Содержание 

Расчет ходкости . Основные понятия.

Главные силы, возникающие при движении судна,— это сопротивление воды и упор. Сопротивлением воды называют силу, действующую на судно со стороны воды в (Сторону, противоположную направлению движения судна; эта сила при движении судна горизонтальна. Сопротивление измеряют в килограммах и обозначают буквой R.

Судно испытывает сопротивление не только со стороны воды, но и со стороны воздуха; это последнее сопротивление иногда называют аэродинамическим.

Сопротивление воздуха по сравнению с сопротивлением воды очень мало и имеет значение лишь при очень большой скорости хода или очень сильном ветре, поэтому, чтобы не усложнять объяснений, мы не будем пока его учитывать.

Упором называют силу, которую при своем вращении развивает гребной винт (или другой движитель). Эта сила, направленная вдоль оси гребного винта, через упорный подшипник передается судну, благодаря чему судно преодолевает сопротивление воды и воздуха и движется горизонтально. Если упор направлен горизонтально, то при установившейся (неизменной) скорости хода судна он в точности равен сопротивлению, встречаемому судном. Упор измеряется в килограммах и обозначается латинской буквой Р. Величина упора данного гребного винта зависит от числа оборотов в минуту и поступательной скорости винта. Чем быстрее вращается винт при данной поступательной скорости, тем больше упор. Чем больше поступательная скорость винта при данном числе оборотов в минуту, тем меньше упор, развиваемый винтом.

Посмотрим, как взаимодействуют сопротивление и упор при движении судна. На неподвижно стоящем судне запускают двигатель на малую мощность, винт начинает вращаться с некоторой скоростью, вследствие этого возникает упор, который передается судну. Так как сопротивление неподвижного судна равно нулю, то под действием упора судно тронется с места и, преодолевая свою инерцию, будет двигаться все быстрее и быстрее. Одновременно с увеличением поступательной скорости. судна и, следовательно, гребного винта упор уменьшается по сравнению с тем, каким он был на неподвижном судне в момент запуска двигателя (конечно, при том же числе оборотов в минуту). В то же (время по мере роста скорости хода судна растет сопротивление воды и при некоторой скорости оно станет равным упору, после этого скорость судна уже не будет увеличиваться и станет постоянной, при которой упор и сопротивление равны друг другу.

Если после этого потребуется увеличить скорость хода, то, увеличивая мощность двигателя (большим открытием дроссельной заслонки), увеличивают число оборотов в минуту гребного винта, вследствие чего упор возрастет и, следовательно, становится большим сопротивления. Картина повторяется: скорость и сопротивление растут, а упор падает; после того как сопротивление и упор станут равными, скорость вновь установится.

Схематическое изображение увеличения скорости путем повышения числа оборотов двигателя на судне.

Если дальнейшее увеличение мощности двигателя невозможно, то скорость, на которой величина наибольшего возможного упора и сопротивления сравнялась, является наибольшей достижимой судном скоростью (на рисунке —32,5 км/час).
Может возникнуть вопрос: почему же судно движется, если две противоположно действующие на него силы (упор и сопротивление) в точности равны друг другу? Не следует забывать, что до того, как судно приобрело установившуюся скорость, упор был больше сопротивления, благодаря чему судно получило разгон (инерцию), который никуда не расходуется, пока упор и сопротивление равны друг другу; если упор мгновенно прекратит свое действие, то судно некоторое время будет продолжать свое движение за счет этого разгона.

Итак, для того чтобы определить наибольшую достижимую судном скорость, надо иметь кривую сопротивления и кривую упора по скорости. Расчеты этих кривых самые трудные из всех расчетов, которые приходится делать в мелком судостроении.

При проектировании судов, предназначенных для промышленной постройки, для определения кривой сопротивления не только делают расчеты, но и в специальных лабораториях — опытовых бассейнах — испытывают модели судна; кривую же упоров гребного винта рассчитывают по сложным графикам, на которых изображены результаты испытаний многочисленных моделей гребных винтов, и часто получают также путем испытания модели гребного винта. И все же, несмотря на использование таких мощных и дорогостоящих средств, нередко на построенном уже судне, после его испытания, приходится менять гребной винт, который не смог использовать все возможности двигателя.

Прежде чем перейти к описанию тех способов расчета скорости, потребной мощности и сопротивления судна, которые имеются у любителя, припомним и уточним некоторые понятия.

Мощностью в механике называют работу, производимую за одну секунду; мощность измеряется в килограммометрах в секунду (кгм/сек) и обозначается латинской буквой N. Величину мощности, равную 75 кгм/сек, называют лошадиной силой и обозначают буквами л. с.

Работой в механике называют произведение силы на пройденный ею путь; работа измеряется в килограммометрах. Если упор, действующий на судно, равен, например, 100 кг и судно прошло путь в 500 м за 50 сек., то работа упора будет равна 100X500 = 50 000 кгм, а соответствующая мощность

Мощность, которая должна затрачиваться непосредственно на движение судна, носит название буксировочной или эффективной. Она может быть вычислена путем умножения величины сопротивления на скорость хода. Эффективную мощность будем обозначать через

R - сопротивление в кг.

v - скорость судна в м/сек.

N_e - в л.с.

Мощность судового двигателя, измеренная на его выходном валу (эти измерения производят при помощи специального тормоза), носит название тормозной мощности, или мощности на валу и обозначается через N_вал. Тормозная мощность затрачивается на вращение движителя в воде и преодоление трения в подшипниках валопровода и в редукторе.

Эффективная мощность гораздо меньше мощности на валу. Это объясняется не только тем, что по пути от выходного вала к гребному винту мощность поглощается трением в редукторе и в валопроводе—эти потери невелики; значительно большие потери происходят в самом винте: большую часть (иногда больше половины) передаваемой ему мощности винт из-за своего несовершенства напрасно затрачивает на закручивание отбрасываемой им струи воды. Величина, которая показывает, какая доля мощности на валу полезно используется на движение судна, носит название общего пропульсивно-го коэффициента и обозначается греческой буквой .

Общий пропульсивный коэффициент равен отношению эффективной мощности к мощности на валу:

Общий пропульсивный коэффициент, умноженный на 100, показывает, сколько процентов мощности на валу используется непосредственно на движение судна. Как видим, из-за несовершенства гребного винта на движение судна затрачивается гораздо больше мощности, чем этого требует природа. Если из мощности на валу вычесть мощность, расходуемую на трение в валопроводе и редукторе, то останется лишь та часть мощности, которая расходуется непосредственно на вращение гребного винта; эта величина мощности носит название мощности на винте и обозначается через N_b.
Отношение эффективной мощности N_e к мощности на винте N_b носит название пропульсивного коэффициента и обозначается .

Так как корпус, находящийся перед винтом увеличивает напрасные затраты мощности, то меньше "коэффициента полезного действия винта , работающего в свободной воде

где N_p — мощность отдаваемая изолированным винтом и равная упору, умноженному на скорость.

Коэффициент полезного действия гребного винта, так же как и пропульсивный коэффициент, всегда меньше единицы. Если их величину умножить на 100, то произведение покажет, сколько процентов мощности, подведенной к винту, полезно расходуется.

Когда известны сопротивление судна и пропульсивный коэффициент, легко рассчитать мощность, которую нужно передавать на гребной винт, чтобы он двигал судно. Для этого сопротивление, умноженное на скорость, надо разделить на 75 и на величину пропульсивного коэффициента.

Как мы уже сказали, потери мощности по пути от выходного вала к винту невелики; потери из-за трения в подшипниках валопровода на судне любительской постройки на схеме "напрямую" составляют около 3—4% мощности на валу, при более сложных схемах силовой передачи—5—6%. Величину, показывающую, какую долю мощности двигателя на валу валопровод передает гребному винту, называют коэффициентом полезного действия валопровода и обозначают через .

Зная сопротивление судна, коэффициенты полезного действия валопровода и пропульсивный, легко определить требующуюся или, как принято говорить, потребную мощность на выходном валу двигателя. Для этого сопротивление, умноженное на скорость, надо разделить на коэффициент полезного действия валопровода, на 75 и на пропульсивный коэффициент:

Но отношение эффективной мощности к мощности на валу равно общему пропульсивному коэффициенту:

Значит:

Понятно, что, подбирая для судна гребной винт и не зная при этом сопротивления, приходится действовать ощупью, почти вслепую и в этом случае никогда нельзя быть уверенным, что найден наивыгоднейший гребной винт. Поэтому .вопросу определения сопротивления следует уделять большое внимание.

Вода оказывает судну сопротивление ввиду того, что она обладает вязкостью и весом. Поэтому для расчетов сопротивления его удобно делить на две части: одну связанную с вязкостью и называемую сопротивлением трения, и другую, связанную с весомостью и называемую сопротивлением давления, или, иначе, остаточным сопротивлением. Каждый из этих видов сопротивления может быть разделен на свои составные части.

Механизм сопротивления трения заключается в том,, что в силу вязкости вода "прилипает" к наружной обшивке по бортам и днищу и ее очень тонкий слой неотступно движется с судном; слой воды, ближайший к первому, движется в том же направлении, но ввиду того, что сила сцепления между частицами воды меньше, чем между водой и обшивкой, второй слой несколько отстает от первого слоя; ввиду вязкости между слоями образуется сила трения, которая, передаваясь корпусу, стремится задержать судно.

Третий слой воды, примыкающий ко второму, отстает от него, что также создает между этими слоями трение, передаваемое корпусу, и т. д.

Этот процесс "отставания" слоев воды друг от друга распространяется в стороны и вниз от судна и лишь на некотором расстоянии от него слои воды остаются неподвижными. Сумма сил трения между слоями воды, передающихся судну и стремящихся его задержать, и составляет величину сопротивления трения.

Если поверхность наружной обшивки судна шероховатая, то ее бугорки, выступая за первый слой, вызывают завихрения в ближайших слоях воды, что увеличивает расход мощности на преодоление сопротивления трения.

Сопротивление давления возникает главным образом из-за того, что при движении судна на поверхности воды появляются волны, которые создают вблизи корпуса различные вдоль судна давления; эти давления, как правило, в кормовой части судна меньше, чем в носовой, но больше, чем в средней, ввиду этого результирующая сил давления направлена от носа к корме. По своей величине основная часть сопротивления давлений равна силе, которая затрачивается судном на волнообразование, она носит название ,волнового сопротивления.

Другая, значительно меньшая часть сопротивления давления порождается тем, что в кормовой части давление больше, чем в средней, вследствие этого частицы воды, идущие от носа к корме, не доходя до кормы, встречают частицы, которые из области более высоких давлений в корме возвращаются к средней части судна. В местах встречи частиц происходит вихреобразование и отрыв вихрей от судна, на что, естественно, затрачивается энергия. Эту часть сопротивления давлений называют сопротивлением формы, или вихревым сопротивлением. Для наших целей вихревое сопротивление можно включить в величину волнового сопротивления.

Читать далее: Расчет ходкости. Вычисление сопротивления трения.