Рисунок 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, т. е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.
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 неличину, 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.
Рисунок 2. Винтовая поверхность лопасти (а) и шаговые угольники (б)
Гребной винт на «Вихре» имеет шаг Н=0.3 м и частоту вращения n=2800/60=46.7 об/с. Теоретическая скорость винта:
Таким образом, мы получаем разность
Эта величина, называемая скольжением, и обуславливает работу лопасти винта под углом атаки α к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением. В нашем примере оно равно
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%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%.
Рисунок 3. Соотношение скорости лодки и осевой скорости винта.
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, равно произведению сопротивления воды R движению судна на его скорость V (Nп=RV кгсм/с).
Мощность, затрачиваемую на вращение гребного винта, можно выразить в виде зависимости Nз от крутящего момента М и частоты вращения n
Следовательно, КПД можно вычислить следующим образом:
В свою очередь и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость потока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока w:
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
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
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:
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.
Рисунок 4. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».
Наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, поэтому двнгатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленвала. Режим его работы будет характеризоваться точкой С. И в этом случае мощность двигателя будет использоваться 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.
Рисунок 5. Зависимость скорости мотолодки «Крым» от нагрузки и шага гребного винта мотора «Вихрь» мощностью 14.8 кВт (20 л.с.)
Рисунок 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=0.264м
Hср=0.240м
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
—
Численные рекомендации для наиболее популярных моторов мощностью 14-18 кВт (20-25 л.с.) могут быть следующие. 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.
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.
Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение частоты вращения. Гребной винт при этом издает специфический шум, иа корпус передается вибрация, лодка движется скачками.
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 высокосборотнымн 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.
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, %
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».
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.
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 н 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 (рисунок 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.
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.
Применение насадки становится выгодным при К’n Рисунок 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
Всё что нужно знать о гребных винтах для правильного выбора
В этой статье вы узнаете, как же всё-таки правильно подобрать и купить гребной винт под свой комплект лодка + мотор и чем они отличаются между собой. Итак, приступим. Мы не будем лить много воды и постараемся сделать нашу статью максимально информативной для того, чтобы Вы сделали правильный выбор!
Современные лодочные моторы используют шлицевую посадку гребного винта на вал редуктора.
Винты разных производителей могут иметь разное количество шлицов. Например, у винта SUZUKI на 15 лошадиных сил 10 шлицов, а у винта MERCURY такой же мощности их 8. Также винты могут отличаться диаметром ступицы, например, редуктор SUZUKI больше, чем редуктор мотора Mercury.
Чтобы защитить редуктор мотора от повреждений при ударе гребного винта о грунт в них используется специальная втулка демпфер. Как правило, она туго впрессована в корпус винта, но некоторые модели имеют сменную втулку для возможности установки одного и того же винта на разные моторы.
В лодочных моторах небольшой мощности иногда используется посадка гребного винта на шпонку. Для этого на втулке винта есть специальные пазы и в случае удара винта о препятствие шпонка ломается, тем самым защищая от повреждения дорогой редуктор мотора.
В таких моторах выхлоп отработанных газов осуществляется через отдельное отверстие под антикавитационной плитой мотора. Это не так эффективно, как выхлоп через винт, но тоже работает.
В большинстве лодочных моторов используется двух, трёх и четырёх лопастные гребные винты. Двухлопастные винты, как правило, устанавливают на маломощные и электромоторы.
Трёхлопастной винт обеспечивает наибольшую скорость лодки, при этом будет работать, как на минимальных, так и максимальных скоростях, сохраняя КПД и низкий уровень вибрации.
Четырёхлопастной винт мы рекомендуем приобретать, если нужен хороший упор на старте, например, при буксировке лыжника или различных аттракционов. Также уровень вибрации на таком моторе ниже, особенно это заметно на мощных моторах. Многие также отмечают более плавный ход на таких гребных винтах.
При прочих равных с увеличением скорости эффективность четырёхлопастного винта будет снижаться, а трёхлопастного наоборот увеличиваться.
Сравнение гребного винта из нержавеющей стали и алюминия
Основное преимущество стальных винтов – это возможность сделать их лопасти более тонкими. Например, если сравнить указанную толщину на стальном и алюминиевом винте одной мощности, то можно обнаружить что толщина лопасти стального гребного винта почти в три раза меньше, чем на алюминиевом. А это значит, что у стального винта меньше потери на трение и выше эффективность в целом, поэтому стальные винты широко применяются на скоростных лодках и катерах.
Ну и конечно сталь гораздо лучше противостоит кавитационному и обычному механическому разрушению, но нужно учесть, что при жёстком контакте с грунтом стальные винты также гнуться и разрушаются, но при этом передавая на шестерни редуктора гораздо более мощные ударные нагрузки. Поэтому со сталью надо быть вдвое бдительнее на мелководье.
Основные параметры гребного винта и их маркировка
Помимо количества лопастей и материала изготовления есть ещё несколько важныйх параметров, по которым производится подбор винта – это его диаметр и шаг.
Шаг винта – это расстояние, которое пройдёт винт за один полный оборот в плотной среде. Чем больше шаг, тем это расстояние больше.
Диаметр и шаг винта производители, как правило, указывают либо на ступице, либо непосредственно на лопасти. Также эти параметры дублируются на коробке упаковки.
Вариантов маркировки бывает несколько и они разняться от производителя к производителю, но всё же разобраться в ней достаточно просто.
Например, маркировка Y15 9 ¼ X 9 обозначает винт для мотора Yamaha мощностью 15 лошадиных сил, диаметром 9 ¼ дюйма и шагом 9 дюймов. Или другой пример маркировки у гребных винтов Solas – Y8 3×8.5x7RB обозначает винт для мотора Yamaha трёхлопастной с диаметром 8.5 дюймов и шагом 7 дюймов. Аббревиатура RB обозначает правое вращение. Как видите всё не так уж и сложно.
Для правильного выбора винта можно и нужно использовать тахометр, чтобы понимать на сколько раскручивается лодочный мотор на том или ином винте и какую при этом обеспечивает скорость лодке.
Например, на винте с шагом 9 лодка идёт со скоростью 29 км/ч при оборотах 5400 об/мин, меняем наш винт на винт с шагом больше, скорость немного выросла до 33 км/ч и при этом обороты упали до 5280 об/мин, ставим ещё более скоростной (больше шаг) винт и видим что скорочть упала до 27,7 км/ч и при этом обороты 5010 об/мин! А это значит что наш мотор уже не может раскрутиться из-за установленного винта, обороты падают и соответственно скорость тоже.
Именно так можно экспериментально, меняя шаг и диаметр винта, подобрать оптимальные параметры наиболее эффективного среди них для вашего комплекта лодка + мотор. Универсальных решений не существует, то что хорошо работает на одном комплекте, может плохо работать на другом.
