Шнековый гребной винт. Гребной винт

Гребно́й винт - наиболее распространённый движитель судов, а также конструктивная основа движителей других типов.

Разновидности винтов

В зависимости от наличия или отсутствия механизма управления углом атаки лопастей винты называют «с регулируемым шагом» или «с фиксированным шагом» соответственно. Винты с фиксированным шагом применяются на любительских, маломерных судах, а также морских судах, которые редко меняют режим движения во время плавания. Винты с регулируемым шагом применяются на судах с часто меняющимся режимом движения - буксирах, траулерах, многих речных судах.

В зависимости от направления вращения винты бывают правого и левого вращения. Если смотреть с кормы, то винт, вращающийся по часовой стрелке, называется винтом правого вращения, против часовой - соответственно левого. В простейшем случае используется одиночный винт правого вращения; на больших судах для улучшения манёвренности и надёжности применяются два или даже четыре винта противоположного вращения.

Винты с кольцевым крылом вращаются в открытом полом цилиндре (импеллер [ ] ), что при малой частоте вращения гребного винта обеспечивает прирост упора до 6 % . Такая насадка применяется для дополнительной защиты от попадания посторонних предметов в рабочую область и повышения эффективности работы винта. Часто применяются на судах, ходящих по мелководью.

Суперкавитирующие винты со специальным покрытием и особой формой лопастей предназначены для постоянной работы в условиях кавитации . Применяются на быстроходных судах.

Гребные винты различаются по:

  • шагу (расстоянию, которое проходит винт за один оборот без учёта скольжения);
  • диаметру (окружности, описываемой наиболее удалёнными от центра точками лопастей);
  • дисковому отношению (отношению суммарной площади лопастей к площади круга с диаметром, равным диаметру винта);
  • количеству лопастей (от двух до семи, изредка больше; чаще 3);
  • материалу (сталь углеродистая и нержавеющая, алюминиевые сплавы, пластик, бронзы, титановые сплавы);
  • конструкции ступицы (резиновый демпфер, сменная втулка, сменные лопасти);
  • конструкции ступицы (выхлоп через ступицу или под антикавитационной плитой);
  • диаметру ступицы;
  • количеству шлицов втулки.

Преимущества и недостатки

Работает как движитель только при непрерывном или возрастающем темпе вращения, в остальных случаях - как тормоз .
КПД винта ~30-50 % (максимально достижимый - 75 %); невозможность сделать «идеальный» винт, ввиду постоянного изменения условий его работы.

Одновременно со Смитом и независимо от него разрабатывал применение гребного винта как движителя известный изобретатель и кораблестроитель швед Джон Эрикссон (англ. John Ericsson ) [убрать шаблон ] . В том же 1836 году он предложил другую форму этого движителя, представлявшую собой гребное колесо с лопастями, поставленными под углом. Он построил винтовой пароход в 70 л. с. «Стоктон», сделал на нем переход в Америку, где его идея была встречена весьма сочувственно, так что уже в начале 40-х годов был спущен первый винтовой фрегат USS Princeton (900 т, машина мощностью 400 л.с., дававшей ему ход до 14 узлов) с винтом своей конструкции. На испытаниях корабль развил невиданную 14-узловую скорость. А при попытке «стравить» его с колесным «Грейт Уэстерн» теперь уже винтовой фрегат потащил своего соперника. Кстати, «Принстон» отметился в истории кораблестроения тем, что нес самые крупнокалиберные орудия для своего времени - на поворотных платформах на нем впервые установили 12-дюймовые орудия.

В середине XIX века началась массовая переделка парусников в винтовые корабли. В отличие от колесных кораблей, переделка в которые требовала очень объемных и продолжительных работ, модернизация парусников в винтовые оказалась значительно более простой. Деревянный корпус разрезали примерно пополам и делали деревянную же вставку с механической установкой, мощность которой для крупных фрегатов составляла 400-800 л.с. При этом весовая нагрузка только улучшалась: тяжелые котлы и машины располагались в основном под ватерлинией и исчезала необходимость в приеме балласта, количество которого на парусниках иногда достигало сотен тонн. Винт размещали в специальном колодце в корме и снабжали его подъемным механизмом, поскольку при ходе под парусами он только мешал движению, создавая дополнительное сопротивление. Аналогично поступали и с дымовой трубой: чтобы она не мешала манипуляциям с парусами, ее делали складной - по типу подзорной трубы. Проблем с вооружением практически не возникало: оно оставалось на своем месте.

3начительное удорожание жидкого топлива в последние десятилетия обусловило необходимость повышения экономичности эксплуатации транспортных судов. В связи с этим усилия судостроителей направлены на поиски путей и средств совершенствования пропульсивного комплекса судна, одним из элементов которого является гребной винт. Видимо, винту суждено сохранить свою роль как основного типа судового движителя и в ближайшем будущем.

Однако обычные гребные винты для современных судов, отличающихся высокими скоростями хода и большими мощностями, подводимыми к движителю, в ряде случаев оказываются недостаточно эффективными. Причиной тому является развитая кавитация на лопастях винта и связанные с ней повышенные шумность, вибрация корпуса и валопровода. Поэтому ученые многих стран интенсивно работают над совершенствованием существующих, а также созданием новых конструкций гребных винтов, обеспечивающих повышение технико-экономических характеристик судна и прежде всего - экономию топлива. Насколько важно это направление, можно судить хотя бы потому, что повышение пропульсивного коэффициента судна на 1% приводит к годовой экономии (если исходить из цен на топливо 1982 г.), равной 68 коп. на 1 кВт мощности энергетической установки (ЭУ).

Из теории и практики известно, что для обеспечения наибольшего КПД винта необходимо увеличивать его диаметр и шаговое отношение, снижать частоту вращения, уменьшать дисковое отношение, число лопастей и габариты ступицы. Однако для удовлетворения другим требованиям (например, снижения кавитации, вибрации, шумности и т. д.) в ряде случаев приходится отступать от этих рекомендаций, применять винты с необычной геометрией лопастей. Ниже рассматриваются некоторые из предложенных в последние годы конструкций гребных винтов, анализируются их различные качества и возможности практического использования в катеростроении.

Гребные винты с увеличенной саблевидностью лопастей

Основным источником ходовой вибрации корпуса судна являются пульсирующие давления , возникающие в потоке жидкости при вращении винта и передающиеся на обшивку корпуса. Результирующая этих давлений, называемая поверхностной силой, и приводит к возбуждению колебаний конструкции корпуса, руля и других судовых конструкций. Величина поверхностной силы зависит от мощности на гребном валу, числа лопастей и частоты вращения винта, его расположения относительно корпуса.

Наиболее существенное влияние на величину пульсаций давления на корпусе оказывают неоднородность поля скоростей потока в диске гребного винта, величина зазора между концом лопасти к обшивкой корпуса, а также форма лопастей винта. Ходовая вибрация усиливается при периодически возникающей кавитации на лопастях.

Для обеспечения более равномерного потока, натекающего на винт, применяют специальные обводы корпуса в корме, устанавливают перед винтом стабилизаторы потока, направляющие устройства. Однако пропульсивные качества судна в этих случаях обычно несколько ухудшаются. К снижению пропульсивного коэффициента приводит к увеличение числа лопастей винта, которое может служить средством уменьшения вибрационных нагрузок на корпус.

Более эффективным средством снижения виброактивности гребного винта без ухудшения его гндродинамических характеристик является применение саблевидных лопастей, т. е. имеющих асимметричный контур. Форма такой лопасти характеризуется углом саблевидности Θ, т. е. углом между осевой линией лопасти и линией, соединяющей центр винта с серединой концевого сечения лопасти на нормальной проекции гребного винта (рис. 1). Следует отличать угол саблевидности 6, от угла наклона лопасти (в корму), который используется при проектировании гребных винтов с целью удаления винта от корпуса на одновальном судне или от кронштейнов на двухвальных судах без удлинения гребного вала. У саблевидной лопасти ее верхняя часть имеет вытянутую (ложкообразную) форму.

На рис. 2 показаны контуры лопасти обычного гребного винта и винтов с различной саблевидностью


где z - число лопастей. Другой особенностью гребных винтов с большой саблевидностью лопастей является уменьшение шага на конце лопасти.

Сейчас спроектированы и испытаны серии моделей винтов с углом Θ s =30, 60, 90° (у обычных гребных винтов величина угла Θ s ≤7-8). Как показали исследования, гребные винты с большой саблевидностью лопастей (угол Θ s составляет больше половины угла между двумя последовательными лопастями) снижают вибрационные нагрузки на корпусе на 40-50%, а при умеренной саблевндности лопастей (угол Θ s меньше половины межлопастного угла) - примерно на 25%. В то же время саблевидность сравнительно слабо влияет на КПД к гидродинамические характеристики винта в целом: при изменении угла Θ s в пределах от 0 до 20° КПД винта в равномерном потоке практически сохраняется неизменным.

Кроме того, гребной винт с увеличенной саблевидностью лопастей более стоек к кавитации и может быть спроектирован с меньшим дисковым отношением, что позволяет повысить КПД движителя. Шумят такие винты меньше обычных, а значит условия обитаемости на судне делаются лучше.

Указанные положительные качества рассматриваемых гребных винтов объясняются следующим. С увеличением саблевидности лопастей отдельные их сечения постепенно входят в область наиболее подторможенного потока воды в кормовой части корпуса, и благодаря этому гидродинамические характеристики винта за один оборот изменяются более плавно, чем в случае обычного винта с симметричным или почти симметричным контуром лопасти. Поскольку при работе гребных винтов с увеличенной саблевидностью лопастей вибрационные нагрузки на корпусе снижаются на 50%, зазор между концом лопасти и обшивкой может быть уменьшен. Это позволяет увеличить диаметр гребного винта (примерно на 10%) и соответственно снизить частоту его вращения, что приведет к дополнительному увеличению КПД движителя.

Лопасти с большой саблевидностью (рис. 3) в последнее время применяются и при конструировании винтов регулируемого шага, которые широко используются на судах и катерах различных типов - от транспортных судов с одновальной ЭУ и умеренными скоростями до среднескоростных и быстроходных судов с двухвальной установкой. Угол саблевидности лопастей должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом особенностей неоднородности поля скоростей потока в кормовой оконечности судна. Это приводит к усложнению процесса проектирования и технологии изготовления гребных винтов нового типа, их удорожанию по сравнению с обычными винтами.

Следует также отметить, что при значительной саблевидности лопастей увеличивается осевой габарит винта, который можно уменьшить, сдвигая периферийные сечения вдоль оси винта, т. е. изменяя угол наклона. Есть также ряд особенностей в обеспечении прочности лопастей саблевидной формы, особенно на режимах реверса и заднего хода, что вызывает необходимость изготавливать эти винты из высокопрочных материалов.

Гребные винты с изменяемым в процессе оборота шагом

В последнее время в зарубежной печати появились сообщения о разработке гребных винтов, у которых каждая лопасть в процессе оборота вращается вокруг своей оси - шаг изменяется так, чтобы в зонах наибольшей нагрузки на лопасть он уменьшался, а в зонах наименьшей нагрузки - увеличивался. В результате при работе такого винта с изменяемым шагом (ВИШ) может быть значительно снижена величина возбуждаемых им периодических нагрузок, передаваемых на корпус судна, и уменьшена вероятность возникновения кавитационных явлений на поверхностях лопастей. Сечения лопастей ВИШ могут быть выполнены более тонкими, что позволяет улучшить пропульсивные качества движителя и отдалить момент возникновения кавитации. В результате колебательно-вращательных движений лопастей ВИШ вокруг своих осей около положения оптимального шага каждая лопасть нивелирует изменение угла атаки в неравномерном набегающем потоке, уменьшая тем самым отклонение текущего режима работы от оптимального. Благодаря этому обеспечивается дополнительное повышение КПД движителя по сравнению с обычными гребными винтами.

Разработчики наибольшее внимание уделяют конструкциям ВИШ с принудительным управлением шагом лопастей. Таков, например, гребной винт, разработанный шведской фирмой «КаМеВа». Особенностями конструкции этих ВИШ, получивших название «Пиннет пропеллер» (рис. 4), является четное число лопастей, причем каждая пара взаимопротивоположных лопастей закреплена на одной оси, проходящей через ступицу. От направляющей шайбы штанга передает колебательно-вращательные перемещения лопастям вокруг их оси. Изменение наклона направляющей шайбы к оси гребного вала позволяет варьировать амплитуду циклической перекладки лопасти, а перемещение ее вокруг оси вала дает возможность выбирать такое угловое положение в диске гребного винта, при котором перемещение лопастей относительно нейтрального положения максимально. Отмечается простота и надежность такой конструкции, поскольку значительная часть усилий, действующих на каждую пару лопастей, компенсирует друг друга и не передается на ступицу. Лопасти этого винта не подвергаются кавитации. значительно снижается (в два раза и более) уровень пульсирующих давлений на корпусе в кормовой оконечности, КПД движителя при работе его в неравномерном потоке повышается примерно на 5% по сравнению с КПД ВИШ без управления шагом в процессе вращения.

Исследования, проведенные шведской фирмой «КаМеВа», показали, что движители этого типа наиболее эффективны для работы в условиях, близких к чисто скошенному потоку, например на катерах, у которых гребные валы сильно наклонены.

Отмечаются также и некоторые недостатки ВИШ: возможное снижение эффективности этих винтов на циркуляции судна и сложность управления шагом лопастей при эксплуатации судна в условиях нерегулярного волнения.

Гребной винт без концевых вихрей

В течение последних десяти лет в зарубежной печати широко рекламируется конструкция гребного винта типа TVF, свободного от концевых вихрей на лопастях. Исследовательские и проектные работы по разработке новой конструкции гребного винта проводит испанская фирма AESA.

Поясним кратко сущность идеи, заложенной в конструкции винта TVF. Известно, что при вращении гребного винта с концов его лопастей сбегают свободные вихри , которые возникают вследствие перетекания воды через край лопасти с нагнетающей на засасывающую поверхность и являются одним из основных источников кавитации. Было предложено на концах лопастей устанавливать специальные профилированные пластины в виде шайб, изогнутые по винтовой поверхности (рис. 5). Эти шайбы, являясь как бы гидромеханическим барьером, препятствуют перетеканию воды через край лопасти и тем самым предотвращается возникновение концевых вихрей. Таким образом, лопасть винта как бы превращается из крыла конечного размаха в крыло бесконечного размаха.

В зарубежной печати сообщалось о весьма существенном повышении (на 12-35%) пропульсивных качеств винта TVF по сравнению с обычными гребными винтами. Однако проведенные позднее эксперименты с моделями в опытовом бассейне не подтвердили столь высокую эффективность TVF.

Впоследствии проектировщики разработали другие варианты нового типа движителя. Была предложена улучшенная конструкция четырехлопастного винта TVF в сочетании с насадкой, другая испанская фирма «Аукси-Наве» разработала новый энергосберегающий гребной винт, получивший обозначение HEFA. У этого винта на крае каждой лопасти установлены граничные пластинки цилиндрической формы (рис. 6) с минимальным собственным сопротивлением. Кроме того изменен закон распределения нагрузки (циркуляции) по радиусу винта, который, как видно из рис. 7, существенно отличается от обычно применяемого закона при конструктировании традиционных гребных винтов. Пластины на концах лопастей позволяют использовать энергию течения струй жидкости, проходящих через диск винта, что способствует повышению КПД винта. Считается, что винт новой конструкции с увеличенным (примерно на 10 %) КПД по сравнению с обычным винтом менее подвержен кавитации и вызывает меньшую вибрацию на корпусе и шум.

Гребные винты с направляющим устройством и спрямляющим аппаратом

Одним из перспективных путей повышения пропульсивных качеств гребного винта является дальнейшее улучшение характеристик взаимодействия движителя с корпусом. С этой целью применяют различные направляющие и выравнивающие устройства, которые могут быть выполнены в виде кольцевых направляющих насадок, полунасадок или системы направляющих крыльевых элементов.

Кольцевые насадки обычно располагаются в плоскости диска винта соосно с ним и охватывают с небольшими зазорами (до 0,01 D) концы его лопастей. Серьезным недостатком таких насадок, выявившимся в процессе эксплуатации, является эрозионное разрушение их внутренней поверхности, которое обусловлено кавитацией свободных вихрей, сбегающих с концов лопастей.

Этого недостатка лишены так называемые предвинтовые направляющие насадки (ПНН), которые в отличие от обычных насадок располагаются не в плоскости диска винта, а непосредственно перед гребным винтом (рис. 8). Такая насадка японской фирмы «Мицуи» получила условное наименование MJDP. Ее характерными особенностями являются асимметричность формы относительно горизонтальной плоскости, уменьшение осевой протяженности (хорды профиля) от верхней к нижней кромке. Такая конфигурация ПНН позволяет насадке более эффективно участвовать в перераспределении попутного потока, выравнивать и стабилизировать натекающий на винт поток. У ПНН исключается кавитационная эрозия внутренней поверхности.

ПНН может устанавливаться без замены существующего гребного винта как на плавающих, так и на вновь строящихся судах и катерах, т. к. она не влияет на выбор профиля сечений лопастей и распределения шага, как это имеет место в случае обычной кольцевой насадки. По результатам натурных испытаний судов с предвинтовой насадкой, экономия мощности главного двигателя может достигать 5-12% в зависимости от скорости хода и состояния нагрузки судна.

Важным преимуществом комплекса гребной винт - предвинтовая насадка является значительное улучшение кавитационных свойств - область развития кавитации на лопастях снижается на 20-60%. Это обусловлено большей однородностью потока и уменьшением нагрузки на винт благодаря дополнительному упору, создаваемому насадкой. Указывается также на снижение пульсаций давления (до 50%) на корпусе и соответствующее уменьшение ходовой вибрации судна. Улучшаются характеристики поворотливости и маневренные качества судна, оборудованного ПНН: диаметр циркуляции уменьшается на 10-20%, а дистанция торможения судна - на 10-30%.

Другая конструкция направляющего устройства, разработанная в техническом университете ФРГ, изображена на рис. 9. Оно состоит из двух расположенных побортно полуколец, нижние кромки которых находятся близ линии гребного вала, а верхние - на уровне конца лопастей винта. Оси обоих полуколец имеют наклон в нос к основной плоскости, а в плане они расположены симметрично относительно ДП, но непараллельно плоскости мидель-шпангоута. Поперечное сечение такой полунасадки имеет сужение по длине в сторону винта, и по окружности - в сторону верхней кромки. Подобное устройство позволяет сглаживать неравномерность потока, натекающего на гребной винт, и колебания давления. Экономия энергии составляет 5-12% в зависимости от обводов корпуса и скорости судна. Отмечается, что подобные устройства наиболее эффективны при скоростях 12-18 уз.

В отечественной и зарубежной практике получают развитие также различные системы направляющих крыльевых устройств . Так например, для тихоходных маломерных судов советский изобретатель Ю. С. Пунсон предложил устанавливать перед гребным винтом под определенным углом атаки к набегающему потоку одно или несколько направляющих крыльев, которые имеют профилировку контрпропеллера (рис. 10). Крылья обеспечивают предварительную закрутку потока перед гребным винтом по всей площади его диска. На одновальных судах крылья устанавливаются только с одного борта: при правом вращении гребного винта - с левого, а при левом вращении - с правого (см. авторское свидетельство № 1096166).

Разработанная автором методика расчета направляющих крыльев позволяет определять геометрические характеристики крыльев с учетом неравномерности поля скоростей потока за корпусом и их положение относительно винта, а также приближенно оценивать эффективность устройства.

Испытания судов, оборудованных устройством Ю. С. Пунсона, показали, что при заданной скорости судна мощность ЭУ при установке направляющих крыльев может быть снижена на 5-7%, а в сочетании с насадкой - на 8-9%.

Профессор Гротуэс-Спорк из Берлинского опытового бассейна предложил свою систему потоко-направляющих крыльев (рис. 11). В зависимости от формы обводов корпуса в кормовой оконечности и степени неравномерности потока установка ее на судне позволяет снизить потребную мощность двигателя в пределах 4-8%.

В последнее время широкое применение в зарубежной практике проектирования движителей получило спрямляющее колесо - контрвинт Грима (по имени автора-изобретателя - профессора из ФРГ), назначением которого является утилизация (до 65%) энергии закрученной винтом струи. Свободно вращающееся колесо-ротор имеет 9 лопастей и устанавливается на гребном валу сразу за винтом (рис. 12). Диаметр колеса составляет примерно 1,2 D, частота вращения его - 30-50% частоты вращения гребного винта. Лопасти колеса имеют комбинированный профиль: на радиусах в пределах струи винта - типа лопаток гидротурбин, а на внешних радиусах - форму сечений лопастей винта. Благодаря такой профилировке гребной винт с этим устройством создает дополнительный упор до 5-10%. Соответственно экономится мощность ЭУ, поданным натурных испытаний ряда судов, порядка 9-15% - в зависимости от гидродинамической нагрузки движителя. Важно, что при установке «Колеса Грима» маневренные характеристики судна практически не изменяются, значительно снижается уровень вибрации корпуса в кормовой оконечности. Это позволяет устанавливать устройство как на проектируемых, так и на уже эксплуатируемых судах.

Гребные винты с перекрывающимися дисками

Существенное влияние на ходовые качества двухвальных катеров оказывает расположение гребных винтов за корпусом и, в особенности,- сближение дисков винтов. Обычно гребные винты располагаются по бортам от диаметральной плоскости (ДП) при расстоянии между их осями а=(1,5÷1,7) D. При этом гребные винты работают в среде с меньшей интенсивностью попутного потока по сравнению с одновальной установкой, в которой винт расположен в области наиболее развитого попутного потока. Благодаря использованию энергии этого потока, при одновальной установке пропульсивный коэффициент несколько повышается и тем самым снижается значение потребной мощности ЭУ. Эта особенность работы гребного винта на одновальном корабле и была положена в основу нетрадиционной компоновки движительного комплекса на двухвинтовом катере, при которой оси гребных винтов сдвинуты к ДП таким образом, что плоскости дисков винтов частично перекрываются (рис. 13, 14). Таким образом оба винта работают в области действия более интенсивного попутного потока, что позволяет улучшить пропульсивные качества катера и обеспечить ряд эксплуатационных преимуществ.

Основными параметрами, определяющими гидродинамическую эффективность гребных винтов с перекрывающимися дисками являются: степень перекрытия дисков винтов с=а/D, расстояние между плоскостями дисков по длине катера, направление вращения винтов. Оптимальная величина перекрытия с=0,65÷0,80. Смещение дисков гребных винтов в осевом направлении относительно друг друга практически не влияет на характеристики взаимодействия движителя с корпусом. В зависимости от кормовых обводов корпуса экономия мощности ЭУ при использовании винтов с перекрывающимися дисками может составить 6-12%. Отмечается также, что рациональным является вращение винтов наружу, т. е. винт правого борта должен вращаться по часовой стрелке, а винт левого борта - против часовой стрелки, если смотреть с кормы в нос судна.

Компоновка с перекрывающимися дисками винтов обладает также и другими достоинствами. Например, при уменьшении перекрытия до с≈1,0 значительно уменьшаются размеры выступающих частей (кронштейнов, выкружек гребных валов), а следовательно, и их сопротивление (до 30%) по сравнению с обычной двухвальной установкой. Улучшается поворотливость катера, оборудованного одним рулем в ДП, т. к. в этом случае он обтекается с большей скоростью струями гребных винтов. Благодаря более рациональному расположению главных двигателей и линий гребных валов освобождается часть полезного объема корпуса, которая может быть использована для оборудования пассажирских или грузовых помещений.

Рассмотренные в настоящей статье «необычные» гребные винты позволяют улучшить пропульсивные, кавитационные, вибрационные и другие качества системы движитель-корпус, снизить энергозатраты, а следовательно, и потребную мощность главной ЭУ. Эти винты уже находят широкое применение на больших транспортных судах. Есть опыт их использования и на малых судах различных типов.

Примечания

1. О явлении кавитации гребных винтов читайте .

2. Пропульсивный коэффициент - характеристика эффективности движителя судна, представляющая собой отношение полезной или буксировочной мощности, необходимой для преодоления сопротивления воды при данной скорости судна, к мощности. подводимой к движителю. Пропульсивный коэффициент представляется произведением η = η р ·η к; здесь η р КПД движителя, η к - коэффициент влияния корпуса.

3. Контрпропеллер - устройство для преобразования энергии закрученной гребным винтом струи в дополнительный упор, двигающий судно вперед.

К основным элементам гребного винта модели корабля относятся: d - диаметр гребного винта; z - число лопастей; А - площадь круга, описываемая гребным винтом; А с - суммарная площадь спрямленной поверхности всех лопастей винта; d c -диаметр ступиц; h z - геометрический шаг гребного винта.

Геометрический шаг гребного винта модели корабля представляет расстояние, на которое переместился бы гребной винт за один полный оборот в твердой неподатливой среде, например в гайке (рис. 141). Напротив, вода является податливой средой и при малейшем давлении на нее отступает.

Поэтому винт в воде за один оборот проходит меньше, чем в гайке расстояние, которое называют действительным шагом или поступью гребного винта. Разность между геометрическим шагом и поступью называют скольжением. Однако при расчетах шага гребного винта пользуются не величиной скольжения, а так называемым относительным скольжением S 0 .

Ориентировочные величины относительного скольжения для гребных винтов самоходных моделей - от 0,2 до 0,3, для винтов скоростных радиоуправляемых моделей - от 0,1 до 0,15, для винтов скоростных кордовых моделей - от 0,15 до 0,20.

Рис. 141. Шаг, поступь и скольжение гребного винта.

При расчете гребных винтов особое значение имеет правильный выбор шагового отношения гребного винта, являющегося одной из его важнейших гидродинамических характеристик. Шаговое отношение гребного винта р определяет режим работы винта и двигателя и характеризуется отношением геометрического шага винта h г к диаметру винта d, т. е.

В зависимости от назначения гребного винта для модели величину шагового отношения гребного винта выбирают в пределах от 0,4 до 3,0. Чем больше скорость модели и число оборотов двигателя, тем большую величину р следует выбирать. Например, для винтов самоходных моделей с масштабной скоростью р должно быть в пределах 0,4- 0,7, для скоростных радиоуправляемых моделей с электродвигателями - 0,6-1,0, для тех же моделей с двигателями внутреннего сгорания - 1,0-1,3, а у винтовых скоростных кордовых моделей она достигает величины 2,6-2,9.

Одной из характеристик гребного винта, показывающей отношение площади всех лопастей гребного винта A d к площади окружности А, диаметр которой равен диаметру гребного винта, является так называемое дисковое отношение винта, или отношение площадей A d

С увеличением дискового отношения увеличивается средняя ширина лопасти винта. Дисковое отношение изменяется в пределах от 0,2 до 1,2. Если величина дискового отношения больше единицы, значит суммарная площадь всех лопастей больше площади диска винта и лопасти перекрывают одна другую (рис. 142). Чем меньше число оборотов двигателя и меньше скорость модели, тем большим должно быть дисковое отношение. Например, если для винтов к самоходным моделям дисковое отношение может быть в пределах 0,5-0,8, то у винтов к скоростным кордовым моделям оно не более 0,2-0,25. С уменьшением дискового отношения к.п.д. винта при прочих равных условиях у скоростных моделей растет.

Рис. 142. Гребные винты с дисковым отношением больше единицы.

Относительный диаметр ступицы, т. е. отношение диаметра ступицы к диаметру винта

должно быть не больше 0,5-0,2.

С увеличением диаметра ступицы упор и к.п.д. винта снижаются за счет увеличения трения ступицы о воду. Длина ступицы должна быть такой, чтобы боковая проекция лопастей полностью размещалась на ступице. В местах крепления кромки лопастей следует делать скругленными, обеспечивающими плавность перехода от лопасти к ступице.

Отношение диаметра гребного винта d к осадке Т для самоходных моделей с масштабной скоростью должно быть выбрано в пределах 0,5-0,6. Для радиоуправляемых скоростных моделей это отношение соответствует 1,2-1,4. По величинам этих отношений можно ориентировочно определить диаметр винта для указанных моделей: d = (0,5-0,6)T

Меньшие величины этих отношений берут для тихоходных, а большие - для быстроходных моделей. Например, для винта пассажирского судна можно принять

а для винтов крейсера, эсминца - 0,6. Диаметры гребных винтов для скоростных кордовых моделей можно рекомендовать следующие: к модели с двигателем внутреннего сгорания объемом цилиндра 2,5 см 3 от 40 до 50 мм, с двигателем 5 см 3 от 45 до 55 мм, с двигателем 10 см 3 от 60 до 70 мм.


Рис. 143. Формы контуров лопастей.

Форму контуров лопастей гребных винтов выбирают в зависимости от типа судна, скорости хода, осадки и числа оборотов двигателя. Они могут быть симметричными и несимметричными (рис. 143). На практике для винтов всех моделей (кроме скоростных кордовых) чаще выбирают эллиптическую форму лопастей с плоско-выпуклым сегментным сечением.

У узколопастных винтов для скоростных кордовых моделей рекомендуют саблевидную форму лопасти с антикавитирующим (клювообразным) профилем сечения. Наибольшую ширину лопасти у эллиптических контуров делают около 0,7; а у саблевидных контуров - 0,6 от максимального радиуса винта.

Причем максимальную ширину лопасти для винтов скоростных кордовых и скоростных радиоуправляемых моделей с двигателями внутреннего сгорания рекомендуют брать порядка 0,2 - 0,25 d, а для винтов всех остальных моделей (0,3-0,35) d.

Рис. 144. Изменение толщины лопасти.

Толщину лопасти от корня к ее концу следует постепенно уменьшать так, чтобы образующая винтовой поверхности лопастей была прямой линией, которую можно отклонить в корму или в нос на 10-15° от вертикали оси винта (рис. 144). Такое отклонение лопастей к корме делают на одновинтовых моделях с целью увеличения зазора между винтом и корпусом.

У высокооборотных гребных винтов (скоростных кордовых и скоростных управляемых моделей) лопасти следует ставить под прямым углом к оси, чтобы устранить вредное влияние центробежных сил инерции, которые могли бы изогнуть и даже отломить лопасти от ступицы.

Гребные винты с лопастями, уширенными у концов (рис. 143, Б и Д), создают больший упор, но и потребляют большую мощность. К.п.д. таких винтов несколько ниже. Лопасти с уширенными концами и эллиптические с максимальной шириной более 0,35 d можно использовать на моделях с двигателем до 3000 об/мин.

Таким образом, для обеспечения высокого к.п.д. винта концы лопастей его должны быть не слишком широкими и не слишком узкими. Обычно рекомендуют для эллиптических винтов 0,35 d, а у саблевидных 0,3 d (рис. 143, А и Г).

Что нужно знать о гребном винте

Как работает гребной винт? Гребной винт 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.

Упор в большой степени зависит от угла атаки  профиля лопасти. Оптимальное значение для быстроходных катерных винтов 4-8°. Если  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,  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 Va винта вместе с судном и скорости вращения Vr, т. е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.


Винтовая поверхность лопасти. На рисунке 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, зависит от радиуса, на котором сечение расположено (Vr = 2   r n, где n - частота вращения винта, об/с), скорость же поступательного движения винта Va остается постоянной для любого сечения лопасти. Таким образом, чем больше r, т. е. чем ближе расположен рассматриваемый участок к концу лопасти, тем больше окружная скорость Vr, а следовательно, и суммарная скорость W.

Так как сторона Va в треугольнике рассматриваемых скоростей остается постоянной, то по мере удаления сечения лопасти от центра необходимо разворачивать лопасти под большим углом к оси винта, чтобы a сохранял оптимальную величину, 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. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, но одинаковую высоту - шаг H, и поднимается за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (Нn) представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.

Скорость судна, скорость винта и скольжение. При движении корпус судна увлекает за собой воду, создавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой Va 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 водоизмещающих глубокосидящих катеров достигает 15-20 %. Сравним теперь теоретическую скорость винта Нn со скоростью его фактического перемещения Va относительно потока воды.

Разность Hn - Va, называемая скольжением, и обуславливает работу по пасти винта под углом атаки  к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением: s = (Hn-Va)/Hn.

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%.

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 (кривая 1). Максимум мощности в 21,5 л, с. двигатель развивает при 5000 об/мин.

Мощность, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения мотора, показана на этом же рисунке не одной, а тремя кривыми - винтовыми характеристиками 2, 3 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 А. 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 двигатель 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.

Гребной винт, позволяющий для конкретного сочетания судна и двигателя полностью использовать мощность последнего, называется согласованным . Для рассматриваемого примера такой согласованный винт имеет характеристику 3, которая пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке В, соответствующей его максимальной мощности.

Следует заметить, что согласованных винтов для конкретного сочетания судна и мотора существует бесконечное множество. В самом деле, винт с несколько большим диаметром, но несколько меньшим шагом нагрузит двигатель так же, как и винт с меньшим диаметром и большим шагом Однако из этого множества согласованных винтов только один винт, с конкретными значениями D и H, будет обладать наибольшим КПД. Такой винт называется оптимальным . Целью расчёта гребного винта как раз и является нахождение оптимальных величин диаметра и шага.

Коэффициент полезного действия. Эффективность работы гребного винта оценивается величиной его КПД, т. е. отношения полезно используемой мощности к затрачиваемой мощности двигателя.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что главным образом КПД некавитирующего винта зависит от относительного скольжения винта, которое в свою очередь определяется соотношением мощности, скорости, диаметра и частоты вращения.

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.

Однако следует еще учесть взаимовлияние корпуса и винта. При работе гребной винт захватывает и отбрасывает в корму значительные массы воды, вслед ствие чего скорость потока, обтекающего кормовую часть корпуса повышается, а давление падает. Этому сопутствует явление засасывания, т. е. появление до полнительной 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 Рe = R/(1-t) кг. Здесь t - коэффициент засасывания, величина которого зависит от скорости движения судна и обводов корпуса в районе расположения винта. В свою очередь и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость потока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока w:

Va = V (1-w) м/с.

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

  p ((1-t)/(1-w)) m  p k m

Здесь p - КПД винта; k - коэффициент влияния корпуса; m - КПД валопровода и реверс - редукторной передачи.

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.

Кавитация. Высокие скорости движения судов и катеров и частота вращения винтов становятся причиной кавитации - вскипания воды и образования пузырьков паров 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.

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°.

Порядок выполнения работы

1. На гладком столе намечаем точку - центр отверстия винта и из нее прочерчиваем часть окружности радиусом 0,6R.

2. Гребной винт укладываем всасывающей стороной лопастей на стол так, чтобы центр отверстия совпал с точкой на столе.

3. Замеряем и вычисляем геометрические параметры винта, осматриваем общее его устройство.

4. Винт взвешиваем на весах.

5. По замеренным и заданным величинам вычисляем силу тяги винта

Р и число оборотов винта п.

Контрольные вопросы:

1. Какие судовые движители получили наибольшее распространение на лесосплавном флоте?

2. Зачем измеряют параметры гребных винтов лесосплавных судов?

3. Каковы основные геометрические параметры гребных винтов?

4. Как измерить геометрические параметры гребного винта?

5. Каковы основные динамические параметры гребного винта?

6. Как определить основные динамические параметры гребного винта?

7. Какие геометрические параметры гребного винта вычисляются по формулам?

8. Как определить шаг винта?

9. Как вычислить дисковое отношение винта?

10. Привести формулы, по которым определяются длина и средняя ширина лопасти винта?

11. Как вычислить осевую скорость протекания воды через винт?

12. Как определить силу тяги гребного винта?

13. По какой формуле вычисляется упор изолированного винта?

14. Как найти число оборотов гребного винта?

15. Какое лабораторное оборудование необходимо для проведения эксперимента?

16. Каков порядок выполнения лабораторной работы?

3.6. Определение коэффициента упора гребного винта

Цель работы . Научиться экспериментально определять коэффициент упора гребного винта, познакомить с методикой его определения, с

Р е =к 1 ·ρ·n 2 ·D 4 .

необходимым оборудованием и его применением в лабораторных условиях.

Общие сведения. У пор изолированного гребного винта лесосплавного судна определяется

Соответствие этой формулы физической сущности явления вытекает из простых логических заключений, на основании которых можно утверждать, что упор винта с заданными геометрическими параметрами зависит от плотности воды ρ = 102 кг.с2 /м4 , диаметра винтаD , м и угловой скорости его вращенияn , об/сек..

Явление возникновения упора сложное, его, зависимость (3.30) не исчерпывается влиянием факторов ρ ,n ,D . На упорР о оказывает влияние шаг и формы лопастей, их число, значения дискового отношения, размеры ступицы, шероховатости поверхности винта, которые учесть в одной формуле невозможно. Поэтому упор подсчитывается для определенного винта по формуле (3.30), а влияние неучтенных факторов возлагается на коэффициент упорак 1

к1 =Ро /Ре .

Введение показателей степени 1, 2 и 4 в формуле (3.30) соответственно при ρ ,n иD обеспечивает необходимую одинаковую размерность в правой и левой ее частях при безразмерномк 1 . Чтобы только при трех основных факторах формула давала верные значенияР е , коэффициент упорак 1 должен быть получен опытным путем.

Чтобы получение численных значений коэффициентов к 1 не было для студента загадкой, он должен сам получить его из опыта.

Лабораторное оборудование и инструменты: гидравлический ло-

ток, заполненный водой, глубиной 40 см и шириной 2,0 м, подвесной мотор Л-6 с паспортом, тахометр, динамометр, тарировочная тележка, линейка.

Порядок проведения работы

1. Коэффициент упора к 1 определяем для изолированного гребного винта подвесного лодочного двигателя Л-6, мощностьюN =6 л.с, диаметром гребного винтаD =0,25 м. Для создания условий работы изолированного винта установку для опыта помещаем на тележке тарировочного бетонного лотка.

Для получения нормального упора, винт заглубим не менее чем на 0,75 D под уровнем воды.

2. Тележка вместе с двигателем передвигается по ребордам на бортах гидравлического лотка. В опыте тележку крепим с помощью троса за неподвижную опору. К тросу между тележкой и опорой присоединяем

динамометр. Двигатель в рабочем положении расположен так, что конец вала с центровым отверстием и маховик находятся сверху установки.

3. Маховиком с помощью пускового ремня производим пуск двигателя. Число оборотов вала двигателя измеряем тахометром, прижимая специальный наконечник в центровое отверстие вала, тогда стрелка на шкале покажет число оборотов вала.

Чтобы не испортить тахометр, сначала поставим его ползунок на большее число оборотов. Если при работе двигателя отклонение стрелки тахометра небольшое, то для его увеличения переместим ползунок на следующее меньшее число оборотов.

4. Надо помнить, что, устанавливая ползунок наконечника на шкале ползунка в расчетном диапазоне чисел оборотов, при замере оборотов вала по стрелке на циферблате тахометра нужно снимать n , об/мин по шкале в том же диапазоне.

5. Определение коэффициента упора проводится на работающем двигателе Л-6, прикрепленном к тележке на колесах.

Коэффициент упора определяется в диапазоне изменений чисел оборотов гребного винта от 300-1500 в минуту, в результате чего выявляет-

ся тенденция изменения к 1 с изменениемn . Результаты наблюдений заносим в табл. 3.10.

Таблица 3.10

Результаты наблюдений упора гребного винта

Число оборо-

Число обо-

Число оборо-

Упор гребно-

Упор греб-

тов коленча-

ротов ко-

тов гребного

го винта по

ного винта

того вала n’кв ,

ленчатого

вала в секун-

показанию

по форму-

об/мин по

вала в се-

динамометра

тахометру

кунду nкв ,

n= nкв /i

Ро ,Н

к1 =Ро /Ре

Ре , Н

В табл. 3.10 i=1,57 передаточное число, отношение числа оборотов вала двигателя n кв , числу оборотов винтаn .

6. По результатам наблюдений (табл. 3.10) строится график зависимости к 1 =f(n) (рис. 3.16).

к1 ,

n, об/с

Рис. 3.16. Графики зависимости к1 =f (n)

Техника безопасности. При проведении лабораторной работы возможны опасные места на установке изолированного гребного винта подвесного лодочного двигателя на передвижной тележке гидравлического лотка:

1) открытый маховик при пуске лодочного двигателя;

2) открытый конец вала двигателя при замере оборотов вала тахометром;

3) перекатывание тележки в момент пуска двигателя. Эти рывки тележки возможны также при перемене числа оборотов.

Техника безопасности проведения лабораторных испытаний упора гребного винта:

а) при работе необходимо, чтобы при пуске двигателя не зацепились края рукавов за маховик (рукава должны быть подвернуты);

б) при замере оборотов тахометром подождать, пока двигатель наберет устойчивое число оборотов; при помещении наконечника тахометра

в центровое отверстие следует локоть руки, в которой держится тахометр, поднять выше и для этой руки другой рукой сделать упор;

в) в момент пуска двигателя при основном рывке и при последующей неравномерности натяжения троса передвижной тележки нельзя класть руки на рельсы лотка.

Сделать выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы:

1. Какова цель лабораторной работы?

2. Как теоретически определить упор изолированного гребного винта лесосплавного судна?

3. Соответствует ли теоретическая зависимость упора гребного винта физической сущности явления?

4. Какие неучтенные факторы влияют на упор гребного винта?

5. Каким параметром учитывается влияние неучтенных факторов на упор гребного винта?

6. Какое лабораторное оборудование и инструменты необходимы для определения коэффициента упора гребного винта?

7. Какой порядок проведения лабораторного эксперимента?

8. На какую глубину необходимо установить гребной винт, чтобы получить нормальный упор?

9. Для чего устанавливается динамометр между передвижной тележкой и опорой?

10. Каким прибором измеряется скорость вращения гребного винта в воде?

11. В каком диапазоне чисел оборотов гребного винта определяется коэффициент упора?

12. Как вычисляется коэффициент упора гребного винта лесосплавного судна?

13. Как построить график зависимости к 1 = f (n)?