Journals Conferences Monographies Textbooks Regulatorys Event GQW
Submit manuscript
Home / Journals / Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine engineering and technologies / Volume 2019 Issue 1 / FEATURES OF THE IMPLEMENTATION OF ADDITIONAL JET OF WATER ONTO THE FIXED PITCH PROPELLER BLADE
FEATURES OF THE IMPLEMENTATION OF ADDITIONAL JET OF WATER ONTO THE FIXED PITCH PROPELLER BLADE
Submit manuscript
To cite
Citations:

FEATURES OF THE IMPLEMENTATION OF ADDITIONAL JET OF WATER ONTO THE FIXED PITCH PROPELLER BLADE
Sharatov Aleksei Sergeevich 1
Authors:
1.  Kerch State Maritime Technological University (Candidate of Technical Sciences; Senior Lecturer of the Department of Ship Power Plants )

Type:
Article
DOI:
https://doi.org/10.24143/2073-1574-2019-1-53-62
Pages:
from 53 to 62
Status:
Published
Received:
20.02.2019
Accepted:
20.02.2019
Published:
25.02.2019
Subject area:
UDK 629.5.035.5
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
main engine, blade, slotted nozzle, jet impact propeller, piping system, pump station, fixed pitch propeller
Abstract and keywords
Abstract (English):
Oughening the requirements of the international Convention for the prevention of the sea from vessels of 1973, with amendments, demands to reduce the environmental pollution, which can be achieved by maintaining the operational coefficient of energy efficiency of the vessel constant during the voyage. The behavior of the main engine with the fixed pitch propeller in the ship power plant is determined by the operating conditions of the vessel. The dependence of thermal load of the main engine on the operating conditions leads to increased pollution of the environment by fuel combustion products and increased operative ratio of energy efficiency. The control of the thermal and mechanical intensity of the main engine when it is working on a non-nominal screw characteristic, under its “weighting” or “relief", ensures the preservation of the required energy efficiency indicators when operating conditions change. There have been analyzed the methods of implementing the system of additional water jet impact supplied through the slot nozzle of the blade on the propeller to control the thermal and mechanical intensity of the main engine, regardless of the influence of external operating conditions. The design factors dependent on the type of the helical-steering complex of the vessel and affecting the method of liquid supply to the slotted nozzle of the blade have been analyzed. The analysis of the design features of modern fixed pitch propellers, methods of making screw propellers has been given. The main criteria for the system have been determined in order to minimize the negative impact on the propeller system and to lower the useful effect of controlled response on heat load of the main engine. The proposed design of the system of liquid supply to the slotted nozzles of propeller blades is characterized by minimal impact on the propeller unit.

Keywords:
main engine, blade, slotted nozzle, jet impact propeller, piping system, pump station, fixed pitch propeller
Text
Введение Современная эксплуатация главной энергетической установки характеризуется высокими требованиями к её экономичности и экологической безопасности. Комплексно эти показатели можно обеспечить путём ограничения в эксплуатации операционного коэффициента энергетической эффективности [1]. Топливосберегающая эксплуатация судна может быть достигнута в результате ограничения влияния внешних условий на тепловую и механическую напряжённость главного двигателя, которая успешно обеспечивается с помощью изменяемых параметров гребного винта [2, 3]. При экспериментальном исследовании гребных винтов, оборудованных щелевой насадкой подачи дополнительной воды на лопасти, был установлен положительный эффект, заключающийся в изменении взаимного расположения винтовой и ограничительных характеристик двигателя [4]. Вопрос подвода газа к гребному винту рассматривается в материалах, посвящённых вентилируемым гребным винтам [5], мокрому выхлопу [6] и системам снижения шумности гребных винтов [7]. Для большинства исследований характерно использование литых гребных винтов c полой ступицей. При этом не уделяется должного внимания возможности подачи дополнительной воды через существующие и возможные внутренние полости гребного винта. Применение принципа дополнительного струйного воздействия [8] требует подвода воды к щелевой насадке, устанавливаемой на входной кромке засасывающей поверхности лопасти. За счёт дополнительного струйного воздействия воды, подаваемой на засасывающую поверхность лопасти, достигается полезный эффект, заключающийся в снижении гидродинамического момента сопротивления гребного винта и изменении его относительной поступи. За счёт целенаправленного изменения параметров подаваемой среды меняется теплонагруженность главного двигателя. При этом на полученный эффект оказывает влияние способ подвода жидкости к щелевой насадке и метод нагнетания воды. Необходимо проанализировать возможные способы подвода воды к щелевой насадке и выработать основные критерии, позволяющие минимизировать негативное влияние конструкции системы на главную судовую передачу и приводящие к снижению получаемого полезного эффекта. Цель работы - произвести анализ факторов, определяющих конструкцию системы подвода воды и её влияние на главную судовую передачу, затраты энергии и разработать рекомендации по реализации дополнительного струйного воздействия на гребной винт с целью ограничения влияния внешних условий на теплонагруженность главного двигателя. Для достижения поставленной цели в первую очередь необходимо проанализировать принцип работы создаваемой системы и определить способы подвода воды к гребному винту. Анализ конструктивных особенностей принципиальной системы подвода жидкости к щелевой насадке Для подачи жидкости на гребной винт используется специально созданная система. Систему подвода жидкости можно разделить на три основных конструктивных элемента: щелевая насадка, устанавливаемая на лопасти гребного винта в районе входных кромок подсасывающей поверхности лопастей, система подвода жидкости к щелевой насадке и установка подготовки дополнительной воды. Насосная станция подачи воды к щелевой насадке минимально состоит из приёмного фильтра и насоса подачи воды. Дополнительно система может компоноваться устройством снижения биологического загрязнения морской воды [9], системой изменения ph [10] и другими элементами, влияющими на активность обрастания [11]. На рис. 1 представлена принципиальная схема системы подвода жидкости к щелевой насадке. Рис. 1. Принципиальная схема подвода жидкости к щелевой насадке: 1 - станция подготовки воды; 2 - распределительное устройство; 3 - щелевая насадка лопасти; 4 - гребной винт; 5 - система трубопроводов, связывающих насосную станцию с распределительным устройством Анализ рис. 1 определяет основные критерии, формирующие главные принципы функционирования системы подвода жидкости, а именно: - требования к качеству подаваемой воды и затратам на подачу определяют необходимость и компоновку оборудования насосной станции, требования к её габаритам и размещению; - конструкция гребного винта определяет способ установки щелевого аппарата; - конструктивная реализация трубопроводов подвода жидкости зависит от типа винто-рулевого комплекса. Анализ конструктивных особенностей винто-рулевого устройства судна, формирующих требования к системе подвода жидкости В литературе рассматриваются различные варианты компоновки и модернизации винто-рулевого комплекса, результаты внедрения которых могут быть использованы совместно с реализацией системы подвода жидкости к щелевой насадке. К основным можно отнести создание подъёмной силы на вращающемся гребном вале [12], утилизацию потерь в гребных винтах [13, 14] и модернизацию винто-рулевого комплекса [15]. Анализ особенностей конструкции и опыта эксплуатации судов морского флота позволил обобщить наиболее распространённые способы реализации винто-рулевого комплекса транспортного судна. При анализе конструктивных особенностей современных транспортных судов использованы патентные источники и публикации в журналах [1, 5, 6]. Условиями работы гребного винта определяются его конструктивные особенности и метод подвода механической энергии. На рис. 2 представлены два основных способа реализации винто-рулевого комплекса современного транспортного судна. а б Рис. 2. Компоновка движительно-рулевого комплекса судна при раздельном (а) и совместном (б) принципе привода и управления: 1 - перо руля; 2 - винтовая насадка; 3 - гребной винт; 4 - дейдвудная труба; 5 - валопровод; 6 - главный двигатель; 7 - винто-рулевая колонка Тип главного двигателя определяет конструкцию валопровода и необходимость применения передачи. На рис. 2, а приведён классический движительно-рулевой комплекс транспортного судна с кормовым расположением машинного отделения и главным двигателем, работающим через прямую передачу на винт фиксированного шага. Для среднеоборотных и высокооборотных двигателей характерно наличие передачи и более сложная система валопровода. В последнее время в качестве винто-рулевого комплекса применительно к среднеоборотным и высокооборотным двигателям используется винто-рулевая колонка (см. рис. 2, б). Анализ рис. 2 доказывает, что судно может быть оборудовано двумя принципиально разными видами рулевых устройств - классическим пером руля или винто-рулевой колонкой. Тип рулевого устройства является одним из основных критериев, определяющих конструктивный способ подвода жидкости к сопловому аппарату. Анализ способов формирования системы трубопроводов, обеспечивающих подвод жидкости от насосной станции к гребному винту Среди многообразия способов подвода жидкости к щелевой насадке можно выделить основные: - сверление гребного вала; - защитная втулка вала; - индивидуальная система трубопроводов; - подвод воды через баллер или винто-рулевую колонку. На рис. 3 проиллюстрированы теоретически возможные методы подвода жидкости к щелевой насадке. Рис. 3. Способы подвода жидкости к щелевой насадке: а - в направлении подвода механической энергии, параллельно оси вращения гребного винта; б - в направлении противоположном подводу механической энергии, параллельно оси вращения гребного винта; в - в направлении перпендикулярном оси вращения гребного винта; 1 - перо руля; 2 - рулевая машина; 3 - винтовая насадка; 4 - валопровод; 5 - дейдвудное уплотнение; 6 - гребной винт Анализ рис. 3 позволяет предложить два основных метода реализации подвода жидкости: с использованием уже существующего оборудования, определяющего живучесть судна (рис. 3, а, б) или подвода дополнительной системы трубопроводов (рис. 3, в). Каждый из рассматриваемых вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Доработки существующего оборудования (рис. 3, а, б) обладают как преимуществами: - простота реализации во время докового ремонта; - минимальный объём проектных работ; так и недостатками: - снижение надёжности эксплуатируемого оборудования; - сложные технологические процессы изготовления системы. Создание новой системы трубопроводов (рис. 3, в) обладает следующими преимуществами: - высокая надёжность внедряемой системы; - высокая вариативность системы; и недостатками: - значительный объём проектных работ; - необходимость минимизации влияния трубопроводов на пропульсивный комплекс. К трубопроводам системы подвода жидкости выдвигаются требования минимального влияния на поток, набегающий на лопасти гребного винта. Значительное влияние на метод подвода жидкости к гребному винту оказывает способ установки щелевой насадки. Анализ способов изготовления гребных винтов фиксированного шага и метода установки щелевой насадки на входную кромку засасывающей поверхности лопасти гребного винта Гребные винты различают по конструкции, материалу и способу изготовления. Для установки щелевой насадки представляют интерес гребные винты фиксированного шага независимо от материала и конструкции. Основным фактором, влияющим на возможность реализовать щелевую насадку, является способ изготовления как конструктивная особенность: цельное литье или каркасная (полая) конструкция. Анализ патентов по конструкции гребных винтов даёт следующие возможности реализации поставленной задачи по размещению щелевой насадки: - полый гребной винт; - восстановление кромки лопасти; - удлинение лопасти. На рис. 4 представлены два основных способа размещения щелевой насадки на засасывающей поверхности лопасти. а б Рис. 4. Элемент лопасти гребного винта, оборудованного щелевой насадкой подачи жидкости вдоль засасывающей поверхности лопасти: а - щелевая насадка устанавливается на поверхность лопасти: 1 - засасывающая поверхность лопасти; 2 - щелевая насадка; 3 - входная кромка; 4 - струя воды; б - щелевая насадка находится в теле лопасти гребного винта: 5 - канал подвода воды Для литых гребных винтов установка щелевой насадки на засасывающую поверхность лопасти (патент № 46740) [16] требует значительного объёма проектной разработки, направленной на минимизацию профильного сопротивления лопасти винта и обеспечения безударного натекания потока (рис. 4, а). Распределительное устройство может устанавливаться на ступице гребного винта. Возможность проектирования и изготовления полых гребных винтов характеризуется значительным количеством патентов и обладает высокой сложностью реализации. При проектировании подобного гребного винта щелевые сопла могут быть предусмотрены на засасывающей поверхности (рис. 4, б) с подводом воды от распределяющего устройства в ступице. Анализ рис. 4 позволяет сформировать основные принципы установки щелевой насадки - на поверхность лопасти гребного винта. Дополнительный интерес представляет исследование прочности лопасти гребного винта, имеющей канал во входной кромке лопасти и распределительное устройство в ступице. Анализ рис. 2-4, а также достоинств и недостатков каждого из способов реализации подачи дополнительной воды на лопасти гребного винта позволяет сформировать два основных направления, направленных на унификацию проектирования системы - установка на эксплуатируемом и проектируемом судне. При условии установки системы на эксплуатируемом судне необходима установка дополнительных трубопроводов вдоль линии гребного вала с защитным кожухом, снижающим создание подъёмной силы на вращающемся цилиндре, со стороны подвода механической энергии. При проектировании судна возможна любая из комбинаций подвода жидкости к гребному винту с использованием эффективных устройств, рассматриваемых в работах [17, 18]. В качестве возможного источника механической энергии привода насосов могут быть использованы традиционные (привод от главного двигателя, ГРЩ) и утилизационные (турбогенератор и утилизационная турбина) способы [18]. Обобщим полученные конструктивные особенности в рекомендуемой конструкции системы струйного воздействия жидкости на динамику гребного винта. Для реализации системы рекомендуется использовать отдельные трубопроводы, проложенные параллельно направлению подводимой к гребному винту мощности. На рис. 5 представлена принципиальная схема подвода воды к щелевой насадке дополнительного струйного воздействия, реализованная для транспортного судна. Рис. 5. Рекомендуемая принципиальная схема подвода воды к щелевой насадке гребного винта: 1 - щелевая насадка; 2 - вращающийся кожух трубопроводов; 3 - вращающиеся трубопроводы; 4 - неподвижное распределяющее устройство; 5 - кормовая оконечность корпуса судна; 6 - сверление в корпусе; 7 - подвод воды от системы забортной воды и блока подготовки Анализ рис. 5 позволяет подтвердить концепцию минимального воздействия на конструкцию модернизируемого пропульсивного комплекса путём подвода жидкости: - от насосной станции выше кромки гребного винта; - не оказывающей влияние на функционирование гребной установки. Заключение В результате проведённого анализа факторов, влияющих на конструкцию системы подвода воды и определяющих её влияние на главную судовую передачу и затраты энергии, разработаны основные критерии и рекомендации по реализации системы дополнительного струйного воздействия на винт фиксированного шага. В связи с многообразием способов реализации системы, выработаны основные критерии, предъявляемые к установке: - минимальное влияние на функционирование гребной установки; - минимальные затраты энергии на обеспечение работоспособности системы; - простота конструкции; - обеспечение требуемого качества подаваемой воды. Для минимизации влияния системы подвода жидкости на надёжность главной энергетической установки рекомендуется выполнять систему подвода с минимальным влиянием на гребную установку. Трубопроводы подвода воды должны иметь минимальное влияние на процесс обтекания гребного винта. В качестве источника энергии необходимо использовать доступные источники (сбросовая вода системы охлаждения забортной воды) или использовать средства утилизации. На основании полученных критериев разработана система подвода жидкости, которая может быть реализована на судне, находящемся в эксплуатации (см. рис. 5). Необходимо акцентировать внимание на том, что подобную модернизацию рекомендуется проводить на проектируемом судне. Это позволит максимизировать эффект путём оптимизации всего пропульсивного комплекса [19], а также обеспечит комплексную реализацию энергосберегающих технологий.
References

1. Leonov V. E., Timoshenko V. V. Issledovanie vliyaniya parametrov morskogo perehoda na operacionnyy koefficient energeticheskoy effektivnosti sudna // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2018. T. 10. № 2. S. 390-401. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-2-390-401.

2. Osovskiy D. I., Sharatov A. S. Upravlenie propul'sivnymi harakteristikami sudna za schet struynogo vozdeystviya zhidkosti na lopasti grebnogo vinta // Sovremennye tendencii i perspektivy razvitiya vodnogo transporta Rossii: materialy VIII Mezhvuz. nauch.-prakt. konf. (Sankt-Peterburg, maya 2017 g.). SPb.: Izd-vo GUMRF im. adm. S. O. Makarova, 2017. S. 212-216.

3. Sharatov A. S. Ocenka vozmozhnosti podderzhivaniya pri ekspluatacii dvigatelya optimal'nogo udel'nogo rashoda topliva putem struynoy podachi vody na lopasti vinta // Materialy Nac. ezhegod. nauch.-prakt. konf. professorsko-prepodavatel'skogo sostava FGBOU VO «GUMRF im. adm. S. O. Makarova» (Sankt-Peterburg, 10 sentyabrya-20 oktyabrya 2018 g.). SPb.: Izd-vo GUMRF im. adm. S. O. Makarova, 2018. T. 2. S. 279-287.

4. Osovskiy D. I., Sharatov A. S. Issledovanie gidrodinamicheskih harakteristik grebnogo vinta, oborudovannogo struynoy mehanizaciey v gidrodinamicheskoy trube // Rybnoe hoz-vo Ukrainy. 2007. № 6. C. 37-38.

5. Yakovleva O. V., Salazkin I. V., Egorova N. I., Fomichev D. I. Osobennosti formirovaniya upravlyayuschih sil na sudah s dnischevoy vozdushnoy kavernoy s ventiliruemymi vodometnymi dvizhitelyami // Tr. CNII im. akad. A. N. Krylova. 2015. № 88. S. 69-80.

6. Bezyukov O. K., Erofeev V. L., Pryahin A. S. Ispol'zovanie hladopotenciala szhizhennogo prirodnogo gaza dlya snizheniya vybrosov dioksida ugleroda teploenergeticheskimi ustanovkami, rabotayuschimi na szhizhennom prirodnom gaze // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2016. № 3 (37). S. 143-155.

7. Vishnevskiy L. I. Vyravnivanie potoka v meste raspolozheniya dvizhiteley putem podachi gaza v gidrodinamicheskiy sled za vystupayuschimi chastyami korpusa sudna // Tr. Krylov. gos. nauch. centra. 2017. № 1. S. 14-23.

8. Sharatov A. S. Struynoe vozdeystvie na dinamiku grebnogo vinta // Vіsnik dvigunobuduvannya. 2010. № 2. C. 82-85.

9. Bobylev V. S., Brosalina A. A., Kirillov A. I., Kuprina E. E. Sovremennoe sostoyanie problemy ochistki sudovyh ballastnyh vod ot biologicheskih zagryazneniy i puti ee resheniya // Mor. intellektual. tehnologii. 2014. № 4. S. 22-29.

10. Kui N. K., Kiyanenko E. A., Zaynullina L. R., Petuhov A. A., Grigor'ev E. I. Izmenenie ph vody v processe ozonirovaniya // Vestn. Kazan. tehnologich. un-ta. 2013. T. 16. № 10. S. 232-234.

11. Dafforn K. A., Lewis J. A., Johnston E. L. Antifouling strategies: History and regulation, ecological impacts and mitigation // Marine Pollution Bulletin. 2011. Vol. 62 (3). Pp. 453-465. DOI:10.1016/j.marpolbul.2011.01.012.

12. Wood J. Pumping up power down under // International Water Power and Dam Construction. 2011. Vol. 53 (11). Pp. 32-34.

13. Mizzi K., Demirel Y. K., Banks C., Turan O., Kaklis P., Atlar M. Design optimisation of Propeller Boss Cap Fins for enhanced propeller performance // Applied Ocean Research. 2017. Vol. 62. Pp. 210-222. DOI:10.1016/j.apor.2016.12.006.

14. Ashok P., Kumar P. J., Prema Kumar P. S. Effect of stacking sequence on the performance of composite marine propeller // Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2017. Vol. 9 (Special Iss. 14). Pp. 1823-1839.

15. Park S., Oh G. H., Rhee S. H., Koo B-Y., Lee H. Full scale wake prediction of an energy saving device by using computational fluid dynamics // Ocean Engineering. 2015. Vol. 101. Pp. 254-263. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2015.04.005.

16. Pat. 46740 Ukraina, MPK B63H 1/00. Konstrukciya mehanizirovannogo grebnogo vinta / Osovskiy D. I., Sharatov A. S. № 200903725; zayavl. 16.04.2009; opubl. 11.01.2010, Byul. № 1. 4 c.

17. Erofeev V. L., Zhukov V. A., Mel'nik O. V. O vozmozhnostyah ispol'zovaniya vtorichnyh energeticheskih resursov v sudovyh DVS // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2017. № 3 (43). S. 570-580.

18. Kim J. H., Choi B. J., Chung S. H., Seo H. W. Development of energy-saving devices for a full slow-speed ship through improving propulsion performance // International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2015. Vol. 7. Iss. 2. Pp. 390-398. DOI:10.1515/ijnaoe-2015-0027.

19. Sharatov A. S. Vzaimodeystvie glavnogo dvigatelya i aktivnogo grebnogo vinta // Sovremennye tendencii i zakonomernosti razvitiya transportno-logisticheskogo kompleksa Azovo-Chernomorskogo basseyna: materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Novorossiysk, 17-19 sentyabrya 2015 g.). Novorossiysk: Izd-vo GMU im. adm. F. F. Ushakova, 2015. S. 35-40.

This work is licensed under Creative Commons Attribution 3.0 Unported

Support Powered by Editorum,  Instructions
Login or Create
* Forgot password?