Пятница, 18.08.2017, 21:28
Регистрация RSS
Приветствую Вас, Гость
Статистика



Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Мини-чат
Ресурсы

Канал YOUTUBE autoscienceAiD

Профиль Google+ Autoscience

Группа Вконтакте Autoscience

Главная » 2015 » Апрель » 20 » Гребной винт
13:51
Гребной винт

Как работает гребной винт?

Гребной винт (Рис. 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 подъемная сила Y. 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.


Рис. 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 - 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 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 величину, т. е. оставался одинаковым для всех сечений. Таким образом, получается винтовая поверхность с постоянным шагом Н.

  • Шаг винта - 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, но одинаковую высоту - шаг Н, и поднимается за один оборот на величину Н.

  • Произведение шага на частоту вращения H*n представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.


Рис. 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%.
  • У тихоходных водоизмещяющих глубокосидящих катеров достигает 15 - 20%.

Сравним теоретическую скорость винта H*n со скоростью его фактического перемещения Va относительно потока воды (Рис. 3). 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 H*n:

V= (1 - 0.05)*11.7 = 11.1 м/с.

Гребной винт на "Вихре" имеет шаг Н=0.3 м и частоту вращения n=2800/60=46.7 об/с.

Теоретическая скорость винта:

H*n = 0.3*46.7 = 14 м/с.

Таким образом, получается разность, называемая скольжением:

H*n - V= 14 - 11.1 = 2.9 м/с,

Эта величина и обуславливает работу лопасти винта под углом атаки α к потоку воды, имеющему скорость W.


Рис. 3. Соотношение скорости лодки и осевой скорости винта

Относительное скольжение определяется в процентах отношением скольжения к теоретической скорости винта:

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%.
  • 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:

Nп = R*V кгсм/с

где: Rсопротивление воды движению судна; скорость судна V.

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

Nз = 2π*n*M кгсм/с.

КПД вычисляется следующим образом:

η = R*V
.
2π*n*M

Следует еще учитывать 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

где: 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= V(1 - w) м/с.

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
*ηM = ηp*ηk*ηM
Na 2π*n*M 1 - w

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

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

D = 4
4 N
= M,
√n 102Va

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:

H = Va
.
n(1 - s)

Оптимальная величина скольжения для винтов, имеющих шаговое отношение

  • s=0.14÷0.16 при H/D<1.2;
  • s=0.12÷0.14 при H/D>1.2.

При выборе шагового отношения H/D следуют определенным рекомендациям. 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;
  • для легких прогулочных катеров - 0.8÷1.2;
  • для водоизмещающих катеров - 0.6÷3-1.0;
  • 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, и 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.
  • Если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, двигатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленчатого вала.
    • Режим его работы будет характеризоваться точкой С - в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с опасно большим износом деталей.
    • 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.

Важность правильного подбора винта на примере мотолодки "Крым" с подвесным мотором "Вихрь" иллюстрирует рисунок 4.

  • 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.

Можно 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.


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

"Грузовые" гребные винты для моторов семейства "Вихрь" с шагом 240 и 264 мм имеют саблевидные лопасти со значительным наклоном к оси винта (Рис. 6). 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.


Рис. 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=0.264 м Hср=0.240 м
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.)

  • 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- n0
)≈ΔD
n1

где Н - исходный конструктивный шаг винта; n0 - 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, на 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.

  • Эта скорость является геометрической суммой окружной скорости Vr=π*D*n и 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,
π*D 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).

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 высокосборотными 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.

Ось гребного винта на глиссирующем катере расположена сравнительно близко к поверхности воды, поэтому нередки случаи засасывания воздуха к лопастям винта {поверхностная аэрация) или оголения всего винта при ходе на волне. В этих случаях упор винта резко падает, а частота вращишя двигателя может превысить максимально допустимую. Для уменьшения влияния аэрации шаг винта делается переменным по радиусу - начиная от сечения лопасти на r=(0.65÷0.7) R по направлению к ступице шаг уменьшается на 15-20%.

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)
0 19 36 64 84 96 100
Выгнуто-вогнутый профиль ("луночка")
0 19 36 64 84 96 100

ПРИМЕЧАНИЕ: x/b - относительный абсциссы от входящей 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 и 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 (Рис. 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.


Рис. 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 кгс24); Ne - мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.).

Применение насадки становится выгодным при К'n<2.9.


Рис. 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: http://www.mercury-ms.ru/txt/articles/

Просмотров: 1624 | Добавил: AlexKn | Теги: расчет винта, расчет, винт, гребной винт, кавитация | Рейтинг: 4.2/4
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]