Гребной винт

Важным звеном механической установки, от параметров которого существенно зависят скорость и экономичность хода судна, является гребной винт.

Устройство и принцип действия. Гребной винт состоит из лопастей и ступицы с осевым отверстием для гребного вала. Когда гребной винт вращается вокруг своей оси, его лопасти обтекает поток воды подобно тому, как самолетное крыло — воздушный поток. Возникает гидродинамическое давление на лопасти винта. Одна составляющая этого давления, направленная вдоль оси винта, образует упор; другая составляющая — момент сопротивления вращению винта.

При работе винта на поверхностях его лопастей, обращенных вперед по ходу движения судна, создается пониженное, а на обращенных назад — повышенное давление воды. Поэтому переднюю сторону лопасти называют засасывающей, а тыльную — нагнетающей.

«Тяговые» качества гребного винта. Их недостаточно характеризовать одним только упором. Мощность двигателя преобразуется в упор не полностью, часть ее тратится на преодоление силы сопротивления вращению винта. Поэтому важен также КПД винта, который равен отношению мощности, «вложенной» в упор, ко всей мощности, «поглощенной» винтом от двигателя.

Величины упора и КПД зависят от режима работы и геометрических параметров винта.

Режимы работы гребного винта. В процессе работы гребной винт вращается вокруг своей оси и перемещается в осевом направлении. Поэтому режим работы винта определяется его частотой вращения и скоростью поступательного перемещения. Упор и КПД винта зависят и от частоты вращения, и от скорости поступательного перемещения. Эти зависимости достаточно сложные, но в них можно выделить простые закономерности.

Максимальный упор развивает винт неподвижного судна, такой режим называют режимом на швартовах. С увеличением скорости упор в определенный момент становится равным нулю (рис. 10).

Рис.10. Зависимость упора Р (1) и КПД η (2) гребного винта от поступательной скорости винта υ при постоянном числе оборотов

Этот режим называют режимом нулевого упора .. Он может наблю­даться на буксируемом судне или на судне, идущем под парусом.

Совершенно не обязательно, чтобы в ходовом режиме винт имел упор, меньший, чем на швартовах: при постоянной скорости осевого перемещения упор растет с увеличением числа оборотов винта. Поэтому на движущемся судне упор может быть выше, чем на швартовах за счет более высокого числа оборотов винта.

В режиме на швартовах скорость судна равна нулю, в режиме нулевого упора — сам упор равен нулю. В обоих случаях винт не совершает полезной работы — «вложенная» в упор р мощность равна нулю, следовательно, равен нулю и КПД винта. Наибольший КПД достигается при определенном соотношении величин скорости перемещения и частоты вращения. Такой режим называют оптимальным. В этом случае винт работает наиболее эффективно, с наименьшими потерями мощности. У каждого винта множество оптимальных О режимов. Такой режим может быть при любой частоте вращения или при любой скорости осевого перемещения. Важно лишь, чтобы оставалось неизменным их отношение.

Частота вращения обычного гребного винта ограничена из-за опасности развития кавитации. Так называют физическое явление, когда на засасывающей стороне лопасти образуются и с силой «схлопываются» пузырьки пара. По мере увеличения частоты вращения возникают целые воздушные каверны возле лопастей, существенно влияющие на гидродинамические процессы, в результате чего уменьшаются и упор, и КПД винта.

Геометрические параметры гребного винта. Конфигурация и размеры винта связаны с величинами упора и КПД.

Диаметр гребного винта D — это диаметр круга, очерчиваемого лопастями вращающегося винта.

Шаг гребного винта Н — расстояние, на которое винт продвинулся бы за один оборот, если бы «врезался» лопастями в «затвердевшую» воду, как бы ввинчиваясь в нее. Но вода не твердое тело — она «податлива» под лопастями винта, и он проходит в ней меньшее расстояние. Это расстояние h называют поступью винта, а разность шага и поступи С = Н — h — его скольжением.

Эффект скольжения является следствием гидродинамического давления на лопасти винта: чем больше упор, тем больше скольжение. Скольжение — необходимое условие работы гребного винта в качестве движителя судна: без скольжения нет упора.

Геометрические параметры винта принято выражать в долях его диаметра или шага. Шаг винта и его поступь, выраженные в долях диаметра, называют соответственно шаговым отношением, H/D и относительной поступью h/D.

На тяговые качества винта влияют диаметр его ступицы, число лопастей и профиль их поперечного сечения.

Взаимосвязь характеристик гребного винта. По результатам испытаний винтов с разными дисковыми и шаговыми отношениями построены диаграммы зависимостей упора и КПД от значений относительной поступи, с помощью которых рассчитывают режимы работы и параметры винтов, геометрически подобных испытанным. По этим же диаграммам можно проследить, как влияют геометрические параметры винтов на их тяговые качества в оптимальном режиме работы.

Максимальный КПД винта определяется, главным образом, шаговым отношением H/D, а упор — диаметром D. Например, у гребного винта большего диаметра, но с тем же шаговым отношением, что и у данного, относительная поступь Яо и максимальный КПД остаются практически прежними. Значительно возрастает только упор. Увеличение диаметра, например, на 5 % вызывает возрастание упора на 30 %. Естественно, при новом диаметре винта меняется и оптимальное отношение осевой скорости к частоте вращения, поскольку для работы винта в оптимальном режиме необходимо, чтобы относительная поступь сохраняла прежнее значение Хо.

Если диаметр винта тот же, а его шаговое отношение возросло, то увеличивается и Ко, и максимальный КПД. Упор также возрастает, но не столь значительно, как при увеличении диаметра винта.

Дисковое отношение сравнительно незначительно влияет на тяговые качества винта: оптимальное значение относительной поступи Ко практически не меняется, упор несколько увеличивается, но в то же время снижается максимальный КПД из-за возрастания сопротивления трения на более широких лопастях. Тем не менее величина дискового отношения играет существенную роль: чем она меньше, тем при более низкой частоте вращения винта проявляется действие кавитации на его лопастях. Кроме того, у винта с уменьшением дискового отношения возрастает удельное гидродинамическое давление на лопасти.

У двухлопастных винтов КПД несколько выше, чем у трехлопастных. Но реализовать это преимущество удается только при высоких скоростях движения судна и больших частотах вращения винта, имеющего узкие лопасти; в таких режимах работают винты на легких спортивных судах.

При увеличении диаметра ступицы винта снижается его КПД, поэтому размер ступицы определяется ее прочностью. На КПД винта существенно влияет шероховатость его лопастей. Поэтому повышение качества поверхности лопастей — важный элемент доводки винта.

Согласованный гребной винт. Так называют винт, ходовой режим которого согласован с характеристиками корпуса и двигателя судна для достижения максимальных скорости или экономичности хода судна. В первом случае винт должен с максимальным КПД преобразовать в упор максимальную мощность двигателя, во втором — ту величину мощности, при которой достигается наилучшая топливная экономичность.

Для данного корпуса и двигателя можно рассчитать целый набор согласованных винтов, которые отличаются один от другого шаговым и дисковым отношениями, диаметрами, числом лопастей. Конструктивные и технологические ограничения, например, по величине диаметра винта, как правило, позволяют сохранить оптимальный режим работы винта. В некоторых случаях согласования достичь не удается, и винт рассчитывают на ходовой режим, наиболее близкий к оптимальному.

Влияние корпуса судна на работу гребного винта. Проявляется в виде двух физических эффектов: попутного потока корпуса и засасывания воды под корпус.

Попутный поток, — это поток воды, увлекаемый корпусом за собой, который уменьшает скорость набегающей на винт воды. Скорость попутного потока зависит от формы обводов кормы и места расположения винта. Чем менее плавны и полнее обводы кормы, чем ближе к корпусу расположен винт, тем больше замедление потока воды, набегающего на винт.

Явление засасывания связано с тем, что гребной винт, работающий вблизи кормы, увеличивает скорость потока, омывающего кормовую часть корпуса и тем самым уменьшающего давление воды на корму. Из-за этого судно как бы притормаживается, что можно выразить некоторым увеличением сопротивления воды. Чем ближе к корме расположен винт и чем полнее корма, тем больше сказывается эффект засасывания.

На работу гребного винта влияет также наклон его оси по отношению к набегающему потоку воды и к горизонту. В первом случае падает КПД винта, во втором — уменьшается упор.

Гребные винты маломерных судов. Оптимальная величина скольжения s для винтов с шаговым отношением H/D, меньшим 1,2, лежит в диапазоне 0,14—0,16, а с шаговым отношением, большим 1,2,— в пределах 0,12—0,14. Максимальный КПД достигает 70-80% причем у винтов с большим дисковым отношением, большим 1,2,— в пределах 0,12—0,14. Максимальный КПД с узкими лопастями — больше. КПД винта достигает максимума при значениях шагового отношения от 1,4 до 1,8, постепенно возрастая с увеличением этого отношения до значения 1,5 и резко падая после значения 2,0.

Характер зависимостей КПД винта от относительного скольжения s и шагового отношения H/D таков, что отклонение от оптимальных значений этих параметров на 10 — 15 % уменьшает КПД не более чем на 3%. Можно считать достаточно близкими к оптимальным режимы работы винтов с относительным скольжением s в пределах 0,1 — 0,3, соответствующим относительной поступи.

На практике величины относительного скольжения маломерных судов имеют следующие значения: 0,08 — 0,15 — для легких гоночных мотолодок; 0,15 — 0,25 — для глиссирующих мотолодок и катеров; 0,2 — 0,4-для тяжелых водоизмещающих катеров. Шаговые отношения применяемых винтов находятся в пределах: 0,9 — 1,5 (до 2,0) — у гоночных мотолодок; 0,8 — 1,2-у легких глиссирующих судов; 0,6 — 1,0 — у водоизмещающих судов. При этом режим работы винта сохраняется близким к оптимальному, если частота вращения вннта увеличивается примерно на 600 — 650 об/мин"¹ на каждые 10 км/ч скорости судна.

Дисковое отношение достигает максимальной величины у тяжелых водоизмещающих катеров 0,6 — 0,8. У прогулочных средних и легких судов оно лежит в диапазоне 0,3 — 0,5, у гоночных мотолодок 0,6 — 1,2. На практике стремятся к уменьшению дискового отношения, поскольку, например, увеличение его на 30 % снижает КПД винта на 10 %.

Как правило, на маломерных судах применяют трехлопастные винты. Двухлопастные винты используют только на спортивных мотолодках, где удается реализовать их преимущества, и в маломощных подвесных моторах из-за упрощения технологии изготовления.

Ступица, диаметр которой не превышает одной пятой части диаметра винта, на работу винта существенно не влияет.

Подбор параметров гребного винта. На практике вызван необходимостью согласовать его с двигателем механической установки судна. Несогласованность проявляется в том, что двигатель не набирает или превышает число оборотов, указанное в паспорте. В первом случае гребной винт называют гидродинамически тяжелым, во втором — легким (в обоих случаях только для данного корпуса и двигателя). Винт не способен поглотить всю мощность двигателя: легкий — потому, что момент сопротивления его вращению слишком мал, тяжелый — потому, что этот момент чересчур велик.

«Облегчить» или «утяжелить» гребной винт можно, изменяя его диаметр или шаг. При этом нужно стремиться обеспечить оптимальное значение относительной поступи (скольжения). Если, например, у тяжелого винта величина поступи больше оптимальной, следует уменьшить его диаметр, если меньше — шаг (для скольжения — наоборот).

Изменять геометрические параметры винта можно путем его замены либо доводки. В последнем случае проще всего «облегчать» винт, обрезая его лопасти по диаметру. Латунные и стальные винты можно «утяжелять», разворачивая их лопасти на больший угол.

Корректировать диаметр винта можно по приближенной формуле:

∆ D ≈ D (1± n_o/n₁),

где D — исходный диаметр винта; п₀ — номинальные или требуемые обороты двигателя; п\ — фактически достигнутое число оборотов. Знак «+» используют для случая «утяжеления» винта, знак «—» для случая «облегчения».

Необходимые изменения шага винта оценивают аналогичным образом по формуле:

∆Н ≈ Н (1±n_o/n₁),

где Н — исходный шаг винта.

Для быстрого подбора практически равноценных винтов выработано эмпирическое правило: сумма величин шага и диаметра должна оставаться неизменной. Если при подборе параметров винта изменения шага и диаметра не превышают 10 %, КПД винта можно считать неизменным.

Дата добавления: 2014-01-07