О возможности существенного повышения скорости судов на колесных движителях

Чувашев С.Н., Попов С.Д.†, Якимов Н.М.

[email protected], [email protected], [email protected]

† МГТУ им. Н.Э. Баумана; * МАИ

Введение

В качестве движителей судов применяются гребные колёса с неподвижными или поворотными лопатками.

Преимущества:

большой упор при малом заглублении, т.е. применимы на мелководье
при малой скорости судна имеют высокую эффективность

Недостатки:

недостаточная надёжность поворотных лопаток
при повышении скорости судна эффективность движителя существенно снижается

В качестве движителей судов применяются гребные колёса с неподвижными или поворотными лопатками (последние меняют угол наклона при повороте колеса).

Они обеспечивают большой упор при малом заглублении, что делает их применимыми на мелководье.

При малых скоростях судна они отличаются высокой эффективностью (это отношение мощности, связанной с силой от колеса \(\vec{F}\), к механической мощности на валу).

Длительное время, особенно при высоких скоростях, их использование было ограничено. Причинами можно назвать

во-первых, недостаточная надёжность поворотных лопаток, особенно при высоких скоростях судна.

во-вторых, при повышении скорости судна до \(20\ldots30\;\text{км/ч}\) эффективность движителя существенно снижается.

Принципиальные ограничения эффективности колёсного движителя с неподвижными лопатками при высоких скоростях в литературе практически не описаны.

Представляет значительный интерес изучение и устранение указанных ограничений.

Эффективность \[\eta = \frac{\vec{F}\cdot\vec{v}_v}{\left| \vec{M} \cdot \vec{\omega} \right|},\] где \(\vec{F}\) – упор колеса, \(\vec{v}_v\) – скорость судна, \(\vec{M}\) – вращательный момент на валу, \(\vec{ω}\) − угловая скорость вращения колеса

Моделирование

ANSYS CFX
уравнения Навье-Стокса
SST (k-ω) для учёта турбулентности
метод объёма жидкости для моделирования свободной поверхности воды
вращение колеса моделируется с помощью многоблочной скользящей сетки

Вычисления проводились с помощью программ ANSYS CFX

В вычислительном эксперименте решалась система уравнений Навье-Стокса для динамики воздуха и воды как среды с переменной плотностью с учётом силы тяжести и с моделью турбулентности SST (вариант k-ω), в приближении изотермичности и малости числа Маха по сравнению с единицей.

Для моделирования свободной поверхности воды использовался метод объёма жидкости.

Применялась квазирегулярная многоблочная расчётная сетка, причём межлопаточные блоки скользили относительно периферийного блока, имеющего форму прямоугольника с вырезанным кругом.

Вариант I, с ободом и радиальными лопатками

Проблемы

при входе лопатки в воду создаётся большое усилие, сильный всплеск, который гонит воду как назад, так и вперёд.
между лопатками при их нахождении под водой создаётся разрежение, которое формирует течение к колесу, в т.ч., сзади вперёд в земной системе координат.
это разрежение замедляет слив воды при выходе лопаток, Итог: вода ускоряется вверх относительно колеса, т.е. вперёд в земной системе координат.

При высоких скоростях судна, у этого варианта есть проблемы.

Во-первых, при входе лопатки в воду создаётся большое усилие, сильный всплеск, который гонит воду как назад, так и вперёд.

Во-вторых, между лопатками при их нахождении под водой создаётся разрежение, которое формирует течение к колесу, в том числе, сзади вперёд в земной системе координат.

В-третьих, это разрежение замедляет слив воды при выходе лопаток, и вода ускоряется вверх относительно колеса, то есть вперёд в земной системе координат.

Таким образом, при движении постоянно происходит захват части воды с ускорением вперёд до скорости порядка скорости судна. Другая часть воды получает при гребке скорость порядка скорости скольжения, но при высоких скоростях судна этого недостаточно.

Зависимость мгновенной эффективности от угла поворота колеса

В результате, суммарный импульс, передающийся воде, в среднем направлен вперёд, а не назад, т.е. упор колеса направлен назад относительно скорости судна. Как следствие, при высокой скорости (например, \(45 \;\text{км/ч}\)), эффективность движителя не просто мала, а отрицательна: колесо не ускоряет, а тормозит судно.

При снижении скорости судна до \(10\ldots 15 \;\text{км/ч}\), отрицательные эффекты уменьшаются, и расчётная эффективность положительна. Следует заметить, что колёса с такой геометрией лопаток действительно применяются на тихоходных судах.

Вариант с лопатками, отделёнными от обода.

Остаются проблемы

при входе лопатки в воду создаётся большое усилие, локально повышается давление, и формируется течение как назад, так и вперёд
часть воды недостаточно быстро стекает с лопаток и также ускоряется вперёд относительно земной системы координат

Новая геометрия

По результатам анализа описанных проблем и проведения вариантных вычислений, предложена новая геометрия лопаток.

Видно, что, несмотря на то, что воду в месте входа лопатки нельзя назвать неподвижной, погружение происходит без значительного всплеска и без локального повышения давления. Это минимизирует потери на вход.

Вода действительно меньше захватывается и быстрее сливается с нескольких коротких лопаток, чем с одной длинной, что снижает массу захватываемой воды и соответствующие потери импульса.

Особенности

вместо одиночных лопаток применяются двойные лопатки со щелями, через которые вода после гребка сливается
внешняя лопатка имеет угол наклона относительно соответствующего радиуса, такой, чтобы для заданных скорости судна и частоты вращения обеспечивался нулевой угол атаки
внутренние лопатки подхватывают воду, стекающую с внещних, что снижает потери импульса при гребке из-за протекания воды по щелям
углы наклона внутренних лопаток выбраны так, чтобы направлять воду горизонтально назад

Можно выделить основные особенности новой геометрии.

Во-первых, вместо одиночных лопаток применяются двойные, тройные и пр. лопатки со щелями между ними, через которые вода после гребка сливается с таких лопаток быстрее, чем с одиночных лопаток. Это обеспечивает снижение массы ускоряемой вперёд воды и соответствующей отрицательной составляющей силы, действующей на колесо.

Во-вторых, внешняя лопатка имеет такой угол наклона относительно соответствующего радиуса, что при заданных скорости судна и частоы вращения, её внешний край входил бы в неподвижную воду под нулевым углом атаки. Это условие на угол атаки, характерное для оптимальных режимов практически всех лопаточных машин, обеспечивает снижение потерь импульса при входе лопатки в воду.

В-третьих, внутренние лопатки так расположены относительно внешних, что вода, текущая при гребке вдоль внешней лопатки со стороны повышенного давления, проходит по инерции мимо межлопаточной щели и попадает на поверхность внутренней лопатки. Это обеспечивает снижение потерь импульса при гребке из-за протекания воды по щелям.

В-четвёртых, углы наклона внутренних лопаток таковы, что стекающие с внешних лопаток потоки воды, имеющие значительную вертикальную составляющую, направляются внутренними лопатками горизонтально назад. Это снижает потери импульса на вертикальную составляющую.

Зависимость средней эффективности от скорости движения

Учёт парусности

До сих пор, рассматривалось только взаимодействие гребного колеса с водой. При этом, аэродинамическими эффектами пренебрегалось.

для относительно тихоходных судов (10…20 км/ч) это оправдано
при повышении скорости судна до 40…50 км/ч, аэродинамическое сопротивление выходит на первый план
недостаточно решать только аэродинамическую задачу, ввиду взаимодействия воздушной и водной сред

Гребные колёса, как правило, имеют большие габаритные размеры, что может оказывать воздействие на аэродинамические характеристики судов.

Если, для относительно тихоходных судов (\(v_{v} = 10\ldots 20\;\text{км/ч}\)) это оправдано, поскольку взаимодействие с воздухом играет второстепенную роль в общем сопротивлении движению, то при повышении скорости судна до \(40\ldots 50\;\text{км/ч}\), аэродинамическое сопротивление выходит на первый план, и его необходимо учитывать при выборе геометрии движителя, как заметной части обтекаемого воздухом судна.

Причем, как показано далее, недостаточно решать только аэродинамическую задачу, т.к. при высоких скоростях может возникать существенное нелинейное взаимодействие воздушной и водной сред.

Распределение скоростей и давления водзуха

Зависимость эффективности от угла поворота колеса с учетом действия воздуха на скорости 45 км/ч

Очевидное решение – закрыть колесо обтекателем.

Распределение скоростей и давления воздуха

Проблемы

нелинейное взаимодействие воздушной и водной сред
при каждом выходе лопатки из воды формируются компактные массы воды, ускоренные назад
при малых скоростях они успевают упасть
при высоких они летят, практически не замечая гравитации

Решение: горизонтальные отбойники.

Проблемы

встречное течение во входном канале
лишь частично уменьшает эффекты взаимодействия воздушной и водной сред

Решение: ограничить обтекатель снизу.

Выводы

Средняя эффективность колесного движителя нового типа при скорости судна до \(45 \;\text{км/ч}\) достигает \(50\%\).

Это может сделать такие движители конкурентоспособными для широкого класса судов.

Предстоит уточнение результатов вычислительных экспериментов на физических экспериментах и натурных испытаниях.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

С уважением,

Чувашев С.Н.*, Попов С.Д.†, Якимов Н.М.*
[email protected], [email protected], [email protected]
† МГТУ им. Н.Э. Баумана; * МАИ