Видео:Винты №32Скачать

ГЕОМЕТРИЯ ГРЕБНОГО ВИНТА.

Основными элементами гребного винта являются ступица, представляющая собой тело вращения, и укрепленные на ней лопасти (рис. 3. 8). Расстояние R от оси винта до конца лопасти (точки, наиболее удаленной от оси) называется радиусом винта; его удвоенное значение равно диаметру винта D — 2R. Часть ло­пасти, примыкающую к ступице, называют корнем лопасти, а ее свободный конец — краем лопасти (рис. 3.9, а). Боковую кромку лопасти, обращенную в сторону вращения гребного винта при переднем ходе судна, называют входящей кромкой; противоположную ей кромку — выходящей. Поверхность лопасти, обращен­ная в корму судна и воспринимающая реакцию отбрасываемой воды при переднем ходе судна, называется нагнетательной по­верхностью; противоположная ей (обращенная к корпусу судна)—засасывающей поверхностью. Форма лопасти характе­ризуется ее контуром, который образуется пересечением нагне­тающей и засасывающей поверхностей.

Рис. 3.8. Схема конструкции гребного винта (сборного): а — конструк­тивные элементы; б — схема конуса вала

1 — лопасти; 2 — ступица; 3 — обнижение в ступице, уменьшающее объем шаб­ровки; 4 — облицовка гребного вала; 5 — шпонка; 6 — носовое уплотнение; 7 — конус гребного вала; 8 — хвостовик гребного вала; 9 — кормовое уплотнение;

10 —

гайка хвостовика;

Обтекатель

Конструктивные элементы, представленные на рис. 3. 8, опи­саны в § 32. На рис. 3.9 приведены наиболее распространенные формы лопастей. Число лопастей гребного винта Z= 2-8 в зависимости от типа судна.В основе геометрии лопастей гребного винта лежит винтовая поверхность. Рассмотрим, как она образуется.

Возьмем горизонтальный отрезок прямой линии BB₁= r и будем вращать его равномерно вокруг вертикальной оси 00,

одновременно перемещая его вверх с постоянной скоростью (рис. 3.10). В результате такого сложного движения отрезок BB₁ опишет в пространстве винтовую поверхность. Если теперь вокруг оси 00 построить цилиндрическую поверхность радиусом г, то точка В_х опишет на этой поверхности винтовую линию. Отрезок BB₁ называется образующей винтовой поверхности.

Рис. 3.9. Конструктивные элементы гребного винта (а) и формы контуров лопастей гребных винтов (б)

/ — лопасть; 2 — засасывающая поверхность; 3 — ступица; 4 — нагнета­тельная поверхность; 5 — выходящая кромка; 6 — входящая кромка; 7 — край лопасти; 8 — корень лопасти. / — симметричный; // — сабле­видный; /// — ледокольный; IV — усеченный (Каплана)

В общем случае образующая может быть расположена под любым углом к оси 00, а также может представлять собой от­резок кривой линии.

Если образующая не доходит до оси 00, то при одновремен­ном поступательном и вращательном движении она образует винтовую поверхность в виде винтовой ленты (рис. 3.11). Вин­товая лента ограничена двумя цилиндрическими поверхностями, из которых внутреннюю можно рассматривать как стержень, не­сущий на себе винтовую ленту.

Путь, проходимый любой точкой образующей ВВ₁ (см. рис. 3. 10) в аксиальном направлении за один полный оборот вокруг оси 00, называется геометрическим шагом винтовой линии Н.

Рис. 3.10 Образование и развертка винтовой поверх­ности.

Разрежем цилиндрическую поверхность с прочерченной на ней винтовой линией fiBjDi по вертикальной образующей ED и развернем ее на плоскость. Полученная развертка будет иметь вид прямоугольника ACDE, длина основания которого

Рис. 3.11 Образование винтовой ленты

равна длине окружности 2Пr, а высота — шагу винтовой ли­нии Н. Если вращение и подъем образующей ВВ_{1 <}происходят с равномерной скоростью, то винтовая линия при этом превра­тится в гипотенузу AD прямоугольного треугольника ADE, назы­ваемого шаговым треугольником. Угол ср при основании тре­угольника называется шаговым углом, определяемым из соотношения:

При равномерных поступательном и вращательном движе­ниях любой точки образующей получается винтовая линия по­стоянного шага, у которой шаговый угол сохраняет постоянное значение. Если одно из движений любой точки образующей не­равномерно, то шаг винтовой линии получается аксиально-пере­менным (рис. 3.12). В этом случае при развертке цилиндриче­ской поверхности на плоскость получается неправильная винто­вая линия, которая изображается в виде некоторой кривой. Для определения местного шага винтовой линии в какой-либо произ­вольной ее точке М следует провести в этой точке касательную к кривой и построить шаговый треугольник K.LM, как показано на рисунке.

Рис. 3.12. Развертка винтовой поверхности аксиально-переменного.

Винтовую поверхность, имеющую образующую в виде от­резка прямой линии, перпендикулярной к оси цилиндра, назы­вают правильной, а во всех других случаях — неправильной винтовой поверхностью.

При равномерных вращательном и поступательном движе­ниях образующей любой формы с произвольным углом наклона ее к оси цилиндра получается винтовая поверхность постоянного шага. Если же одно из этих движений неравномерно, то полу­чается винтовая поверхность аксиально-переменного шага, у ко­торой местный шаг винтовых линий, описываемых всеми точ­ками образующей при любом заданном ее положении, сохраняет постоянное значение, но изменяется по мере перемещения об­разующей в осевом направлении. Для такой поверхности вводят понятие о среднем шаге. Если же винтовые линии, описываемые отдельными точками образующей, имеют постоянный шаг, но на разных радиусах этот шаг различный, то такая винтовая поверхность называется поверхностью радиально-переменного шага. Она получается при поступательном движении отдельных точек образующей в осевом направлении с различными скоро­стями.

Наконец, могут встретиться винтовые поверхности акси-ально-радиально-переменного шага, у которых каждая винтовая линия имеет переменный шаг, разный на различных радиусах.

Отношение HID шага винтовой поверхности, положенной в основу образования лопасти, к диаметру винта называют шаговым отношением.

Первые гребные винты имели одну лопасть, образованную винтовой поверхностью, получаемой в результате одного полного оборота или даже полутора-двух оборотов образующей вокруг оси винта. Однако практика показала, что более эффективными оказались гребные винты с несколькими лопастями, образован-

Рис. 3.13. Образование лопасти гребного винта.

ными винтовыми поверхностями при неполном обороте обра­зующей.

Рассмотрим образование одной лопасти гребного винта. Для этого представим себе винтовую ленту постоянного шага Н, расположенную между двумя концентрическими цилиндричес­кими поверхностями, одна из которых, диаметром d, представ­ляет собой ступицу винта, на которой укреплена лопасть (рис. 3. 13). Диаметр D другой цилиндрической поверхности равен диаметру винта. На винтовой ленте выделим участок abc, ограниченный некоторым криволинейным контуром ло­пасти. Этот участок может быть изображен в двух проекциях, одна из которых называется нормальной проекцией лопасти (рис. 3. 13,а), а другая — боковой проекцией (рис. 3.13,6).

Под равными углами располагаются на ступице аналогично образованные другие лопасти гребного винта. Правильную вин­товую поверхность имеет только нагнетательная сторона ло­пасти. Поскольку лопасть гребного винта воспринимает гидро­динамические силы, измеряемые десятками тонн, она должна обладать достаточной прочностью, т. е. быть телесной. Поэтому засасывающей стороне придают неправильную винтовую поверхность исходя из необходимости обеспечить прочность лопасти и придать удобообтекаемую форму лопастным сечениям.

Рассекая телесную лопасть соосным с винтом цилиндром радиуса г и развертывая контур полученного сечения на плос­кость, получаем профиль сечения лопасти на данном радиусе. В зависимости от типа и условий работы винта применяют сегментные, авиационные и клиновидные профили (рис. 3.14). У сегментных профилей наибольшая толщина находится посре-

Рис. 3.14. Профили сечений лопасти гребного винта: а — сегмент­ный; б—авиационный; в — клиновидный.

дине хорды профиля, у авиационных она смещена к передней кромке в район трети хорды профиля. Как сегментные, так и авиационные профили могут быть плоско-выпуклыми, двояко­выпуклыми и выпукло-вогнутыми.

В зависимости от направления вращения образующей ло­пастей гребные винты могут быть правыми и левыми. Если при поступательном перемещении в осевом направлении от наблю­дателя образующая вращается по часовой стрелке, то гребной винт называют правым или винтом правого вращения. Если образующая в тех же условиях вращается против часовой стрелки — гребной винт будет левым.

Для быстрого определения направления вращения снятого с вала гребного винта существуют следующие правила: если ось гребного винта горизонтальна, то нужно представить себе винт надетым на вал с одной из лопастей в крайнем верхнем положении и посмотреть на него вдоль оси; если при этом пра­вая кромка верхней лопасти будет дальше от наблюдателя, чем левая, то мы имеем винт правого вращения. Если ось гребного винта вертикальна (винт снят с вала), то при правой кромке лопасти, расположенной выше левой, гребной винт будет пра­вого вращения (смотря в плоскости диска).

Винтовая поверхность имеет двоякую кривизну и не может быть точно развернута на плоскость. Поэтому для приближен­ной характеристики площади ло­пасти гребного винта вводят по­нятия проектированной, развер­нутой и спрямленной площадей.

Проектированной площадью лопасти называют площадь кри­вой А₁‘С5А₁«х, ограничивающей нормальный контур лопасти, т. е. контур проекции лопасти на пло­скость, перпендикулярную к оси вращения винта (рис. 3.15).

Рассекая нагнетательную по­верхность лопасти гребного вин­та соосными с ним цилиндрами радиусами r₁ . г₄, получаем отрезки винтовых линий в виде дуг окружностей А₁‘СА₁«, . A₄‘CA₄«. Совместив концы этих дуг с плоскостью чертежа путем поворота на шаговый угол во­круг оси 0—0 и соединив полученные точки В₁, ..., В₄, . В’₄, ..., В»₁ плавной кривой, получим контур развернутой по­верхности лопасти. Заметим, что найденная развернутая поверх­ность не будет плоской, так как развернутые винтовые линии, так называемые некруговые дуги B’1C1B»1, . В4С4В’4, не ле­жат в плоскости чертежа всеми своими точками.

Спрямив некруговые дуги В1С1В’1, . В4С4В4 на касатель­ные к ним в точках С₁, С₄ и соединив полученные точки Е’₁, . Е₄, Е’₄, . E»₁ плавной кривой, получим контур спрям­ленной поверхности лопасти, площадь которой приближенно равна истинной площади нагнетающей поверхности лопасти.

Отношение суммарной спрямленной площади всех лопастей гребного винта F к площади диска винта F_p = ПD 2 /4 называется дисковым отношением Q — F/F_p. У транспортных судов дисковое отношение лежит обычно в пределах 0,3—1,0.

Таким образом, основными геометрическими характеристи­ками гребного винта являются: диаметр гребного винта D, м (D = 0,5-9,0 м); шаговое отношение H/D = 0,5-2,0); шаг

винтовой поверхности, положенный в основу нагнетательной по­верхности гребного вала, Н, м; дисковое отношение ; площадь спрямленной поверхности лопастей F, м 2 ; число лопастей z(z = 2-f-8); относительный диаметр ступицы d_CT/D(d_CT/D = 0,14-0,35)

§ 20. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

По конструкции гребные винты, как указывалось, классифи­цируют на винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регу­лируемого шага (ВРШ). В свою очередь ВФШ делятся на цельные гребные винты, у которых лопасти изготовляются как единое целое со ступицей, и сборные гребные винты, у которых лопасти крепятся к ступице с помощью шпилечного, болтового или любого другого соединения.

В основном на морских судах устанавливаются цельнолитые гребные винты фиксированного шага. Обладая малым значе­нием dci/D(0,14-0,2) они имеют наибольший КПД и наименее трудоемки в изготовлении. Конструктивным недостатком их является то, что при поломке хотя бы одной лопасти дорого­стоящий гребной винт полностью выходит из строя.

Учитывая специфику эксплуатации отечественных судов морского флота во льдах, их оборудуют сборными гребными винтами. Эти винты обладают следующими преимуществами перед цельными: при поломке одной или нескольких лопастей они могут быть заменены запасными, даже на плаву; отсутст­вуют ограничения по габаритным размерам при изготовлении и транспортировке, имеется возможность корректировки шага в процессе изготовления и эксплуатации, при стоянке судов в доке, за счет разворота лопастей относительно их осей. Не­достатки сборных гребных винтов заключаются в следующем: неизбежное увеличение d_CT/D до значений 0,25—0,3 и, следо­вательно, уменьшение КПД гребного винта, более высокие трудоемкость и стоимость изготовления вследствие увеличения объема станочной обработки, увеличение массы и момента инер­ции винта.

На рис. 3. 16 приведен пример конструкции сборного гребно­го винта со шпилечным соединением. Лопасть 1 устанавливается в гнездо ступицы 4. В ступицу ввернуты шпильки 2. Отверстия в лопасти под шпильки эллиптические, поэтому между телом лопасти и шпилькой ставят сухари 5, препятствующие вра­щению лопасти. Лопасти прижимаются к ступице гайками 3, имеющими стопоры 6. На рис. 3.17 представлена конструкция сборного гребного винта с холоднопрессованным соединением лопастей со ступицей, предложенная Н. С. Высокородовым. Ко­мель лопасти у этих гребных винтов охлаждается в среде жид­кого гелия при температуре приблизительно минус 170° С, и лопасть устанавливается в гнездо ступицы с гарантированным натягом. Эти гребные винты имеют относительный диаметр сту­пицы 0,22, близкий к таковому у цельнолитых винтов.

В настоящее время, с развитием нереверсивных среднеобо­ротных двигателей внутреннего сгорания, на транспортных судах и особенно на буксирных и рыбопромысловых судах широкое применение получили гребные винты регулируемого шага (ВРШ). У таких винтов лопасти могут поворачиваться вокруг

осей своих фланцев, изменяя таким образом шаг винта. Поворот лопастей осуществляется управляемым дистанционно с мостика гидравлическим механизмом, расположенным главным образом внутри полого вала и ступицы гребного винта. В зависимости от изменения нагрузки на гребной винт, вызванной изменением сопротивления воды при буксировке воза или трала, измене­нием осадки или ветроволновых условий, можно путем уста­новки лопастей на соответствующий шаг в самом широком диа­пазоне режимов движения судна обеспечить постоянство мощ­ности и частоты вращения главных двигателей. Изменяя шаг лопастей, можно плавно изменять ход судна от самого малого до полного, не управляя режимом работы двигателей. ВРШ позволяют также обеспечить реверс судна, не изменяя направ­ления вращения двигателя, и, следовательно, использовать на судах высокооборотные нереверсивные двигатели. При использовании ВФШ экономические режимы движения могут быть реализованы только путем снижения частоты вра­щения двигателя, но при этом гребной винт, выбранный из условий обеспечения полного хода судна, становится неоптн-мальным. При установке ВРШ соответствующая блокировка систем управления двигателем и перекладки лопастей по задан­ной программе обеспечивает оптимальное сочетание шага и час­тоты вращения. Снижение скорости судна, оборудованного ВРШ, достигается уменьшением шага, реверс — путем уста­новки лопастей на отрицательный шаг. Установка лопастей

на нулевой шаг позволяет ос­тановить судно без остановки двигателя (для высадки или приема лоцмана, пассажиров, портовых властей).

Перечисленные выше и другие преимущества ВРШ объясняют их широкое распро­странение на судах с перемен­ными режимами движения. Конструктивные особенности современных контейнеровозов и лихтеровозов с малогабарит­ными среднеоборотными дви­гателями внутреннего сгора­ния, широкое внедрение в СЭУ систем автоматики, приме­нение газотурбинных уста­новок обусловили все более широкое распространение ВРШ на судах морского флота.

Наряду с положительными свойствами ВРШ обладают так­же и рядом недостатков. Повышенный диаметр ступицы, не­избежный ввиду необходимости размещения в ней подшипников заделки лопастей и механизма их поворота, приводит к сниже­нию КПД ВРШ по сравнению с ВФШ в расчетном режиме на 3—4%. Суда с ВРШ обладают повышенной маневренностью, меньшим выбегом при реверсе, чем суда с ВФШ. Однако бы­строе изменение нагрузки на гребном валу часто сопровожда­ется изменением знака крутящего момента, что предъявляет осо­бые требования к защите двигателя от перегрузок. ВРШ — сложный механизм, насыщенный оборудованием, трубопрово­дами, приборами, и это, естественно, увеличивает трудоемкость его обслуживания и ремонта.

Винт регулируемого шага состоит из следующих основных конструктивных элементов: лопастей, ступицы, валопровода, механизма изменения шага (МИШ), силовой части системы

управления, дистанционной части системы управления. В сту­пице расположены механизм поворота и (в современных ВРШ) механизм изменения шага. В комплект ВРШ входит также по­лый гребной вал с системой трубопроводов.

МИШ состоит из сервомотора, который создает усилие, тре­буемое для поворота лопастей, устройства для подвода энергии к сервомотору и устройства, позволяющего управлять положе­нием лопастей.

Силовая часть системы управления служит для подведения энергии к сервомотору и включает маслонасосы с приводами, распределительные золотники, масляные баки, арматуру и пр.

Дистанционная часть управления — регулирующий элемент силовой части. Пост управления ею выносится на мостик.

Лопасти ВРШ крепят болтами к упорному кольцу — одному из элементов подшипника, в котором осуществляется поворот лопасти. Усилие для поворота или удержания лопасти переда­ется от МИШ через кривошипный механизм, жестко связанный с лопастью, и через опорное кольцо или другие конструктивные элементы заделки лопасти. Если в результате аварии наруша­ется гидравлическая связь между органами управления и МИШ, то по правилам всех классификационных обществ в кон­струкции ВРШ должно быть предусмотрено устройство, позво­ляющее переложить лопасти из любого положения на шаг, соответствующий полному переднему ходу судна. Это обеспе­чивается установкой специальных аварийных пружин в ступице или подачей масла ручными насосами в предусмотренную в ступице полость аварийной перекладки лопастей.

На рис. 3.18 представлена конструктивная схема одного из современных ВРШ, которыми оборудуются суда со среднеобо­ротными главными двигателями. ВРШ данного типа голланд­ской фирмы ЛИПС установлен на отечественных ролкерах В ступице 3 располагается сервоцилиндр 6 и две полости уста­новки лопастей — переднего А и заднего В хода. Масло высо­кого давления из расходного бака 23 насосом 25 через фильтры 24 (всасывание) и 26 (нагнетание) и невозвратный клапан 27 подается в нагнетательный трубопровод высокого давления, соединенный с маслораспределительным механизмом 20. Золот­ник 30 подает масло по зазору между концентрическими тру­бами и в полость установки лопастей на передний ход (Л) или через сверление во внутренней трубе в полость установки ло­пастей на задний ход (В). Лопасти устанавливаются в зависи­мости от того, в какую полость подается масло. Одна из полос­тей при этом работает на слив в бак 23. Перекладка лопастей осуществляется с помощью сервоцилиндра б, движущегося под давлением масла из полостей переднего или заднего хода. Сервоцилиндр воздействует на палец кривошипа // через опор­ную шайбу, разворачивая лопасть на заданный с мостика шаг. Для этого с дистанционного пульта 35 воздействуют на управ-

ляющий золотник 30. В случае аварии гидрав­лической системы сервоцилиндр посредством поршня аварийной установки смещается в по­лость переднего хода, перекладывая лопасти в положение полного переднего хода. Обрат­ная связь 32 с указателем установки шага и с системой управления двигателем осущест­вляется через внутреннюю телескопическую трубу в гребном валу. Смазка деталей ВРШ осуществляется под гидростатическим напо­ром из расходного бака.

Рис. 3.19. ВРШ «тандем;

Из числа перспективных следует отметить также соосные гребные винты (см. рис. 3.2), принцип действия которых изложен в § 34.

У гребных винтов «тандем» лопасти, из­готовленные вместе со ступицей, располага­ются на ней в двух взаимно параллельных плоскостях. Эти винты очень сложны в изго­товлении и поэтому получили лишь ограни­ченное распространение в судостроении. Ис­ключение составляют ВРШ «тандем», постав­ляемые голландской фирмой ЛИПС (рис. 3.19).

Видео:Сравнение гребных винтов с насадкой и без насадкиСкачать

Площадь лопасти гребного винта

Что нужно знать о кавитации.

Упор гребного винта создается главным образом за счет разрежения — падения давления на выпуклой засасывающей стороне лопасти.

Если площадь лопастей небольшая, то давление здесь понижается настолько, что вода, обтекающая лопасть, вскипает, выделяя пузырьки пара.

Микроскопические пузырьки сливаются в более крупные—каверны, а при очень сильном разрежении — в сплошную полость, что нарушает непрерывность потока. Это явление и называется кавитацией.

Различают две стадии кавитации. На первой студии каверны невелики и на работе винта практически не сказываются.

Однако пузырьки, лопаясь, создают огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.

При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.

Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение числа оборотов; гребной винт при этом издает специфический шум, на корпус передается вибрация, лодка движется скачками.

Степень разрежения на лопасти, а следовательно, и момент наступления кавитации зависят прежде всего от скорости потока, набегающего на лопасть.

Напомним, что эта скорость является геометрической суммой окружной скорости V_r = π Dn и поступательной V _а . Замечено, что кавитация начинается на концах лопастей, когда v , достигает значения 3500 м/мин. Это означает, что гребной винт D = 0,3 м должен иметь число оборотов не более

п = V_r πD =3500(3.14*0.3)= 3700 об/мин,

а винт диаметром 0,4 м — не более 2800 об/мин.

Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от ряда других характеристик. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля, ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. «раньше», наступает кавитация.

Появлению кавитации способствуют также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.

Что такое дисковое отношение винта.

Упор, развиваемый гребным винтом, практически не зависит от площади лопастей.

Наоборот, с увеличением этой площади возрастает трение о воду, и на преодоление этого трения дополнительно расходуется мощность двигателя.

C другой стороны, надо учесть, что при том же упоре на широких лопастях разрежение на засасывающей стороне меньше, чем на узких.

Следовательно, широколопастной винт нужен там, где возможна кавитация (т. е. на быстроходных катерах и при высоких числах оборотов гребного вала).

В качестве характеристики винта принимается рабочая, или спрямленная площадь лопастей. Чтобы ее найти, нужно из центра винта на нагнетающей поверхности лопасти провести равноотстоящие одна от другой дуги окружностей (рис. 234). Выпрямив эти дуги, мы получим спрямленную площадь лопасти.

В характеристике винта обычно указывается не спрямленная площадь лопастей, а ее отношение к площади сплошного диска такого же, как винт, диаметра.

Обозначается это дисковое отношение буквами АА_д. На винтах заводского изготовления его величина выбита на ступице.

Для винтов, работающих в докавитациопном режиме, дисковое отношение принимают в пределах 0,3—0,6 (рис. 235).

У сильно нагруженных винтов на быстроходных катерах с мощными высокооборотными двигателями АА_д 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 делать лопасти шире, чем увеличивать их толщину.

Киль — помеха для винта.

Бывает, что на вновь построенной лодке мотор развивает полное число оборотов, а ожидаемой скорости достичь не удается. Может оказаться, что виноват в этом киль.

Срывающиеся с него вихри и пузырьки воздуха проникают под антикавитационную плиту, попадают на лопасти винта и вызывают кавитацию, а в результате снижают упор винта и скорость хода.

Срежьте киль под углом, как показано на рис. 236, на длине примерно 500—600 мм от транца — и скорость лодки возрастет. Полезно также уменьшить и толщину киля.

На водоизмещающих катерах и лодках лопасти винта в вертикальном положении нередко на всю ширину закрываются толстым дейдвудным брусом (рис. 237).

При этом вихри, срывающиеся с кромок дейдвуда, также снижают упор; неравномерная нагрузка на лопасти вызывает вибрацию корпуса катера.

В значительной мере устранить эти неприятные явления можно, срезав, насколько это позволяет прочность конструкции, боковые грани дейдвуда, придав им обтекаемость.

Причина кавитации — кронштейн .

Гребной вал, установленный в кронштейне, будет вибрировать, если зазор между днищем катера и лопастью пинта окажется меньше 10—20% диаметра винта (рис. 238).

Не менее важно выдержать и зазор между лопастью и стойкой кронштейна: он должен быть не менее 15—20% О при условии, что стойка имеет обтекаемый профиль.

Завихрения или каверна, образующиеся за плохо обтекаемой стойкой, могут попасть на лопасть и вызвать кавитацию винта. Избежать этого можно, заострив кромки стойки и несколько удлинив вал.

Можно рекомендовать стойки обтекаемого профиля с соотношением длины к толщине 10 : 1. Втулка кронштейна должна быть одинакового со ступицей винта диаметра; передний торец ее необходимо закрыть обтекателем или соответственно проточить.

Опорную пластину, которой кронштейн ставится на корпус, рекомендуется утопить заподлицо с обшивкой и закрепить винтами с потайно й головкой. Весь кронштейн следует хорошо отполировать.

Что надо знать о гребном винте?

Как работает гребной винт? Гребной винт (рисунок 1) преобразует вращение вала двигателя в упор — силу, толкающую судно вперед. При вращении винта на поверхностях его лопастей, обращенных вперед — в сторону движения судна (засасывающих), создается разрежение, а на обращенных назад (нагнетающих) — повышенное давление воды. В результате разности давлений на лопастях возникает сила Y (ее называют подъемной). Разложив силу на составляющие — одну, направленную в сторону движения судна, а вторую перпендикулярно к нему, получим силу Р, создающую упор гребного винта, и силу Т, образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.

Рисунок 1. Схема сил и скоростей на лопасти винта (правого вращения)

Упор в большой степени зависит от угла атаки α профиля лопасти. Оптимальное значение α, для быстроходных катерных винтов 4-8°. Если α больше оптимальной величины, то мощность двигателя непроизводительно затрачивается на преодоление большого крутящего момента; если же угол атаки мал, подъемная сила и, следовательно, упор Р будут невелики, мощность двигателя окажется недоиспользованной.

На схеме, иллюстрирующей характер взаимодействия лопасти и воды, α можно представить как угол между направлением вектора скорости набегающего на лопасть потока W и нагнетающей поверхностью. Вектор скорости потока W образован геометрическим сложением векторов скорости поступательного перемещения v_a винта вместе с судном и скорости вращения v_r, т. е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.

Винтовая поверхность лопасти. На рисунке 1 показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном определенном поперечном сечении лопасти, расположенном на каком-то определенном радиусе r гребного винта. Окружная скорость вращения v_r зависит от радиуса, на котором сечение расположено (v_r — 2πrn, где n — частота вращения винта, об/с). Скорость же поступательного движения винта v_a остается постоянной для любого сечения лопасти. Таким образом, чей больше r, т. е. чем ближе расположен рассматриваемый участок к концу лопасти, тем больше окружная скорость v_r, а следовательно, и суммарная скорость W.

Так как сторона v_a в треугольнике рассматриваемых скоростей остается постоянной, то по мере удаления сечения лопасти от центра необходимо разворачивать лопасти под большим углом к оси винта, чтобы α сохранял оптимальную неличину, т. е. оставался одинаковым для всех сечений. Таким образом, получается винтовая поверхность с постоянным шагом Н. Напомним, что шагом винта называется перемещение любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот винта.

Представить сложную винтовую поверхность лопасти помогает рисунок 2. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, по одинаковую высоту — шаг Н, и поднимается за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (H*n) представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.

Рисунок 2. Винтовая поверхность лопасти (а) и шаговые угольники (б)

Скорость судна, скорость винта и скольжение. При движении корпус судна увлекает за собой воду, создавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой v_a всегда несколько меньше, чем фактическая скорость судна V. У быстроходных глиссирующих мотолодок разница невелика — всего 2-5%, так как их корпус скользит по воде и почти не «тянет» ее за собой. У катеров, идущих со средней скоростью хода эта разница составляет 5-8%, а у тихоходных водоизменшющих глубокосидящих катеров достигает 15-20%. Сравним теперь теоретическую скорость винта H*n со скоростью его фактического перемещения v_a относительно потока воды (рисунок 3). Пусть это будет «Казанка», идущая под мотором «Вихрь» со скоростью 42 км/ч = (11,7 м/с). Скорость натекания воды да винт окажется на 5% меньше:

Гребной винт на «Вихре» имеет шаг Н=0.3 м и частоту вращения n=2800/60=46.7 об/с. Теоретическая скорость винта:

Таким образом, мы получаем разность

Эта величина, называемая скольжением, и обуславливает работу лопасти винта под углом атаки α к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением. В нашем примере оно равно

Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15%) имеют винты легких гоночных мотолодок на полном ходу; у винтов глиссирующих прогулочных мотолодок и катеров скольжение достигает 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%.

Рисунок 3. Соотношение скорости лодки и осевой скорости винта.

Коэффициент полезного действия. Эффективность работы гребного винта оценивается величиной его КПД, т. е. отношения полезно используемой мощности к затрачиваемой мощности двигателя. Полезная мощность или ежесекундное количество работы, используемой непосредственно для движения судна вперед, равно произведению сопротивления воды R движению судна на его скорость V (N_п=RV кгсм/с).

Мощность, затрачиваемую на вращение гребного винта, можно выразить в виде зависимости N_з от крутящего момента М и частоты вращения n

Следовательно, КПД можно вычислить следующим образом:

Однако следует еще учесть взаимовлияние корпуса и винта. При работе гребной винт захватывает и отбрасывает в корму значительные массы воды, вследствие чего скорость потока, обтекающего кормовую часть корпуса повышается, а давление падает. Этому сопутствует явление засасывания, т. е. появление дополнительной силы сопротивления воды движению судна по сравнению с тем, которое оно испытывает при буксировке. Следовательно, винт должен развивать упор, превышающий сопротивление корпуса на некоторую величину

Здесь t — коэффициент засасывания, величина которого зависит от скорости движения судна и обводов корпуса в районе расположения винта. На глиссирующих катерах и мотолодках, на которых винт расположен под сравнительно плоским днищем и не имеет перед собой ахтерштевня, при скоростях свыше 30 км/ч t=0.02÷0.03. На тихоходных (10 — 25 км/ч) лодках и катерах, на которых гребной винт установлен за ахтерштевнем, t = 0,06÷0,15.

В свою очередь и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость потока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока w:

Значения w нетрудно определить по данным, приведенным выше.

Таким образом, полезная мощность с учетом взаимовлияния корпуса и винта равна

а общий пропульсивный КПД комплекса судно-двигатель-гребной винт вычисляется по формуле:

Здесь η_p — КПД винта; η_k — коэффициент влияния корпуса; η_M — КПД валопровода и реверс-редукторной передачи.

Максимальная величина КПД гребного винта может достигать 70-80%, однако на практике довольно трудно выбрать оптимальные величины основных параметров, от которых зависит КПД: диаметра и частоты вращения. Поэтому на малых судах КПД реальных винтов может оказаться много ниже, составлять всего 45%.

Максимальной эффективности гребной винт достигает при относительном скольжении 10-30%. При увеличении скольжения КПД быстро падает; при работе винта в швартовном режиме он становится равным нулю. Подобным же образом КПД уменьшается до нуля, когда вследствие больших оборотов при малом шаге упор винта равен нулю.

Коэффициент влияния корпуса нередко оказывается больше единицы (1.1-1.15), а потери в валопроводе оцениваются величиной η_M=0.9÷0.95.

Диаметр и шаг винта. Элементы гребного винта для конкретного судна можно рассчитать, лишь располагая кривой сопротивления воды движению данного судна, внешней характеристикой двигателя и расчетными диаграммами, полученными по результатам модельных испытаний гребных винтов, имеющих определенные параметры и форму лопастей. Для предварительного определения диаметра винта можно воспользоваться формулой

где N — мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.; n — частота вращения гребного вала, об/с; v_a — скорость встречи винта с водой, определенная с учетом коэффициента попутного потока w.

Диаметр гребных винтов, полученный как по приближенной формуле, так и с помощью точных расчетов, обычно увеличивают примерно на 5% с тем, чтобы получить заведомо тяжелый винт и добиться его согласованности с двигателем при последующих испытаниях судна. Для «облегчения» винта его постепенно подрезают по диаметру до получения номинальных оборотов двигателя при расчетной скорости.

Шаг винта можно ориентировочно определить, зная величину относительного скольжения s для данного типа судна и ожидаемую скорость лодки:

Оптимальная величина скольжения для винтов, имеющих шаговое отношение H/D 1.2, s=0.12÷0.14. При выборе шагового отношения H/D можно руководствоваться следующими рекомендациями. Для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением H/D, для тяжелых и тихоходных — с меньшим. При обычно применяемых двигателях с номинальной частотой вращения 1500-5000 об/мин оптимальное шаговое отношение H/D составляет: для гоночных мотолодок и глиссеров — 0.9÷1.5; легких прогулочных катеров — 0.8÷1.2; водоизмещающих катеров — 0.6÷3-1.0 и очень тяжелых тихоходных катеров — 0,55÷0.80. Следует иметь в виду, что эта значения справедливы, если гребной вал делает примерно 1000 об/мин из расчета на каждые 15 км/ч скорости лодки; при иной частоте вращения вала необходимо применять редуктор.

Легкий или тяжелый гребной винт. Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит степень использования мощности двигателя, а следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна.

Каждый двигатель имеет свою так называемую внешнюю характеристику — зависимость снимаемой с вала мощности от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытом дросселе карбюратора. Такая характеристика для подвесного мотора «Вихрь», например, показана на рисунке 4 (кривая 1). Максимум мощности в 21.5 л.с. двигатель развивает при 5000 об/мин.

Рисунок 4. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».

Мощность, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения мотора, показана на рисунке 4 не одной, а тремя кривыми — винтовыми характеристиками 2, З и 4, каждая из которых соответствует определенному гребному винту, т. е. винту определенного шага и диаметра.

При увеличении и шага, и диаметра винта выше оптимальных значений лопасти захватывают и отбрасывают назад слишком большое количество воды: упор при этом возрастает, но одновременно увеличивается и потребный крутящий момент на гребном валу. Винтовая характеристика 2 такого винта пересекается с внешней характеристикой двигателя 1 в точке A. Это означает, что двигатель уже достиг предельного — максимального значения крутящего момента и не в состоянии проворачивать гребной винт с большой частотой вращения, т. е. не развивает номинальную частоту вращения и соответствующую ей номинальную мощность. В данном случае положение точки А показывает, что двигатель отдает всего 12 л.с. мощности вместо 22 л.с. Такой гребной винт называется гидродинамически тяжелым.

Наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, поэтому двнгатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленвала. Режим его работы будет характеризоваться точкой С. И в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с опасно большим износом деталей. При этом надо подчеркнуть, что поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт называется гидродинамически легким.

Для каждого конкретного сочетания судна и двигателя существует оптимальный гребной винт. Для рассматриваемого примера такой оптимальный винт имеет характеристику 3, которая пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке В, соответствующей его максимальной мощности.

Рисунок 5 иллюстрирует важность правильного подбора винта на примере мотолодки «Крым» с подвесным мотором «Вихрь». При использовании штатного винта мотора с шагом 300 мм мотолодка с 2 чел. на борту развивает скорость 37 км/ч. С полной нагрузкой 4 чел. скорость лодки снижается до 22 км/ч. При замене винта другим с шагом 264 мм скорость с полной нагрузкой повышается до 32 км/ч. Оптимальные же результаты достигаются с гребным винтом, имеющим шаговое отношение H/D = 1.0 (шаг и диаметр равны 240 мм): максимальная скорость повышается до 40-42 км/ч, скорость с полной нагрузкой — до 38 км/ч. Несложно сделать вывод и о существенной экономии горючего, которую можно получить с винтом уменьшенного шага. Если со штатным винтом при нагрузке 400 кг расходуется 400 г горючего на каждый пройденный километр пути, то при установке винта с шагом 240 мм расход горючего составит 237 г/км.

Рисунок 5. Зависимость скорости мотолодки «Крым» от нагрузки и шага гребного винта мотора «Вихрь» мощностью 14.8 кВт (20 л.с.)

На следующем рисунке представлен теоретический чертеж для изготовления «грузовых» гребных винтов для моторов семейства «Вихрь» с шагом 240 и 264 мм. Эти винты имеют саблевидные лопасти со значительным наклоном к оси винта. Профиль поперечного сечения лопасти — переменный. У концов лопастей использован сегментный профиль, к ступице он постепенно переходит в авиационный, Для повышения КПД шаг винтов принят переменным по радиусу (данные для построения шаговых угольников приведены на рисунке 6 и в таблице 1.

Рисунок 6. Построение шаговых угольников (а) и кривые изменения кромчатого шага лопасти (б).

У подвесных моторов изменение шага гребного винта — практически единственная возможность согласовать работу винта с двигателем, так как размеры корпуса редуктора ограничивают максимальный диаметр винта, который может быть установлен на моторе. В некоторой степени винт можно «облегчить», если его подрезать по диаметру, однако оптимальным вариантом является применение сменных винтов с различным шаговым отношением.

Численные рекомендации для наиболее популярных моторов мощностью 14-18 кВт (20-25 л.с.) могут быть следующие. Штатные винты, имеющие H=280÷300 мм, дают оптимальные результаты на сравнительно плоскодонных лодках с массой корпуса до 150 кг и нагрузкой 1-2 чел. На еще более легкой лодке массой до 100 кг можно получить прирост скорости за счет увеличения H на 8-12%.

На более тяжелых глиссирующих корпусах, на лодках, имеющих большую килеватость днища и при большой нагрузке (4-5 чел.), шаг винта может быть уменьшен на 10-15 % (до 240-220 мм), но использовать такой винт при поездке без пассажиров с малой нагрузкой не рекомендуется: двигатель будет «перекручивать обороты» и быстро выйдет из строя.

При установке подвесного мотора на тихоходной водоизмещающей шлюпке рекомендуется применять трех- и четырех лопастные винты с соотношением H/D не менее 0.7; при этом ширину лопасти и профиль ее поперечного сечения сохраняют такими же, как и на штатном винте мотора.

В случае, когда для облегчения винта подрезают концы лопастей до меньшего диаметра, кромки лопастей необходимо аккуратно скруглять, а получившийся контур лопасти плавно сопрягать со старым по возможности без существенного уменьшения площади лопастей. Обрезку винта или небольшое изменение его шага <что возможно на стальных и латунных винтах путем подгибки лопастей в нагретом состоянии в каждом сечении лопасти) можно выполнить, руководствуясь формулой

где Н — исходный конструктивный шаг винта; n₀ — номинальная частота вращения двигателя; n₁ — частота вращения двигателя, полученная при испытаниях судна с данным винтом.

При замене согласованного с корпусом и двигателем гребного винта другим, с близкими величинами D и H (расхождение должно быть не более 10%), требуется, чтобы сумма этих величин для старого и нового винтов была равна.

Кавитация и особенности геометрии гребных винтов малых судов. Высокие скорости движения мотолодок и катеров и частота вращения винтов становятся причиной кавитации — вскипания воды и образований в области разрежения на засасывающей стороне лопасти. В начальной стадии кавитации эти пузырьки невелики и на работе винта практически не сказываются. Однако когда эти пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.

При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость — каверна, захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.

Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение частоты вращения. Гребной винт при этом издает специфический шум, иа корпус передается вибрация, лодка движется скачками.

Степень разрежения на лопасти, а следовательно, и момент наступления кавитации зависят прежде всего от скорости потока, набегающего на лопасть. Напомним, что эта скорость является геометрической суммой окружной скорости v_r=π*D*n к поступательной v_a. Замечено, что на катерных гребных винтах кавитация вступает во вторую стадию, когда окружная скорость на конце лопасти достигает значения 3500 м/мин. Это означает, например, что гребной винт диаметром 300 мм будет иметь при этом частоту вращения

а винт диаметром 0.4 м — около 2800 об/мин.

Момент наступления кавитации зависит не только от частоты вращения, но и от ряда других параметров. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. раньше наступает кавитация. Появлению кавитации способствует также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.

Упор, развиваемый гребным винтом, практически не зависит от площади лопастей. Наоборот, с увеличением этой площади возрастает трение о воду, и на преодоление этого трения дополнительно расходуется мощность двигателя. С другой стороны, надо учесть, что при том же упоре на широких лопастях разрежение па засасывающей стороне меньше, чем на узких. Следовательно, широколопастной винт нужен там, где возможна кавитация <т. е. на быстроходных катерах и при большой частоте вращения гребного вала).

В качестве характеристики винта принимается рабочая, или спрямленная, площадь лопастей. При ее вычислении принимается ширина лопасти, замеренная на нагнетающей поверхности по длине дуги окружности на данном радиусе, проведенном из центра винта. В характеристике винта указывается обычно не сама спрямленная площадь лопастей А, а ее отношение к площади A_d сплошного диска такого же, как винт, диаметра, т. е. A/A_d. На винтах заводского изготовления величина дискового отношения выбита на ступице.

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/A_d 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.

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; Y_н — относительная ордината нагнетающей поверхности лопасти, % макс. стрелки вогнутости ƒ; Y_з — 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°.

Видео:Почему у подводных лодок, на гребных винтах, больше лопастей, чем у надводных кораблейСкачать

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.

Видео:Винт судна в работеСкачать

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 η_н-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 v_a — скорость воды в диске винта с учетом попутного потока, м/с; n — частота вращения винта, об/с; p — массовая плотность воды (102 кгс 2 /м 4 ); N_e — мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.).

Применение насадки становится выгодным при К’_n 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 L_н (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) L_н.

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

🎥 Видео

⚓Тест / подбор гребных винтов. 3 или 4 лопасти❓Самый экономичный винт!Скачать

Какой винт поставить? Скоростной или грузовой? Ремонт лодочных моторов.Скачать

Как делают гребные винтыСкачать

Сравнение гребных винтов с кольцевой насадкой и без насадки.Скачать

Композитный разборный гребной винт. Сравнение по скорости с МЕТАЛЛИЧЕСКИМСкачать

Сравнение трёх лопастного и четырёхлопастного винта на моторе Hidea 9.9 (аналог 2t Yamaha 9.9)Скачать

Как подобрать гребной винт для лодочного мотораСкачать

Какой шаг винта выбрать для мотора T9.9?Скачать

Как измерить шаг гребного винта подручными средствами. Часть 1.Скачать

Как срезать веревку с винта #boatshow2023 #яхтеннаявыставка #яхтенныеновинкиСкачать

Сравнение тороидального гребного винта с классическими - небольшой тестСкачать

Компас 3D - гребной винт- Задаем шаг винтаСкачать

Гребной винт лодочного мотора , изменяем характеристики подбираем лучшее, скорость/экономичностьСкачать

Обрезаем лопасти винта, меняем дисковое отношение и шаг винтаСкачать

Гребной винт в #SolidWorks - процесс расчёта винтаСкачать

Новый уровень скорости: необычные тороидальные гребные винты для кораблика!Скачать