведет к снижению КПД движителя, так как в нем предлагаются меры, направленные не на причину, а на следствие.

Другим аналогом (14) является устройство для глушения шума гребного винта водных транспортов. В нем предлагается две системы перегородок, расположенные перед винтом и за ним. Перегородки неподвижны, закреплены в общей насадке и могут обшиваться резиной. Передняя система является набором цилиндров, расположенных концентрично оси винта. Система влияет на структуру водоворота перед винтом. Если пренебречь влиянием ее крепежа, то такая система может способствовать образованию водоворота.

Каждый цилиндр обладает трубным эффектом, т.е. способностью закручивать воду. Указанное обусловлено наличием крутящего момента из-за шероховатостей на стенках. Их можно уподобить резьбе с некоторым шагом. Моменты направлены согласно, что усиливает водоворот. Задняя система - система радиальных перегородок. Она существенно ослабляет закрутку силового поля винта, но при этом и увеличивает сопротивление потоку.

Целью изобретения является уменьшение как неравномерности хода судна, так шума и вибраций. Цель достигается за счет уменьшения амплитуды пульсаций упора, крутящего и изгибающего моментов гребного винта путем ослабления водоворота перед его диском.

Указанное достигается удовлетворением взаимоисключающих требований. Необходимо существенно уменьшить интенсивность водоворота (закрутку поля), не увеличивая значительно сопротивление. Это в окончательном виде может быть представлено только после модельных и натурных испытаний.

Рассмотрим действия, необходимые для выполнения способа.

1. Оптимальным местом воздействия на закрученность силового поля гребного винта является пространство, окружающее лопасти. Оно расчленяется на две половины: перед диском винта и за ним. Представим эти половины в виде цилиндров, соосных с винтом. Высота переднего цилиндра должна превышать высоту заднего. Размер последней можно ограничить наибольшей шириной контура боковой проекции лопасти. Увеличение этого размера не приводит к уменьшению общей закрутки поля. Она в основном перераспределяется: уменьшается (локализуется) закрутка ближних силовых линий и увеличивается закрутка дальних.

Опыт (2) показывает, что наличие СТ приводит к сужению границ турбулентной закрученной струи, к менее интенсивному падению продольных и окружных скоростей по мере удаления вниз по потоку. Действие задней части насадки подобно действию СТ.

Высота переднего цилиндра определяется необходимой степенью снижения закрутки. Если задний цилиндр пустотелый, то передний должен иметь радиальные перегородки, предотвращающие возможность вращения по большому радиусу и разбивающий общий водоворот на составляющие.

2. С целью взаимной компенсации составляющие должны быть водоворотами. Форма каждой ячейки должна способствовать вращению с малым радиусом.

3. Ячейки должны разворачивать (ориентировать) оси составляющих параллельно скосу потока перед винтом. При этом необходимо учитывать изменения скоса в зависимости от расположения ячейки.

4. Ячейки должны обеспечивать одинаковое направление моментов сил вращения,

где I - момент инерции образования,

ε - среднее угловое ускорение.

5. С целью взаимной компенсации образования должны иметь одинаковую кинетическую энергию

где ω - средняя угловая скорость образования.

Указанное справедливо для образований, симметрично расположенных относительно оси винта.

6. Для системы образований, включающей одно большое центральное и несколько малых периферийных, кинетическая энергия центрального должна равняться сумме периферийных (точнее, меньше на величину взаимодействия периферийных).

7. Алгебраическая сумма моментов количества движения взаимодействующих образований должна разняться нулю, т.е.

8. C увеличением расстояния от оси винта масса одного образования должна уменьшаться, так как увеличивается его угловая скорость, обусловленная увеличением линейной скорости общего водоворота.

Следовательно, масса отдельных образований должна формироваться с учетом выбранной конструкции устройства.

Кратко сформулируем действия, необходимые для выполнения способа.

1. Ориентация относительно диска гребного винта.

2. Разбиение водоворота перед винтом на составляющие вихревые образования.

3. Придание составляющим образованиям одного направления вращения: правого или левого.

4. Ориентация осей образований параллельно линиям скоса потока.

5. Формирование массы каждого образования.

6. Закручивание образований до необходимой скорости.

7. Ориентация образований относительно друг друга.

При необходимости перечисленные действия распространяются на пространство за винтом. При этом оси образований располагаются параллельно оси винта (в отсутствие скоса потока).

Учитывая изложенное, определим требования к устройству, расположенному перед винтом.

1. Форма ячейки - усеченный конус, обращенный меньшим основанием к винту. Упрощенный вариант - полый цилиндр.

2. Расположение ячеек относительно оси винта - симметричное.

3. Ориентация осей ячеек - параллельная линиям скоса потока.

4. Профилирование стенки ячейки - удобное для закрутки и обтекания (авиационный, сегментный и т.п.).

5. Расположение ячеек может быть однорядным и многорядным (оси ячеек одного ряда располагаются на одной окружности с центром на оси винта).

6. Количество ячеек одного ряда - до заполнения ряда.

7. Расположение ячеек одного ряда - вплотную или с промежутками.

8. При переходе от центрального ряда к периферийному объем и сечение ячейки должны уменьшаться.

9. Наименьшая длина ячейки определяется нижним допустимым пределом уменьшения интенсивности образования водоворота (пульсациями упора, крутящего и изгибающего моментов).

10. Наибольшая длина ячейки определяется верхним допустимым пределом увеличения полного гидродинамического сопротивления (в том числе и допустимой кавитацией).

С целью уточнения вновь обратимся к силовому полю идеального гребного винта. Силовые линии закручены по обе стороны диска винта. Источником закрутки является вращающийся градиент давления. Он имеет знак и направление от винта, под углом к его оси, обусловленным центробежной составляющей. Пусть вектор избыточного давления имеет знак +, а вектор дефицита давления имеет знак -.

Система ячеек, расположенная перед винтом, уменьшает закрутку от вектора дефицита давления. При входе в ячейку, радиальная проекция вектора имеет среднюю линейную скорость V=2πrn,

где n - скорость вращения винта (об/с),

r - расстояние от оси винта до оси ячейки (м).

Проходя по ячейке, область дефицита давления под влиянием стенок раскручивается до угловой скорости

где r_Я - радиус ячейки.

Система ячеек, расположенная за винтом, уменьшает закрутку от вектора избыточного давления. Механизм раскручивания массы воды в ячейке аналогичен. В первом случае вода засасывается в ячейку. Во втором - выталкивается. Использование двух систем ячеек уменьшает закрутку силового поля в большей степени. Необходимость в системе ячеек за винтом меньшая, так как турбулентность зоны движителя СТ значительно и равномерно уменьшает закрутку. За винтом можно ограничиться насадкой без ячеек или использовать систему радиальных перегородок, подобную (14).

Уменьшение закрутки перед винтом от влияния пограничного слоя корпуса носителя значительно меньше. Толщина турбулентного слоя в корме достигает 1÷2 м. Здесь масштабы и интенсивность турбулентности на порядок и более меньше, чем за винтом. Значительная часть водоворота циркулирует вне пограничного слоя корпуса. Его обводы и некоторые выступающие части, наоборот, способствуют развитию и стабилизации водоворота.

Профиль стенок ячеек обусловлен такими факторами как закрутка и обтекаемость. Необходимость закрутки составляющих по малому радиусу требует от профиля внутренней поверхности для создания крутящего момента. Гладкий цилиндр обладает такой способностью. Однако он потребует для необходимой раскрутки большей длины образующей. Ее длина значительно уменьшается, если нарезать подобие многозаходной трубной резьбы.

Создать эффективную закрутку составляющих можно, используя конструкцию винта (его лопастей). При этом "винт" жестко связан с насадкой, имеет полую ступицу, а лопасти параллельны оси ступицы. Лопасти короткие, они монтируются вплотную, кромка к кромке, корень - на ступице. Такая конструкция пригодна для системы за винтом. Система перед винтом должна иметь раструб, собирающий воду, т.е. по мере удаления от оси образующая ячейки должна уменьшаться. В случае цилиндрической формы наружная поверхность ячейки должна быть только удобообтекаемой.

Изложенные рекомендации даны для оптимальной скорости носителя. Для удовлетворения других режимов движения необходимо регулирование. Например, при изменении скоса потока насадка должна быть подвижной (поворотной). Отслеживание этого параметра может быть ручным или автоматическим, с использованием следящей системы.

Рассмотрим возможные устройства. Вариант первый является простейшим, состоящим из радиальных перегородок (фиг.8а, б). Их количество может быть различным: от одной до нескольких. Перегородки должны разделять пространство перед винтом на секторы с одинаковой площадью. В этом случае составляющие водоворота имеют одинаковую мощность и производят взаимную компенсацию. Степень компенсации увеличивается с увеличением числа перегородок. При этом имеем соотношение ΔР₁>ΔР₂, где ΔР - дефицит давления. Постановка даже одной перегородки, проходящей через ось винта, может существенно снизить интенсивность водоворота. Радиальные перегородки лучше использовать для винтов среднего диаметра. Такое ограничение обусловлено недостаточной жесткостью конструкции.

На фиг.8в изображена схема, обладающая большей жесткостью. Ее недостатком является различие мощности составляющих. Следствием этого - меньшая компенсация закрутки и возможность асимметрии в остаточном образовании по сравнению с радиальной схемой. Очевидно, при сравнении соблюдается равенство количества ячеек. Схема неудобна для расчета.

Вариант второй состоит из четырех цилиндров, размещенных вокруг оси винта. Их центры лежат на одной окружности. Конструкция симметрична, стенки цилиндров касаются друг друга и насадки. Вариант более жесткий и удобный для расчета. По гидродинамическому воздействию схема аналогична фиг.8б. Однако здесь имеется возможность создать на внутренней поверхности цилиндров подобие резьбы.

Вариант третий состоит из одного центрального цилиндра, соосного с винтом, и нескольких одинаковых периферийных цилиндров, центры которых размещены на одной окружности. Их стенки касаются друг друга, центрального цилиндра и насадки. Это схема двухрядная. Возможны многорядные устройства.

Попытаемся установить приблизительную закономерность уменьшения поперечного сечения ячейки с увеличением ее отстояния от оси винта. При этом рассматриваем идеальный винт, отсутствует скос потока и ячейки-цилиндры имеют одинаковую высоту (образующую), схема двухрядная. Энергия вращения центральной составляющей должна быть несколько меньше суммы энергий вращения периферийных составляющих.

1. Исходя из указанного принципа, должно выполняться равенство

где E_Ц - энергия центрального образования, Е_п - энергия периферийного образования, N - количество периферийных образований, К - коэффициент, учитывающий долю энергии, приходящуюся на компенсацию центрального образования.

При этом выполняется равенство энергии периферийных образований:

В равенствах 7 и 8 используется только энергия вращения, воздаваемая радиальной проекцией вектора давления.

2. Уравнение 7 представим подробнее

где - кинетическая энергия вращательного движения, ω - угловая скорость вращения массы образования, I - момент инерции образования.

3. Учтем, что масса образования равна произведению объема на плотность m=V·ρ, V=S·l,

где ρ - плотность, V - объем, S - площадь сечения, l - длина образования.

4. Момент инерции образования - цилиндра с учетом п.3 имеет вид:

для периферийного образования -

для центрального образования -

где R_ц и R_п - радиус центральной и периферийной ячейки соответственно.

5. Подставляя формулы 10 и 11 в уравнение 9, получим равенство

6. Скорость вращения воды в ячейке зависит от величины касательной силы (радиальная проекция вектора), приложенной к внутренней поверхности,

где М_вр - вращающий момент винта в указанной точке,

r - расстояние от оси винта до стенки ячейки по вертикали (наиболее удаленная точка внутренней поверхности цилиндра),

n - скорость вращения винта.

7. Угловая скорость вращения воды в ячейках имеет вид: для центральной , для периферийной .

8. Учитывая п.7, формула 12 преобразуется

9. Касательная сила передает энергию вращения массе воды через сопротивление между слоями

где И_вр - линейная скорость вращения, S_Я - сечение ячейки, С_х - коэффициент трения.

10. Решая уравнение 16 относительно скорости, получим

11. Подставляя 17 и 18 в 15, сокращая и извлекая квадратный корень, получим

Зададимся значениями К=0,25, N=8. Решая 19, получим

Представленная методика является упрощенной. Однако она может быть положена в основу более точной. При этом необходимо учесть следующее: ступицу винта, реальное поле скоростей в диске винта.

Другим важным вопросом является длина ячейки. Короткая ячейка не сумеет раскрутить образование. Слишком длинная ячейка может создать большое сопротивление. В итоге водоворот будет уменьшен или погашен при значительном снижении КПД движителя. Дадим некоторые рекомендации нахождения оптимальной длины.

1. Ячейки периферийные должны быть короче центральной. Общая энергия ячейки имеет вид

где А и В - энергия поступательного и вращательного движения соответственно, m - масса, U - скорость.

Для центральной части характерно А>В. В периферийной части имеет место неравенство: А<В. Доказательством указанного является характер поперечных эпюр средних осевых скоростей, имеющих максимум на оси винта. Выполнение равенства 9 возможно только за счет перераспределения энергий А и В. Изменения длины ячейки должны быть подобны изменениям указанной эпюры, т.е. косинусоиде. Обозначая длину ячейки над периферии как L_п и учитывая расстояние, равное радиусу винта, как 90 градусов, получим выражение для длины:

L_п≈L_ц·cosα.

2. При выборе наименьшей длины ячейки должно быть учтено следующее: необходимая жесткость ячейки, шаг "резьбы", количество витков. Шаг должен быть подобен (одного порядка) с шагом винта на радиусе, проходящем через центр ячейки. При их значительном различии плавной закрутки может не получиться, а возникнет дополнительная турбулентность. С учетом этого оптимальной конструкцией является гидротурбина, особенно для центральной ячейки. Количество шагов зависитот степени указанного подобия. В оптимальном случае можно ограничиться одним витком.

С учетом неравенства L_п<L_ц формула 12 приобретает вид:

После преобразований, аналогичных рассмотренным (с.17), формулу 19 поличим в виде:

Вариант четвертый изображен на фиг.9. Его особенностью является наличие нескольких центральных ячеек. Последнее обуславливает необходимость промежуточных ячеек между центральным и периферийным рядами.

Изложенные принципы применимы для всех вариантов устройств. Очевидно, необходимы уточнения, основанные на опыте, с учетом конструктивного решения. Выбор оптимального числа ячеек является сложной задачей. Количество ячеек ограничено сверху допустимой величиной гидродинамического сопротивления. В последнем можно выделить два составляющие. Первая - сопротивление выступающих частей. С увеличением числа ячеек составляющая растет. Вторая составляющая обусловлена закруткой силовых линий поля винта. Точнее, увеличением их длины и, следовательно, сопротивления. Увеличение количества ячеек уменьшает закрутку, длину силовых линий и сопротивление. Первая составляющая - возрастающая функция, определяемая формулой (10, с.143)

где: С_х - коэффициент, U - скорость потока, S - площадь смоченной поверхности ячеек.

Вторая составляющая - убывающая функция. Ее математическое выражение неизвестно. С помощью натурного эксперимента можно уточнить эту составляющую. Модельный эксперимент показывает, что постановка одной перегородки, расположенной по диаметру диска и занимающей не более 10% от его площади, дает возможность полного гашения водоворота. Таким образом, варианты 1 и 2 не должны существенно увеличить сопротивление. Их можно рекомендовать для винтов большого диаметра. Третий вариант больше подходит к винтам среднего диаметра. Четвертый вариант - к винтам малого диаметра. При значительном запасе по мощности ГЭУ и необходимости большой равномерности хода возможно применение третьего варианта для винтов большого диаметра. На практике возможны сочетания вариантов. Например - сочетание второго и третьего вариантов: центральная ячейка - цилиндр, периферийные - радиальные перегородки.

Относительно вибрация следует дополнить следующим. Инфранизкочастотный диапазон является наиболее разрушительным (опасным) как для человека, так и для конструкций. Биения, происходящие с частотой доли герц, особенно опасны. Предлагаемое устройство уменьшает их амплитуду и смещает спектр вибраций в высокочастотную часть. Точнее, устройство действует как фильтр высокой частоты, вырезая ИНЧ часть.

Гармонический анализ ходовой вибрации судов обнаруживает значительные колебания корпуса не только на лопастной частоте, но и на кратных ей частотах (6, с.159). Гребной винт является также мощным источником подводного шума, уровень которого возрастает с увеличением частоты вращения винта. С началом кавитации шум достигает максимума, и спектр его расширяется.

Пространство за винтом имеет наибольшие градиенты давления, и неправильное размещение (ориентация) там предлагаемого устройства может существенно увеличить низкочастотный шум. Пространство перед винтом при скоростях выше критической является местом кавитации. Неправильная ориентация там устройства может увеличить высокочастотный шум. Критерием оптимальной ориентации является минимум гидродинамического сопротивления и наоборот.

Рассмотрим управляемость двухвальной модели судна с рулевым органом, расположенным в диаметральной плоскости. Устойчивость на курсе определяется симметричным расположением водоворотов относительно указанной плоскости при их пространственной эволюции. На практике существует определенная асимметрия, способная увеличить рыскливость судна (10, с.185-199). Силами, создающими асимметрию, являются волнения, течения и внутренние волны.

Пусть течение направлено перпендикулярно диаметральной плоскости. Тогда вертикальная плоскость циркуляции одного водоворота будет снесена от борта, ее угол с диаметральной плоскостью увеличится. Плоскость циркуляции другого водоворота будет прижата к борту, а ее угол уменьшится, в результате равнодействующая двух упоров будет направлена под углом к диаметральной плоскости. Относительно центра тяжести судна возникает момент, разворачивающий нос против течения. Меняется курс, и необходима перекладка руля для восстановления курса.

Рассмотрим случай, когда фронт ветрового волнения 5-го балла распространяется перпендикулярно диаметральной плоскости (волна имеет длину 50 м и высоту 3 м, см. 15, с.211). Оси водоворотов могут быть разнесены по высоте (мидель-шпангоут) до 3 м. Указанная вертикальная асимметрия обуславливает снижение результирующего упора и скорости движения судна. Величина упора периодически (синхронно с волнением) изменяется. При этом в отсутствие крена упор наибольший, а при крене - наименьший (бортовая качка). Таким образом, в изменении упора можно выделить постоянную составляющую и переменную. Величина постоянной меньше по сравнению со штилем. С увеличением балльности волнения постоянная уменьшается, и растет переменная.

Случаю килевой качки соответствует следующая асимметрия. Благодаря инерции корпуса судна вершины водоворотов меняют свое расположение относительно ватерлинии. Изменяется и положение упора относительно плоскости диска винта (уход от перпендикулярности). Проекция упора на ось винта по величине меньше по сравнению со штилем. В кормовой части происходит подобная картина. Основание водоворота и диск винта "синхронно" с волнением изменяют положение относительно друг друга. В результате уменьшается постоянная составляющая упора и увеличивается переменная.

Переменные составляющие, обусловленные качкой, накладываются на переменную составляющую от циркуляции водоворота (см. с.4, 5, 9). Модулирующая функция является результатом наложения, имеет сложный характер, и в нем возможна интерференция. Очевидно, при наличии сложной качки функция также усложняется.

Придание подводной носовой части корпуса судна бульбовидной формы (3, с.343) несколько стабилизирует вершину водоворота относительно корпуса. Однако такая форма существенно усложняет конструкцию и не уменьшает закрутку, а наоборот, ее увеличивает за счет образования ниши (полутрубы). Применение подкильных стабилизирующих плоскостей в корме является частичной мерой. Плоскости не пересекают диск винта, они локализуют закрутку, т.е. уменьшают время возникновения и исчезновения водоворота, а также его период.

Дополним физическую модель поля винта следующим. Количество силовых жгутов равно количеству лопастей. Каждый жгут, точнее, его предвинтовая часть способна в одиночку создать водоворот. Последнее зависит от соотношения энергий вращательного и поступательного движения в одном образовании. При преобладании энергии вращения создается водоворот (винты большого диаметра). Это определяет и наименьшее число необходимых ячеек: для 3-лопастного винта - 3, для 4-лопастного - 4, для 5-лопастного - 5 и т.д. Например, первый вариант устройства состоит соответственно: из 3-х радиальных перегородок, расположенных под углом 120 град., из 4-х радиальных перегородок, расположенных под углом 90 град., из 5-и радиальных перегородок, расположенных под углом 72 град. и т.д. Один конец каждой перегородки крепится в насадке, другой конец - в центральном кольце. Ширина перегородок (размер по оси винта) определяется необходимой степенью уменьшения длины оси водоворота.

Основная функция перечисленных перегородок - создать препятствие, увеличить сопротивление вращательному движению. Назовем такие устройства перегораживающими. Второй вариант может выполнять и функцию формирования. Однако его применение ограничено.

Дополним энергетические соображения (с.12 и 16) следующим. Для многорядного устройства (третий вариант) кинетическая энергия вращения последнего (наиболее удаленного от центра) периферийного ряда, уменьшенная на величину взаимодействия внутри ряда и на его периферии, должна равняться кинетической энергии вращения предпоследнего ряда, уменьшенной на величину энергии взаимодействия внутри ряда и с рядом, более близким к центру.

Четвертому варианту устройства характерно равенство кинетической энергии вращения центрального ряда, уменьшенной на величину энергии взаимодействия внутри ряда, с суммой кинетических энергий вращения образований, окружающих центральный ряд. При этом сумма должна быть уменьшена на энергию взаимодействия внутри ряда, а также на периферийное взаимодействие. Вихревые образования, заполняющие межрядовые промежутки, необязательны, так как на практике можно ограничиться лишь ослаблением первичного водоворота.

Возвращаясь к уравнению 20, отметим, что центральная ячейка (ячейки) способна создать водоворот только при выполнении неравенства: А<В. Для надежности неравенство должно быть таким: А≪В. Они определяют наименьшее значение r (см. с.15). Равенство А=В говорит о неустойчивом состоянии. Водоворота нет, но при появлении способствующего фактора (см. с.4) водоворот может возникнуть. Равенство А=В также лежит в основе нахождения критических значений диаметра и оборотов гребного винта, превышение которых обуславливает применение устройства. Винт, у которого имеет место неравенство А>В, работает без водоворота. Изложенное подтверждается модельным экспериментом.

Равенство А=В можно использовать для нахождения необходимой пропорции между массами воды, участвующими в поступательном и вращательном движении. Для этого используем уравнение 20 и подставим в него выражение 10, а также выражение для поступательной скорости (10, с.161). После преобразований получим

где m_пост - масса воды с поступательным движением,

m_вр - масса с вращательным движением,

λ_р - относительная поступь винта.

При λ_р=0,8 имеем m_вр≈5m_пост. Эти соотношения и определяют отношение длин ячеек (перегородок) как в центре, так и на периферии (варианты первый и третий). Соотношения приблизительные, и они пригодны только для уменьшения интенсивности первичного водоворота. Первый вариант в виде одной или нескольких радиальных перегородок в случае большой нестабильности в пространстве оси первичного водоворота может оказаться малоэффективным, так как произойдет уход водоворота от перегородки.

Варианты второй, третий и четвертый - устройства формирующие. Эффективность их выше, так как изменение пространственного положения оси первичного водоворота в определенных пределах не приводит к существенной асимметрии скоростного поля.

Водоворот является суммарным образованием, способным легко огибать препятствия. Винт имеет одну ось и несколько лопастей, т.е. несколько источников закрутки. Вихревые жгуты, сходящие с краев лопастей (фиг.1), замкнуты в пространстве. Каждый жгут способен при определенных условиях создать перед винтом свой водоворот. Предположение о возможности существования двух водоворотов у одновальной модели (см. с.10) не лишено основания.

Рассмотрим, как изменяются параметры водоворота при движении судна строго по и против течения (скорость вращения винта постоянна). Движению по течению (сравниваем с режимом отсутствия течения) характерно увеличение неравенства А<В на А≪В, так как уменьшается необходимая энергия поступательного движения. В результате увеличивается закрутка потока, длина оси водоворота его период, и уменьшается частота циклов. Следствием этого является увеличение амплитуды переменной составляющей упора, т.е. усиление неравномерности хода.

Движению против течения характерно уменьшение неравества А<В на А≤В, так как увеличивается необходимая энергия поступательного движения. В результате уменьшается закрутка потока, длина оси водоворота его период, и увеличивается частота циклов. Следствием этого является уменьшение амплитуды переменной составляющей упора, т.е. ослабление неравномерности хода. Возможны случаи, когда судно, двигаясь вне течения, имеет водоворот. При попадании в течение водоворот исчезает. Возможны случаи, когда судно, двигаясь по течению, имеет водоворот. При выходе из течения водоворот исчезает.

Рассмотрим движение под острым углом против течения. Пусть до входа в течение у 2-вальной модели существовало неравенство А<В, и водовороты синхронно циркулировали в пространстве. После входа в течение у борта внешнего неравенство изменится на А≤В. Уменьшается закрутка и увеличивается частота циклов. Уменьшается амплитуда переменной и увеличивается постоянная составляющая упора.

У борта внутреннего (прикрытого от течения) неравенство может иметь вид А<В. Здесь уменьшение закрутки и увеличение частоты циклов, уменьшение переменной и увеличение постоянной составляющей произойдет в меньшей степени. В результате возникает асинхронное существование водоворотов, неравенство упоров, и появляется момент, разворачивающий нос по течению.

Определим признаки нахождения гребного винта в предвихревом состоянии, используя второй закон Ньютона. При этом считаем, что часть жгута, сопряженная с лопастью, находится под воздействием упора и крутящего момента, имеет одинаковое ускорение и описывается уравнением:

Используя зависимость 24, получим уравнение 25 в виде:

и первый признак

Подставляя формулы для упора и момента (см. с.1 и 2) в выражение 26, получим второй признак

При λ_р=0,5 и . Последнее говорит о возможности пересечения функций К₁ и К₂ от λ_р в отличие от (10. с.163 и 3, с.32-37).

Литература

1. Басин A.M., Миниович И.Я. Теория и расчет гребных винтов. - Л.: Судпромгиз, 1963.

2. Бушмарин О.Н. Закрученная струя в спутном потоке жидкости той же плотности. Труды ЛПИ, № 176. - Л., 1955.

3. Кацман Ф.М., Кудреватый Г.М. Конструирование винто-рулевых комплексов морских судов. - Л.: Судостроение, 1974.

4. Липис В.Е. Гидродинамика гребного винта. - Л.: Судостроение, 1975.

5. Мясищев В.И. (ред.) Физические основы подводной акустики. - М.: Сов. радио, 1955.

6. Постнов В.А. и др. Вибрация корабля. - Л.: Судостроение, 1983.

7. Ремез Ю.В. Качка корабля. - Л.: Судостроение, 1983.

8. Русецкий А.А. Гидродинамика винта регулируемого шага. - Л.: Судостроение, 1968.

9. Федяевский К.К. и др. Гидромеханика. - Л: Судостроение, 1968.

10. Фукельман В.Л. Основы теории корабля. - Л.: Судостроение, 1977.

11. Энштейн Л.А. О взаимном влиянии гребных винтов на многовальных кораблях. Судостроение, № 1. - Л., 1958.

12. Нейман Л.Р. и Калантаров П.Л. Теоретические основы электротехники, часть 3 (Теория электромагнитного поля). - М., Л.: Госэнергоиздат, 1959.

13. Патент Германии № 477027, кл. 65, 15, 1929. Метод повышения коэффициента полезного действия судового движителя.

14. Патент ФРГ № 1223272, кл. 65, 1965. Устройство для глушения шума гребного винта водных транспортов.

1. Устройство для улучшения гидродинамических характеристик гребного винта, содержащее насадку этого гребного винта и расположенный перед последним направляющий аппарат в виде соосного винту кольца, отличающееся тем, что направляющий аппарат содержит расположенные между упомянутыми кольцом и насадкой ячейки, выполненные в виде полых цилиндров или обращенных к винту своими меньшими основаниями конусов, при этом ячейки могут быть скреплены между собой, а периферийные - и с насадкой гребного винта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные ячейки расположены в несколько рядов, причем площади поперечного сечения и длины образующих этих ячеек уменьшаются по мере удаления ряда от общего центра.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность ячеек имеет резьбу, соответствующую направлению вращения винта.

4. Устройство для улучшения гидродинамических характеристик гребного винта, содержащее насадку этого гребного винта и расположенный перед последним направляющий аппарат, отличающееся тем, что направляющий аппарат выполнен в виде одного ряда ячеек в виде полых цилиндров или обращенных к винту своими меньшими основаниями конусов, оси которых расположены на окружности, соосной винту, при этом ячейки могут быть скреплены между собой и с насадкой.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что внутренняя поверхность ячеек имеет резьбу, соответствующую направлению вращения винта.