Opory śrub niepracujących w okrętowych napędach wielośrubowych

Transkrypt

1 CHARCHALIS Adam 1 Opory śrub niepracujących w okrętowych napędach wielośrubowych WSTĘP Napęd okrętów szybkich dobiera się dla założonej maksymalnej prędkości pływania. Z uwagi na zapotrzebowanie mocy do napędu jednostek szybkich, ograniczony udział wyporności okrętu przeznaczony na siłownię oraz małe zanurzenie okrętu powodujące ograniczenia średnicy śrub przy ich doborze, układy napędowe tego typu jednostek są wielosilnikowe i wielośrubowe [3,4,6]. Jednostki szybkie mają odpowiednią specyfikę eksploatacji. Projektowane są na maksymalne prędkości pływania, natomiast z reguły eksploatowane są z prędkościami znacznie mniejszymi tzw. częściowymi. Wymaga to wyłączenia z pracy poszczególnych zespołów napędowych, w tym śrub. Śruby niepracujące są holowane przez kadłub okrętu, pracują w zakresie tzw. pracy turbinowej (współczynnik posuwu śruby jest większy niż współczynnik posuwu dla skoku zerowego naporu ) i przekazują moment obrotowy na wał oraz wytwarzają ujemny napór czyli opór[2,3,8]. Opór dodatkowy spowodowany niepracującymi śrubami należy uwzględniać podczas projektowania układu napędowego i analizie jego osiągów na poszczególnych zakresach pracy. Śruby niepracujące mogą być zastopowane (prędkość obrotowa jest równa 0) lub też mogą się swobodnie obracać będąc napędzanymi przez napływającą wodę. Śruba zastopowana może być przy pomocy hamulca zamontowanego na linii wału lub też w wyniku zbyt małego momentu obrotowego generowanego na śrubie, mniejszego niż opory tarcia występujące w łożyskach linii wału, zasprzęglonego silnika i na śrubie. Dla zabezpieczenia przed zatarciem się silnika czy też przekładni często na wale napędowym w tego typu układach stosuje się hamulce. Określenie niezbędnego momentu hamowania jest niezbędne dla zapewnienia niezawodnej pracy hamulca i nie dopuszczenie do wirowania wału. Momenty i napory występujące na śrubie w zakresie wyszczególnionych zakresów pracy oszacować można w oparciu o uniwersalne charakterystyki hydrodynamiczne śrub [2,3,8]. 1. UNIWERSALNE CHARAKTERYSTYKI HYDRODYNAMICZNE ŚRUB Charakterystyki hydrodynamiczne śrub odnoszą się do przypadku, gdy ruch okrętu odbywa się "naprzód" tzn. prędkość obrotowa śruby jest dodatnia, prędkość postępowa śruby jest dodatnia, w związku z czym współczynnik posuwu J=v p /D n jest także dodatni. Dla tego przypadku współczynniki naporu K T i momentu K Q mają wartości dodatnie. W czasie eksploatacji okrętu często występują sytuacje (manewrowanie ), kiedy współczynniki posuwu, naporu lub momentu mogą przyjmować wartości ujemne. Wymienione przypadki nietypowej pracy śruby wskazują, że dla pełnej oceny zachowania się okrętowego układu napędowego niezbędna jest znajomość osiągów śruby w całym eksploatacyjnie uzasadnionym zakresie pracy. Dlatego też skonstruowano tzw. uniwersalne hydrodynamiczne charakterystyki śrub swobodnych [2,3,8]. Przykład takiej charakterystyki dla jednego skoku śruby H/D przedstawia rysunek 1. Uniwersalne charakterystyki hydrodynamiczne śrub wykorzystywane są dla oceny własności manewrowych statku 2. OPORY ŚRUB NIEPRACUJĄCYCH SWOBODNIE OBRACAJĄCYCH SIĘ LUB ZASTOPOWANYCH W okrętowych układach napędowych wielośrubowych często można mieć do czynienia z sytuacją, że w czasie ruchu okrętu jedna lub kilka ze śrub nie pracują, tzn. silniki nie dostarczają do nich 1 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska 81-87, achar@am.gdynia.pl 660

2 momentu obrotowego. Śruby te są wtedy holowane przez poruszający się okręt. Niepracująca śruba może być zastopowana np. za pomocą hamulca zainstalowanego na wale i wtedy się nie obraca lub może się swobodnie obracać i przekazywać moment obrotowy od śruby do silnika. Rys. 1. Uniwersalna hydrodynamiczna charakterystyka śruby dla H/D = idem gdzie: K T =T/ρn 2 D 4, J=v p /D n Śruba pracuje wtedy jak turbina wodna i poprzez linię wału może napędzać niepracujący silnik. Przedstawione w tej postaci charakterystyki są nieprzydatne do analizy pracy układu napędowego dla przypadku gdy prędkość obrotowa śruby jest równa zero (śruba zastopowana)lub bliska zero. W tym przypadku współczynnik posuwu dąży do nieskończoności i niemożliwym jest określenie ujemnego naporu i momentu obrotowego śruby Śruba holowana zastopowana Gdy śruba nie pracuje, jest holowana i nie obraca się, to wtedy moment tarcia w linii wału jest większy niż moment rozwijany przez śrubę w zakresie jej pracy turbinowej. Przy ruchu okrętu naprzód v p >0 i zastopowanej śrubie n=0, współczynnik posuwu J=v p /Dn dąży do nieskończoności. Dlatego skonstruowano charakterystyki hydrodynamiczne śrub dla przypadków, gdy n 0, tzn. gdy J. Zrealizowano to w ten sposób, że na osi odciętych współczynnik posuwu J zastąpiono jego odwrotnością J 0 = 1/J = Dn/v p. Wtedy dla przypadku śruby zastopowanej J 0 =0 znajduje się w środku układu współrzędnych. Natomiast współczynnik naporu K T =K T /J. 2 Przykładowe uniwersalne charakterystyki hydrodynamiczne śruby w układzie K T i K Q przedstawiono w funkcji J 0 na rysunkach 2 i 3 [2,3,8]. Dla określenia oporu lub momentu obrotowego śruby zastopowanej należy na wykresie K T f(j 0 ) w początku układu współrzędnych (J 0 =0) dla odpowiedniego współczynnika skoku H 1 /D określić współczynniki naporu i momentu. Wtedy ujemny napór śruby zastopowanej oraz moment obrotowy wynosi: 661

3 Rys. 2. Uniwersalna charakterystyka hydrodynamiczna naporu śruby o liczbie skrzydeł z = 3 i współczynniku powierzchni skrzydeł S0/S =1,1 Opór śruby zastopowanej wynosi: R zast T K ; (1) T 2 D 2 p 2.2. Śruba holowana swobodnie obracająca się W czasie ruchu okrętu gdy moment obrotowy rozwijany przez śrubę w zakresie pracy turbinowej jest większy od momentu tarcia w linii wałów i na śrubie, zaczyna się ona obracać i przekazywać na wał generowany ujemny moment obrotowy. Prędkość obrotowa śruby niepracującej wynika z relacji pomiędzy momentem tarcia w linii wału i na śrubie oraz momentem obrotowym rozwijanym przez śrubę. Przy obliczeniowym, w czasie projektowania napędu, określaniu oporów śrub swobodnie obracających się nieznana jest wartość prędkości obrotowej śruby. Dlatego też przede wszystkim należy oszacować moment tarcia w linii wałów i następnie współczynnik momentu tarcia równoważony przez moment obrotowy śruby pracującej w zakresie turbinowym czyli napędzającej wał. Qtlw Q so. (2) 662

4 Rys. 3. Uniwersalna charakterystyka hydrodynamiczna momentu obrotowego śruby o liczbie skrzydeł z = 3 i współczynniku powierzchni skrzydeł S0/S =1,1 Moment obrotowy (hamujący) wynosi: Q zast K. (3) Zakładając kolejne prędkości okrętu przy założonym momencie tarcia w zespole napędowym można określić współczynnik momentu obrotowego K Q...Wykorzystując tą wartość współczynnika dla śruby o określonym skoku można z rys. 3 oszacować współczynnik posuwu Jo i następnie prędkość śruby swobodnie obracającej się. Następnie wykorzystując oszacowany współczynnik posuwu można z rysunku 2 określić współczynnik naporu śruby, który jest w zasadzie współczynnikiem oporu dodatkowego dla kadłuba okrętu. Q 2 D 3 p 3. OBLICZENIA OPORÓW ŚRUB SWOBODNIE OBRACAJĄCYCH SIĘ I ZASTOPOWANYCH Przykładowe obliczenia oporów śrub niepracujących przeprowadzono dla okrętowego układu napędowego trzyśrubowego, wyposażonego w śruby trzyskrzydłowe o skoku stałym H 1 /D=1,175, średnicy D=1,15 m współczynniku powierzchni skrzydeł S 0 /S=1,1. Moment obrotowy silnika wynosił 25kNm. Przyjęto gęstość wody morskiej ρ=1026 kg/m 3, dla t=15 C. Dla śruby zastopowanej(v p =0, J 0 =0) współczynnik naporu K T =0,32 a współczynnik momentu K Q =0,057. Dla śruby swobodnie obracającej się istotnym jest określenie momentu tarcia w linii. Moment tarcia w linii wałów jest funkcją jego prędkości obrotowej oraz długości wału. Im większa jest długość wału, tym bardziej wzrasta liczba łożysk i tym mniejsza jest sprawność linii wału. Można przyjąć do określania momentu tarcia wg.[2] następującą zależność: gdzie: Q tlw nx a b Q. (4) n 663

5 1 2 a c; b c; c 0,02 0,05 (mniejsze wartości dla krótszych wałów); 2 3 c 1 lw ; Q obrotowy moment nominalny rozwijany przez silnik; n x prędkość obrotowa wału; n nominalna prędkość obrotowa wału. Podane zależności można wykorzystywać, gdy znane są np. z pomiarów prędkości obrotowe wałów swobodnie obracających się n x. Na rysunku 4 przedstawiono obliczone wartości oporu śrub niepracujących, swobodnie obracających się i zastopowanych, w zależności od prędkości pływania. Rys. 5. Opory śrub holowanych: R za - zastopowanych, R s - swobodnie obracających się Literatura [9] podaje zależności do szacowania oporu dodatkowego okrętów szybkich spowodowanego śrubami niepracującymi. Dla śrub zastopowanych przyjmuje się: Dla śrub swobodnie obracających przyjmuje się: gdzie: v p - prędkość postępowa śruby [m/s]; D średnica śruby [m]; S o /S-współczynnik powierzchni skrzydeł śruby. R sz 1,5 v p 2 D 2 S o /S [kn] (5) R so (0,4-0,8) v p 2 D 2 S o /S [kn] (6) Obliczone w oparciu o powyższe zależności opory śrub niepracujących przyjmują wartości znacznie wyższe niż wartości obliczone z wykorzystaniem uniwersalnych charakterystyk hydrodynamicznych śrub. Opór śruby zastopowanej dla prędkości 15 w wynosi R sz (dla 15 w)=130 kn, dla 20 wr sz =230 kn. Opór śruby swobodnie obracającej się dla prędkości okrętu wynoszącej 15 w wynosir so kn. 664

6 WNIOSKI Poprawność przyjętej metodyki obliczania oporów śrub niepracujących, swobodnie obracających się i zastopowanych potwierdzona została eksperymentalnie na jednostce rzeczywistej. Podczas badań stwierdzono, że prędkość obrotowa niepracującego wału napędzanego przez śrubę w zakresie pracy turbinowej przy prędkości 15 w zbliżona była do prędkości obrotowej odpowiadającej biegowi jałowemu silnika głównego. Wykorzystanie uniwersalnych charakterystyk hydrodynamicznych śrub pozwala na dokładniejsze oszacowanie oporów śrub niepracujących niż przy wykorzystaniu zależności przybliżonych. Streszczenie Zapotrzebowanie mocy do napędu okrętów zależy od ich wyporności i prędkości pływania. Na wybór odpowiedniego rodzaju głównych silników napędowych szczególnie istotny dla jednostek szybkich, ma wpływ nie tylko moc silników ale także ograniczona część wyporności, przeznaczona na siłownię. Ma to wpływ na liczbę, rodzaj, moc i gabaryty silników głównych oraz liczbę i średnicę śrub. Jednostki szybkie projektowane są na maksymalne prędkości pływania, natomiast z reguły eksploatowane są prędkościami częściowymi. Powoduje to konieczność wyłączenia z pracy poszczególnych silników czy też śrub napędowych. Śruby niepracujące są holowane przez kadłub okrętu i powodują dodatkowy opór. Opór dodatkowy spowodowany niepracującymi śrubami należy uwzględniać podczas projektowania układu napędowego, szczególnie w zakresie analizy szacowania prędkości pływania. Niepracująca śruba może być zastopowana przy pomocy hamulca lub też w sytuacji gdy moment wytwarzany na śrubie pracującej jak turbina wodna jest mniejszy od momentu tarcia w linii wału oraz swobodnie obracająca się. Momenty i napory występujące na śrubie w tym zakresie pracy można oszacować w oparciu o uniwersalne charakterystyki hydrodynamiczne śrub. Zaprezentowano metodykę oraz przykład obliczania oporów śrub swobodnie obracających się i zastopowanych dla założonego układu napędowego okrętu. Słowa kluczowe: transport, okręty szybkie, śruby okrętowe, układy napędowe wielośrubowe Resistance of non-working pitch propellers in marine multi-propeller propulsion systems Abstract The configuration of a marine propulsion system is selected with regard to the maximum power resulting from its maximum design speed and displacement. The propulsion systems of high speed vessels use three or even four propellers, and each propulsion unit may be multi-engine. High speed vessels are designed for maximum speeds, but their factual exploitation speed parameters are usually considerably lower - partial speed. In such cases particular propulsion propellers and engines need to be shut down. The idle propellers are dragged by the hull and they work in the so-called turbine work mode; they transfer torque to the shaft and generate negative thrust, i.e. additional resistance. Additional resistance contributes to reducing estimated speed of a vessel and increasing fuel consumption. What is more, torque generated on a propeller is transferred to the shaft and when friction resistance torque in shaft stuffing-boxes and bearings, transmission and, possibly, the propulsion engine is exceeded, mobile components rotate as a result, reaching considerable rotational speed values. Torque and thrust on a propeller in this work mode may be estimated on the grounds of universal hydrodynamic characteristics of propellers. Universal hydrodynamic characteristics of propellers are used as reversion characteristics in evaluating the steering properties of a vessel, and may be useful in evaluating resistance of freewheeling and locked propellers in marine multi-shaft propulsion systems. This paper presents charts of universal hydrodynamic characteristics of propellers for the full range of their rotational speed, the methodology and an example of calculating resistance of freewheeling and locked propellers for the given marine propulsion system. Keywords: transport, high speed vessels, marine propellers, multi-propeller propulsion systems BIBLIOGRAFIA 1. Basin, J.M., Anfimov,V.N., Gidromechanikasudna, Recnoj transport, Leningrad Basin, J.M.,Miniovic, J.J., Teoriairasciotgrebnychvintov, Sudostrojenie, Leningrad Charchalis, A., Opory okrętów wojennych i pędniki okrętowe, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia

7 4. Charchalis, A., Resistance of idle propellers in marine multi-propeller propulsion systems, Journal of Kones, Warszawa Charchalis, A., Problem śrub niepracujących w okrętowych układach napędowych wielośrubowych, Zeszyty Naukowe Akademii Marynarki Wojennej, nr 170A Gdynia Charchalis, A., Propulsion systems of fast vessels with jet turbine engines. Marine Technology Transactions. Vol.4, -pp Polish Academy of Since Gdańsk Charchalis, A., Wyniki badań różnego typu kombinowanych układów napędowych okrętu szybkiego, Zeszyty Naukowe Wyższej Szkoły Marynarki Wojennej, nr 4/71 Gdynia Jarzyna, H., Wzajemne oddziaływanie kadłuba i pędnika statku, Maszyny Przepływowe t.14, Ossolineum, Wojnowski, W., Okrętowe siłownie spalinowe cz. I., Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia,