Движители маломерных судов, классификация и принципиальное устройство
Классификация
Приступая к изучению существующих движителей судов необходимо дать определение этому понятию. Судовой движитель — это устройство для преобразования работы энергетической установки судна в тягу, обеспечивающую его поступательное движение. Тяга движителя образуется за счет реактивных сил, возникающих при отбрасывании рабочей среды в сторону, обратную направлению поступательного движения судна. По характеру рабочей среды движители в настоящее время условно делятся на гидравлические (рабочая среда — вода), воздушные (воздух) и газоводометные (водовоздушная смесь). В свою очередь гидравлические движители подразделяются на лопастные (весло, гребной винт, плицы гребного колеса и т.п.) и нелопастные (газоводометные движители). Промежуточное место в этой классификации отдается водометному движителю.
Гидравлические движители широко применяются на всех судах водоизмещающего типа, воздушные движители — на быстроходных судах типа СВП и экранопланах. Из перечисленных движителей более подробно в пособии рассмотрены гребной винт (как основной из движителей, применяющихся на судах) и водометный движитель движение. Тяга движителя образуется за счет реактивных сил, возникающих при отбрасывании рабочей среды в сторону, обратную направлению поступательного движения судна. По характеру рабочей среды движители в настоящее время условно делятся на гидравлические (рабочая среда — вода), воздушные (воздух) и газоводометные (водовоздушная смесь). В свою очередь гидравлические движители подразделяются на лопастные (весло, гребной винт, плицы гребного колеса и т.п.) и не лопастные (газоводометные движители). Промежуточное место в этой классификации отдается водометному движителю. Гидравлические движители широко применяются на всех судах водоизмещающего типа, воздушные движители — на быстроходных судах типа СВП и экранопланах.
Типы установки силовой установки на судне
Из перечисленных движителей более подробно в пособии рассмотрены гребной винт (как основной из движителей, применяющихся на судах) и водометный движитель. В предыдущем параграфе мы сказали, что существует пять основных типов силовой установки на судне, при этом, каждый из них характеризуется своей схемой валопровода, т.е. механической системой передачи вращения коленчатого вала двигателя к движителю (винту). Рассмотрим по порядку:
На судне установлен обычный стационарный конвертированный высокооборотный двигатель, который размещен в центре кокпита, в районе мидель-шпангоута. Коленчатый вал соединен через редуктор (для уменьшения числа оборотов) прямым гребным валом с винтом (линейная схема валопровода). Установка удобна в обслуживании, эффективна, проста, не требует дополнительных конструкторских решений.
Тот же двигатель расположен в кормовой части судна. При такой компоновке теряется ряд преимуществ, появляются новые (место в кокпите, снижение шума в каюте). Крупный недостаток — постоянный дифферент на корму и необходимость применения углового редуктора (V- образная, или угловая схема валопровода).
Схема валопровода с поворотно-откидной колонкой ( Z-образная передача) сочетая в себе преимущества стационарного двигателя и ПЛМ(большая мощность мотора, хорошая мореходность, откидывание колонки при наездах на препятствие, легкость работ с винтом и обслуживания колонки, выхлоп газов в воду и т.д.) обладает одним крупным недостатком — высокой стоимостью.
Применение водометного движителя облегчает судоводителю жизнь за счет отсутствия каких-либо деталей, выступающих ниже киля судна, но достаточно усложняет ее за счет изменения ходовых качеств судна и, прежде всего, ухудшения управляемости. Двигатель устанавливается несколько дальше от кормы, чем в предыдущих двух случаях, что уменьшает дифферент на корму, отпадает необходимость в сцепной и реверсивной муфте
Валопровод подвесных лодочных моторов имеет Г-образную форму, при которой связь двигателя с движителем (винтом) осуществляется через редуктор с помощью промежуточного, т.н. торсионного, вала (рессоры). ПЛМ не занимает полезной площади кокпита, удобен в обслуживании и достаточно дешев.
Варианты реверсирования
В ряде рассматриваемых вариантов валопроводов применяемые редукторы позволяют одновременно осуществлять реверсирование движителей — изменение направления вращения на противоположное. В общем случае, реверсирование осуществляется тремя способами: реверсом главного двигателя, включением реверсивной передачи и реверсом самого движителя. Реверс главного двигателя — изменение направления вращения коленчатого вала двигателя на обратное, и соответственно, изменение направления тяги винта. Такой реверс обеспечивается реверсивным устройством самого двигателя, основной частью которого является передвижной распределительный вал, обеспечивающий заданную последовательность подачи топлива в цилиндры, в результате чего коленчатый вал двигателя начинает вращаться в обратном направлении. Реверсивная передача — это передача, с помощью которой изменяется направление вращения гребного вала (гребным называют вал, на котором закреплен гребной винт) на противоположное при неизменном направлении вращении коленчатого вала двигателя.
Реверсирование достигается за счет реверсивных зубчатых редукторов, гидравлической передачи или соединительно-разъединительных муфт, позволяющих отключать часть редуктора с одним направлением вращения и подключать — с другим. На катерах применяются реверс — редукторы (реверсивная муфта) — специальный механизм, обеспечивающий изменение направления вращения гребного вала судна при неизменном направлении вращения коленчатого вала судового двигателя с включением в конструкцию редуктора для снижения или мультипликатора для повышения числа оборотов вала. Реверс-редуктор соединяется с коленчатым валом фланцевыми соединениями посредством промежуточного вала либо непосредственно (см. рис. 108), ведомый вал — с гребным валом. Полость редуктора заполняется маслом, для проверки наличия и уровня которого есть указатель уровня (мерная линейка). Реверс движителя — изменение направления упора, создаваемого гребным винтом, обеспечивается поворотом лопастей у винтов регулируемого шага (ВРШ).
Гребной винт — устройство, преобразующее вращение вала двигателя в упор — силу, толкающую судно вперед. Он состоит из ступицы и нескольких (две и более) лопастей. Лопасть судового гребного винта представляет собой гидродинамический профиль, работающий под определенным углом наклона к водному потоку, отбрасывая его и создавая таким образом упор. Лопасть имеет входящую и выходящую кромки и рабочую (нагнетающую) поверхность. Физическая суть работы гребного винта достаточно проста — при вращении на поверхности его лопастей, обращенных в сторону движения судна образуется разрежение, а обращенных назад — повышенное давление воды. Разность давлений создает силу, одна из составляющих которой и двигает судно вперед. Упор в большой степени зависит от угла атаки профиля лопасти. Оптимальное значение этого угла для быстроходных катеров 4 — 8°.
Основные понятия при рассмотрении темы и характеристик гребного винта
Шаг винта — геометрическое перемещение (расстояние) любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот гребного винта при условии, что он совершает его в условно твердой среде.
Диаметр винта — диаметр окружности в которую вписаны спрямленные лопасти гребного винта (рис.109)
Шаговое отношение — отношение шага винта к диаметру
Дисковое отношение- отношение площади спрямленных лопастей (без ступицы) к площади диска, диаметр которого равен диаметру гребного винта (рис. 111). 
Шаговое и дисковое отношения являются основными параметрами гидродинамических характеристик гребного винта, от которых зависит степень использования мощности двигателя и достижение максимально возможной скорости судном. Каждому гребному винту конкретного размера и фиксированного шага присуща своя винтовая характеристика. В принципе, для каждого корпуса судна и двигателя должен подбираться свой оптимальный гребной винт. Процесс расчета гребного винта сложен и базируется на использовании существующих графиков и диаграмм определения диаметра и шага винта в зависимости от мощности на валу. Для малых нагрузок и больших скоростей обычно выбирается двухлопастной гребной винт, для нормальных нагрузок (на катерах) — трехлопастной, для больших нагрузок и малых скоростей — четырехлопастной. Применение пятилопастного гребного винта значительно уменьшает вибрацию.
Скольжение винта — явление, возникающее при работе гребного винта в водной среде под нагрузкой, представляет собой разность между расчетным шагом винта и фактически пройденным расстоянием за один оборот. Скольжение почти никогда не бывает менее 15% шага винта, в большинстве случаев равно 30%, иногда — около 45-50% шага винта. Коэффициент полезного действия (КПД) винта — отношение полезно используемой мощности к затраченной мощности двигателя, зависит, в основном, от диаметра и частоты вращения винта. КПД является оценкой эффективности работы гребного винта, его максимальная величина может достигать 70-80%, на малых судах 45-50%. Знать КПД винта необходимо для производства расчетов проектируемой скорости судна. КПД гребных винтов рассчитывается также по многочисленным графикам и диаграммам, основой которых служит коэффициент мощности (коэффициент нагрузки) — отношение произведения мощности двигателя, отданной винту, на частоту его вращения к поступательной скорости винта в попутном потоке
Большинство гребных винтов работает с коэффициентами нагрузки в пределах от 1 до 10. Структура коэффициента нагрузки показывает, что к высокому КПД гребного винта приводят небольшая мощность двигателя, низкая частота вращения и высокая скорость. Направление вращения гребного винта в судовождении (правое — по часовой стрелке, левое — против часовой стрелки) устанавливают глядя с кормы в нос при работе винта на передний ход и определяют только для переднего хода.
Кавитация — явление «вскипания» воды и образования пузырьков пара на засасывающей стороне лопасти винта. При разрушении пузырьков создаются огромные местные давления, что является причиной выкрашивания лопасти. При длительной работе эти разрушения достигают больших величин, сказывающихся отрицательно на работе винта. Вторая стадия кавитации — возникновение на лопасти сплошной каверны, которая иногда может замыкаться даже за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей. При изменении шага и диаметра винта большеили меньше оптимальных значений возникают моменты, когда двигатель или не в состоянии вращать винт с большей частотой оборотов (не развивает номинальной мощности), либо, наоборот, не только развивает, но и легко превышает значение номинальной частоты вращения коленвала, а поскольку упор винта мал -судно все равно не развивает большой скорости. В этом случае вступают в силу понятия легкий (тяжелый) винт, которые также относятся к числу винтовых характеристик, о. которых было сказано выше.
Гребные винты изготавливают из бронзы, латуни, нержавеющей и углеродистой сталей, чугуна. Для гребных винтов малых судов применяют пластмассу. Металлические винты делаются литыми с последующей доводкой (обработкой).
Задача учета меняющегося сопротивления корпуса судна при изменении его нагрузки и более эффективного использования двигателя в этих условиях достаточно успешно решается применением гребного винта изменяемого шага (винт «мультипитч», не путать с винтом регулируемого шага — ВРШ). Ступица винта — металлическая, взаимозаменяемые лопасти — из полиамидных смол (последнее время из них изготовлена и ступица винта). Лопасти имеют жестко закрепленные пальцы, которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы и входят в пазы поводка, имеющего мерную шкалу.
При повороте любой лопасти вокруг ее оси происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения (уменьшения) шага винта. Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой. Втулка имеет внутренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора. От осевого перемещения во втулке винт фиксируется гайкой и стопорным винтом. Операция смены шага занимает при навыке 3-5 мин и не требует подхода к берегу и снятия винта. Для ПЛМ «Вихрь» такие винты выпускал Черноморский судостроительный завод.
Гребные винты регулируемого шага отличаются сложностью устройства, массивной ступицей и большой стоимостью, поскольку разворот лопастей для изменения шага винта у них производится дистанционно, в процессе работы (вращения). О таких винтах шла речь, когда мы говорили об изменении режима движения судна от «полного вперед» до «стоп» и «полного назад» только с помощью движителя. Преимущества ВРШ: возможность использования полной мощности двигателя на различных режимах движения судна и получения всего диапазона скоростей без изменения направления и частоты вращения гребного вала; экономия горючего и увеличение моторесурса двигателя. Недостатки ВРШ: сложность конструкции, снижение КПД двигателя из-за увеличенного размера ступицы и искажения профиля лопастей при их развороте на промежуточных режимах работы, низкая эффективность на заднем ходу. 
Для повышения КПД гребного винта на тяжелых водоизмещающих судах достаточно часто применяется кольцевая профилированная насадка, представляющая из себя замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем. Площадь входного сечения насадки больше площади выходного, винт устанавливается в наиболее узком месте и с минимальным (0,01 D винта) зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки. При работе винта засасываемый поток увеличивает скорость из-за уменьшения проходного сечения насадки, вследствие чего уменьшается скольжение винта. Дополнительный упор создается и на самой насадке (из-за обтекания водой подобно — крылу). Действие водометного движителя основано на известном законе Ньютона: масса воды, отброшенная движителем в корму, создает в виде реакции упорное давление, движущее судно вперед.
Водометный движитель
Водометный движитель (водомет) можно представить себе в виде мощного насоса, забирающего воду из-под днища и выбрасывающего ее за транцем из сопла над водой. От гребного винта водомет отличается только тем, что винт (колесо насоса) установлен в трубе внутри судна. Управление судном и движение задним ходом в этом случае осуществляется различными способами. Наиболее у нас применимый способ управления — поворотом струи в выпускном сопле с помощью двустворчатого реверсивно-рулевого устройства, состоящего из двух плоских пластин (рулей), соединенных между собой и шарнирно навешенных на реверсивную коробку. В этом случае на переднем ходу рули перекладываются параллельно друг другу, изменяя направление выбрасываемой струи в ту или другую сторону, на заднем ходу судно не управляется. Возможно применение поворотного сопла и реверсивной заслонки, а также, поворотного водомета, что значительно повышает маневренность судна. Водометы используют преимущественно на легких быстроходных катерах, где большая мощность сочетается с малым весом катера.
Воздушные винты
Воздушные винты находят очень редкое применение на маломерных судах из-за низкого КПД, больших размеров и большого количества других недостатков и проблем, с которыми встречаются конструкторы, проектируя судно с таким движителем.
Воздушные винты незаменимы при изготовлении судов-амфибий, судов на воздушной подушке, т.е. таких судов, для которых подстилающей поверхностью может быть болото, снег, лед, ровный песок и т.п. Чаще других применяются двухлопастные винты. Существуют соответствующие формулы для расчета тяги винта, ширины лопасти, шага, диаметра и др. характеристик винта. Воздушные винты для катеров чаще всего выполняют деревянными, клееными из реек.
Заканчивая тему движителей и подводя краткие итоги можно утверждать, что максимальную скорость, наибольшую экономичность и надежность, а также наибольшую тягу из существующих движителей создает гребной винт. Наименьшие осадка и материальные потери для судоводителя при касании грунта достигаются при использовании водометных движителей, а упрощенный монтаж и удобство при обслуживании возможны при эксплуатации подвесных моторов и поворотно-откидных колонок.