Про вибір положення гребного гвинта

Журнал КІЯ №2 1964г

Рух судна з працюючим поблизу нього гребним гвинтом - явище дуже складне. Корпус, що рухається, і гвинт, що обертається, створюють поблизу себе дуже складну і для різного типу суден різну картину розподілу тисків і швидкостей, яка, до того ж, змінюється зі зміною обводів, швидкості ходу, числа обертів гвинта і т. п. Природно, що вибір найвигіднішого місця розташування гвинта залежить від цієї картини, і для того щоб відповісти на питання, де найкраще помістити гвинт і під яким кутом розташувати його вісь, треба добре знати розподіл швидкостей та тисків.

Визначити картину розподілу швидкостей і тисків до будівництва і спеціальних випробувань судна дуже важко, проте теорія і практика суднобудування виявили основні обставини, що супроводжують роботу гребного гвинта на судні, що судилося, і знайшли найбільш розумні способи враховувати їх.

Вибираючи місце та положення гребного гвинта на судні водоймного або глісуючого типу брати до уваги такі обставини.

Вплив корпусу судна працювати гвинта. Корпус впливає роботу гвинта передусім тим, що з ним рухається попутний потік. Якщо гвинт працює в попутному потоці - це добре, так як швидкість гвинта по відношенню до попутного потоку менше, ніж швидкість зустрічі з нерухомою водою, а чим менше швидкість гвинта по відношенню до води, що зустрічається, тим більше створюваний гвинтом упор. Найбільший акцент гвинт розвиває, коли його швидкість по відношенню до води дорівнює нулю, тобто коли судно стоїть на швартовах.

Попутний потік має місце не лише за кормою, а й неглибоко під днищем. Швидкість попутного потоку в порівнянні зі швидкістю ходу судна тим більша, чим повніші і тупіші обводи корми. ШвидкістьРуху гвинта по відношенню до попутного потоку можна визначати по номограмі.

Корпус може шкідливо впливати на роботу гвинта. Якщо гвинт розташований по відношенню до корпусу так, що корпус заважає вільному підтоку води прямо назустріч гвинту (осі гвинта) — це дуже погано. Лопаті гвинта розраховані на те, що вони працюватимуть у достатній кількості води, що підтікає до них у напрямку осі гвинта; якщо ж гвинту води «бракує», він працює з неповною віддачею.

Вплив гвинта на опір корпусу. При роботі гвинта перед ним створюється розрідження, яке прискорює потік води, що прямує до нього. Якщо кормова частина судна омивається цим прискореним потоком, вона відчуває більший опір, ніж якби гвинт не підсмоктував до себе воду. Щоб подолати цей додатковий опір, гвинт повинен розвивати додатковий (понад необхідний подолання буксирувального опору судна) упор.

Це явище називають взаємним підсмоктуванням між гвинтом і корпусом. Чим більша сила взаємного підсмоктування, тим більша частка упору витрачається на стиснення води між гвинтом і корпусом. Чим далі від корми розташований гвинт, тим менша сила підсмоктування. Якщо через R позначити буксирувальний опір корпусу (без працюючого гвинта), а через t-відношення сили підсмоктування до повного упору (ця величина називається коефіцієнтом підсмоктування), то величину повного упору гвинта Р можна виразити так:

Для швидкохідних катерів можна приймати t=0,05/0,08.

Вплив підводних виступаючих частин на потік, що набігає на гвинт. .

де v - швидкість суднащодо води; w - коефіцієнт попутного потоку.

Значення w Глісери редані, швидкохідні. . . 0,01 Безредані глісуючі швидкохідні. . 0,05 Острокулі середньої швидкохідності. . . 0,08 Круглоскулі середньої швидкохідності. . 0,10 Тихохідні будь-яких обводів; з підвісним мотором, що має велику підводну коробку передач. 0,15 Дуже тихохідні водовипромінюючі з великим дейдвудом. 0,20

Якщо поблизу, перед гвинтом стоять підводні частини (гребний вал, кронштейн гребного валу, підводна частина ноги підвісного мотора і т. п.), то вони можуть порушувати суцільність і прямолінійність потоку, через що частина гвинта може опинитися в «порожнечі» . Звичайно, це шкідливо відбивається на роботі гвинта. Крім того, якщо, як це іноді буває на реданих глісуючих суднах, частина валу гребного виявляється над водою, вздовж валу до гвинта може проникати повітря, що також дуже шкідливо.

Розрив суцільності потоку

1 - нога кронштейна; 2 - каверна; 3 - напрям руху судна.

Можливість проникнення повітря до гвинта з поверхні води. Якщо гвинт занурений недостатньо глибоко, розрідження перед ним під час роботи може викликати підсмоктування повітря з поверхні води, що різко знижує ефективність гвинта. Іноді з поверхні води повітря проникає тільки на стоянці, а на ходу судна надходження повітря припиняється. Щоб запобігти доступу повітря з поверхні води, на гострих суднах гвинт розташовують під днищем; іноді для тієї ж мети за транцем встановлюють горизонтальну, так звану антикавітаційну пластину.

Вплив місця розташування та нахилу осі гвинта на диферент судна. Дифферент судна відбивається на його опорі. Особливо великий вплив диферента наопір глісуючих та напівглісуючих суден. Диферент судна на ходу залежить не тільки від положення ЦТ вздовж судна, а й від величини та напряму всіх сил, що діють на корпус; серед цих сил особливо великий вплив робить упор гребного гвинта. Якщо лінія дії упору проходить нижче ЦТ судна, упор збільшує диферент на корму, і якщо вище ЦТ — збільшує диферент на носа. Вплив місця розташування та нахилу осі гвинта тим більший, чим більший упор і чим далі від ЦТ судна проходить лінія його дії.

Вплив кута нахилу осі гвинта до горизонту на зниження к. п. д. гвинта. Гребний гвинт розрахований на те, що він працюватиме в потоці, що набігає на нього в напрямку його осі. Якщо вісь гвинта нахилена до горизонту, потік набігатиме на гвинт під деяким кутом до осі; що більше цей кут, званий кутом скосу потоку, то нижча ефективність гвинта. Скіс потоку позначається тим більше, що більше швидкість ходу. Кут скосу, менший за 10", на малих швидкостях позначається на величині к. п. д. дуже слабо.

Одночасно зі зниженням к. п. д. при косому обтіканні гвинта на ньому розвивається поперечна сила, спрямована під прямим кутом осі гвинта і під тупим кутом до потоку (рис. 6). На суднах швидкохідних з гвинтом невеликого діаметра поперечна сила може бути значною. Поперечна сила на гвинті розвивається і при повороті судна, коли через дрейф судна потік набігає на гвинт збоку.

Деяке уявлення у тому, наскільки знижується к. п. буд. гвинта при косому обтіканні, дають такі цифри. Якщо при куті нахилу 10 ° на малій швидкості к. п. д. знижується на 0,8%, то на дуже великій швидкості може знизитися на 5,5%; якщо, наприклад, при куті скосу 20** к. п. д. знижується на малій швидкості на 4%, то на дуже великійшвидкості він знижується на 8%. Точніші дані про те, як знижується к. п. д. при косому обтіканні, можна знайти в статті А. А. Оскольського «Розрахунок основних елементів катерних гребних гвинтів» у першому випуску збірки.

Вплив нахилу осі гвинта на кут нахилу двигуна. Вибираючи кут нахилу осі гвинта по відношенню до судна, слід пам'ятати, що з цим кутом пов'язаний і кут установки двигуна. Якщо кут нахилу двигуна до горизонту виявиться занадто великим (цей кут дорівнює куту нахилу двигуна на місці плюс кут, на який на ходу збільшиться диферент судна), нормальне мастило та робота двигуна можуть бути порушені. Кожен двигун має свій граничний кут нахилу, вказаний у його паспорті.

Вплив місця положення гвинта і кута нахилу осі на розташування двигуна. Місце, обране для розташування гребного гвинта, і кут нахилу осі дуже часто впливають не тільки на установочний кут двигуна, але і на розташування його по довжині судна . Для установки двигуна в даному місці судна необхідно, щоб відстань від осі колінчастого валу до нижньої точки двигуна (зазвичай картера) була не більше певної величини. Неможливість встановити двигун у цьому місці може змусити змінити внутрішнє розміщення на судні і, отже, його центрування, що спричинить необхідність перегляду всього проекту і, у разі, гідродинамічного розрахунку.

Дія струменя, що відкидається гребним гвинтом, на ефективність керма. Ефективність керма залежить від швидкості потоку, що обтікає його перо. Якщо перо знаходиться в потоці, який відкидається гвинтом, воно обтікається з більшою швидкістю, ніж якби воно стояло поза цим потоком. Тому для підвищення поворотності судна завждипрагнуть розмістити кермо в потоці за гвинтом. Чим ближче до керма розташований гвинт, тим більша ефективність керма і краще поворотність судна.

Збільшення швидкості завдяки нахилу осі вапв.

Необхідність захисту гвинта від пошкоджень на ходу. Захист гвинта від пошкоджень при ударах об плаваючі предмети, про підводні камені та мілини є не останньою турботою конструктора малого судна. Гвинт, перед яким стоїть похилий вал і кронштейн, краще захищений від пошкоджень, ніж гвинт 2-подібної передачі. Гвинт у кормі захищений більше, ніж гвинт у носовій частині, тому що підвищений тиск у воді, що викликається носовою частиною корпусу, відкидає в сторони предмети, що плавають. У разі плавання по особливо засміченій воді розумно захищати гвинт спеціальною огорожею, хоча така огорожа і збільшуватиме опір.

Зручність огляду, очищення та зміни гребного гвинта. Вибираючи місце для гребного гвинта, треба подумати і про те, щоб доступ до гвинта для огляду був не надто складним і щоб, у разі потреби, зняття пошкодженого гвинта та гребного вала був пов'язані з необхідністю зняття керма і кронштейна. Звичайно, розташування гвинта за транцем щодо цього має перевагу перед його розташуванням під днищем.

Не всі ці обставини рівнозначні. Одні мають більше значення, інші — менше. Деякі з них виявляють себе сильніше на суднах водоймистих, інші - на глісуючих. І далеко не завжди вдається знайти рішення, яке б враховувало всі ці обставини достатньою мірою.

Щоб повніше врахувати обставини, пов'язані з установкою гребного гвинта, на дрібних суднах застосовують різні схеми передачі обертання від мотора до гвинта (див., наприклад, рис 7у книзі В. А. Лазарєва «Автомобільні двигуни в катеробудуванні», Судпромгіз, 1961). Перш ніж вибрати схему силової передачі, треба познайомитись із її специфічними особливостями. Одні з них створюють великий шум, інші вимагають спеціальної турботи про відведення тепла, що виділяється при роботі зубчастих передач, треті створюють кормову центровку і тому вимагають відгину днища в кормі або установки затранцевих «горизонтальних кермів»; нарешті, одні з них доступні для аматорського виготовлення, інші вимагають заводського устаткування тощо.

Суднобудування знає багато засобів покращити роботу гребного гвинта на судні (контрпропелери, кільцеві насадки, тунелі, пристрої для регулювання кроку гвинта, спеціальні заходи для усунення кавітації та створення суперкавітації, направляючі пристрої перед гвинтом, підйом частини лопаті над водою тощо), але застосовувати їх розумно лише у випадках, куди вони розраховані. Тому перш ніж застосувати один із цих способів, треба добре ознайомитися з його спеціальним призначенням, оскільки інакше він може завдати лише шкоди.

Оцінюючи обрані місце та положення гребного гвинта, треба в першу чергу враховувати головні умови високої ефективності гвинта; вісь гвинта на ходу судна повинна бути розташована якомога ближче до горизонталі і досить глибоко під поверхнею води; ніщо не повинно заважати вільному підтоку води до гвинта, як і застосування гвинта досить великого діаметру.