Расчет винтовых движителей судна
 Скачать 399.7 Kb.
|
|
НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА КАФЕДРА ТЕОРИИ И УСТРОЙСТВА КОРАБЛЯ КУРСОВОЙ ПРОЕКТ НА ТЕМУ «РАСЧЕТ ВИНТОВЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ СУДНА» Выполнил: студент группы ЭСЭУ-31 Кондратьев А. К. Проверил: Лебедев О.Ю. Новосибирск 2023 г. Новосибирская государственная академия водного транспорта Кафедра «Теории и устройства корабля» ЗАДАНИЕ на курсовой проект по дисциплине «Теория и устройство корабля» студенту гр.ЭСЭУ-31 – Кондратьеву А.К. Выполнить расчет винтовых движителей судна ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 1 Грузоподъемность G= 1000 т 2 Ожидаемая скорость на глубокой спокойной воде v=23,8 км/час. 3 Длина расчетная L=78 м. 4.Ширина расчетная B=11,6 м. 5 Осадка T= 2,68 м. 6 Коэффициент общей полноты δ=0,837. 7 Количество двигателей и движителей ZP=2(открытые винты). 8 Автономность плавания ta = 15 сут. 9 Глубина фарватера hсх= 6 м Содержание 1 Расчет сопротивления воды движению судна 4 2 Расчет движителя при выборе силовой установки 7 3 Расчет движителя на полное использование мощности главных СЭУ 10 4 Проверка дискового отношения винтов 13 5 Расчет и построение чертежа гребного винта 14 Список использованной литературы 22 1 Расчет сопротивления воды движению судна1.1 Расчет сопротивления воды движению судна Расчет сопротивления воды движению для груженого судна и буксира –толкача производится на глубокой спокойной воде и на мелководье. Последовательно рассчитываются следующие величины. Водоизмещение судна V, м3.  ; (1) =78‧11,6‧2,68‧0,837;V =2029,6 м3 Соотношения главных размерений:  =0,034; (2) =6,724; =29,1; =4,328Коэффициент пропорциональности  между сопротивлением трения и сопротивлением формы. ; (3) =(22‧0,034-0,1)[0,132+(0,837-0,4)2,5]; =0,169.При отсутствии теоретического чертежа площадь смоченной поверхности судна  может быть определена по формуле: (4)Ω = 2029,60,667⸱(5,1+0,074⸱29,1-0,4⸱0,837) Ω = 1111,9 м2 Кинематический коэффициент вязкости воды  =1,57⸱10-6 м2/с.Коэффициент, учитывающий шероховатость корпуса CF=0,6⸱10-3 (для стальных судов). Коэффициент сопротивления выступающих частей СAP принимается в зависимости от их наличия и количества по таблице 1. Таблица 1 – Коэффициенты выступающих частей судов САР
Выбирается CAP = 0,2·10-3, g = 9,81 м/c2, ρ = 1 т/м3. По результатам расчета на листе формата А4 в зависимости от скорости судна строятся графики составляющих сопротивления и полного сопротивления на глубокой спокойной воде (рисунок 1). Кривые полного сопротивления на мелководье и ориентировочного сопротивления в балласте используются при построении ходовых характеристик судна. Таблица 2 – Расчет сопротивления воды движению судна
 Рисунок 1 – Составляющие сопротивления 2 Расчет движителя при выборе силовой установкиДля установки на судно приняты открытые винт. Геометрические характеристики движителей – число лопастей винта ZЛ и дисковое отношение в данной работе приняты: открытые винты; ZЛ=4; АЕ/А0 =0,55. Коэффициент попутного потока одиночного судна WТ:  (5) WТ = 0,15. где x=2 для боковых винтов; D – максимально возможный диаметр движителя Dmax= 1,2⸱T=3,22 м; а=0,046 – для тоннельной формы кормы. Коэффициент засасывания tр на данном этапе ориентировочно принимается равным:  ; (6)tp =0,8‧0,15; tp = 0,12. Скорость движителя относительно невозмущенной им воды одиночного судна vp , м/с.  (7) =6,6‧(1-0,15); =5,62;где  =6,6 м/с – ожидаемая скорость судна.Тяга движителя при ожидаемой скорости судна Те, кН.  (8) =146,9/2; =73,4 кНгде R=f(  ) – полное сопротивление на глубокой тихой воде при ожидаемой скорости судна (рисунок 1).Упор движителя при ожидаемой скорости судна Тр, кН.  ; (9) =73,4/(1-0,12); =83,4.КПД передачи от двигателя к движителю  при наличии реверс – редуктора =0,95.Расчет движителя производится при варьировании частоты его вращения n по схеме таблицы 3. Таблица 3 – Расчет движителя при выборе силовой установки
По результатам расчета строятся графики  (рисунок 2). На этом графике откладывается величина максимального диаметра движителя  и проводится горизонталь до пересечения с графиком  . Диапазон характеристик двигателей (мощности и частоты вращения), которые можно установить на судно при данных условиях задания, находится правее вертикали, проведенной через точку пересечения, и выше кривой  . Рисунок 2 – К выбору главных СЭУ Марка и характеристики двигателя определяются по справочникам серийных судов и каталогам судовых двигателей. Характеристики некоторых двигателей приведены в таблице А6 Приложения. Окончательно выбор двигателей производится с учетом их эксплуатационно-технических и экономических показателей. В результате данного предварительного расчета становятся известными тип и марка двигателя, мощность и частота вращения с учетом передаточного отношения редуктора в случае его установки. Таким образом был выбран двигатель: BL12V190ZL-2, Ps = 1000 кВт, n = 16,6 с-1, передаточное отношение i=4,48. 3 Расчет движителя на полное использование мощности главных СЭУ3.1 Расчет оптимального открытого винта Расчет производится в таблице 4 для винтов с теми же диаграммными геометрическими характеристиками, что и в предыдущем разделе, при следующих исходных данных. Мощность, подведенная к движителю,  , кВт. ; (10) =1000‧0,95; =950 кВтКоэффициент засасывания в швартовном режиме t0=0,035 для тоннельной формы кормы. D = 2,01 м Коэффициент момента двигателя  . ; (11) =950/2‧3,14‧1‧16,63‧2,015; =0,036.Дальнейший расчет производится в таблице 4 методом последовательных приближений. Первое приближение выполняется при скорости судна , определенной в задании на проект. Если при заданной скорости суммарная тяга винтов окажется больше, чем сопротивление, расчет необходимо повторить при несколько большей скорости судна; в противном случае скорость судна необходимо уменьшить и расчет вновь повторить. Расчет заканчивается при условии отличия суммарной тяги от сопротивления не более чем на 1%. Таблица 4 – Расчет оптимального винта
Таким образом, при установке на судне двух открытых четырехлопастных винтов с диаметром D= 2,01 м, шаговым отношением Pp/D=0,52 и дисковым отношением AE/A0=0,55, судно развивает скорость =6,6 м/с =23,8 км/час, что удовлетворяет условию задания (=23,8 км/час), так как винт оптимален, то есть его КПД ηр при меньшем в данном случае шаговом отношении имеет меньшее значение:  ; (12) = 0,567‧0,24/2‧3,14‧0,036; =0,64 Проверка дискового отношения винтов4.1 Проверка на прочность Минимально необходимое дисковое отношение винтов из условия прочности лопастей  вычисляется по формуле: (13)где  =0,055 для углеродистой стали;  =1,15 для грузовых и пассажирских судов. Минимально необходимое дисковое отношение винтов из условия прочности лопастей равно:  так как оно меньше принятого по диаграмме (0,55), винт прочен. 4.2 Проверка на кавитацию Минимально необходимое дисковое отношение винтов из условия отсутствия второй стадии кавитации на лопастях винтов вычисляется по формуле:  (14)где ра=101 кН/м2 – атмосферное давление;  0,5Т=1,34 м – глубина погружения оси винта под ватерлинию; =1,72 кН/м2 – давление насыщенных паров воды.Минимально необходимое дисковое отношение винтов из условия отсутствия второй стадии кавитации на лопастях винтов равно:  ;  =0,549.Так как минимально необходимое (АЕ/А0)кав меньше принятого по диаграмме (0,55), вторая стадия кавитации не наступает. 5 Расчет и построение чертежа гребного винтаДля построения чертежа гребного винта необходимо выполнить следующие предварительные расчеты. Диаметр гребного вала  , мм (по правилам Российского речного Регистра). (15) ; =127,4 мм,где эмпирический коэффициент для гребного вала в районе винта k=150; коэффициент усиления  =1 (для обычных судов);временное сопротивление материала вала  =400-600 мПа.Диаметр ступицы  ,м. ; (16) =2‧0,127 =0,255Средняя ширина лопасти  , м. (17) ; =0,497.Максимальная ширина лопасти м ; (18) =1,17‧0,497; =0,581,где С=1,17 для открытых винтов серии Трооста. Условная максимальная толщина лопасти по оси винта  ,м. ; (19) =0,5‧2,01‧(0,125-0,0085‧4); =0,091.Максимальная толщина на конце лопасти  ,м. ; (20) =0,5‧2,01‧(0,00955-0,0005‧4); =0,008.Толщина принимается не менее 5 мм для обычных судов, 6 мм для судов, плавающих в битом льду, 7 мм для ледоколов.Отклонение образующей конца лопасти в корму  ,м (для КВН отклонение конца лопасти в корму не выполняется  ). ; (21) =0,8‧0,091; =0,073.Текущие значения толщины лопасти по линии наибольших толщин  . (22)где  – относительный радиус рассматриваемого сечения лопасти (R – радиус винта). Количество радиусов сечений назначается по усмотрению проектировщика, но не менее четырех. Параметры, необходимые для построения профилей сечений лопасти винта, оформляются в таблице 5 и рассчитываются по формулам: – текущий радиус сечения лопасти  , мм ; (23)– абсцисса носика профиля винта Трооста  , мм ; (23)– абсцисса носика профиля винта КВН Каплана , мм ; (24)– абсцисса хвостика профиля Трооста  , м (27)– абсцисса хвостика профиля Каплана  , м– абсцисса линии наибольших толщин Трооста  , м (28)– абсцисса линии наибольших толщин Каплана , м (29)– аппликата центра кривизны носика  ,мм ; (30)– радиус кривизны носика  , мм (31)- аппликата центра кривизны хвостика  ,мм (32)- радиус кривизны хвостика  , мм  . (33)Внимание! На сечениях, близких к концевым, расчетные величины  , , , могут оказаться меньше 2 мм. В этом случае их величины необходимо назначить равными 2 мм.Таблица 5 – Расчет профилей лопасти винта
Чертеж винта выполняется на листе формата А1 в удобном масштабе (1:1; 1:2; 1:2,5; 1:4) в следующем порядке (пример приведен для винта правого вращения в масштабе 1:2. – проводятся линии – осевая винта, осевые боковой и нормальной проекций, осевая диаграммы сечений и радиальные линии, соответствующие величинам  ;– на боковой проекции по оси винта откладывается величина условной максимальной толщина лопасти по оси винта  по линии, соответствующей концу лопасти, откладываются величины  (влево) и  (вправо от конца образующей); полученные точки соединяются прямыми линиями; в итоге получена диаграмма наибольших толщин лопасти по линии наибольших толщин (ЛНТ), абсциссы которой рассчитаны по формуле 48 и приведены в строке 3 таблицы 18.Для построения диаграммы спрямленных сечений лопасти последовательно выполняются следующие операции: – на каждом радиусе откладываются абсциссы  ,  ,  , полученные точки соединяются штрих – пунктирной линией;– на линии наибольших толщин на каждом радиусе по вертикали откладываются соответствующие величины наибольших толщин  ;– на каждом радиусе откладываются величины , , , и проводятся полуокружности носика и хвостика. При приближенном проектировании засасывающие и нагнетающие поверхности профилей получают путем соединения лекальными кривыми носиков, точек, соответствующих наибольшим толщинам, и хвостиков. Полученные в итоге профили сечений должны соответствовать профилям крыла. – по оси винта влево (для винтов правого вращения) и вправо (для винтов левого вращения) откладывается абсцисса полюса О профилей, рассчитанная по формуле:  ; (34)- из полюса (О) через точки пересечения осевой и радиальных линий проводятся лучи, от которых касательно к носикам и хвостикам проводятся перпендикуляры; катеты полученных треугольников обозначаются  ,  ,  ,  .Для построения нормальной проекции и спрямленного контура последовательно выполняются следующие операции: – из оси винта проводятся дуги радиусов ; вдоль этих дуг гибкой линейкой вправо от осевой откладываются величины катетов , а влево величины катетов ; для определения крайней точки конца лопасти по дуге радиуса Rоткладывается величина абсциссы ЛНТ на этом радиусе; полученные точки соединяются плавными кривыми входящей, выходящей кромок лопасти и крайней точки конца лопасти;– для построения спрямленного контура лопасти вправо (для винта правого вращения) откладывается абсцисса полюса О; на каждом радиусе прямоугольным треугольником (прямой угол располагается в точке О, один из катетов располагается в точке пересечения осевой и радиальной линий) отмечаются полюса О1, О2 и т.д.; из полученных полюсов проводятся окружности, вдоль которых гибкой линейкой вправо и влево откладываются величины и ; полученные точки соединяются плавными штрих - пунктирными линиями.Для построения боковой проекции с условным сечением по линии наибольших толщин последовательно выполняются следующие операции. – от точки пересечения образующей лопасти с радиальными линиями опускаются перпендикуляры; – точки кромок, находящиеся на нормальной проекции, проектируются на боковую проекцию до пересечения с перпендикулярами; от точек пересечения вправо откладываются величины , а влево - величины  ; полученные точки соединяются плавными кривыми, причем входящие кромки проводятся штрих – пунктирной линией;Для построения сечения ступицы и последующей «привязки» лопастей на боковой проекции последовательно выполняются следующие операции: – линии кромок продляются почти до оси винта; – проводится вертикаль будущей входящей стороны ступицы с условием размещения на ней корня лопасти, на которой откладывается диаметр вала; – коническая часть вала продляется до вертикали будущей выходящей стороны ступицы с условием размещения на ней корня лопасти; – на осевой линии откладывается диаметр ступицы и проводятся линии наружной стороны ступицы примерно с той же конусностью, что и у вала; на кромках ступицы показываются фаски; – проводятся галтели корня – Rг=0,04D=80,4 на засасывающей поверхности,Rг=0,03D=60,3 на нагнетающей поверхности; – на примерно трети длины ступицы вычерчивается «обнижение» глубиной на 3-6 мм больше глубины выбранной по таблице 7 шпоночной канавки; здесь же проводятся линии по ширине шпоночной канавки; – изображаются отверстия под болты для крепления обтекателя. На нормальной проекции ступицы выполняются операции: – наносятся окружности, соответствующие диаметрам вала и ступицы; – входящая кромка лопасти продляется до пересечения с диаметром входящей стороны ступицы; выходящая кромка лопасти продляется до пересечения с диаметром выходящей стороны ступицы; полученные точки слегка скругляются и переносятся на боковую проекцию; на обеих проекциях проводятся условные линии корней лопастей. На чертеже проставляются рекомендованные размеры. Заключение Таким образом, в ходе работы, было выявлено, что для судна с заданными характеристиками наиболее оптимальным является двигатель Таким образом был выбран двигатель: BL12V190ZL-2, Ps = 1000 кВт, n = 16,6 с-1, передаточное отношение i=4,48. При установке на судне двух открытых четырехлопастных винтов с оптимальным диаметром D= 2,01 м, шаговым отношением Pp/D=1,03, и дисковым отношением AE/A0=0,55, судно развивает скорость =6,6 м/с =23,8 км/час, что удовлетворяет условию задания (=23,8 км/час). Минимально необходимое дисковое отношение винтов из условия прочности лопастей равно 0,461 и меньше принятого по диаграмме (0,55), винт прочен. Так как минимально необходимое  = 0,549 больше принятого по диаграмме (0,55), то возможно наступление второй стадии кавитации.Список использованной литературы1. Павленко В.Г. Ходкость и управляемость судна. - М.: Транспорт. 1991.- 400 с. 2. Вьюгов В.В. Управляемость водоизмещающих речных судов. –Н. 1999. – 260 с. 3. Справочники по серийным судам. Изд. МРФ РСФСР. 4. Вьюгов В.В. Расчет винтовых движителей судна. - Методические указания. Новосибирск, 2004. – 40 с. 5. Басин А.М., Степанюк Е.И. Руководство по расчету и проектированию гребных винтов судов внутреннего плавания.- Транспорт. 1977.-272 с. 6. . Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания. -Российский речной регистр. Т3. 2015.-419 с. 7. ГОСТ 2.419-68, ГОСТ 2.801-74, ГОСТ 1062-80, ГОСТ 28065 – 89. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
=0,837;
=1111,9 м2;
(103)
=6,6 м/с;
=5,6 м/с; ТР=83,4 кН; 
=1 т/м3; 
=0,95; ZЛ=4;
=0,55; 
=3,22 м.
)
=6,6 м/с; R=146,9 кН; 
950 кВт; ZЛ=4; 
=0,036.
или
для толкача
(по диаграмме)
) (по диаграмме)
(по диаграмме)
, мм
, мм
, мм
, мм
, мм
, мм
, мм
, мм