Гребные винты для лодочных моторов и способы увеличения скорости.
Что полезно знать из теории.
Как работает гребной винт (рис. 211). Гребной винт 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 силуP, создающую упор гребного винта, и силу Т, образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.
Упор в большой степени зависит от угла атаки а профиля лопасти (рис. 212). Оптимальное значение угла атаки для быстроходных катерных винтов 4—8°. Если а 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, угол атаки а можно представить себе как угол между направлением вектора скорости набегающего на лопасть потока W и нагнетающей поверхностью. Вектор скорости потока Wобразован геометрическим сложением векторов скорости поступательного перемещения Vавинта вместе с судном и скорости вращения vr т. е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.
Винтовая поверхность лопасти. На рис. 212 показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном определенном поперечном сечении лопасти, расположенном на определенном радиусе r гребного винта. Окружная скорость вращения vr зависит от радиуса, на котором сечение расположено (vr = 2π r n, где п — число оборотов винта, об/сек). Скорость же поступательного движения винтя vа остается постоянной для любого сечения лопасти.
Таким образом, чем больше r, т. е. чем дальше расположен рассматриваемый участок от оси винта, тем больше окружная скорость vr, а следовательно, и суммарная скорость W.
Так как сторона Vа в треугольнике рассматриваемых скоростей остается постоянной, то по мере удаления сечения лопасти от центра необходимо разворачивать лопасти под большим углом к оси винта, чтобы угол атаки а сохранял оптимальную величину, 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 рис. 213. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, но одинаковую высоту — шаг, и поднимается за один оборот на величину 1 шага Н.Произведение же шага на число оборотов (Hn) представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.
Скорость лодки, скорость винта и скольжение.
При движении корпус судна увлекает за собой воду, создавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой Vа всегда несколько меньше, чем теоретическая скорость винта Нп. 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 со средней скоростью хода эта разница составляет 5—8%, а у тихоходных водоизмещающих глубокосидящих катеров достигает 15—20%.
Сравним теперь теоретическую скорость винта Нп со скоростью его фактического перемещения Vа относительно потока воды (рис. 214). 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:Vа = (1 —0,05)*11,7 = 11,1 м/с.
Гребной винт на «Вихре» имеет шаг Н = 0,3 м и число оборотов п = 2800 : 60 = 46,7 об/с. Теоретическая скорость винта .
Нп =0,3*46,7 = 14 м/с.
Таким образом, мы получаем разность Нп — Vа = 14 — 11,1 = 2,9 м/с.
Эта величина, называемая скольжением, и обуславливает работу лопасти винта под углом атаки а к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением. В нашем примере оно равно
S = (Нп-Va)\Hn=2.9\14=0.207=20.7%
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 катеров скольжение составляет 15—25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20— 40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50—70%.
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 числа оборотов коленчатого вала при полностью открытом дросселе карбюратора. Такая характеристика для подвесного мотора «Вихрь», например, показана на рис. 215 (кривая 1). Максимум мощности в 22 л. с. двигатель развивает при 5000 об/мин.
Мощность, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от числа оборотов мотора, показана на этом же рисунке не одной, а тремя кривыми — винтовыми характеристиками 2, 3 и 4, каждая из которых соответствует определенному гребному винту, т. е. винту определенного шага и диаметра.
И при увеличении шага, и при увеличении 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 А; это означает, что двигатель уже достиг предельного— максимального значения крутящего момента и не в состоянии проворачивать вал с большим числом оборотов, т. е. не может развить номинальное число оборотов и соответствующую ему 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), упор и потребный крутящий момент будут меньше, поэтому двигатель не только легко разовьет, но и превысит номинальное значение числа оборотов. Режим его работы будет характеризоваться точкой С. Как мы видим, и в этом случае мощность двигателя используется 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.
Сказанное можно иллюстрировать таким примером. Дюралевая «Казанка» с 20-сильным мотором «Вихрь», имеющим штатный гребной винт диаметром 240 и шагом 300 мм, с двумя человеками на борту развивает скорость 42 км/ч. Если этот же мотор с тем же винтом поставить на другую лодку — «Нептун», более тяжелую и имеющую иные обводы, скорость ее с той же нагрузкой составит 36 км/ч, а с четырьмя пассажирами — снизится до 14 км/ч. Гребной винт, близкий к оптимальному для «Казанки», на «Нептуне» становится тяжелым. Заменим его другим винтом, имеющим тот же диаметр, но шаг, уменьшенный до 240 мм. Скорость «Нептуна» (при той же мощности) возрастает до 41 и 36 км/ч соответственно только благодаря тому, что винт стал близким к оптимальному для данной лодки при данной нагрузке.
При расчете винта его шаг и диаметр вычисляют с учетом сопротивления воды движению данного судна при определенной осадке (нагрузке) и на заданной скорости хода судна, имея в виду определенное число оборотов и мощность устанавливаемого двигателя.
Общее правило таково: для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением Н\D, для тяжелых и тихоходных — с меньшим.
При обычно применяемых двигателях с числом оборотов 1500—5000 об/мин оптимальное шаговое отношение Н/D составляет: для гоночных мотолодок и глиссеров 0,9—1,4; легких прогулочных катеров 0,8—1,2; водоизмещающих катеров 0,6—1,0 и очень тяжелых тихоходных катеров 0,55—0,80. Следует иметь в виду, что эти значения справедливы, если гребной вал делает примерно 1000 об/мин на каждые 15 км/ч скорости лодки; при ином числе оборотов вращения вала необходимо применять редуктор.
Диаметр винта существенно влияет на загрузку двигателя. Например, при увеличении D всего на 5% приходится повышать мощность двигателя почти на 30%, чтобы получить то же число оборотов винта. Это следует учитывать, если требуется «облегчить» тяжелый винт: иногда бывает достаточно лишь немного подрезать концы его лопастей.