Типи гребних гвинтів, їх характеристика і пристрій
Гребний гвинт (рис. 5) перетворює обертання вала двигуна в упор - силу, що штовхає судно вперед. При обертанні гвинта на поверхнях його лопатей, звернених вперед - в сторону руху судна (засмоктуючих), - створюється розрідження, а на звернених назад (нагнітають) - підвищений тиск води. В результаті різниці тисків на лопатях виникає сила Y (її називають підйомної).
Упор в великій мірі залежить від кута атаки α профілю лопаті. Оптимальне значення кута атаки для швидкохідних катерних гвинтів 4-8 °. Якщо він більше оптимальної величини, то потужність двигуна непродуктивно витрачається на подолання великого крутного моменту; якщо ж кут атаки малий, підйомна сила і, отже, упор Р будуть невеликі, потужність двигуна виявиться невикористаної.
На схемі, що ілюструє характер взаємодії лопаті і води, а можна уявити як кут між напрямком вектора швидкості набігаючого на лопать потоку W і нагнітає поверхнею. Вектор швидкості потоку W утворений геометричним складанням векторів швидкості поступального переміщення Va гвинта разом з судном і швидкості обертання Vr. т. е. швидкості переміщення лопаті в площині, перпендикулярній осі гвинта.
На рис. 5 показані сили і швидкості, що діють в якомусь одному певному поперечному перерізі лопаті, розташованому на якомусь певному радіусі r гребного гвинта. Кругова швидкість обертання V залежить від радіуса, на якому перетин розташоване (Vr = 2 • π • r • n. Де n - частота обертання гвинта, об / сек). Швидкість же поступального руху гвинта Va залишається постійною для будь-якого перетину лопаті. Таким чином, чим більше r. т. е. чим ближче розташований розглянутий ділянку до кінця лопаті, тим більше окружна швидкість Vr. а отже, і сумарна швидкість W.
Так як сторона Va в трикутнику розглянутих швидкостей залишається постійною, то в міру віддалення перетину лопаті від центру необхідно розгортати лопаті під великим кутом до осі гвинта, щоб α зберігав оптимальну величину, т. Е. Залишався однаковим для всіх перетинів. Таким чином, виходить гвинтова поверхня з постійним кроком Н (нагадаємо, що «кроком гвинта» називається переміщення будь-якої точки лопаті вздовж осі за один повний оберт гвинта).
При русі корпус судна захоплює за собою воду, створюючи попутний потік, тому дійсна швидкість зустрічі гвинта з водою Va завжди трохи менше, ніж фактична швидкість судна V. У швидкохідних глиссирующих мотолодок різниця невелика - всього близько 2-5%, так як їх корпус ковзає по воді і майже не «тягне» її за собою. У катерів, що йдуть із середньою швидкістю ходу, ця різниця становить 5-8%, а у тихохідних водоизмещающих глубокосідящіх катерів досягає 15-20%. Порівняємо тепер теоретичну швидкість гвинта Н • n зі швидкістю його фактичного переміщення Va щодо потоку води (рис. 5). Нехай це буде «Казанка», що йде під мотором «Вихор» зі швидкістю 42 км / год (11,7 м / с). Швидкість натекания води на гвинт виявиться на 5% менше:
H • n - Va = (1 - 0,05) • 11,7 = 11,1 м / с
Ця величина, яка називається ковзанням, і обумовлює роботу лопаті гвинта під кутом атаки α до потоку води, що має швидкість W. Ставлення ковзання до теоретичної швидкості гвинта в процентах називається відносним ковзанням. Максимальної величини (100%) ковзання досягає при роботі гвинта на судні, пришвартованому до берега. Найменша ковзання 8-15% мають гвинти легких гоночних мотолодок на повному ходу; у гвинтів глиссирующих прогулочньк мотолодок і катерів ковзання досягає 15-25%, у важких водоизмещающих катерів 20-40%, а у вітрильних яхт, що мають допоміжний двигун, 50-70%.
Потужність, що витрачається на обертання гребного гвинта, можна виразити у вигляді залежності Nз від крутного моменту М і частоти обертання n:
ККД = R • V / 2 • π • n • М
Однак слід ще врахувати взаємовплив корпусу і гвинта. При роботі гребний гвинт захоплює і відкидає в корму значні маси води, внаслідок чого швидкість потоку, що обтікає кормову частину корпусу, підвищується, а тиск падає. Це супроводжує явище засмоктування, т. Е. Поява додаткової сили опору води руху судна в порівнянні з тим, яке воно відчуває при буксируванні. Отже, гвинт повинен розвивати упор, що перевищує опір корпусу на деяку величину Pe = R / (1 - t), кг.
Тут t - коефіцієнт засмоктування, величина якого залежить від швидкості руху судна і обводів корпусу в районі розташування гвинта. На глиссирующих катерах і моточовнах, на яких гвинт розташований під порівняно плоским днищем і не має перед собою ахтерштевня, при швидкостях понад 30 км / год t = 0,02-0,03. На тихохідних (10-25 км / ч) човнах і катерах, на яких гребний гвинт встановлений за ахтерштевнем, t = 0,06-0,15.
У свою чергу і корпус судна, утворюючи попутний потік, зменшує швидкість потоку води, натекает на гребний гвинт. Це враховує коефіцієнт попутного потоку w):
Таким чином, корисна потужність з урахуванням взаємовпливу корпусу і гвинта дорівнює Nп = Ре • (1 - t) • Va / (l - w), кгс • м / с. а загальний Пропульсивную ККД комплексу судно - двигун - гребний гвинт обчислюється за формулою:
ККД повний = Nп / Nз = Ре • Va / 2 • π • n • М) ((1 - t) / (1 - w)) • ККД редуктора
Максимальна величина ККД гребного гвинта може досягати 70-80%, однак на практиці досить важко вибрати оптимальні величини основних параметрів, від яких залежить ККД: діаметра і частоти обертання. Тому на малих судах ККД реальних гвинтів може виявитися багато нижче, аж до 45%.
Максимальної ефективності гребний гвинт досягає при відносному ковзанні 10-30%. При збільшенні ковзання ККД швидко падає; при роботі гвинта в швартових режимі он стає рівним нулю. Подібним же чином ККД зменшується до нуля, коли внаслідок більших обертів при малому кроці упор гвинта дорівнює нулю.
Коефіцієнт впливу корпусу нерідко виявляється більше одиниці (1,11-1,15), а втрати в Валопроводи (ККД редуктора) оцінюються величиною 0,9-0,95.
Діаметр і крок гвинта. Елементи гребного гвинта для конкретного судна можна розрахувати, лише маючи в своєму розпорядженні кривої опору води руху даного судна, зовнішньої характеристикою двигуна і розрахунковими діаграмами, отриманими за результатами модельних випробувань гребних гвинтів, що мають певні параметри і форму лопатей.
Діаметр гребних гвинтів, отриманий як за наближеною формулою, так і за допомогою точних розрахунків, зазвичай збільшують приблизно на 5% з тим, щоб отримати свідомо «важкий» гвинт і домогтися його узгодженості з двигуном при наступних випробуваннях судна. Для «полегшення» гвинта його поступово підрізають по діаметру до отримання номінальних обертів двигуна при розрахунковій швидкості.
Крок гвинта можна орієнтовно визначити, знаючи величину відносного ковзання S для даного типу судна і очікувану швидкість човна:
Оптимальна величина ковзання для гвинтів, що мають крокові відношення H / D = 1,2, становить S = 0,14-0,16; для гвинтів, що мають H / D> 1,2, S = 0,12-0,14. При виборі крокового відношення H / D можна керуватися наступними рекомендаціями. Для легких швидкохідних човнів потрібні гвинти з великим кроком або кроковим ставленням H / D, для важких і тихохідних - з меншим. При звичайно застосовуваних двигунах з номінальною частотою обертання 1500-5000 об / хв оптимальне крокові відношення H / D становить: для гоночних мотолодок і глісер - 0,9-1,5; легких прогулянкових катерів - 0,8-1,2; водоизмещающих катерів - 0,6 1,0 і дуже важких тихохідних катерів - 0,55-0,80. Слід мати на увазі, що ці значення справедливі, якщо гребний вал робить приблизно 1000 об / хв з розрахунку на кожні 15 км / год швидкості човна; при іншій частоті обертання валу необхідно застосовувати редуктор.
«Легкий» або «важкий» гребний гвинт. Діаметр і крок гвинта є найважливішими параметрами, від яких залежить ступінь використання потужності двигуна, а отже, і можливість досягнення максимальної швидкості ходу судна.
Кожен двигун має свою так звану зовнішню характеристику - залежність знімається з вала потужності від частоти обертання коленвала при повністю відкритому дроселі карбюратора. Така характеристика для підвісного мотора «Вихор», наприклад, показана на рис. 8 (крива 1). Максимум потужності в 21,5 л. с. двигун розвиває при 5000 об / хв.
Потужність, яка поглинається на даній човні гребним гвинтом в залежності від частоти обертання мотора, показана на цьому ж малюнку не однієї, а трьома кривими - гвинтовими характеристиками 2, 3 і 4. кожна з яких відповідає певному гребного гвинта, т. Е. Гвинта певного кроку і діаметра.
При збільшенні і кроку і діаметра гвинта вище оптимальних значень лопаті захоплюють і відкидають назад занадто велика кількість води: упор при цьому зростає, але одночасно збільшується і реквізит крутний момент на гребному валу. Гвинтові характеристика 2 такого гвинта перетинається з зовнішньою характеристикою двигуна 1 в точці А. Це означає, що двигун вже досяг граничного - максимального значення крутного моменту і не в змозі провертати гребний гвинт з великою частотою обертання, т. Е. Не розвиває номінальну частоту обертання і відповідну їй номінальну потужність. В даному випадку положення точки А показує, що двигун віддає всього 12 л. с. потужності замість 22 л. с. Такий гребний гвинт називається «гидродинамически важким».
Навпаки, якщо крок або діаметр гвинта малі (крива 4), і упор і реквізит крутний момент будуть менше, тому двигун не тільки легко розвине, але і перевищить значення номінальної частоти обертання коленвала. Режим його роботи буде характеризуватися точкою С. І в цьому випадку потужність двигуна буде використовуватися в повному обсязі, а робота на занадто високих оборотах пов'язана з небезпечно великим зносом деталей. При цьому треба підкреслити, що оскільки упор гвинта невеликий, судно не досягне максимально можливої швидкості. Такий гвинт називається «гидродинамически легким».
Для кожного конкретного поєднання судна і двигуна існує оптимальний гребний гвинт. Для розглянутого прикладу такий оптимальний гвинт має характеристику 3. яка перетинається з зовнішньою характеристикою двигуна в точці Д. відповідної його максимальної потужності.
Мал. 9 ілюструє важливість правильного підбору гвинта на прикладі моточовни «Крим» з підвісним мотором «Вихор». При використанні штатного гвинта двигуна з кроком 300 мм моточовни з 2 людьми на борту розвиває швидкість 37 км / ч. З повним навантаженням 4 людини швидкість човна знижується до 22 км / ч.
При заміні іншим з кроком 264 мм швидкість з повним навантаженням підвищується до 32 км / ч. Оптимальні ж результати досягаються з гребним гвинтом, що має крокові відношення H / D = 1,0 (крок і діаметр рівні 240 мм); максимальна швидкість підвищується до 40 - 42 км / год, швидкість з повним навантаженням - до 38 км / ч. Нескладно зробити висновок і про істотну економію пального, яку можна отримати з гвинтом зменшеного кроку. Якщо зі штатним гвинтом при навантаженні 400 кг витрачається 400 г пального на кожен пройдений кілометр шляху, то при установці гвинта з кроком 240 мм витрата пального складе 237 г / км.
На рис. 10 представлений приклад теоретичного креслення для виготовлення «вантажних» гребних гвинтів для мотора «Прибій». Ці гвинти мають майже симетричний контур лопати.
Чисельні рекомендації для найбільш популярних моторів потужністю 20-25 л. с. можуть бути наступні. Штатні гвинти, що мають Н = 280-300 мм, дають оптимальні результати на порівняно плоскодонних човнах з масою корпуса до 150 кг і навантаженням 1-2 людини. На ще більш легкої човні масою до 100 кг можна отримати приріст швидкості за рахунок збільшення Н на 8-12%.
На більш важких глиссирующих корпусах, на човнах, які мають велику килеватость днища і при великому навантаженні (4-5 чол.), Крок гвинта може бути зменшений на 10-15% (до 240-220 мм), але використовувати такий гвинт при поїздці без пасажирів з малим навантаженням не рекомендується: двигун буде «перекручувати обороти» і швидко вийде з ладу.
При установці підвісного мотора на тихохідної водоизмещающих шлюпці рекомендується застосовувати трьох- і Чотирьохлопатевий гвинти з співвідношенням H / D не менше 0,7; при цьому ширину лопаті і профіль її поперечного перерізу зберігають такими ж, як і на штатному гвинті мотора.
У разі, коли для полегшення гвинта підрізають кінці лопатей до меншого діаметра, кромки лопатей необхідно акуратно скруглять, а вийшов контур лопати плавно з'єднувати зі старим по можливості без істотного зменшення площі лопатей. Обрізку гвинта або невелика зміна його кроку (що можливо на сталевих і латунних гвинтах шляхом підгинання лопатей в нагрітому стані в кожному перетині лопаті) можна виконати, керуючись формулою:
де Н - вихідний конструктивний крок гвинта; n0 - номінальна частота обертання двигуна; n1 - частота обертання двигуна, отримана при випробуваннях судна з даними гвинтом.
При заміні узгодженого з корпусом і двигуном гребного гвинта іншим, з близькими величинами Н і D (розбіжність має бути не більше 10%), потрібно, щоб сума цих величин для старого і нового гвинтів дорівнювала.
+7 902 555-xx-xx - запис на курси з водіння маломірних суден
Матеріали надав Савін Сергій, сайт зробив Цимбал Степан