Типы гребных винтов, их характеристики и устройство

Гребной винт (рис. 5) 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 F, образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.

Упор в большой степени зависит от угла атаки α профиля лопасти. Оптимальное значение угла атаки для быстроходных катерных винтов 4–8°. Если он 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 неиспользованной.

На схеме, иллюстрирующей характер взаимодействия лопасти и воды, а 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.

На рис. 5 показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном определенном поперечном сечении лопасти, расположенном на каком-то определенном радиусе r гребного винта. Круговая скорость вращения V зависит от радиуса, на котором сечение расположено (Vr = 2 • π • r • n, где n — частота вращения винта, об/сек). 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 α 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 рис. 6. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, но одинаковую высоту — шаг Н, и поднимается за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (Н • n) представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.

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 около 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 Н • n со скоростью его фактического перемещения Va относительно потока воды (рис. 5). Пусть это будет «Казанка», идущая под мотором «Вихрь» со скоростью 42 км/ч (11,7 м/с). Скорость натекания воды на винт окажется на 5 % меньше:

H • n — Va = (1 — 0,05) • 11,7 = 11,1 м/с

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. 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 прогулочньк мотолодок и катеров скольжение достигает 15–25 %, у тяжелых водоизмещающих катеров 20–40 %, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50–70 %.

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 (Nn = R • V, кгс • м/с).

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

Nз = 2 • π • n • М, кгс • м/с

КПД = R • V / 2 • π • n • М

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 / (1 — t), кг.

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):

Va = V • (1 — w), м/с

Таким образом, полезная мощность с учетом взаимовлияния корпуса и винта равна Nп = Ре • (1 — t) • Va / (l — w), кгс • м/с, а общий пропульсивный КПД комплекса судно — двигатель — гребной винт вычисляется по формуле:

КПД полный = Nп / Nз = Ре • Va / 2 • π • n • М) ((1 — t) / (1 — w)) • КПД редуктора

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, вплоть до 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 (1,11–1,15), а потери в валопроводе (КПД редуктора) оцениваются величиной 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.

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, составляет S = 0,14–0,16; для винтов, имеющих 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— 1,0 и очень тяжелых тихоходных катеров — 0,55–0,80. Следует иметь в виду, что эти 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 коленвала при полностью открытом дросселе карбюратора. Такая характеристика для подвесного мотора «Вихрь», например, показана на рис. 8 (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».

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 Д, соответствующей его максимальной мощности.

Рис. 9 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 людьми на борту развивает скорость 37 км/ч. С полной нагрузкой 4 человека скорость лодки снижается до 22 км/ч.

При замене 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.

На рис. 10 представлен пример теоретического чертежа для изготовления «грузовых» гребных винтов для мотора «Прибой». Эти винты имеют почти симметричный контур лопасти.

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 20–25 л. с. могут быть следующие. Штатные винты, имеющие Н = 280–300 мм, дают оптимальные результаты на сравнительно плоскодонных лодках с массой корпуса до 150 кг и нагрузкой 1–2 человека. На еще более легкой лодке массой до 100 кг можно получить прирост скорости за счет увеличения Н 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 четырехлопастные 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 подгибания лопастей в нагретом состоянии в каждом сечении лопасти) можно выполнить, руководствуясь формулой:

ΔH ≈ H (1 − n₀ / n₁) ≈ ΔD

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 Н и D (расхождение должно быть не более 10 %), требуется, чтобы сумма этих величин для старого и нового винтов была равна.

Типы гребных винтов, их характеристики и устройство

+7 902 555-xx-xx — запись на курсы по вождению маломерных судов