Пропульсивные качества (ходкость судна)

движителя уже экономит их расходы на топливо коммерческих судов.

грузовое судно

компании «Beluga Projects»

- 28500 тонн; Длина - 170 м;

                   vo
Р = m wa 
m = ρ  SД vc

расчета основных характеристик
любого реактивного движителя (по крайней мере, выяснения

предела возможностей).
Реальные движители чрезвычайно разнообразны.
Трудно представить себе модель, которая объединила бы в себе все существующие.

В любой науке изучаются не реальные явления, конструкции и т.п., а их модели.
Вначале путем выделения наиболее существенных черт и отбрасывания тех, которые
исследователь считает несущественными, создается физическая модель.
Затем разрабатывается математическая модель, описывающая эту физическую.
Наконец, нужен метод численного расчета (иногда это представляет самостоятельную
сложную задачу) с последующим анализом получаемых результатов.
В гидродинамике, например, используется модель идеальной жидкости,
в теории упругости - модель твердого тела и т. д.
Такова же модель идеального реактивного движителя

Достоинство этой модели и основанной на ней теории - в простоте и общности.
В самом деле, здесь нет необходимости учитывать конкретные особенности каждого
существующего судового движителя, что позволяет максимально упростить теорию.
Полученные выводы можно распространить на любой реактивный движитель.
Но результаты всегда будут неточными в связи с тем, что некоторые важные особенности реального движителя не учитываются теорией

скорости,
т.е. дополнительные скорости, направленные назад.
Иначе говоря, ИД -

это плоская пластинка, способная пропускать сквозь себя воду
и при этом ее разгонять. В результате увеличения скорости струи возникает
движущая сила - упор ИД. Заметим, что теория ИД совершенно не интересуется
вопросом, как именно происходит разгон струи - эта задача решается при разработке
конкретного движителя. В литературе иногда ИД считают диском, что неверно
и относится к гребному винту, тогда как теория идеального движителя охватывает
также гребные колеса, крыльчатые движители и др., сечение струи у которых
не является круговым.

идеальной жидкости (т.е. невязкой, несжимаемой и
обладающей сплошностью, т.е. занимающей

весь объем).
2. Движитель создает только вызванные осевые скорости, необходимые для создания
упора, и никаких других (например, пренебрегаем радиальными скоростями,
т. е. поджатием струи, волнообразованием на поверхности жидкости).
При этом по площади струи скорости неизменны, иначе КПД движителя снижается.
В любом реальном движителе всегда возникают так называемые побочные скорости,
например окружные у гребного винта, - они обусловлены конструкцией движителя,
но не нужны для создания упора и ведут к снижению КПД.
3. Движитель бесконечно тонкий. Допущение введено для удобства решения задачи.
4. Размытую границу между струей и остальной жидкостью заменим
поверхностью раздела - бесконечно тонкой вихревой пеленой. На самом деле,
нет четко выраженной границы струи, как говорят, обрабатываемой движителем, -
это также сделано для удобства. На границе струи происходит скачкообразное
изменение скоростей, что при строгом рассмотрении задачи представляется в виде
вихрей, распределенных по поверхности. Струя, обрабатываемая движителем,
является трубкой тока, через поверхность которой жидкость не перетекает.

Движитель создает только вызванные осевые скорости, необходимые для создания упора,

и никаких других (например, пренебрегаем радиальными скоростями, т. е. поджатием струи, волнообразованием на поверхности жидкости).
При этом по площади струи скорости неизменны, иначе КПД движителя снижается.
В любом реальном движителе всегда возникают так называемые побочные скорости, например окружные у гребного винта, - они обусловлены конструкцией движителя, но не нужны для создания упора и ведут к снижению КПД.
Движитель бесконечно тонкий. Допущение введено для удобства решения задачи
Размытую границу между струей и остальной жидкостью заменим поверхностью раздела - бесконечно тонкой вихревой пеленой. На самом деле, нет четко выраженной границы струи, как говорят, обрабатываемой движителем - это также сделано для удобства. На границе струи происходит скачкообразное изменение скоростей, что при строгом рассмотрении задачи представляется в виде вихрей, распределенных по поверхности. Струя, обрабатываемая движителем, является трубкой тока, через поверхность которой жидкость не перетекает.

5. Движение жидкости установившееся. При работе движителя имеются переходные
режимы (начало и конец работы, маневрирование), которые здесь не рассматриваются.
При этом удобно пользоваться системой координат, связанной с движителем, поскольку в ней скорости и давления в любой точке потока неизменны во времени, тогда как в неподвижной системе координат они изменяются, хотя и движение установившееся. 6. Скорости и площади в струе меняются плавно, так как поток неразрывный, но в месте установки движителя существует перепад давлений: непосредственно перед движителем давление пониженное р1, а сразу за ним - повышенное р2 (в бесконечности и перед ИД, и за ним давление равно атмосферному с учетом давления столба воды р0). Скорость изменяется от скорости движителя v (на бесконечности перед ИД) до v + w, где w - вызванная осевая скорость; скорость в месте установки движителя обозначим v1.

Введем важное понятие "гидравлическое сечение струи" (или движителя),
под которым понимается площадь струи в месте установки движителя F.
Для гребного винта это круг, диаметр которого равен диаметру винта,
для колеса -прямоугольник, ширина которого равна длине плиц,
а высота - глубине погружения нижней плицы в воду, для КД - прямоугольник,
ширина которого равна диаметру по лопастям, а высота - длине лопастей и т. д.
По длине струи площадь изменяется.

Импульс силы, приложенный к отрезку трубки тока, равен разности количества

движения в ее концевых сечениях: T = m(v + w) - mv = mw,                                    (1.1)  где m - масса жидкости, протекающей в единицу времени через любое сечение
трубки тока, например через гидравлическое сечение: m = pFv1,                                                           (1.2) где p - плотность жидкости. Тогда, подставляя выражение (1.2) в формулу (1.1),
упор ИД: T = pFv1w.                                                          (1.3)

Попытаемся определить КПД идеального движителя. Принятыми допущениями
мы устранили все возможные источники потерь.
Как известно, КПД определяется как отношение полезной мощности к затраченной.
Здесь полезной является мощность, расходуемая на приведение судна в движение.
Она равна произведению движущей силы (упора) на скорость судна.
Тратится же мощность только на разгон струи, т.е. увеличение ее
кинетической энергии.

два участка,
поскольку в месте установки движителя существует скачок давлений

(гидромеханическая особенность). Возможным перепадом высот пренебрегаем:

Вычтя из второго уравнения первое, получаем:

Упор движителя равен перепаду давлений,
умноженному на площадь гидравлического сечения:

(1.5)

теорема Фруда-Финстервальдера, которая утверждает,
что вызванная скорость в идеальном движителе

наполовину создается перед ним,
а наполовину - за ним. При проектировании движителей бывают известны проектная скорость судна
и соответствующий ей упор, но не вызванная осевая скорость.
Для нахождения последней преобразуем выражение для упора (1.5):

в квадратное уравнение относительно w:

по упору и является очень важным параметром, определяющим степень нагруженности

движителя.
Он равен отношению перепада давлений к скоростному напору.
С учетом введенного обозначения КПД идеального движителя

нагрузка, тем он ниже. У реальных движителей СТА может лежать

в широких пределах;
в отдельных случаях у небольших быстроходных судов он может составлять 0,1,
иногда, например у буксиров или ледоколов, поднимается до 8
(и до бесконечности на швартовном режиме). Этим пределам соответствуют
значения КПД ИД от 0,975 до 0,5. Мы отмечали, что теория идеального движителя не вполне соответствует
реальным реактивным движителям: она указывает верхний
предел эффективности и позволяет судить о том, от чего зависят
характеристики движителей. У реальных гребных винтов упор лишь ненамного
(на 3-5 %) меньше, чем дает теория (см. формулу (1.5).
КПД реального движителя при условии равенства коэффициентов
СТА (а только при этом условии их можно сравнивать)
всегда меньше, чем у идеального, из-за создания побочных
скоростей, влияния вязкости, неравномерности поля скоростей и давлений.
Иногда КПД реального движителя представляют в виде:

меньше единицы и характеризует совершенство
реального движителя. Проанализируем, от чего зависит

идеальный КПД. Мы уже знаем, что он будет
тем больше, чем меньше коэффициент нагрузки по упору.
Значит, КПД растет с уменьшением упора и увеличением скорости потока.
Если удается снизить сопротивление движению судна, выигрыш в мощности
будет несколько большим благодаря увеличению КПД. Что касается скорости,
известно, что у обычного, не особенно быстроходного транспортного судна
сопротивление (и упор) растет приблизительно пропорционально квадрату
скорости, так что с ростом скорости коэффициент нагрузки по упору
может изменяться мало. У СДПП, для которых характерен горб
сопротивления, скорость оказывает положительное воздействие на КПД.

увеличением площади гидравлического сечения. Максимальный КПД
идеального движителя, равный 1,00,

получается при бесконечной площади.
У любого реального движителя есть максимум (примерно соответствующий
СТА = 0,3-0,35), поскольку дальнейшее увеличение размеров движителя
ведет к росту вязкостных потерь. Но чаще всего максимума КПД достичь
не удается, и увеличение размеров движителя увеличивает его КПД. Наконец, обратим внимание еще на одну величину, от которой зависит
идеальный КПД - плотность среды, в которой работает движитель.
В ряде случаев можно выбирать между гидравлическим и воздушным
движителем. Теория идеального движителя однозначно отдает
предпочтение гидравлическому движителю.

На рисунке видно, что идеальный КПД падает
с увеличе­нием коэффициента нагрузки по упору.
КПД реального движи­теля всегда меньше
идеального вследствие потерь,
не учитываемых теорией идеального движителя.

м колесный движитель обеспечивает буксирному судну существенные преимущества.



Гребное колесо

с винтовыми плицами на раме  перед установкой на судно. Колесо – и движитель, и орган управления судном. Получаем новый тип ДРК. Колесный ДРК содержит устройство для регулирования заглубления гребных колес. 

27,0  Длина по КВЛ, м 21,0  Ширина габаритная, м 9,2  Ширина по КВЛ

наибольшая, м 8,0  Высота габаритная, м 7,0 

- винт регулируемого шага;
в) - гребной винт в насадке;

г) - соосные гребные винты противоположного вращения;

34м; Осадка - 14 м; Водоизмещение - 71254 тонн; Скорость - 14 узлов,

а во льдах толщиной 1,5 м - 2 узла;  Экипаж - 32 человека;

дорогостоящих деталей на танкере «Василий Динков» - стоимость каждого составила

10 миллионов долларов. Движители типа Азипод способны разворачивать гребные винты на 360 градусов, двигая судно в любом направлении.

движители танкера «Василий Динков»

используется энергия сжатого воздуха или продуктов сгорания, подаваемых в водовод

через сопло. Характерная особенность таких устройств - отсутствие валопровода и механического рабочего органа. Различают:
тепловые - прямоточные (пароводяная смесь образуется в камере, куда подается пар или горячий газ, создающий движущую силу);
пульсирующие (поршневого типа с пульсирующей газоводяной камерой сгорания, с реактивной газоводяной трубой взрывного типа и др.);
эжекционные и другие, использующие энергию холодного сжатого газа, ускоряющего поток водовоздушной смеси. Применяются в гражданском судостроении.

- насадка; 3 - статор;
4) - основание насадки; 5)

- статор-основание насадки;

-движитель насосного типа с предварительной закруткой
- статор (основание насадки) расположен перед ротором;


-движитель насосного типа с последующей раскруткой,
когда ротор расположен перед статором.

судовых дизелей:

− удельная масса МОД: 20-35 кг/кВт, СОД: 13-18 кг/кВт,

ВОД: 5-6 кг/кВт;

− агрегатная мощность МОД до 100 МВт, СОД до 25 МВт;

− удельный расход топлива МОД 150 г/кВт час, СОД 175 г/кВт час;

− удельный расход масла МОД 0,4 г/кВт час, СОД 0,6-0,8 г/кВт час.

Современные дизеля работают на тяжёлых, т.е. более дешевых сортах топлива, имеют достаточно низкий расход топлива, а с учетом утилизации тепловых потерь КПД достаточно мощных МОД может доходить до 55%.

Типы СЭУ

ПАРОВАЯ МАШИНА(1783)

Двигатель Стирлинга(1853)

Паровая турбина(1870)

Двигатели внутреннего сгорания(1895)

Газотурбинные установки(1943)

Гребные электрические установки(1836)