Меню Рубрики

Установка гребного винта на судно

§ 70. Монтаж гребных винтов

Завершающей операцией по монтажу валопровода является закрепление на конце гребного вала ступицы гребного винта. До недавнего времени конус гребного вала и отверстие в ступице гребного винта обрабатывали путем шабрения с проверкой качества с помощью калибра и согласованного с ним контркалибра. От качества обработки конусных поверхностей зависело качество и легкость установки гребного винта на валу.

Сейчас находит широкое применение установка гребного винта на шпонках гидропрессовым способом, а также бесшпоночная насадка винта на конус гребного вала [3, 14]. В последнем случае наружный и внутренний конусы обрабатывают на станках широкими резцами без последующего шабрения.

Гребной винт, подготовленный к установке, подвозят на специальной тележке под корму судна, отжимными устройствами совмещают ось ступицы с осью гребного вала и, перемещая тележку, надевают винт на конус гребного вала. Затем укрепляют на резьбовом конце гребного вала (рис. 178, а) гидравлическое устройство и ручным масляным насосом создают давление масла 150000 кн/м 2 (1500 кгс/см 2 ). Масло под высоким давлением поступает в зазор между конусными поверхностями винта 3 и вала 4 через отверстие 8 и распределительные канавки 7. Между этими поверхностями образуется масляная пленка, по которой и скользит винт. При одновременной подаче масла в поверхность сопряжения и кольцевой домкрат 2, закрепленный на валу гайкой 1, винт перемещается по конусу вала в осевом направлении, что создает необходимый натяг и силу трения для удержания винта на валу даже при отсутствии шпонки. Чтобы при необходимости снять винт с конуса вала, достаточно подать масло при том же давлении на поверхность сопряжения, и винт сойдет с конуса без применения какого-либо съемного приспособления. В некоторых случаях применяют гидравлический съемник (рис. 178,6).


Рис. 178. Бесшпоночное крепление гребного винта (а) и конструкция гидравлического съемника (б).

а) 1 — гайка; 2 — кольцевой гидравлический домкрат; 3 — ступица гребного винта; 4 — конус гребного вала; 5 — уплотнение; 6 — прокладка; 7— масляная канавка; 8 — отверстие для подачи масла на вал; 9 — подача масла в домкрат; б) 1 — резиновое кольцо; 2 — прижимное кольцо; 3 — монтажная гайка; 4 — корпус домкрата; 5 — тяга; 6 — плунжер.

Аналогично монтируют ВРШ, которые отличаются от обычных винтов более крупными размерами ступицы вследствие размещения внутри нее МИШ лопастей винта.

Заканчивается монтаж гребного винта установкой и закреплением обтекателя на резьбовом конце гребного вала, установкой кожуха и протекторов (цинковых дисков или брусков), предусмотренных чертежом.

источник

Выбор места установки гребного винта

Движение судна с работающим вблизи него гребным винтом — явление очень сложное. Движущийся корпус и вращающийся винт создают вблизи себя очень сложную и для различного типа судов разную картину распределения давлений и скоростей, которая, к тому же, меняется с изменением обводов, скорости хода, числа оборотов винта и т. п. Естественно, что выбор наивыгоднейшего места расположения винта зависит от этой картины, и для того чтобы ответить на вопрос, где лучше всего поместить винт и под каким углом расположить его ось, надо хорошо знать распределение скоростей и давлений.

Определить картину распределения скоростей и давлений до постройки и специальных испытаний судна очень трудно, однако теория и практика судостроения выявили основные обстоятельства, которые сопровождают работу гребного винта на идущем судне, и нашли наиболее разумные способы учитывать их.

Выбирая место и положение гребного винта на малом судне водоизмещающего или глиссирующего типа, надо принимать во внимание следующие обстоятельства.

Влияние корпуса судна на работу винта

Корпус влияет на работу винта прежде всего тем, что за ним движется попутный поток. Если винт работает в попутном потоке — это хорошо, так как скорость винта по отношению к попутному потоку меньше, чем скорость встречи с неподвижной водой, а чем меньше скорость винта по отношению к встречаемой воде, тем больше создаваемый винтом упор. Наибольший упор винт развивает, когда его скорость по отношению к воде равна нулю, т. е. когда судно стоит на швартовах.

Попутный поток имеет место не только за кормой, но и неглубоко под днищем. Скорость попутного потока по сравнению со скоростью хода судна тем больше, чем полнее и тупее обводы кормы. Скорость движения винта по отношению к попутному потоку можно определять по номограмме (рис. 1).

Корпус может оказывать и вредное влияние на работу винта. Если винт расположен по отношению к корпусу так, что корпус мешает свободному подтоку воды прямо навстречу винту (по оси винта) — это очень плохо. Лопасти винта рассчитаны на то, что они будут работать в достаточном количестве воды, подтекающей к ним в направлении оси винта; если же винту воды «не хватает», он работает с неполной отдачей.

Влияние винта на сопротивление корпуса

При работе винта перед ним создается разрежение, которое ускоряет поток устремляющейся к нему воды. Если кормовая часть судна омывается этим ускоренным потоком, она испытывает сопротивление большее, чем если бы винт не подсасывал к себе воду. Чтобы преодолеть это добавочное сопротивление, винт должен развивать дополнительный (сверх необходимого для преодоления буксировочного сопротивления судна) упор.

Это явление называют взаимным подсосом между винтом и корпусом. Чем больше сила взаимного подсоса, тем большая доля упора тратится бесполезно на сжатие воды между винтом и корпусом. Чем дальше от кормы расположен винт, тем меньше сила подсоса. Если через R обозначить буксировочное сопротивление корпуса (без работающего винта), а через t — отношение силы подсоса к полному упору (эта величина называется коэффициентом подсоса), то величину полного упора винта Р можно выразить так:

Для быстроходных катеров можно принимать t = 0,05÷0,08.

Влияние подводных выступающих частей на поток, набегающий на винт

Поток, подтекающий к винту, должен быть прямолинейным и сплошным (без «пустот»), а его скорость должна быть одинаковой по всему диску винта и направленной по оси винта.

Если вблизи, перед винтом стоят выступающие подводные части (гребной вал, кронштейн гребного вала, подводная часть ноги подвесного мотора и т. п.), то они могут нарушать сплошность и прямолинейность потока, из-за чего часть винта может оказаться в «пустоте» (рис. 2). Конечно, это вредно отражается на работе винта. Кроме того, если, как это иногда бывает на реданных глиссирующих судах, часть гребного вала оказывается над водой, вдоль вала к винту может проникать воздух, что также очень вредно.

Возможность проникания воздуха к винту с поверхности воды

Если винт погружен недостаточно глубоко, разрежение перед ним во время работы может вызвать подсос воздуха с поверхности воды, что резко снижает эффективность винта. Иногда с поверхности воды воздух проникает только на стоянке, а на ходу судна поступление воздуха прекращается. Чтобы предотвратить доступ воздуха с поверхности воды, на остроскулых судах винт располагают под днищем; иногда для той же цели за транцем устанавливают горизонтальную, так называемую антикавитационную, пластину (рис. 3).

Влияние места расположения и наклона оси винта на дифферент судна

Дифферент судна отражается на его сопротивлении. Особенно велико влияние дифферента на сопротивление глиссирующих и полуглиссирующих судов. Дифферент судна на ходу зависит не только от положения ЦТ вдоль судна, но и от величины и направления всех сил, действующих на корпус; в числе этих сил особенно большое влияние оказывает упор гребного винта. Если линия действия упора проходит ниже ЦТ судна, упор увеличивает дифферент на корму (рис. 4, а), а если выше ЦТ — увеличивает дифферент на нос (рис. 4, б). Влияние места расположения и наклона оси винта тем больше, чем больше упор и чем дальше от ЦТ судна проходит линия его действия.

Влияние угла наклона оси винта к горизонту на снижение к. п. д. винта

Гребной винт рассчитан на то, что он будет работать в потоке, набегающем на него по направлению его оси. Если ось винта наклонена к горизонту, поток будет набегать на винт под некоторым углом к оси (рис. 5); чем больше этот угол, называемый углом скоса потока, тем ниже эффективность винта. Скос потока сказывается тем больше, чем больше скорость хода. Угол скоса, меньший 10°, на малых скоростях сказывается на величине к. п. д. очень слабо.

Одновременно со снижением к. п. д. при косом обтекании винта на нем развивается поперечная сила, направленная под прямым углом к оси винта и под тупым углом к потоку (рис. 6). На судах быстроходных с винтом небольшого диаметра поперечная сила может оказаться значительной. Поперечная сила на винте развивается и при повороте судна, когда из-за дрейфа судна поток набегает на винт сбоку.

Некоторое представление о том, насколько снижается к. п. д. винта при косом обтекании, дают следующие цифры. Если при угле наклона 10° на малой скорости к. п. д. снижается на 0,8%, то на очень большой скорости он может снизиться на 5,5%; если, например, при угле скоса 20° к. п. д. снижается на малой скорости на 4%, то на очень

большой скорости он падает на 8%. Более точные данные о том, как снижается к. п. д. при косом обтекании, можно найти в статье А. А. Оскольского «Расчет основных элементов катерных гребных винтов» в первом выпуске сборника.

Влияние угла наклона оси винта к горизонту на уменьшение горизонтальной и увеличение вертикальной составляющих упора

Упор винта должен преодолевать сопротивление судна. Сопротивление направлено горизонтально; следовательно, и упор должен быть направлен горизонтально; Если же упор будет направлен под углом к горизонту, то сопротивление будет преодолеваться не всей величиной упора, а только его горизонтальной составляющей (равной упору, умноженному на косинус угла наклона), что, конечно, невыгодно. При наклонном расположении упора появляется его вертикальная составляющая, которая стремится, поднимая судно из воды, уменьшить его водоизмещение и, следовательно, снизить его сопротивление. Вертикальная составляющая равна упору, умноженному на синус угла наклона (рис. 7).

Если сопротивление судна слабо зависит от водоизмещения и притом кривая сопротивления с ростом скорости поднимается очень круто, как это имеет место, например, для водоизмещающих судов, поднимать судно, затрачивая на это часть упора, невыгодно (рис. 8); если же сопротивление очень чувствительно к величине водоизмещения и, к тому же, кривая сопротивления очень пологая, как это имеет место для судов глиссирующих, то в некоторых случаях может оказаться очень выгодным уменьшить погружение судна, расходуя на это масть упора (рис. 9).

Влияние наклона оси винта на угол наклона двигателя

Выбирая угол наклона оси винта по отношению к судну, следует помнить, что с этим углом связан и угол установки двигателя. Если угол наклонд двигателя к горизонту окажется слишком большим (этот угол равен углу наклона двигателя на месте плюс угол, на который на ходу увеличится дифферент судна), нормальная смазка и работа двигателя могут быть нарушены. Каждый двигатель имеет свой предельный угол наклона, указанный в его паспорте.

Влияние места положения винта и угла наклона его оси на расположение двигателя

Место, выбранное для расположения гребного винта, и угол наклона его оси очень часто влияют не только на установочный угол двигателя, но и на расположение его по длине судна. Для установки двигателя в данном месте судна необходимо, чтобы расстояние от оси коленчатого вала до нижней точки двигателя (обычно — картера) было не больше определенной величины. Невозможность установить двигатель в данном месте может заставить изменить внутреннее размещение на судне и, следовательно, его центровку, что повлечет за собой необходимость пересмотра всего проекта и, во всяком случае, гидродинамического расчета.

Читайте также:  Установка аксиально поршневого насоса на камаз

Действие струи, отбрасываемой гребным винтом, на эффективность руля

Эффективность руля зависит от скорости потока, обтекающего его перо. Если перо находится в потоке, который отбрасывается винтом, то оно обтекается с большей скоростью, чем если бы оно стояло вне этого потока. Поэтому для повышения поворотливости судна всегда стремятся расположить руль в потоке за винтом. Чем ближе к рулю расположен винт, тем больше эффективность руля и тем лучше поворотливость судна.

Влияние руля на раскручивание потока, отбрасываемого гребным винтом

Гребной винт затрачивает большую долю передаваемой ему мощности на бесполезное винтообразное закручивание отбрасываемого потока. Если на единицу поверхности лопастей приходится большая величина упора (такой винт называют сильно нагруженным), закручивание особенно велико, и в этом случае, препятствуя закручиванию струи, можно сэкономить существенную часть мощности двигателя. Для того чтобы помешать струе закручиваться, за винтом устанавливают небольшие направляющие (специальные профилированные пластины); это приспособление называют контрпропеллером. Таким контрпропеллером может служить руль, расположенный в непосредственной близости к винту и имеющий соответствующие сечения. Чем ближе друг к другу винт и такой руль, тем сильнее эффект контрпропеллера.

Необходимость защиты винта от повреждений на ходу

Защита винта от повреждений при ударах о плавающие предметы, о подводные камни и отмели является не последней заботой конструктора малого судна. Винт, перед которым стоит наклонный гребной вал и кронштейн, лучше защищен от повреждений, чем тянущий винт Z-образной передачи. Винт в корме защищен больше, чем винт в носовой части, так как повышенное давление в воде, вызываемое носовой частью корпуса, отбрасывает в стороны плавающие предметы. В случае плавания по особенно засоренной воде разумно защищать винт специальным ограждением, хотя такое ограждение и будет увеличивать сопротивление.

Удобство осмотра, очистки и смены гребного винта

Выбирая место для гребного винта, надо подумать и о том, чтобы доступ к винту для осмотра был не слишком сложным и чтобы, в случае надобности, снятие поврежденного винта и гребного вала не было связано с необходимостью снятия руля и кронштейна. Конечно, расположение винта за транцем в этом отношении имеет преимущество перед его расположением под днищем.

Не все перечисленные обстоятельства равнозначны. Одни из них имеют большее значение, другие — меньшее. Некоторые из них проявляют себя сильнее на судах водоизмещающих, другие — на глиссирующих. И далеко не всегда удается найти решение, которое учитывало бы все эти обстоятельства в достаточной степени.

Чтобы возможно полнее учесть обстоятельства, связанные с установкой гребного винта, на мелких судах применяют различные схемы передачи вращения от мотора к винту (см., например, рис. 7 в книге В. А. Лазарева «Автомобильные двигатели в катеростроении», Судпромгиз, 1961 г.). Прежде чем выбрать схему силовой передачи, надо познакомиться с ее специфическими особенностями. Одни из них создают большой шум, другие требуют специальной заботы об отводе тепла, выделяемого при работе зубчатых передач, третьи создают слишком кормовую центровку и потому требуют отгиба днища в корме либо установки за-транцевых «горизонтальных рулей»; наконец, одни из них доступны для любительского изготовления, а другие требуют заводского оборудования и т. п.

Судостроение знает много средств улучшить работу гребного винта на судне (контрпропеллеры, кольцевые насадки, тоннели, устройства для регулирования шага винта, специальные меры для устранения кавитации и создания суперкавитации, направляющие устройства перед винтом, подъем части лопасти над водой и т. п.), но применять их разумно только в тех случаях, на которые они рассчитаны. Поэтому прежде чем применить один из этих способов, надо хорошо ознакомиться с его специальным назначением, так как иначе он может причинить только вред.

Оценивая выбранные место и положение гребного винта, надо в первую очередь учитывать главные условия высокой эффективности винта: ось винта на ходу судна должна быть расположена возможно ближе к горизонтали и достаточно глубоко под поверхностью воды; ничто не должно мешать свободному подтоку воды к винту, как и применению винта достаточно большого диаметра.

источник

Что надо знать о гребном винте?

Как работает гребной винт? Гребной винт (рисунок 1) 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 Т, образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.


Рисунок 1. Схема сил и скоростей на лопасти винта (правого вращения)

Упор в большой степени зависит от угла атаки α профиля лопасти. Оптимальное значение α, для быстроходных катерных винтов 4-8°. Если α 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 недоиспользованной.

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

Винтовая поверхность лопасти. На рисунке 1 показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном определенном поперечном сечении лопасти, расположенном на каком-то определенном радиусе r гребного винта. Окружная скорость вращения vr зависит от радиуса, на котором сечение расположено (vr — 2πrn, где n — частота вращения винта, об/с). Скорость же поступательного движения винта va остается постоянной для любого сечения лопасти. Таким образом, чей 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 неличину, 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 рисунок 2. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, по одинаковую высоту — шаг Н, и поднимается за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (H*n) представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.


Рисунок 2. Винтовая поверхность лопасти (а) и шаговые угольники (б)

Скорость судна, скорость винта и скольжение. 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 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 водоизменшющих глубокосидящих катеров достигает 15-20%. Сравним теперь теоретическую скорость винта H*n со скоростью его фактического перемещения va относительно потока воды (рисунок 3). Пусть это будет «Казанка», идущая под мотором «Вихрь» со скоростью 42 км/ч = (11,7 м/с). Скорость натекания воды да винт окажется на 5% меньше:

Гребной винт на «Вихре» имеет шаг Н=0.3 м и частоту вращения n=2800/60=46.7 об/с. Теоретическая скорость винта:

Таким образом, мы получаем разность

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. В нашем примере оно равно

s= H*n-va = 2.9 =0.207=20.7%.
H*n 14

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


Рисунок 3. Соотношение скорости лодки и осевой скорости винта.

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 (Nп=RV кгсм/с).

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

Следовательно, КПД можно вычислить следующим образом:

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 кг.
1-t

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:

Значения w нетрудно определить по данным, приведенным выше.

Таким образом, полезная мощность с учетом взаимовлияния корпуса и винта равна

Nп=Pe*(1-t)* va кгсм/с,
1-w

а общий пропульсивный КПД комплекса судно-двигатель-гребной винт вычисляется по формуле:

η= Nп = Pe*va * 1-t MpkM
Na 2π*n*M 1-w

Здесь ηp — КПД винта; ηk — коэффициент влияния корпуса; ηM — КПД валопровода и реверс-редукторной передачи.

Читайте также:  Установка бампера газель бизнес на соболь

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, составлять всего 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 (1.1-1.15), а потери в валопроводе оцениваются величиной ηM=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. Для предварительного определения диаметра винта можно воспользоваться формулой

где N — мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.; n — частота вращения гребного вала, об/с; va — скорость встречи винта с водой, определенная с учетом коэффициента попутного потока w.

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:

Оптимальная величина скольжения для винтов, имеющих шаговое отношение 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÷3-1.0 и очень тяжелых тихоходных катеров — 0,55÷0.80. Следует иметь в виду, что эта 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 коленчатого вала при полностью открытом дросселе карбюратора. Такая характеристика для подвесного мотора «Вихрь», например, показана на рисунке 4 (кривая 1). Максимум мощности в 21.5 л.с. двигатель развивает при 5000 об/мин.


Рисунок 4. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».

Мощность, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения мотора, показана на рисунке 4 не одной, а тремя кривыми — винтовыми характеристиками 2, З 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 A. 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 двнгатель 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 В, соответствующей его максимальной мощности.

Рисунок 5 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 чел. на борту развивает скорость 37 км/ч. С полной нагрузкой 4 чел. скорость лодки снижается до 22 км/ч. При замене винта 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.


Рисунок 5. Зависимость скорости мотолодки «Крым» от нагрузки и шага гребного винта мотора «Вихрь» мощностью 14.8 кВт (20 л.с.)

На следующем рисунке представлен теоретический чертеж для изготовления «грузовых» гребных винтов для моторов семейства «Вихрь» с шагом 240 и 264 мм. Эти винты имеют саблевидные лопасти со значительным наклоном к оси винта. Профиль поперечного сечения лопасти — переменный. У концов лопастей использован сегментный профиль, к ступице он постепенно переходит в авиационный, Для повышения КПД шаг винтов принят переменным по радиусу (данные для построения шаговых угольников приведены на рисунке 6 и в таблице 1.


Рисунок 6. Построение шаговых угольников (а) и кривые изменения кромчатого шага лопасти (б).

Таблица 1. Величины для построения шаговых угольников (диаметр винта D=240мм)

r/R r, мм h, мм Hср=0.264м Hср=0.240м
l L l L
0.3 36 62.5 59 75.2 65.5 82.5
0.5 60 57.4 83.5 119 92 129.5
0.7 84 52.3 105 144.5 115 154.5
0.9 108 47.2 119.5 142 131.5 165
1.0 120 44.5 124 139.5

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 14-18 кВт (20-25 л.с.) могут быть следующие. Штатные винты, имеющие H=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 H 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 четырех лопастные 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 подгибки лопастей в нагретом состоянии в каждом сечении лопасти) можно выполнить, руководствуясь формулой

ΔH≈H(1- n )≈ΔD
n1

где Н — исходный конструктивный шаг винта; n — 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 D и H (расхождение должно быть не более 10%), требуется, чтобы сумма этих величин для старого и нового винтов была равна.

Кавитация и особенности геометрии гребных винтов малых судов. Высокие скорости движения мотолодок и катеров и частота вращения винтов становятся причиной кавитации — вскипания воды и образований в области разрежения на засасывающей стороне лопасти. В начальной стадии кавитации эти пузырьки невелики и на работе винта практически не сказываются. Однако когда эти пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.

При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость — каверна, захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.

Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение частоты вращения. Гребной винт при этом издает специфический шум, иа корпус передается вибрация, лодка движется скачками.

Степень разрежения на лопасти, а следовательно, и момент наступления кавитации зависят прежде всего от скорости потока, набегающего на лопасть. Напомним, что эта скорость является геометрической суммой окружной скорости vr=π*D*n к поступательной va. Замечено, что на катерных гребных винтах кавитация вступает во вторую стадию, когда окружная скорость на конце лопасти достигает значения 3500 м/мин. Это означает, например, что гребной винт диаметром 300 мм будет иметь при этом частоту вращения

n= v2 = 3500 =3700 об/мин,
πD 3.14*0.3

а винт диаметром 0.4 м — около 2800 об/мин.

Момент наступления кавитации зависит не только от частоты вращения, но и от ряда других параметров. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. раньше наступает кавитация. Появлению кавитации способствует также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.

Упор, развиваемый гребным винтом, практически не зависит от площади лопастей. Наоборот, с увеличением этой площади возрастает трение о воду, и на преодоление этого трения дополнительно расходуется мощность двигателя. С другой стороны, надо учесть, что при том же упоре на широких лопастях разрежение па засасывающей стороне меньше, чем на узких. Следовательно, широколопастной винт нужен там, где возможна кавитация <т. е. на быстроходных катерах и при большой частоте вращения гребного вала).

Читайте также:  Установка второго стекла на иномарку

В качестве характеристики винта принимается рабочая, или спрямленная, площадь лопастей. При ее вычислении принимается ширина лопасти, замеренная на нагнетающей поверхности по длине дуги окружности на данном радиусе, проведенном из центра винта. В характеристике винта указывается обычно не сама спрямленная площадь лопастей А, а ее отношение к площади Ad сплошного диска такого же, как винт, диаметра, т. е. A/Ad. На винтах заводского изготовления величина дискового отношения выбита на ступице.

Для винтов, работающих в докавитационном режиме, дисковое отношение принимают в пределах 0.3-0.6. У сильно нагруженных винтов на быстроходных катерах с мощными высокосборотнымн двигателями A/Ad увеличивается до 0.6-1.1. Большое дисковое отношение необходимо и при изготовлении винтов из материалов с низкой прочностью, например, из силумина или стеклопластика. В этом случае предпочтительнее сделать лопасти шире, чем увеличить их толщину.

Гребные винты катеров имеют обычно большую частоту вращения, поэтому вследствие больших центробежных скоростей происходит перетекание воды по лопастям в радиальном направлении, что отрицательно сказывается на КПД винта. Для уменьшения этого эффекта лопастям придают значительный наклон в корму — от 10 до 15°.

В большинстве случаев лопастям винтов придается небольшая саблевидность — линия середин сечений лопасти выполняется криволинейной с выпуклостью, направленной по ходу вращения винта. Такие винты благодаря более плавному входу лопастей в воду отличаются меньшей вибрацией лопастей, в меньшей степени подвержены кавитации и имеют повышенную прочность входящих кромок.

Наибольшее распространение среди винтов малых судов получил сегментный плоско-выпуклый профиль. Лопасти винтов быстроходных мотолодок и катеров, рассчитанных на скорость свыше 40 км/ч, приходится выполнять возможно более тонкими с тем, чтобы предотвратить кавитацию. Для повышения эффективности в этих случаях целесообразен выпукло-вогнутый профиль («луночка»). Стрелка вогнутости профиля принимается равной около 2% хорды сечения, а относительная толщина сегментного профиля (отношение толщины t к хорде b на расчетном радиусе винта, равном 0.6R) принимается обычно в пределах t/b=0.04÷0.10. Ординаты профилей лопастей некавитирующих винтов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Ординаты симметричных профилей, рекомендуемых для некавитирующих гребных винтов

Ордината x/b, %
0; 100 5; 95 10; 90 20; 80 30; 70 40; 60 50
t/b, %

Yн; Yз

Плоско-выпуклый профиль (сегмент)
19 36 64 84 96 100
Выгнуто-вогнутый профиль («луночка»)
19 36 64 84 96 100

ПРИМЕЧАНИЕ: x/b — относительный абсциссы отвходящей кромки ГВ, % хорды сечения лопасти; Yн — относительная ордината нагнетающей поверхности лопасти, % макс. стрелки вогнутости ƒ; Yз — относительная ордината засасывающей поверхности лопасти, % макс. расчётной толщины профиля t

Для суперкавитнрующих винтов гоночных судов применяют клиновидный профиль с тупой выходящей кромкой.

Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трехлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить необходимую прочность лопасти такого винта. Поэтому наибольшее распространение на малых судах получили трехлопастные винты. Винты с двумя лопастями применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно-моторных яхтах, где двигатель играет вспомогательную роль. В последнем случае имеет значение возможность устанавливать винт в вертикальном положении в гидродинамическом следе ахтерштевня для уменьшения его сопротивления при плавании под парусами.

Четырех- и пятилопастные винты применяют очень редко, в основном на крупных моторных яхтах для уменьшения шума и вибрации корпуса.

Гребной винт лучше всего работает, когда его ось расположена горизонтально. У винта, установленного с наклоном и в связи с этим обтекаемого «косым» потоком, коэффициент полезного действия всегда будет ниже; это падение КПД сказывается при угле наклона гребного вала к горизонту больше 10°.

Гребной винт-мультипитч

Задачу согласования элементов гребного винта с сопротивлением мотолодки при изменении ее нагрузки помогает решить винт изменяемого шага типа «мультипитч».

На рисунке представлена схема устройства такого винта, выпускаемого Черноморским судостроительным заводом. Ступица винта изготовлена из нержавеющей стали и коррозионно-стойкого алюминиевого сплава; лопасти изготавливают литьем под давлением из полиамидных смол. Все три лопасти взаимозаменяемы и имеют на комле жестко закрепленные пальцы 2, которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 и входят в пазы поводка 4. При повороте лопасти вокруг ее оси происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения или уменьшения шага винта. На поводке нанесена шкала, причем среднее деление ее соответствует конструктивному шагу, равному 240 мм. Пределы изменения шага составляют 200-320 мм, дисковое отношение винта — 0.48.

Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой 3. Втулка 5 имеет внутренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора «Вихрь». От осевого перемещения по втулке винт фиксируется гайкой 3 и стопорным винтом 8.

Винт имеет диаметр 240 мм и массу не более 0.71 кг (винт новой конструкции — целиком из полиамидных смол — весит 0.45 кг). Для изменения шага достаточно 3-5 мин, причем снимать винт с мотора не требуется, так же как и специально подходить к берегу. Конструкция защищена авторским свидетельством №454146.

Совмещая в себе как бы несколько сменных гребных винтов разного шага, мультипитч не лишен недостатков. Например, КПД винта при всех значениях шага, кроме конструктивного, оказывается меньше КПД винтов фиксированного шага, рассчитанных специально на эти промежуточные режимы. Это объясняется тем, что для изменения геометрического шага винта (уменьшения или увеличения его) в мультипитче, как и в винте регулируемого шага, вся лопасть поворачивается на какой-то угол. Так как этот угол постоянен для всей лопасти, значение геометрического шага на различных радиусах лопасти изменяется не на одинаковую величину и распределение шага по радиусу лопасти искажается. Например, при повороте лопасти в сторону уменьшения шага на постоянный угол шаг сечений у конца лопасти уменьшается в значительно большей степени, чем у комля. При достаточно большом повороте лопасти концевые сечения даже могут получить отрицательный угол атаки — создавать упор заднего хода при неизменном направлении вращения гребного вала. Кроме того, при развороте лопасти профиль поперечного сечения ее уже не ложится на спрямленную винтовую линию, а приобретает S-образную форму, что также приводит к искажению кромочного шага.

Тем не менее, возможность плавного изменения шага в зависимости от нагрузки лодки позволяет получить наиболее оптимальный и экономичный режим работы подвесного мотора. При установке шага важно иметь возможность проконтролировать частоту вращения коленчатого вала двигателя во избежание его перегрузки при чрезмерном уменьшении шага.

Кольцевая профилированная насадка

На тяжелом водеизмещающем катере трудно получить высокий КПД гребного винта, если он приводится от высокооборотного автомобильного двигателя или подвесного мотора. Винт в этих случаях работает с большим скольжением н не развивает необходимый упор. Особенно велики потери мощности на винте, если он имеет недостаточный диаметр и шаговое отношение менее H/d=0.5.

Кроме снижения частоты вращения гребного винта, заметный эффект в таких случаях дает применение кольцевой направляющей насадки (рисунок 7), представляющей собой замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем. Площадь входного отверстия насадки больше, чем выходного; винт устанавливается в наиболее узком сечении и с минимальным зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки; обычно зазор не превышает 0.01 D винта. При работе винта засасываемый им поток вследствие уменьшения проходного сечения насадки увеличивает скорость, которая в диске винта получает максимальное значение. Благодаря этому уменьшается скольжение винта, повышается его поступь. Вследствие малого зазора между краем лопасти и насадкой уменьшается перетекание воды через край, что также повышает КПД винта.


Рисунок 7. Кольцевая профилированная насадка: а — расположение гребного винта; б — размеры и профиль насадки.

Небольшой дополнительный упор создается и на самой насадке, которая обтекается потоком воды подобно крылу. На каждом элементе насадки возникает подъемная сила, которая дает горизонтальную составляющую, направленную вперед. Сумма этих составляющих и образует дополнительный упор.

Очевидно, что применение комплекса винт-насадка сопровождается повышением пропульсивных качеств судна до тех пор, пока потери мощности на преодоление сопротивления насадки не превысят увеличение упора винта, достигнутое с ее помощью. Для оценки эффективности насадки можно воспользоваться диаграммой, представленной на рисунке 8. По ней можно установить, на сколько повысится ηн-КПД комплекса винт-насадка по сравнению с КПД η открытого винта. Кривые построены для оптимального диаметра винта в зависимости от коэффициента K’n, вычисляемого по заданным значениям скорости, частоты вращения винта и мощности, подводимой к винту:

K’n= va 4 √ pva
√n Ne

где va — скорость воды в диске винта с учетом попутного потока, м/с; n — частота вращения винта, об/с; p — массовая плотность воды (102 кгс 2 /м 4 ); Ne — мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.).

Применение насадки становится выгодным при К’n Рисунок 8. Увеличение КПД и изменение элементов гребного винта при установке насадки в зависимости от величины коэффициента K’n

Подсчитав значение К’n, можно по графику, представленному на рисунке 8, найти относительную поступь λ. и шаговое отношение винта H/D, а затем определить диаметр винта

D= va
λ*n

и шаг для винта без насадки и с насадкой. Если речь идет об уже эксплуатируемом катере, то с помощью этого графика можно сравнить существующий винт с элементами винта, имеющего оптимальный диаметр.

Благодаря применению насадки удается повысить скорость катера на 5-8% (и даже до 25% на тихоходной лодке с двигателем, имеющим большую частоту вращения). При скоростях около 20 км/ч установка насадки нецелесообразна. На быстроходных лодках с увеличением скорости винт становится менее нагруженным, а сопротивление насадки возрастает.

Насадка является хорошей защитой гребного винта от повреждений, благодаря постоянному заполнению водой не позволяет ему обнажаться при килевой качке. Иногда направляющие насадки выполняют поворачивающимися относительно вертикальной оси, в результате отпадает необходимость устанавливать руль.

Применение насадок целесообразно и на подвесных моторах, устанавливаемых на тихоходных судах водоизмещающего типа. На 25-30-сильном подвесном моторе целесообразно использовать насадку на судне водоизмещением более 700 кг (например, на катерах, переделанных из военно-морских ялов, и парусно-моторных яхтах). На моторах мощностью 8-12 л.с. насадка полезна уже при водоизмещении более 400 кг.

Рекомендуемые размеры насадки и ее профили показаны на рисунке 7. Длина насадки принимается обычно в пределах Lн (0.50÷0.70) D диаметра винта. Минимальный диаметр насадки (место, где устанавливается гребной винт) располагается на расстоянии А=(0.35÷0.40) D от входящей кромки насадки. Наибольшая толщина профиля δ=(0.10÷0.15) Lн.

Насадку можно выточить из предварительно согнутой в обечайку толстой алюминиевой полосы или выклеить ее из стеклопластика на болване. Все поверхности насадки следует тщательно отполировать для снижения потерь на трение. На подвесном моторе насадку прикрепляют к антикавитационной плите, для чего снаружи насадки делают «лыску», образующую плоскость. Внизу кольцо крепят к шпоре мотора.

Справочник по катерам, лодкам и моторам.
под редакцией Г.М.Новака

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector