Каждый двигатель имеет так называемую внешнюю характеристику - зависимость снимаемой с вала мощности от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытой дроссельной заслонке. График изменения мощности, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения двигателя, называется винтовой характеристикой и присуща только винту с определенными шагом и диаметром. Взаимное расположение этих характеристик на осях координат и в особенности положение точки их пересечения показывают степень эффективного использования мощности двигателя. Для наглядности здесь приведены данные внешней и винтовой характеристик отечественного мотора «Вихрь » (рис. 42 ).

Рис. 42 . Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».

Кривая 1 на рисунке иллюстрирует внешнюю характеристику мотора, а кривые 2, 3 и 4-винтовые характеристики разных винтов. При увеличении шага и диаметра винта свыше оптимальных значений лопасти начинают захватывать и отбрасывать назад слишком большие объемы 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 в точке А. Координаты этой точки показывают, что двигатель отдает всего 12 л.с. вместо 22 л.с. Такой гребной винт следует отнести к гидродинамически тяжелым винтам.

И наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, то 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 повышенными нагрузками и износом деталей. При этом надо иметь в виду, что поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт относят к гидродинамически легким.

Как уже говорилось, 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. Численные рекомендации для наиболее популярных моторов мощностью 20-25 л.с. могут быть следующие.

Штатные гребные винты , имеющие Н=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 Н на 8-12%. На более тяжелых глиссирующих корпусах, 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.

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, работающие под определенным углом наклона к водному потоку, отбрасывая его и создавая таким образом упор. Лопасть име входящую и выходящую кромки и рабочую (нагнетающую) поверхность. Физическая суть работ гребного винта достаточно проста - при вращении на поверхности его лопастей, обращенный сторону движения судна образуется разрежение, а обращенных назад - повышенное давлен 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 гребного 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. 124 ).

Рис. 124 . Шаг, диаметр гребного винта: 1 - один оборот; 2 - номинальный шаг; 3 - диаметр.

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.126 ).

Рис. 126. Гребные винты с разным дисковым отношением q: а-Ө = 0,3; б - Ө = 0,4; в - Ө = 0,5; г-Ө = 0,6.

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 винте 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 коэффици мощности (коэффициент нагрузки) - отношение произведения мощности двигателя, отдани 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 мои ность двигателя, низкая частота вращения и высокая скорость. Направление вращения гребни винта (рис. 125 ) в судовождении (правое - по часовой стрелке, левое - против часовой стрел» устанавливают глядя с кормы в нос при работе винта на передний ход и определяют только да переднего хода.

Рис. 125. Гребные винты правого и левого вращения

Кавитация - явление "вскипания" воды и образования пузырьков пара на заа сывающей стороне лопасти винта. При разрушении пузырьков создаются огромные местные да; ления, что является причиной выкрашивания лопасти. При длительной работе эти разрушены достигают больших величин, сказывающихся отрицательно на работе винта. Вторая стадия га тации - возникновение на лопасти сплошной каверны, которая иногда может замыкаться даже) ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивл ния и искажения формы лопастей. При изменении шага и диаметра винта больше или мены оптимальных значений возникают моменты, когда двигатель или не в состоянии вращать винт большей частотой оборотов (не развивает номинальной мощности), либо, наоборот, не только развивает, но и легко превышает значение номинальной частоты вращения коленвала, a 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 делают 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 полиащ ных смол (последнее время из них изготовлена и ступица винта). Лопасти имеют жестко закрепленные пальцы (рис. 127 ), которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 входят в пазы поводка 4, имеющего мерную шкалу. При повороте любой лопасти вокруг ее а происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения (уменьшения) шага винт Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой 3. Втулка 5 имеет вну ренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора. От осевого перемещения во втул винт фиксируется гайкой 3 и стопорным винтом 8. Операция смены шага занимает при навыке 5 мин и не требует подхода к берегу и снятия винта.

Рис. 127. Устройство гребного винта - мультипитча: 1 - лопасть; 2 - палец; 3 - стопорная гайка; 4 - поводок; 5 - втулка; 6 - носовая часть ступицы; 7 - кормовая часть ступицы; 8 - стопорный винт; 9 - шайба пружинная; 10 - штифт; 11 - обтекатель ступицы.

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). 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 (рис. 128 ), 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).

Рис. 128 . Кольцевая профилированная насадка.

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.

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)?

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.