Влияние гребного винта на поворотливость судна

Рис. 7. Соотношение осевой скорос­ти винта и скорости лодки

Рис. 5. Схема сил и скоростей на лопасти для винта правого вращения

 

Упор в большой степени зависит от угла атаки 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 V_a винта вместе с судном и скорости вращения V_r, 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 г гребно­го винта. Круговая скорость вращения V зависит от радиуса, на котором сечение расположено (V_r = 2 • • r • n, где n — частота вращения винта, об/сек). Скорость же поступатель­ного движения винта V_a остается постоянной для любого се­чения лопасти. Таким образом, чем больше г, т. е. чем ближе расположен рассматриваемый участок к концу лопасти, тем больше окружная скорость V_r, а следовательно, и суммарная скорость W.

Так как сторона V_a в треугольнике рассматриваемых ско­ростей остается постоянной, то по мере удаления сечения лопасти от центра необходимо разворачивать лопасти под большим углом к оси винта, чтобы 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.

 

Рис. 6. Винтовая поверхность лопасти (а) и шаговые угольники (б)

При движении корпус судна увлекает за собой воду, со­здавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой V_a всегда несколько меньше, чем фак­тическая скорость судна V. У быстроходных глиссирующих мотолодок разница невелика — всего 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 V_a 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:

Hn - V_a=(l - 0,05)11,7= 11,1 м/с

Эта величина, называе­маяскольжением, и обус­лавливает работу лопасти винта под углом атаки а 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 (N_n = R • V кгс • м/с).

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

N_з = 2 • • n • М кгс • м/с

Следовательно, КПД можно вычислить следующим образом:

КПД = RV / 2 • • 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 явлениезасасывания, 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 P_e = 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):

V_a=V(l - w) м/с

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

КПД _полный = (N_п / N_з = Р_е • V_a / 2 • • n • М)((1 - t)/ (l - 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= (V_a /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 называемуювнешнюю 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».

Рис. 8. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь»

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.

Рис. 9. Зависимость скорости мотолодки «Крым» от нагрузки и шага гребного винта (мотор «Вихрь», 20 л. с.)

 

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—300мм, 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.

 

Рис. 10. Трехлопастной гребной винт для мотора «Прибой»

1 — сечение максимальных толщин лопасти; 2 — спрямленный контур лопасти; 3 — линия наибольшей толщины; 4 — направление вращения

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:

H H (1 – n_o/n₁)D

где Н — исходный конструктивный шаг винта; n_о — 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.

ПОДБОР ОПТИМАЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА ДЛЯ «ВИХРЯ»

Подвесные лодочные моторы устанавливают на суда как водоизмещающие, движущиеся в режиме плавания и используемые в основном в хозяйственных целях, так и движущиеся в режиме глиссирования с различными ско­ростями. К последним относятся большинство серийно выпускаемых мотолодок, начиная от комфортабельных ту­ристских до прогулочных или скоростных для спортив­ных плаваний. В настоящее время отечественная промыш­ленность выпускает около двух десятков наименований таких мотолодок с различными размерениями и грузоподъ­емностью.

До последнего времени моторы семейства «Вихрь» ком­плектовали одним гребным винтом с шагом 300 мм и диамет­ром 240 мм. Он являлся «штатным» гребным винтом мотора и обеспечивал эффективную эксплуатацию относительно плоскодонных мотолодок типа «Казанка», «Южанка» и др. Для современных комфортабельных туристских лодок этот винт является гидродинамически «тяжелым» и не позволяет, особенно при максимальной нагрузке, использовать номи­нальную мощность двигателя мотора.

В середине семидесятых годов были проведены работы по определению характеристик гребных винтов для самых распространенных лодок, на которых устанавливают моторы семейства «Вихрь». Так, для моторов «Вихрь», эксплуатируе­мых на катерах МКМ, «Крым», Юг-2500, «Днепр», рекомен­дуется использовать комплект из трех винтов с шагами 264, 278 и 290 мм при диаметре 226 мм, для моторов «Вихрь-М», используемых на лодках типа «Прогресс», «Прогресс-4», «Ка-занка-2М», — комплект винтов с шагами 258 и 282 мм при диаметре 235мм, а для моторов «Вихрь-30» — винты с шагом 282 и 306 мм.

В случае отсутствия сменных винтов с меньшим шагом можно улучшить характеристики штатного гребного винта. Для этого винт нужно тщательно зачистить шкуркой и от­полировать. Это увеличит его упор почти на 10—15 %. Для лодок, эксплуатируемых на скоростях 40—45 км/ч на мото­рах «Вихрь» и «Вихрь-М» нужно уменьшить диаметр винта на 20 мм — сделать его равным 220 мм. Это также увеличит упор во всем диапазоне скоростей до 45 км/ч еще на 10—15 %.

Установка сменных винтов с различными характеристика­ми повышает эффективность мотора на лодке, но одновременно требует осторожности при выборе винта. Если при использова­нии более «тяжелого» винта, чем требуется для лодки, снизятся только мощность мотора и скорость, то при использовании бо­лее «легкого» винта частота вращения может превысить номи­нальное значение, что в лучшем случае резко уменьшит мото­ресурс мотора, а иногда приводит к его поломке.

При использовании сменных гребных винтов нужно по­стоянно контролировать режим работы мотора. Опытный квалифицированный водитель уже по шуму выпуска может определить, нормально ли работает мотор. Если опыта недо­статочно, лучше установить на лодке тахометр для измере­ния частоты вращения коленвала.

При замене гребного винта и тем более, если он не заводского изго­товления, следует убедиться, что то­рец ступицы винта не касается кор­пуса редуктора или стакана.

Касание гребного винта о стакан приводит к надирам стакана и проворачиванию его в корпусе редук­тора, в результате чего и стакан, и корпус редуктора приходят в негод­ность.

Поэтому, поставив новый гребной винт на вал, нужно до закрепления винта шплинтом измерить щупом минимальный зазор между торцом винта и стаканом редук­тора, отжав винт рукой в сторону редуктора.

Зазор при этом не должен быть менее 0,8 мм. Если зазор отсутствует или меньше 0,8 мм, в отверстие винта под торец вала можно вставить шайбу 1 0 17,S^⁰'⁰¹ мм (рис. 11), сделан­ную из любого металла. Это обеспечит упор винта в гребной вал и в зависимости от толщины шайбы требуемый мини­мальный зазор. Необходимую толщину шайбы можно также определить исходя из измеренной глубины расточки в винте и минимального фактического выступания гребного вала из корпуса редуктора.

 

Рис. 11. Правильное положение гребного винта на валу

 

Большое значение на поворотливость судна име­ет направление вращения гребного винта. Если смот­реть в корму судна, идущего передним ходом, то винт «правого вращения» вращается по часовой стрелке, а «левого» — против. В любом случае ло­пасти работающего гребного винта отбрасывают на­зад большие массы воды, что дает дополнительную скорость потоку, обтекающему перо руля.

При работе гребного винта на передний ход дей­ствуют три силы: сила набрасываемой струи С, сила реакции R и сила попутного потока В (рис. 12, а).