Принцип работы и устройство гребного винта

Чтобы заставить лодку, как и любое судно, двигаться с постоянной скоростью, надо приложить к ней постоянно действующее усилие (тягу), которое было бы достаточным для преодоления сопротивления воды.

На малых судах для создания тяги наибольшее распространение получил гребной винт — легкий, компактный, высокоэффективный, простой в изготовлении и удобный в эксплуатации движитель. Поговорим о нем поподробнее, разберемся в принципе работы и устройстве гребного винта.

Гребной винт (рис. 1) состоит из втулки — ступицы и нескольких лопастей, отлитых заодно с нею или изготовленных отдельно и закрепленных на ней. Винт обычно располагается в корме судна и приводится во вращение двигателем через гребной вал. Своим названием он обязан тому, что при работе любая точка его лопасти движется по винтовой линии — вращается и одновременно перемещается вперед вместе с судном. В основу теории, объясняющей работу гребного винта, положен принцип гидродинамического крыла. На первый взгляд это кажется странным — причем здесь крыло?, — но не торопитесь с выводом.

Посмотрим на лопасть винта сбоку (рис. 2) и представим направление, в котором она движется в воде (или, применив принцип обратимости движения, направление потока, обтекающего лопасть).

Скорость W потока воды относительно лопасти можно получить геометрическим сложением двух векторов: вызываемой вращением винта окружной скорости V_r=2πrn (π=3,14; r — отстояние рассматриваемого сечения лопасти от оси винта; n — число оборотов винта в секунду) и поступательной скорости движения 1 вместе с судном V_а. Вектор суммарной скорости W направлен к нижней поверхности лопасти под углом α, называемым в теории крыла углом атаки. При этом на нижней поверхности лопасти (ее называют нагнетающей) создается повышенное давление воды, а на верхней (засасывающей) — разрежение. В результате разности давлений на лопасти, как на крыле, возникает подъемная сила Y. Если разложить ее на составляющие, одна из которых направлена в сторону движения судна, а вторая перпендикулярна ему, то получим соответственно силу Р , создающую упор гребного винта, и силу T, создающую крутящий момент, который и приходится преодолевать двигателю для того, чтобы винт вращался и двигал судно.

Упор гребного винта, создаваемый подъемной силой, зависит не столько от площади лопасти, сколько — в полной аналогии с крылом — от таких ее параметров, как угол атаки, профиль сечения, длина лопасти.

Познакомимся же с этими и другими основными характеристиками гребного винта.

Диаметр винта D определяется по окружности, описываемой наиболее удаленной от оси винта точкой лопасти.

Геометрический шаг гребного винта H — это шаг винтовой поверхности, с которой совпадает нагнетающая сторона лопасти. Если бы винт ввинчивался в воду, как в гайку, то за один его оборот судно прошло бы расстояние, равное шагу винта, а его скорость была бы равна Hn.

Почему лопасть должна иметь винтовую поверхность? Посмотрим на рис. 2. Очевидно, винт даст наибольший упор, если сечения лопасти на любом радиусе r будут расположены под одним и тем же оптимальным углом атаки к набегающему потоку α. Однако вблизи ступицы окружная скорость V_r=2πrn будет меньше, чем у конца лопасти, в то время как осевая скорость винта Hn везде одинакова. В результате изменится величина и направление скорости W. Чтобы сохранить угол α неизменным, лопасть у ступицы следует развернуть под большим углом к V_r, чем у конца. Это хорошо видно также и из другого рисунка (рис. 3), где показан способ образования и проверки винтовой поверхности лопасти с помощью шаговых угольников.

Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит возможность наиболее полного использования мощности двигателя, и, следовательно, достижения наибольшей скорости хода судна.

Если шаг винта слишком велик для данных скорости и числа оборотов, лопасти будут захватывать и отбрасывать назад слишком большое количество воды, упор винта возрастет, но зато одновременно увеличится крутящий момент на гребном валу и двигателю не хватит мощности, чтобы развить полные обороты. В этом случае говорят, что винт тяжелый.

Наоборот, если шаг мал, двигатель легко будет вращать винт на полном числе оборотов, но упор будет невелик, и судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт считается легким.

Шаг и диаметр рассчитывают с учетом сопротивления воды движению корпуса, заданной скорости хода судна, числа оборотов и мощности устанавливаемого двигателя. Общее правило таково: для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением H/D, для тяжелых и тихоходных — с меньшим. При обычно применяющихся двигателях с числом оборотов 1500—5000 об/мин оптимальное шаговое отношение H/D будет составлять: на гоночных мотолодках и глиссерах 0,9—1,4; легких прогулочных катерах 0,8—1,2; водоизмещающих катерах 0,6—1,0 и очень тяжелых тихоходных катерах 0,55—0,80. Важно иметь в виду, что эти значения справедливы, если гребной вал делает примерно 1000 об мин на каждые 15 км/час скорости лодки. В противных случаях необходимо применять редуктор, соответственно изменяющий число оборотов гребного винта.

Диаметр винта существенно влияет на загрузку двигателя. Например, при увеличении D всего на 5% приходится повышать мощность двигателя почти на 30%, чтобы получить то же число n оборотов винта. Это следует учитывать, если требуется «облегчить» тяжелый винт: иногда бывает достаточно немного подрезать концы лопастей до меньшего диаметра.

За один оборот винт вместе с судном продвигается вперед (рис. 4) не на величину шага Н, а из-за скольжения в воде — на меньшее расстояние, называемое поступью h_p. Потеря скорости при этом составит Hn=h_pn. Величина скольжения характеризуется отношением:

Скольжение s выражается обычно в процентах.

Поступь и скольжение гребного винта легко определить, зная скорость лодки, шаг винта и число его оборотов, так как:

Важно подчеркнуть, что скольжение является непременным условием работы гребного винта, поскольку именно благодаря скольжению поток воды натекает на лопасть под углом атаки и на ней создается подъемная сила — упор. Если бы скольжение было равно нулю, поступь равнялась бы шагу винта и упора практически не было бы 2 .

Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8—15%) имеют винты легких гоночных мотолодок и скутеров; у винтов глиссирующих катеров скольжение составляет 15—25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20—40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50—70%. Чрезмерное скольжение свидетельствует о том, что винт слишком тяжел или судно перегружено, так как с увеличением нагрузки (например, при буксировке мотолодкой воднолыжника) скольжение возрастает.

Для катерных винтов применяются сегментные, авиационные плоско-выпуклые и выпукло-вогнутые профили сечения лопастей. Последние два типа более эффективны, но сложнее в изготовлении и дают меньший упор при реверсировании, т. е. на заднем ходу.

Площадь лопастей, как уже отмечалось, не оказывает существенного влияния на упор винта. Однако чрезмерная площадь приводит к увеличению трения винта о воду и излишним затратам мощности двигателя.

На быстроходных катерах часто приходится сталкиваться с явлением кавитации гребного винта. Известно, что при пониженном давлении (например, высоко в горах) вода закипает при температуре ниже 100° С. У высокооборотных винтов разрежение на засасывающей стороне лопасти достигает такой большой величины, что вода вскипает уже при естественной температуре. Образуются пузырьки и полости, заполненные паром, — это явление и называется кавитацией. Различают две стадии кавитации (рис. 5). На первой стадии полости невелики и на работе винта они практически не сказываются. Однако когда пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления, в результате чего материал лопасти выкрашивается у поверхности. Такие эрозионные разрушения при длительной работе кавитирующего винта могут быть весьма значительными.

При дальнейшем повышении скорости вращения винта наступает вторая стадия кавитации. Образуется сплошная полость (каверна), которая может замыкаться за пределами лопасти. Эрозия прекращается, но развиваемый винтом упор резко падает.

Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от суммарной площади лопастей, толщины и кривизны профиля сечения лопасти, глубины погружения винта под ватерлинией и т. п. Чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньших числах оборотов, т. е. «раньше», наступает кавитация. Отметим, что развитию кавитации способствуют пузыри воздуха и завихрения от находящихся перед винтом кронштейнов, вала, фальшкиля, увеличенный шаг винта и т, п.

Характеристикой площади лопастей винта является его дисковое отношение A/A_d, т. е. отношение суммарной площади всех развернутых и спрямленных лопастей A к площади круга A_d, описываемого винтом (рис. 6). Для малогабаритных винтов тихоходных судов дисковое отношение обычно составляет 0,35—0,60, для кавитирующих винтов быстроходных катеров 0,80—1,20.

Наибольшее распространение на катерах получили трехлопастные гребные винты, хотя на гоночных судах часто применяют и двухлопастные. Вообще говоря, двухлопастные винты более эффективны. У трехлопастного винта расстояние между кромками соседних лопастей меньше, поэтому в обтекание лопастей вносится большее искажение. Кроме того, крутящий момент у трехлопастного винта несколько больше; соответственно и мощность, потребная для его вращения, выше. Четыре и пять лопастей применяются, главным образом, в тех случаях, когда нужно понизить вибрацию и шум от работы винтов.

В зависимости от направления вращения гребного вала (смотря с кормы) применяют винты правого (по часовой стрелке) и левого вращения.

Конечной оценкой эффективности выбранного гребного винта является его коэффициент полезного действия η_p — отношение полезной мощности, затрачиваемой непосредственно на создание упора Р и движение судна со скоростью υ (т. е. Po, 75 л. с.), к мощности двигателя, подводимой к винту.

Потери мощности на гребном винте довольно значительны и достигают 35—50%. Они вызваны затратами на ускорение потока воды за винтом, на закручивание и сужение этого потока, на трение лопастей о воду и др. Получить высокий к. п. д. винта на катерах очень трудно из-за небольшой осадки, ограничивающей диаметр винта, и сложности подбора оптимального числа оборотов.

Винт, расположенный в корме, всегда оказывается в зоне действия попутного потока, увлекаемого корпусом судна, поэтому скорость его встречи с водой меньше, чем скорость судна. У легких глиссирующих судов, на которых винт установлен под плоским днищем, это уменьшение невелико (2—5%), но на тяжелых водоизмещающих катерах, особенно если винт располагается за дейдвудом, оно возрастает до 15— 20%. Очевидно, что попутный поток необходимо учитывать, иначе винт окажется тяжелым.

Винт, засасывая воду как насос, увеличивает скорость обтекания водой кормовой оконечности судна. Вследствие этого здесь образуется зона пониженного давления, которая тормозит движение судна. Для преодоления этой силы засасывания винт должен развить дополнительный упор. Очевидно, чем полнее обводы и больше осадка судна в районе винта, чем больше диаметр винта и меньше скорость хода, тем больше сила засасывания. Например, на глиссирующем катере она составляет не более 4% основного упора, или тяги, необходимой для движения судна, а на спасательной шлюпке достигает 15—30%.

При работе гребного винта за корпусом судна полезная отдача мощности будет уже характеризоваться не к. п. д. винта, а так называемым пропульсивным коэффициентом:

где η_k — коэффициент влияния корпуса, учитывающий потери мощности из-за влияния попутного потока и засасывания 3 .

Средние значения пропульсивного коэффициента на современных катерах 0,45—0,55.

Заканчивая это первое знакомство с гребным винтом, советуем: исследуйте гребной винт вашей лодки, замерьте его диаметр и шаг, оцените скорость лодки, скольжение винта, число оборотов вала и загрузку двигателя. Вполне может оказаться, что вы найдете возможность сделать лодку более быстроходной.

О том, как подобрать оптимальный винт, мы расскажем в ближайших выпусках сборника.

Примечания

1. Как будет показано ниже, скорость натекающего потока на винт меньше скорости судна.

2. У лопастей с несимметричным профилем, обычно применяющимся Для винтов, упор становится равным нулю при отрицательных углах атаки, т. е. когда поступь несколько превышает геометрический шаг винта. Поступь, при которой упор винта равен нулю, называется гидродинамическим шагом винта или шагом нулевого упора.

3. В некоторых случаях η_k может быть больше единицы.

Источник

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

s=	H*n-va	=	2.9	=0.207=20.7%.
	H*n		14

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:

η=	R*V	.
	2π*n*M

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

Pe=	R	кг.
	1-t

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

Nп=Pe*(1-t)*	va	кгсм/с,
	1-w

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

η=	Nп	=	Pe*va	*	1-t	*ηM=ηp*ηk*ηM
	Na		2π*n*M		1-w

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

D=	4	4 √	N	=M,
	√n		102va

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:

H=	va	.
	n(1-s)

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).

Таблица 1. Величины для построения шаговых угольников (диаметр винта D=240мм)

r/R	r, мм	h, мм	Hср=0.264м		Hср=0.240м
			l	L	l	L
0.3	36	62.5	59	75.2	65.5	82.5
0.5	60	57.4	83.5	119	92	129.5
0.7	84	52.3	105	144.5	115	154.5
0.9	108	47.2	119.5	142	131.5	165
1.0	120	44.5	124	—	139.5	—

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

ΔH≈H(1-	n0	)≈ΔD
	n1

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

n=	v2	=	3500	=3700 об/мин,
	πD		3.14*0.3

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.

Таблица 2. Ординаты симметричных профилей, рекомендуемых для некавитирующих гребных винтов

Ордината	x/b, %
	0; 100	5; 95	10; 90	20; 80	30; 70	40; 60	50
t/b, % Yн; Yз	Плоско-выпуклый профиль (сегмент)
	0	19	36	64	84	96	100
	Выгнуто-вогнутый профиль («луночка»)
	0	19	36	64	84	96	100

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°.

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 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:

K’n=	va	4 √	pva
	√n		Ne

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

D=	va
	λ*n

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

Источник