Що треба знати про гребний гвинт - Рибалка - Інформаційно розважальний портал
| Що треба знати про гребний гвинт? |
| Сторінка 2 |
| Сторінка 3 |
Для гвинтів, що працюють у докавітаційному режимі, дискове відношення приймають у межах 0.3-0.6. У сильно навантажених гвинтів на швидкохідних катерах з потужними високозбірними двигунами A/Ad збільшується до 0.6-1.1. Велике дискове відношення необхідне і при виготовленні гвинтів із матеріалів із низькою міцністю, наприклад, із силуміну або склопластику. У цьому випадку краще зробити лопаті ширше, ніж збільшити їхню товщину.
Гребні гвинти катерів зазвичай мають велику частоту обертання, тому внаслідок великих відцентрових швидкостей відбувається перетікання води по лопатях в радіальному напрямку, що негативно позначається на ККД гвинта. Для зменшення цього ефекту лопатям надають значний нахил у корму - від 10 до 15 °.
У більшості випадків лопатям гвинтів надається невелика шаблеподібність - лінія середин перерізів лопаті виконується криволінійною з опуклістю, спрямованою по ходу обертання гвинта. Такі гвинти завдяки більш плавному входу лопатей у воду відрізняються меншою вібрацією лопатей, меншою мірою схильні до кавітації і мають підвищену міцність вхідних кромок.
Найбільшого поширення серед гвинтів малих суден набув сегментний плоско-опуклий профіль. Лопаті гвинтів швидкохідних мотолодок і катерів, розрахованих на швидкість понад 40 км/год, доводиться виконувати якомога тоншими для того, щоб запобігти кавітації. Для підвищення ефективності в цих випадках доцільний опукло-увігнутий профіль ("луночка"). Стрілка увігнутості профілю приймається рівною близько 2% хорди перерізу, а відноснатовщина сегментного профілю (відношення товщини t до хорді b на розрахунковому радіусі гвинта, що дорівнює 0.6R) приймається зазвичай у межах t/b=0.04÷0.10. Ординати профілів лопатей некавітуючих гвинтів наведено у таблиці 2.
Yн; Yз
ПРИМІТКА: x/b - відносний абсцис відхідної кромки ГВ, % хорди перерізу лопаті; Yн - відносна ордината поверхні, що нагнітає лопаті, % макс. стрілки увігнутості ƒ; Yз - відносна ордината поверхні, що засмоктує лопаті, % макс. розрахункової товщини профілю t
Для суперкавітруючих гвинтів гоночних суден застосовують клиноподібний профіль з тупою кромкою, що виходить.
Дволопатевий гребний гвинт має більш високий ККД, ніж трилопатевий, проте при великому дисковому відношенні дуже важко забезпечити необхідну міцність лопаті такого гвинта. Тому найбільшого поширення на малих судах набули трилопатеві гвинти. Гвинти з двома лопатями застосовують на гоночних суднах, де гвинт виявляється слабко навантаженим, і парусно-моторних яхтах, де двигун грає допоміжну роль. В останньому випадку має значення можливість встановлювати гвинт у вертикальному положенні гідродинамічного сліду ахтерштевня для зменшення його опору при плаванні під вітрилами.
Чотирьох- і п'ятилопатевий гвинти застосовують дуже рідко, в основному на великих моторних яхтах для зменшення шуму і вібрації корпусу.
Гребний гвинт найкраще працює, коли його вісь розташована горизонтально. У гвинта, встановленого з нахилом і у зв'язку з цим обтічного"косим" потоком, коефіцієнт корисної дії завжди буде нижчим; це падіння ККД позначається при куті нахилу валу гребного до горизонту більше 10°.
Гребний гвинт-мультипітч
Завдання узгодження елементів гребного гвинта з опором мотолодки при зміні її навантаження допомагає вирішити гвинт змінного кроку типу "мультипітч".
На малюнку представлено схему пристрою такого гвинта, що випускається Чорноморським суднобудівним заводом. Ступиця гвинта виготовлена з нержавіючої сталі та корозійно-стійкого алюмінієвого сплаву; лопаті виготовляють литтям під тиском із поліамідних смол. Всі три лопаті взаємозамінні і мають на комлі жорстко закріплені пальці 2, які проходять в отвори в торці носової частини маточини 6 і входять в пази повідця 4. При повороті лопаті навколо осі відбувається синхронний розворот всіх лопатей у бік збільшення або зменшення кроку гвинта. На повідку нанесена шкала, причому середній поділ відповідає конструктивному кроку, що дорівнює 240 мм. Межі зміни кроку становлять 200-320 мм, дискове відношення гвинта – 0.48.
Закріплення лопатей у вибраному положенні здійснюється гайкою 3. Втулка 5 має внутрішній діаметр, що дорівнює діаметру валу гребного мотора "Вихор". Від осьового переміщення втулкою гвинт фіксується гайкою 3 і стопорним гвинтом 8.
Поєднуючи в собі кілька змінних гребних гвинтів різного кроку, мультипітч не позбавлений недоліків. Наприклад, ККД гвинта при всіх значеннях кроку, крім конструктивного, виявляється меншим за ККД гвинтів фіксованого кроку, розрахованих спеціально на ці проміжні режими. Це тим, що зміни геометричного кроку гвинта (зменшення чи збільшення його) в мультипитче, як й у гвинті регульованого кроку, вся лопатьповертається на якийсь кут. Так як цей кут постійний для всієї лопаті, значення геометричного кроку на різних радіусах лопаті змінюється на однакову величину і розподіл кроку по радіусу лопаті спотворюється. Наприклад, при повороті лопаті у бік зменшення кроку на постійний кут крок перерізів у кінця лопаті зменшується значно більшою мірою, ніж у комля. При досить великому повороті лопаті кінцеві перерізи можуть навіть отримати негативний кут атаки - створювати упор заднього ходу при незмінному напрямку обертання гребного валу. Крім того, при розвороті лопаті профіль поперечного перерізу її вже не лягає на спрямовану гвинтову лінію, а набуває S-подібної форми, що також призводить до спотворення кроку кромки.
Тим не менш, можливість плавної зміни кроку в залежності від навантаження човна дозволяє отримати найбільш оптимальний та економічний режим роботи підвісного двигуна. При встановленні кроку важливо мати можливість проконтролювати частоту обертання колінчастого валу двигуна, щоб уникнути його перевантаження при надмірному зменшенні кроку.
Кільцева профільована насадка
На важкому катері, що виміщає води, важко отримати високий ККД гребного гвинта, якщо він наводиться від високооборотного автомобільного двигуна або підвісного мотора. Гвинт у цих випадках працює з великим ковзанням і не розвиває необхідний упор. Особливо великі втрати потужності на гвинті, якщо він має недостатній діаметр та крокове відношення менше H/d=0.5.
Крім зниження частоти обертання гребного гвинта, помітний ефект у таких випадках дає застосування кільцевої направляючої насадки (рисунок 7), що являє собою замкнене кільце з плоско-опуклим профілем. Площа вхідного отвору насадки більша, ніж вихідного; гвинтвстановлюється у найбільш вузькому перерізі та з мінімальним зазором між краєм лопаті та внутрішньою поверхнею насадки; зазвичай зазор вбирається у 0.01 D гвинта. При роботі гвинта потік, що засмоктується ним, внаслідок зменшення прохідного перерізу насадки збільшує швидкість, яка в диску гвинта отримує максимальне значення. Завдяки цьому зменшується ковзання гвинта, підвищується його хода. Внаслідок малого зазору між краєм лопаті та насадкою зменшується перетікання води через край, що також підвищує ККД гвинта.
Малюнок 7. Кільцева профільована насадка: а - розташування гребного гвинта; б - розміри та профіль насадки.
Невеликий додатковий упор створюється і на самій насадці, яка обтікається потоком води подібно до крила. На кожному елементі насадки виникає підйомна сила, яка дає горизонтальну складову, спрямовану вперед. Сума цих складових утворює додатковий упор.
Очевидно, що застосування комплексу гвинт-насадка супроводжується підвищенням пропульсивних якостей судна доти, доки втрати потужності на подолання опору насадки не перевищать збільшення гвинтового упору, досягнуте з її допомогою. Для оцінки ефективності насадки можна скористатися діаграмою, представленою на малюнку 8. По ній можна встановити, на скільки підвищиться ηн-ККД комплексу гвинт-насадка в порівнянні з ККД η відкритого гвинта. Криві побудовані для оптимального діаметра гвинта залежно від коефіцієнта K'n, що обчислюється за заданими значеннями швидкості, частоти обертання гвинта та потужності, що підводиться до гвинта:
| K'n= | va | 4√ | pva |
| √n | Ne |
де va - швидкість води у диску гвинта з урахуванням попутного потоку, м/с; n - частота обертання гвинта, про/с; p -масова щільність води (102 кгс2/м4); Ne - потужність, що підводиться до гвинта, з урахуванням втрат у редукторі та валопроводі, л.с.).
Застосування насадки стає вигідним при К'n
та крок для гвинта без насадки та з насадкою. Якщо йдеться про вже експлуатований катер, то за допомогою цього графіка можна порівняти гвинт з елементами гвинта, що має оптимальний діаметр.
Завдяки застосуванню насадки вдається підвищити швидкість катера на 5-8% (і навіть до 25% на тихохідному човні з двигуном, що має більшу частоту обертання). При швидкостях близько 20 км/год установка насадки є недоцільною. На швидкохідних човнах зі збільшенням швидкості гвинт стає менш навантаженим, а опір насадки зростає.
Насадка є гарним захистом гребного гвинта від пошкоджень, завдяки постійному заповненню водою не дозволяє йому оголюватися при киливій гойданці. Іноді напрямні насадки виконують вертикально, що повертаються відносно вертикальної осі, в результаті відпадає необхідність встановлювати кермо.
Застосування насадок є доцільним і на підвісних моторах, що встановлюються на тихохідних суднах водоймного типу. На 25-30-сильному підвісному моторі доцільно використовувати насадку на судні водотоннажністю понад 700 кг (наприклад, на катерах, перероблених з військово-морських ялів, і парусно-моторних яхтах). На моторах потужністю 8-12 л. насадка корисна вже при водотоннажності понад 400 кг.
Рекомендовані розміри насадки та її профілі показані малюнку 7. Довжина насадки приймається зазвичай межах Lн (0.50÷0.70) D діаметра гвинта. Мінімальний діаметр насадки (місце, де встановлюється гребний гвинт) розташовується з відривом А=(0.35÷0.40) D від вхідної кромки насадки. Найбільша товщина профілю δ=(0.10÷0.15) Lн.
Насадку можна виточити із попередньо зігнутої в обичайку товстої алюмінієвої смуги або виклеїти її зі склопластику на бовдурі. Усі поверхні насадки слід ретельно відполірувати зниження втрат на тертя. На підвісному моторі насадку прикріплюють до антикавітаційної плити, для чого зовні насадки роблять "лиску", що утворює площину. Внизу кільце кріплять до шпори двигуна.