Устройство для улучшения гидродинамических характеристик гребного винта (варианты)

Устройство для улучшения гидродинамических характеристик гребного винта (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 им