Конструкторам та будівельникам човнів з повітряними гвинтами (Суднобудування
Не часто зустрінеш човен, що рухається повітряним гвинтом. І це не дивно — щільність повітря у 840 разів менша за воду. А оскільки як гребний водяний, так і повітряний гвинт працюють на реактивному принципі, то тяга та ефективність повітряного гвинта залежить головним чином від того, яка маса повітря і з яким прискоренням відкидається назад. Чим більша ця маса і чим вища швидкість потоку повітря за гвинтом, тим більшу тягу розвиває двигун. Тому й доводиться повітряний гвинт робити набагато більшого діаметру, ніж водяний, і повідомляти набагато більшу частоту обертання, щоб отримати порівнянну тягу. І навіть при цьому конструкторам катерів з повітряними гвинтами рідко вдається досягти досить високого коефіцієнта корисної дії рушія.
Крім порівняно низької ефективності та великих габаритів повітряні гвинти мають інші недоліки. Так, їхня робота супроводжується підвищеною шумністю, а гвинт необхідно захищати ґратами та надійною огорожею, щоб унеможливити травмування водія чи пасажирів. Проте в ряді випадків саме повітряний гвинт може виявитися найзручнішим, якщо не єдиним варіантом рушія для катера. Йдеться про мілководні або зарослі водоростями річки та озера, де не пройти навіть водометному катеру.
Слід зауважити, що повітряні гвинти можуть застосовуватися не тільки на швидкохідних човнах, що гліссують.
Наприклад, двигун потужністю 3 л. с. з повітряним гвинтом D=1,4 м дає тягу близько 20 кг. Такої тяги цілком достатньо, щоб повідомити легкому човну швидкість 10-15 км/год, тому для невеликих водоймних човнів або катамаранів, там де потрібна хороша прохідність, цілком можливе встановлення малопотужних моторів з повітряним гвинтом.До того ж виготовити невеликий гвинт фіксованого кроку із встановленням його безпосередньо на вал двигуна набагато простіше, ніж, наприклад, водомет, а прохідність човна буде, звичайно, краще.
Запланований двигун від мотоцикла "М-62" дістати не вдалося. Довелося збирати його з деталей двигуна ІЖ «Планета» та мотопомпи МП-800. Потужність цього агрегату становила близько 30 л. с., вага у зборі 42 кг.
Корпус підшипників валу повітряного гвинта, сам вал та втулка перероблені з відповідних деталей хвостового гвинта вертольота «МІ-1», що відслужили свій термін. Лопаті гвинта я виготовив із сосни та обклеїв їх капроном на смолі ЕД-5. Гвинт діаметром 1,7 м реверсивний кроку, що змінюється. Передача на гвинт від двигуна здійснюється ланцюгом від мотоцикла ІЖ-56. Двигун та привід повітряного гвинта встановлені на рамі із хромансилових труб.
Оскільки в конструкції були використані вже готові деталі, розраховані на значно більші потужності, загальна вага установки виявилася досить великою — близько 100 кг. Для спрощення паливної системи на раму гвинта довелося також винести видатковий 15-літровий бензобак (рис. 3, 4).
При обкатці двигуна була виміряна тяга гвинта на місці - при відкритті дроселя на 2/3 вона дорівнювала 80 кг.
Човен був випробуваний на озері Кенон. На повному ході вона проходила через суцільні чагарники очерету і трави (швидкість від цього не падала), йшла вздовж берега по глибині 8-10 см, не зачіпаючи дна. Човен непогано йшов по досить високій хвилі, на режимі гліссування добре управлявся, швидкість з одним водієм досягала 45 км/год, з двома пасажирами — 42 км/год.
До води човен доставлявся на причепі за мотоциклом. Якщо запустити двигун човна на причепі, то він легко штовхає перед собою мотоцикл із коляскою. Тож і по льодувона має йти так само легко.
Виявились і недоліки конструкції. Сильно вібрував на ходу ланцюг (кількість обертів зірочки склало близько 5000 об/хв), недостатньо ефективним виявилося водяне кермо, особливо при малій швидкості човна. За зиму було замінено ланцюг клинопасової передачею, яка працює безшумно і витримує великі оберти. Для підвищення тяги навколо гвинта було встановлено профільовану насадку із зазором 6 мм. Однак приросту тяги вона не дала, при зменшенні зазору до 2 мм на перехідних режимах двигуна кільце починало вібрувати і гвинт зачіпав його. У майбутньому передбачається підвищити тягу гвинта, збільшивши його діаметр та встановивши редуктор. Однак і отримані результати вважатимуться непоганими. Швидкість 45 км/год при повному навантаженні 280—300 кг і хороша прохідність цілком окупають зусилля, витрачені будівництво.
Основна складність, з якою може зіткнутися будівельник такої мотолодки, - це розрахунок повітряного гвинта. Нижче наводиться ряд практичних рекомендацій щодо підбору основних елементів повітряних гвинтів, запозичених із низки джерел (перелік їх наводиться наприкінці статті).
Діаметр гвинта
Бажання отримати найбільшу тягу і к. п. д. гвинта змушує використовувати гвинти великого діаметра або збільшувати кількість обертів. Але й той і інший шлях мають свої межі: збільшення діаметра, як правило, обмежується конструктивними міркуваннями (наприклад, небажано, щоб кромки лопатей виступали за габарит ширини човна), а при збільшенні обертів окружні швидкості кінців лопатей наближаються до значення швидкості звуку. п. д. гвинта різко знижується. При цьому критичної частоти обертання дерев'яні гвинти досягають швидше ніж металеві (рис. 6 і 7).
Збільшення діаметра погіршує також стійкістьмотолодки, її прохідність по очеретам і очерету, знижує мореплавність, збільшує габарити установки та вагу.
Зазвичай діаметри повітряних гвинтів навіть за потужного двигуна не перевищують 2,5 м. Для визначення діаметра гвинта можна скористатися формулою:
де Wк - окружна швидкість кінця лопаті, м/с; nв - кількість обертів гвинта в хв; N - потужність двигуна, л. с.; n - кількість обертів гвинта в сек.
Підвищити силу тяги можна і без збільшення діаметра, збільшивши число лопатей до 3 і навіть 4. Щоправда, к. п. д. багатолопастних гвинтів через роботу лопат у більш обуреному потоці дещо знижується. При розрахунку багатолопатевого гвинта вводять поправочний коефіцієнтk2=0,9.
Для розрахунку діаметра дволопатевого гвинта з лопатями нормальної ширини коефіцієнтk2=1,0 (приbmax=0,08÷0,09); дволопатевого гвинта з вузькими лопатямиk2=1,1 (bmax=0,06÷0,07); щілинного дволопатевого гвинта з дуже широкими лопатямиk2=0,14÷0,2 (усюдиbmax=bmax/D;bmax - максимальна ширина лопаті).
Форма та розміри поперечного перерізу лопаті
деk- число лопатей; Су - середній коефіцієнт підйомної сили даного профілю, що визначається за графіком (рис. 9).
Значення відносних товщин профілів лопаті повинні бути: у маточини — 0,18÷0,2, у перерізі на R0,75 — 0,14÷0,13 та на кінцях лопатей — 0,07÷0,1.
Великі відносні товщини доцільно застосовувати на тихохідних гвинтах із окружною швидкістю кінця лопаті до 180 м/с.
Крок гвинта або середній кут установки перерізу, розташованого на радіусі 0,75 R, щодо площини обертання гвинта визначається за формулою:
Кути установки інших перерізів φн визначаються відносної величини φ, що знімається з графіка (рис.11):
Тягу гвинта можна визначити за формулою:
де η - к. п. д. гвинта; Δ - відносна щільність повітря (за нормальних умов чисельно дорівнює 1); D - діаметр гвинта в м; N - потужність, що підводиться до гвинта, в л. с.
де К1 для дволопатевого гвинта дорівнює 7,5.
На закінчення наводяться приклади розрахунку гвинтів, зроблені для описуваної мотолодки.
Наводяться розрахунки дерев'яного, реверсивного гвинта з ланцюговим редуктором (гвинт 1) та металевого гвинта (гвинт 2) для встановлення прямо на вал двигуна (кут установки лопатей можна регулювати при зупиненому двигуні).
Вихідні дані: потужність двигуна – 30 л. с.; обороти колінвала - 3600 об/хв; передатне число редуктора - 2.
I. Підбір діаметра гвинта. Для дерев'яного гвинта 1 вибрав окружну швидкість Wк=160 м/с, відповідну найбільшому к. п. д., тоді (1)
У другому випадку я вибрав діаметр гвинта 2 з конструктивних міркувань рівним ширині човна 1,4 м. Критичні звороти для гвинта з металу діаметром 1,4 м знаходимо за графіком з рис. 7n=4000 об/хв, а фактично 3600 об/хв, отже,
За графіком (рис. 6) знаходимо значення к. п. д. η=0,6, що, звичайно, менше, ніж для дерев'яного гвинта, зате в даному випадку не буде втрат потужності в редукторі.
ІІ. Визначаємо тягу гвинта (7):
де N взята з урахуванням втрат у редукторі;
Цей результат майже збігається з динамометричними випробуваннями на швартових — тяга дорівнювала 80 кг.
ІІІ. Визначаємо ширину лопаті для даних гвинтів на відстані 0,75 R (3):
У другому випадку лопать виходить вже, що вигідніше.
IV. Визначаємо кут установки перерізу по лопаті на відстані 0,75 R (4):
За рис.11 можна визначити кути встановлення перерізів на будь-якому радіусі. Якщо гвинт змінного кроку, то важливо правильно зробити лише крутку лопаті, тобто кут атаки лопаті можна змінювати залежно від умов плавання (крок дерев'яного гвинта я можу міняти від -1 м до +1,5 м). Якщо гвинт постійного кроку, то помилка у визначенні кроку може призвести до того, що двигун не потягне такий гвинт або працюватиме не на повну потужність.
Вага однієї лопаті першого гвинта 2,5 кг. Другий гвинт я вилив з дюралюмінієвого сплаву. Вага його лопаті 3 кг.
Установка гвинта без редуктора дозволила знизити вагу гвинтомоторної установки на 30 кг.