ЛОПАСТЬ ГРЕБНОГО ВИНТА

Полезная модель относится к области гидродинамики, и может быть применена для современных скоростных аппаратов, движущихся в воде целиком или частично, скоростных лопастных устройств, которые используются в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно в судостроении, а именно для гребных винтов. Цель полезной модели - уменьшить разрушительное явление - кавитацию, которая разрушает лопасти судовых винтов и повысить тяговые возможности лопасти.
Ежегодно около 25 тыс. тонн металла заключенного в лопастях гребных винтов идет на переплавку из-за эрозии лопастей. Срок службы винтов сокращается до 2-3 лет. В практике имеют место случаи выхода из строя винтов из-за эрозии в течение 2-3 месяцев (Фиг.1).
Возникающее на лопастях в зонах минимального давления, вроде бы безобидное «кипение» воды, в виде обильной зоны пузырьков, является главной причиной эрозии лопасти и снижения ее тяговых характеристик. Это хорошо изученное явление показывает, как пузырек, наполненный парами или газами, выходит из «кипящей» зоны в зону повышенного давления и исчезает. Исчезновение пузырька происходит практически мгновенно и сопровождается сверхзвуковой скоростью всестороннего устремления потока воды в образовавшееся пустое пространство. Если схлопывание пузырька происходит на поверхности конструкции, то в этом месте мгновенное повышение давления достигает одного миллиона атмосфер. Этим микровзрывом разрушаются самые прочные конструкционные материалы. Сначала образуются микротрещины на поверхности конструкции, которые быстро переходят в зоны беспорядочной эрозии. Нарушается теоретическая профилировка
лопасти, ее геометрия и весовые параметры. Нарушается балансировка гребного винта в целом, и, как следствие, наступает тряска всего судна.
Кавитация несет и другую проблему, а именно снижение тяговых характеристик лопасти. Так, мощность судового двигателя используется только на 60-70%, после чего наступает кавитация, и недопустимость увеличения оборотов винта или его размеров.
Известен «Судовой гребной винт» по патенту RU 2090440 от 20.09.1997, конструкция которого предусматривает на засасывающей стороне лопасти гребного винта, на входном их участке установку бульбообразного утолщения с уступом к основной поверхности лопасти. Использование изобретения уменьшает кавитацию лопастей гребного винта. Известно, что засасывающая сторона лопасти (при траектории обтекания это верхняя часть профиля лопасти), в силу большей кривизны и большего разрежения создает больший (около 70%) процент тяги, по сравнению с нижней плоскостью, на которой создается давление. В данном патенте, уменьшая кавитацию за счет относительно большой (около 60%) беспрофильной зоны (без кривизны) уменьшаются (примерно в таком же соотношении) тяговые характеристики лопасти, что существенно снижает ее КПД.
Известен «Гребной винт» со средствами снижения кавитационных повреждений по патенту RU 2137674 от 20.09.1999. Гребной винт имеет осевой канал для подачи воздуха в хвостовую часть лопасти (к задним кромкам), кромки выполнены в виде резиновых губ. В канале подвода воздуха в хвостовой части ступицы установлен регулирующий обратный клапан. При определенных критических скоростях вращения потоки жидкости смыкающие винт порождают кавитационные явления. Автоматическая система подачи воздуха в зону лопаток винта, когда давление на лопатках падает до величины давления насыщенного пара, действительно уменьшает образование кавитирующих пузырьков. Однако, как показали испытания такого рода устройств, всасывающий
воздух распространяется в виде «воздушного пузыря» и на нижнюю поддавливающую поверхность, что приводит к резкому увеличению оборотов винта в этом «пузыре» и снижению его тяги.
Известен «Гребной судовой винт» по патенту RU 2094304 от 27.10.1997. Лопасти содержат сквозные отверстия или прорези суммарной площадью 4-20% площади поверхности лопасти. Использование изобретения снижает кавитацию на лопасти гребного винта и тем самым повышает их эффективность. Действительно эффект кавитации снижается на лопасти, но вместе с тем он усиливается в зонах сквозных отверстий из-за высоких скоростей перетока, из области высокого давления в область низкого, кроме того, нарушается обтекание засасывающей поверхности, которое сопровождается турбулентностью и потерей тяги лопасти.
Известен «Гребной винт для надводного и подводного транспорта» по патенту RU 2222470 от 27.01.2004. (SU 37506 А, 30.06.1934. US 4253799 A, 03.03.1981. GB 2156298 A, 09.10.1985. FR 2337661 A1, 05.08.1977.). Гребной винт содержит установленные на ступице плоскопрофильные лопасти, выполненные с торцевыми гребнями, загнутыми в сторону рабочей поверхности на угол 1÷90°. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия винта и обеспечить прирост тяги на 30-50%. Действительно, проведенные испытания по рекомендации журнала «Моделист-конструктор» №6, 1989 г., стр.28-29; №11, 1988 г., стр.20; №6, 1986 г., стр.6, для плоскопрофильных лопастей, т.е. для лопастей моделей вырезанных из жести показывают при относительно очень малых размерах винтов (диаметр около 20-30 мм.) и числа Рейнольдса (Re) увеличение тяги при возрастании присоединенной массы на модельной лопасти за счет концевых гребней. Установка таких гребней на полномасштабных водных транспортных средствах сопровождается быстронаступающей кавитацией на оконечности лопасти при наличии двух взаимонаклонных
поверхностей на оконечности лопасти. Падение КПД на винте диаметром от 500-1000 мм. при установке подобных гребней составляет 12-15%. Учитывая, что крупнотоннажные суда имеют диаметр винта от 2000 мм и более, кавитирующие явления на криволинейных торцах таких лопастей проявляются в еще большей степени.
Известна «Лопасть гидравлического движителя» по патенту RU 2127208 от 10.03.1999. Сущность изобретения заключается в том, что в лопасти, засасывающая поверхность которой имеет максимальную ординату на расстоянии от выходящей кромки не более 0,6 длины хорды, нагнетающая поверхность имеет выпукло-вогнутую форму. Использование изобретения позволяет обеспечить малокавитирующую работу движителя без вентиляции лопастей и повышает его КПД. Данное техническое решение наиболее близко к заявляемой полезной модели «Лопасть гребного винта» и принята нами за прототип.
Действительно, указанная лопасть винта имеющая малокавитирующий профиль, например, сегментный, серий NACA-66, NACA-16 со средней линией а=0,8, а также эллиптический профиль со средней линией а=0,8 образует засасывающую и нагнетающую поверхность, содержат входящую и выходящую кромку (см. «Теория и расчет гребных винтов» Басин А.М, Минкович И.Я., Судпромгиз, 1965, Ленинград, с.461-465). При этом, каждая лопасть имеет оптимальные соотношения между кавитационными, гидродинамическими и прочностными характеристиками за счет участков с профилями различных серий, например, гребные винты Troost В series. Достоинствами этой лопасти является то, что ее профиль обеспечивает достаточно равномерное распределение давления по засасывающей и нагнетающей поверхности лопасти. При этом, достигается малое профильное сопротивление. Недостатком ее является отсутствие регулирующих возможностей для исключения кавитации на засасывающей и нагнетающей поверхностях в зонах минимального
давления, что видно на эпюрах (Фиг.2). Такие зоны имеют место на нагнетающей поверхности в районе носка и хвостика профиля и на засасывающей поверхности в средней зоне профиля.
С целью исключения кавитации на лопастях гребного винта и повышения тяговых характеристик лопастей, всасывающую и нагнетающую поверхность снабжают профилированными завихрителями в виде гребешковых выемок, которые начинаются в зонах кавитации и заканчиваются на концевой и выходящей кромках лопасти, при этом завихрители располагаются рядами с шагом t, высотой h, в соотношении h/t=1-4, а ряды установлены под углом α=20-60° к радиальной оси лопасти, при общей относительной площади поверхности лопасти с относительная площадь поверхности лопасти с завихрителями , где:
профилированное
исходное
- относительная площадь поверхности лопасти с завихрителями; S - площадь в плане поверхности лопасти с профилированными завихрителями; S - площадь в плане поверхности лопасти (засасывающей и нагнетающей).
Полезная модель «Лопасть гребного винта» поясняется чертежами
Фиг.1 Гребной винт крупнотоннажного судна со следами эрозии на его поверхности.
Фиг.2 Современные малокавитирующие профили лопасти гребного винта с эпюрами давления:
a) эллиптический профиль А;
b) профиль NASA по патенту США №4780058 Б;
c) усовершенствованный профиль по патенту RU 2127208 В.
Фиг.3 Лопасть гребного винта по предмету полезной модели при виде спереди и сверху. В выносных зонах А и Б
показаны фотографии фрагментов испытанных конструкций и возможные профиля завихрителей.
Фиг.4 Примененное оборудование для оптимизации размеров профилированных завихрителей.
Фиг.5 Испытанные модели гребных винтов для оптимизации размеров профилированных завихрителей при различных величинах температуры и давления воды.
Фиг.6 Результат математического моделирования для определения кавитирующих участков на профиле.
Фиг.7 Графики оптимизации параметров (t, h, α) завихрителей по результатам экспериментального и математического моделирования.
Устройство полезной модели «Лопасть гребного винта» (Фиг.3) состоит из ступицы 1 с осью 2, лопасти 3 с входящей кромкой 4, концевой кромкой 5, выходящей кромкой 6, засасывающей поверхности 7 и нагнетающей поверхности 8.
На засасывающей 7 и нагнетающей поверхности 8 установлены профилированные завихрители в виде гребешковых выемок 9, 10, 11. Завихрители 9, 10, 11 расположены в соответствующих зонах кавитации 9, 10, 11, которые установлены экспериментально, Фиг 2 - (9 - зона носка профиля на нагнетающей поверхности 8; 10 - срединная зона на засасывающей поверхности 7; 11 - зона хвостика профиля на нагнетающей поверхности 8). Каждая из этих трех зон содержит ряды завихрителей, профиля которых оптимизированы для своих зон с шагом t и высотой h. Высота гребня h. - определяет размер выемки, те величины заглубления, измеряя ее от контура профиля (зоны А и Б Фиг.3). Для удобства отсчета углов установки рядов завихрителей 9, 10, 11 под углом α к радиальной оси 12 лопасти 3, введена радиальная ось 12, которая равноудалена от кромки 4 и 6 и проходит через ось 2 ступицы 1.
Завихрители 9, 10 и 11 начинаются в зонах пониженного давления, определяемых эпюрами распределения давления на лопасти 3. Эпюры определяются либо экспериментально (Фиг.2) например, способом дренирования, установкой пленочных микродатчиков давления, лазерным методом и др., либо математическими программами. Заканчиваются завихрители на концевой либо выходящей кромках лопасти. (Фиг.3). В зонах А и Б показаны схемы их обтекания и фотографии реально испытанных конструкций. Схемы обтекания использованы из монографии «Управление отрывом потока» П.Чжен, изд «Мир» М. 1979, стр.13 (вихревое течение в выемке).
Работает полезная модель следующим образом. В результате вращения лопасти 3 по направлению окружной 13 скорости ω, лопасть обтекается потоком 14 со скоростью V. По мере увеличения скорости 13 и увеличения тяговой мощности на засасывающей поверхности 7 и нагнетающей поверхности 8 появляются (согласно эпюрам) критические зоны на носке профиля, на засасывающей поверхности и в хвостовой части профиля. На фиг.2 эти критические величины разрежения (-Ср) показаны утолщенной линией на эпюрах. На фиг.3 в критических зонах 9, 10, 11 достигается критическая скорость обтекания, при которой давление насыщенных водных паров на расчетной глубине и температуре в интервале температур от 0 до 30° составляет 0,0063-0,0429 атм. Жидкость начинает «кипеть» с выделением большого количества пузырьков водного пара. Дальнейшее увеличение скорости обтекания приводит к образованию «воздушного пузыря», в котором винт вращается практически с полной потерей тяговой мощности. С целью исключения разрушительного воздействия кавитации и получения максимальной тяговой силы лопасти, профилированные завихрители, расположенные в кавитирующих зонах 9, 10, 11, - в силу особенностей вихревого течения создавать разрежение (смерчи, тайфуны) концентрируют кипящую жидкость в вихревые жгуты 15, которые
расположены внутри рядов завихрителей 9, 10, 11 и транспортируют кавитирующие пузырьки за пределы конструкции лопасти без контакта кавитирующих пузырьков с конструкцией лопасти. Опыты показали наличие «безотрывной кавитации», когда пузырьки скручиваются в вихревые жгуты находящиеся внутри конструкции, но без контакта с ней Указанная безотрывность позволяет проводить дальнейшее увеличение ω окружной скорости 13, т.е. увеличение количества оборотов гребного винта и увеличение его тяги при наличии зон кавитации, но без образования «воздушного пузыря». Этот результат и является подтверждением решения поставленной задачи.
На фиг.4 и 5 показано оборудование и модели винтов на которых были получены оптимальные соотношения t, h, α для завихрителей 9, 10, 11. На фиг.6 показан результат математического моделирования для определения критических зон возникновения кавитации. На фиг.7 показаны результаты экспериментального и математического моделирования для оптимизации параметров завихрителей.
В результате проведенных испытаний наблюдаемое увеличение тяги гребного винта с лопастями по предмету полезной модели составило 16-18%. Следов эрозии конструкции лопастей при использовании микроскопа не наблюдалось. Полученные положительные эффекты подтверждают целесообразность использования полезной модели «Лопасть гребного винта».