Что надо знать о гребном винте ?

Для винтов, работающих в докавитационном режиме, дисковое отношение принимают в пределах 0.3-0.6. У сильно нагруженных винтов на быстроходных катерах с мощными высокосборотнымн двигателями A/Ad увеличивается до 0.6-1.1. Большое дисковое отношение необходимо и при изготовлении винтов из материалов с низкой прочностью, например, из силумина или стеклопластика. В этом случае предпочтительнее сделать лопасти шире, чем увеличить их толщину.

Ось гребного винта на глиссирующем катере расположена сравнительно близко к поверхности воды, поэтому нередки случаи засасывания воздуха к лопастям винта {поверхностная аэрация) или оголения всего винта при ходе на волне. В этих случаях упор винта резко падает, а частота вращишя двигателя может превысить максимально допустимую. Для уменьшения влияния аэрации шаг винта делается переменным по радиусу - начиная от сечения лопасти на r=(0.65÷0.7) R по направлению к ступице шаг уменьшается на 15-20%.

Гребные винты катеров имеют обычно большую частоту вращения, поэтому вследствие больших центробежных скоростей происходит перетекание воды по лопастям в радиальном направлении, что отрицательно сказывается на КПД винта. Для уменьшения этого эффекта лопастям придают значительный наклон в корму - от 10 до 15°.

В большинстве случаев лопастям винтов придается небольшая саблевидность - линия середин сечений лопасти выполняется криволинейной с выпуклостью, направленной по ходу вращения винта. Такие винты благодаря более плавному входу лопастей в воду отличаются меньшей вибрацией лопастей, в меньшей степени подвержены кавитации и имеют повышенную прочность входящих кромок.

Наибольшее распространение среди винтов малых судов получил сегментный плоско-выпуклый профиль. Лопасти винтов быстроходных мотолодок и катеров, рассчитанных на скорость свыше 40 км/ч, приходится выполнять возможно более тонкими с тем, чтобы предотвратить кавитацию. Для повышения эффективности в этих случаях целесообразен выпукло-вогнутый профиль ("луночка"). Стрелка вогнутости профиля принимается равной около 2% хорды сечения, а относительная толщина сегментного профиля (отношение толщины t к хорде b на расчетном радиусе винта, равном 0.6R) принимается обычно в пределах t/b=0.04÷0.10. Ординаты профилей лопастей некавитирующих винтов приведены в таблице 2.

ПРИМЕЧАНИЕ: x/b - относительный абсциссы отвходящей кромки ГВ, % хорды сечения лопасти; Yн - относительная ордината нагнетающей поверхности лопасти, % макс. стрелки вогнутости ƒ; Yз - относительная ордината засасывающей поверхности лопасти, % макс. расчётной толщины профиля t

Для суперкавитнрующих винтов гоночных судов применяют клиновидный профиль с тупой выходящей кромкой.

Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трехлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить необходимую прочность лопасти такого винта. Поэтому наибольшее распространение на малых судах получили трехлопастные винты. Винты с двумя лопастями применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно-моторных яхтах, где двигатель играет вспомогательную роль. В последнем случае имеет значение возможность устанавливать винт в вертикальном положении в гидродинамическом следе ахтерштевня для уменьшения его сопротивления при плавании под парусами.

Четырех- и пятилопастные винты применяют очень редко, в основном на крупных моторных яхтах для уменьшения шума и вибрации корпуса.

Гребной винт лучше всего работает, когда его ось расположена горизонтально. У винта, установленного с наклоном и в связи с этим обтекаемого "косым" потоком, коэффициент полезного действия всегда будет ниже; это падение КПД сказывается при угле наклона гребного вала к горизонту больше 10°.

Гребной винт-мультипитч

Задачу согласования элементов гребного винта с сопротивлением мотолодки при изменении ее нагрузки помогает решить винт изменяемого шага типа "мультипитч".

На рисунке представлена схема устройства такого винта, выпускаемого Черноморским судостроительным заводом. Ступица винта изготовлена из нержавеющей стали и коррозионно-стойкого алюминиевого сплава; лопасти изготавливают литьем под давлением из полиамидных смол. Все три лопасти взаимозаменяемы и имеют на комле жестко закрепленные пальцы 2, которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 и входят в пазы поводка 4. При повороте лопасти вокруг ее оси происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения или уменьшения шага винта. На поводке нанесена шкала, причем среднее деление ее соответствует конструктивному шагу, равному 240 мм. Пределы изменения шага составляют 200-320 мм, дисковое отношение винта - 0.48.

Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой 3. Втулка 5 имеет внутренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора "Вихрь". От осевого перемещения по втулке винт фиксируется гайкой 3 и стопорным винтом 8.

Винт имеет диаметр 240 мм и массу не более 0.71 кг (винт новой конструкции - целиком из полиамидных смол - весит 0.45 кг). Для изменения шага достаточно 3-5 мин, причем снимать винт с мотора не требуется, так же как и специально подходить к берегу. Конструкция защищена авторским свидетельством №454146.

Совмещая в себе как бы несколько сменных гребных винтов разного шага, мультипитч не лишен недостатков. Например, КПД винта при всех значениях шага, кроме конструктивного, оказывается меньше КПД винтов фиксированного шага, рассчитанных специально на эти промежуточные режимы. Это объясняется тем, что для изменения геометрического шага винта (уменьшения или увеличения его) в мультипитче, как и в винте регулируемого шага, вся лопасть поворачивается на какой-то угол. Так как этот угол постоянен для всей лопасти, значение геометрического шага на различных радиусах лопасти изменяется не на одинаковую величину и распределение шага по радиусу лопасти искажается. Например, при повороте лопасти в сторону уменьшения шага на постоянный угол шаг сечений у конца лопасти уменьшается в значительно большей степени, чем у комля. При достаточно большом повороте лопасти концевые сечения даже могут получить отрицательный угол атаки - создавать упор заднего хода при неизменном направлении вращения гребного вала. Кроме того, при развороте лопасти профиль поперечного сечения ее уже не ложится на спрямленную винтовую линию, а приобретает S-образную форму, что также приводит к искажению кромочного шага.

Тем не менее, возможность плавного изменения шага в зависимости от нагрузки лодки позволяет получить наиболее оптимальный и экономичный режим работы подвесного мотора. При установке шага важно иметь возможность проконтролировать частоту вращения коленчатого вала двигателя во избежание его перегрузки при чрезмерном уменьшении шага.

Кольцевая профилированная насадка

На тяжелом водеизмещающем катере трудно получить высокий КПД гребного винта, если он приводится от высокооборотного автомобильного двигателя или подвесного мотора. Винт в этих случаях работает с большим скольжением н не развивает необходимый упор. Особенно велики потери мощности на винте, если он имеет недостаточный диаметр и шаговое отношение менее H/d=0.5.

Кроме снижения частоты вращения гребного винта, заметный эффект в таких случаях дает применение кольцевой направляющей насадки (рисунок 7), представляющей собой замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем. Площадь входного отверстия насадки больше, чем выходного; винт устанавливается в наиболее узком сечении и с минимальным зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки; обычно зазор не превышает 0.01 D винта. При работе винта засасываемый им поток вследствие уменьшения проходного сечения насадки увеличивает скорость, которая в диске винта получает максимальное значение. Благодаря этому уменьшается скольжение винта, повышается его поступь. Вследствие малого зазора между краем лопасти и насадкой уменьшается перетекание воды через край, что также повышает КПД винта.

Рисунок 7. Кольцевая профилированная насадка: а - расположение гребного винта; б - размеры и профиль насадки.

Небольшой дополнительный упор создается и на самой насадке, которая обтекается потоком воды подобно крылу. На каждом элементе насадки возникает подъемная сила, которая дает горизонтальную составляющую, направленную вперед. Сумма этих составляющих и образует дополнительный упор.

Очевидно, что применение комплекса винт-насадка сопровождается повышением пропульсивных качеств судна до тех пор, пока потери мощности на преодоление сопротивления насадки не превысят увеличение упора винта, достигнутое с ее помощью. Для оценки эффективности насадки можно воспользоваться диаграммой, представленной на рисунке 8. По ней можно установить, на сколько повысится ηн-КПД комплекса винт-насадка по сравнению с КПД η открытого винта. Кривые построены для оптимального диаметра винта в зависимости от коэффициента K'n, вычисляемого по заданным значениям скорости, частоты вращения винта и мощности, подводимой к винту:

где va - скорость воды в диске винта с учетом попутного потока, м/с; n - частота вращения винта, об/с; p - массовая плотность воды (102 кгс2/м4); Ne - мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.).

Применение насадки становится выгодным при К'n<2.9.

Рисунок 8. Увеличение КПД и изменение элементов гребного винта при установке насадки в зависимости от величины коэффициента K'n

Подсчитав значение К'n, можно по графику, представленному на рисунке 8, найти относительную поступь λ. и шаговое отношение винта H/D, а затем определить диаметр винта

и шаг для винта без насадки и с насадкой. Если речь идет об уже эксплуатируемом катере, то с помощью этого графика можно сравнить существующий винт с элементами винта, имеющего оптимальный диаметр.

Благодаря применению насадки удается повысить скорость катера на 5-8% (и даже до 25% на тихоходной лодке с двигателем, имеющим большую частоту вращения). При скоростях около 20 км/ч установка насадки нецелесообразна. На быстроходных лодках с увеличением скорости винт становится менее нагруженным, а сопротивление насадки возрастает.

Насадка является хорошей защитой гребного винта от повреждений, благодаря постоянному заполнению водой не позволяет ему обнажаться при килевой качке. Иногда направляющие насадки выполняют поворачивающимися относительно вертикальной оси, в результате отпадает необходимость устанавливать руль.

Применение насадок целесообразно и на подвесных моторах, устанавливаемых на тихоходных судах водоизмещающего типа. На 25-30-сильном подвесном моторе целесообразно использовать насадку на судне водоизмещением более 700 кг (например, на катерах, переделанных из военно-морских ялов, и парусно-моторных яхтах). На моторах мощностью 8-12 л.с. насадка полезна уже при водоизмещении более 400 кг.

Рекомендуемые размеры насадки и ее профили показаны на рисунке 7. Длина насадки принимается обычно в пределах Lн (0.50÷0.70) D диаметра винта. Минимальный диаметр насадки (место, где устанавливается гребной винт) располагается на расстоянии А=(0.35÷0.40) D от входящей кромки насадки. Наибольшая толщина профиля δ=(0.10÷0.15) Lн.

Насадку можно выточить из предварительно согнутой в обечайку толстой алюминиевой полосы или выклеить ее из стеклопластика на болване. Все поверхности насадки следует тщательно отполировать для снижения потерь на трение. На подвесном моторе насадку прикрепляют к антикавитационной плите, для чего снаружи насадки делают "лыску", образующую плоскость. Внизу кольцо крепят к шпоре мотора.

Справочник по катерам, лодкам и моторам. под редакцией Г.М.Новака взято с сайта www.mercury-ms.ru