Переделка винта. — Community «Охота и Рыбалка» on DRIVE2

Со времени нашей первой публикации о гребном винте, концы лопастей которого жестко соединены непрофилированным кольцом (см. «КиЯ» №160), прошло почти восемь лет. Тогда его разработчики — инженеры одной калифорнийской фирмы — утверждали, что кольцо способствует спрямлению набегающего потока, направляя его параллельно оси винта, а также уменьшению шума, вибраций и кавитации. Сообщалось, что при испытаниях на подвесном моторе мощностью 25 л. новинка продемонстрировала по сравнению с обычным винтом значительный рост упора — на 18 %. Однако до серийного производства тогда дело так и не дошло.

И вот совсем недавно мы получили сообщение, что аналогичную конструкцию гребного винта предлагает британская компания «Ring Prop». Заключенные в кольцо винты для подвесных моторов и угловых колонок планируется выпускать в промышленных масштабах достаточно простым и дешевым методом прессования из синтетических материалов. Правда, компания более осторожна в оценках и признает, что на больших скоростях создаваемое кольцом дополнительное сопротивление способно во многом перечеркнуть все его преимущества.

Основной упор делается на то, что новый винт гораздо более безопасен для купальщиков, воднолыжников и водных животных. Вполне возможно, что природоохранные организации, прежде всего американские, вместо ограничения скорости в заповедниках сделают обязательным применение винтов «Ring Prop» или аналогичных.

Ну а тем, кто не хочет ждать, пока решится судьба «Ring Prop», или расстаться с привычным винтом, уже сейчас доступна простая и дешевая альтернатива — защитная полипропиленовая насадка «PropGuard» британской компании «BHG». Компания распространяет такие насадки именно как средство безопасности, хотя тоже добавляет, что насадка увеличивает КПД винта, улучшает маневренность и дает экономию топлива. Кроме того, она защищает и сам винт от плавающего мусора и ударов о камни на мелководье.

Если вы читаете эту статью, то вам интересно определение слова «азимут». Азимут (от арабского существительного «السَّمْت» as-samt, что означает «направление») является угловым измерением в сферической системе координат. Вектор от наблюдателя (начала координат) до интересующей точки проецируется перпендикулярно плоскости отсчета, а угол между прогнозируемым вектором и опорным вектором на опорной плоскости называется азимутом.

В зависимости от расположения двигателя существует два основных варианта:

• Механическая трансмиссия , которая через зубчатуюпередачу соединяет двигатель внутри корабля с подвесным двигателем . Мотор может быть дизельным или дизель-электрическим . В зависимости от расположения вала механические азимутальные подруливающие устройства делятся на L-образные и Z-образные . Подруливающее устройство с L-образным приводом имеет вертикальный входной вал и горизонтальный выходной вал с одной угловой шестерней. Подруливающее устройство с Z-приводом имеет горизонтальный входной вал, вертикальный вал во вращающейся колонне и горизонтальный выходной вал с двумя прямоугольными шестернями.
• Электрическая трансмиссия , более часто называемая гондолами, где электродвигатель установлен в самой гондоле, подключенной напрямую к гребному винту без шестерен. Электроэнергия вырабатывается бортовым двигателем, обычно дизельным или газовой турбиной . Изобретенный в 1955 году Фридрихом В. Плойгеру и Фридрих Busmann (Плойгер Unterwasserpumpen GmbH), ABB Group «s Azipod был первым продуктом с использованием этой технологии.

Самыми мощными из используемых подруливающих устройств являются четыре двигателя Rolls-Royce Mermaid мощностью 21,5 МВт, установленные на RMS Queen Mary 2.

Механические азимутальные подруливающие устройства могут быть стационарными, выдвижными или подводными. Они могут иметь гребные винты фиксированного шага или гребные винты регулируемого шага. Стационарные подруливающие устройства используются для буксиров, паромов и судов снабжения.

Выдвижные подруливающие устройства используются в качестве вспомогательной силовой установки для динамически позиционируемых судов и в качестве силовой установки для военных судов.

Подводные подруливающие устройства используются в качестве движителей с динамическим позиционированием для очень больших судов, таких как полупогружные буровые установки и буровые суда.

Читать еще:  Что такое спящий двигатель

Преимущества и недостатки

Английский изобретатель Фрэнсис Рональдс описал то, что он назвал «Руль направления» в 1859 году, который объединил двигательные и рулевые механизмы лодки в одном аппарате. Винт был помещен в раму, имеющую внешний профиль, похожий на руль направления, и прикреплен к вертикальному валу, который позволял устройству вращаться в плоскости, а вращение передавалось на винт.

Основными преимуществами являются маневренность, электрическая эффективность, лучшее использование пространства корабля и более низкие затраты на техническое обслуживание. Судам с азимутальными подруливающими устройствами не нужны буксиры для стыковки, хотя им все же могут потребоваться буксиры для маневрирования в сложных местах.

https://youtube.com/watch?v=jxuMuKfw_I8%3Ffeature%3Doembed

Основным недостатком систем азимутального привода является то, что судно с азимутальным приводом маневрирует иначе, чем судно со стандартной конфигурацией винта и руля направления, что требует специальной подготовки пилотов. Еще один недостаток — увеличивают осадку корабля.

Читать еще:  Что такое двигатель с турбонадувом

Принцип действия движителя AZIPOD

Винто-рулевая колонка AZIPOD состоит из высокомоментного электродви­гателя, расположенного в отдельном корпусе – поде (рис.

Гребной винт уста­новлен непосредственно на валу электродвигателя, что позволило передавать вращающий момент с двигателя непосредственно на винт, минуя промежуточные ва­лы или редукторы.

Электроэнергия для AZIPOD подается от судовой электростан­ции Судовые электростанции на буксирных судах с помощью гибких кабелей. Отказ от промежуточных элементов пропульсивной системы позволил исключить потери энергии, возникающие в них при переда­че энергии с вала двигателя на винт.

Установка закреплена вне корпуса судна с по­мощью шарнирного механизма и может вращаться вокруг вертикальной оси на 360°, что позволяет получить лучшую маневренность судна как по курсу, так и по скорости по сравнению с обычными движительными установками. Система пово­рота – гидравлическая.

История [ править ]

Английский изобретатель Фрэнсис Рональдс в 1859 году описал то, что он назвал «Руль управления движением», который сочетал в себе двигательные и рулевые механизмы лодки в одном устройстве.

Azipod — Википедия

Azipod (от англ. azimuth — азимут, полярный угол и pod — капсула, гондола двигателя) — зарегистрированная торговая марка компании ABB, под которой производятся системы электродвижения для судов различного класса, в частности азимутальные подруливающие устройства.

В традиционных судовых движительных системах двигатель находится внутри корпуса судна и вращение передается на движитель (винт) посредством промежуточных валов, иногда через редуктор.

Azipod – безредукторная система, в которой электродвигатель расположен в гондоле вне корпуса судна. Гондола может вращаться на 360 градусов, обеспечивая большую маневренность для судов по сравнению с обычными силовыми установками, что особенно важно при работе во льдах.

Гребной винт установлен непосредственно на валу электродвигателя, что позволяет передавать вращающий момент с двигателя непосредственно на винт, минуя промежуточные валы или редукторы. Отказ от промежуточных элементов пропульсивной системы позволил исключить потери энергии, возникающие в них при передаче энергии с вала двигателя на винт.

В полноповоротной версии азипод вращается на 360 градусов вокруг вертикальной оси, заменяя таким образом руль и рулевую машину. Обычно они применяются в комбинации, например, на круизном лайнере Queen Mary 2 установлены два полноповоротных и два неподвижных азипода.

Установка позволяет получить лучшую маневренность судна как по курсу, так и по скорости по сравнению с обычными движительными установками. Кроме того, такое техническое решение сокращает объём машинного отделения, повышая тем самым грузовместимость, что весьма актуально для транспортных судов.

Суда с системой Azipod

Более 90 судов ледового класса в мире оборудованы пропульсивной системой Azipod, более 50 из них работают на территории Российской Федерации. Максимальная мощность судна на системе Azipod, составляет 45 МВт. Технология винторулевой колонки ABB позволяет преодолевать лед толщиной более 2,1 метров, что позволяет судам работать в Арктике без ледокольного сопровождения.

• Газовоз Кристоф Де Маржери — головное судно из 15 танкеров, обслуживающих проект «Ямал СПГ». Это самые мощные суда ледового класса в мире. Они способны проходить Северный морской путь самостоятельно, без ледоколов.
• Дизель-электрические ледоколы «Александр Санников» и «Андрей Вилькицкий». Построены для компании «Газпром нефть».
• Контейнеровоз «Мончегорск» — одно из шести арктических судов, построенных для ГМК «Норильский Никель». Первое коммерческое судно, совершившее рейс в по Северному морскому при помощи системы Azipod пути без сопровождения ледокола.

• Танкеры проекта Р-70046 — способны ходить в различных морях, однако предназначены для перевозки нефти с нефтедобывающей платформы на перегрузочный терминал в районе Мурманска.
• Круизное судно Independence of the Seas
• Вертолётоносцы класса «Мистраль»
• Ледокол проекта Aker ARC 130A (Александр Санников)
• Дизель-электрический ледокол 25МВт проекта 22600 («Балтийский завод-Судостроение»)

• Азимутальное подруливающее устройство
• L-drive
• Z-drive

Ссылки

• Официальный сайт ABB Group (англ.)
• ABB дарит первый Azipod в музей (недоступная ссылка) (фин.)
• «Маневренные плавучие дворцы» (недоступная ссылка) журнал «В мире науки»
• Converteam
• Brunvoll AS (англ.)

Азимутальное подруливающее устройство — Azimuth thruster

Сименс Шоттель азимутальные двигатели

An азимутальный двигатель представляет собой конфигурацию морского пропеллеры помещены в контейнеры, которые можно поворачивать на любой горизонтальный угол (азимут), делая руль ненужный. Это дает корабли лучшая маневренность, чем у стационарного винта и руля направления.

Типы азимутальных двигателей

Азимутальные подруливающие устройства на буксире Уэд-эль-Кебир — Обратите внимание Форсунки Корт

• Механическая трансмиссия, который соединяет двигатель внутри корабля с подвесным двигателем с помощью передача. Мотор может быть дизель или дизель-электрический. В зависимости от расположения вала механические азимутальные подруливающие устройства делятся на L-привод и Z-привод. Подруливающее устройство с L-образным приводом имеет вертикальный входной вал и горизонтальный выходной вал с одной угловой шестерней. Подруливающее устройство с Z-приводом имеет горизонтальный входной вал, вертикальный вал во вращающейся колонне и горизонтальный выходной вал с двумя угловыми шестернями.
• Электрическая передача, более часто называемые капсулами, в которых электродвигатель установлен в самой капсуле, подключенной непосредственно к гребному винту без шестерен. Электричество производится бортовым двигателем, обычно дизель или газовая турбина. Изобретен в 1955 г. Фридрих В. Плойгер и Фридрих Бусманн (Pleuger Unterwasserpumpen GmbH), ABB Groupс Азипод был первым продуктом, использующим эту технологию.

Механические азимутальные подруливающие устройства могут быть фиксированными, выдвижными или подводными. Они могут иметь гребные винты фиксированного шага или гребные винты регулируемого шага. Стационарные подруливающие устройства используются для буксиров, паромов и судов снабжения.

Подводные подруливающие устройства используются в качестве движителей динамического позиционирования для очень больших судов, таких как полупогружной буровые установки и буровые суда.

Винто-рулевой комплекс судов не обеспечивает их необходимую маневрен­ность при движении на малых скоростях.

Поэтому на многих судах для улучшения маневренных характеристик используются средства активного управления, которые позволяют создавать силу тяги в направлениях, отличных от направления диаметральной плоскости судна.

К ним относятся: активные рули, подруливающие устройства, поворотные винтовые колонки и раздельные поворотные насадки.

https://youtube.com/watch?v=0uo6HMC7Ygs%3Ffeature%3Doembed

Активный руль – это руль с установленным на нем вспомогательным винтом, расположенным на задней кромке пера руля (рис. В перо руля встроен электродвигатель, приводящий во вращение гребной винт, который для защиты от по­вреждений помещен в насадку.

За счет поворота пера руля вместе с гребным вин­том на определенный угол возникает поперечный упор, обусловливающий поворот судна. Активный руль используется на малых скоростях до 5 узлов. При маневри­ровании на стесненных акваториях активный руль может использоваться в каче­стве основного движителя, что обеспечивает высокие маневренные качества судна.

При больших скоростях винт активного руля отключается, и перекладка руля осу­ществляется в обычном режиме.

Раздельные поворотные насадки (рис. Поворотная насадка – это сталь­ное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше площади выходного. Гребной винт располагается в наибо­лее узком ее сечении.

Поворотная насадка устанавливается на баллере и поворачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль.

Раздельные поворотные насадки уста­новлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания, и обеспечивают их высокие маневренные характеристики.

Рис. 1 Схема активного руляРис. 2 Раздельные поворотные насадки

Подруливающие устройства (рис. Необходимость создания эффектив­ных средств управления носовой оконечностью судна привела к оборудованию судов подруливающими устройствами.

ПУ создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства. Подруливающими устройствами оборудовано большое количество судов самого разного назначения.

В сочетании с винтом и ру­лем ПУ обеспечивает высокую маневренность судна, возможность разворота на месте при отсутствии хода, отход или подход к причалу практически лагом. Ис­пользование подруливающих устройств эффективно до скорости судна 4-5 узлов.

Рис. 3 Подруливающие устройства

Общие сведения об AZIPOD

В последнее время получила распространение электродвижущаяся система AZIPOD (Azimuthing Electric Propulsion Drive), которая включает в себя дизель-генератор, электромотор и винт (рис.

Рис. 4 Составные части комплекса «AZIPOD». 1 – панель управления; 2 – трансформаторы; 3 – рулевой модуль; 4 – блок контактных колец; 5 – установка охлаждения; 6 – распределительный щит; 7 – стабилизатор; 8 – движительный модуль с электродвигателем внутри; 9 – гребной винт; 10 – воздухопровод

– azimuth (азимутальный) и pod (стручок) или азимуталь­ный электрический Погруженный гребной Двигатель (АЗИПОД)) является брен­дом шведско-швейцарской компании «ABB» (Asea Brown Boveri Ltd.

) и представ­ляет собой размещенный в гондоле главный электрический движитель и рулевой механизм, приводящий в движение винт фиксированного шага с различными ско­ростными режимами.

Электроэнергия для AZIPOD подается от судовой электростан­цииСудовые электростанции на буксирных судах с помощью гибких кабелей. Отказ от промежуточных элементов пропульсивной системы позволил исключить потери энергии, возникающие в них при переда­че энергии с вала двигателя на винт.

Рис. 5 Винто-рулевая колонка AZIPOD

Модификации модулей «AZIPOD», их обозначения и установка на разных типах судов

Компанией АВВ создано несколько типов модулей AZIPOD, различающихся между собой по следующим признакам:

• виду;
• предполагаемой среде использования;
• диаметру гребного двигателя;
• длине гребного двигателя;
• типу гребного двигателя.

Каждому модулю присваивается свой код, который несёт в себе вышеизложенную информацию. Код формируется по следующей схеме (рис. 6):

Рис. 6 Схема формирования кода установки AZIPOD

Например, код модуля «AZIPOD® VI 1600 A» означает AZIPOD для использования во льдах с мощностью на валу в нижних пределах диапазона мощности (например, 5 МВт), построенный с асинхронным гребным двигателем.

https://youtube.com/watch?v=_m-4ja9NZuY%3Ffeature%3Doembed

Далее представлены примеры некоторых модулей AZIPOD и способы их установки на различных судах (рис. 7 – 11):

Рис. 7 Модели AZIPOD®VO, AZIPOD®XOРис. 8 Модель AZIPOD®COРис. 9 Модель AZIPOD®CZ thrusterРис. 10 Модель AZIPOD®XC CRP (Contra-rotating propeller)Рис. 11 Модель AZIPOD®VI (для использования в ледовых условиях)

Основные преимущества и недостатки комплексов AZIPOD

Основными преимуществами движителя AZIPOD являются:

• Сочетание в себе нескольких функций одновременно. Она одновременно явля­ется двигателем, движителем и средством управляемости судна.
• Повышенная маневренность в тяжелых ледовых условиях. Возможность по­ворота на 360° обеспечивает полный крутящий момент и тягу в любом направлении, полный крутящий момент доступен даже при остановке гребно­го винта и при реверсировании.
• Прочная механическая конструкция. Один короткий вал и отсутствие кониче­ских зубчатых передач означает, что максимальный крутящий момент элек­трического двигателя может быть полностью использован без механических ограничений.
• Прочность и жесткость. Корпус AZIPOD с рамной конструкцией и короткий жесткий валопровод выдерживают резкие изменения тяги и высокие ударные нагрузки во время дробления льда.
• Свобода при проектировании судов. AZIPOD обеспечивает высокую проект­ную гибкость и возможность разработки судов с отличными эксплуатацион­ными характеристиками как для операции во льдах так и на открытой воде.
• Экономия топлива на 15 %.
• Возможность судна двигаться во льдах кормой вперед. При этом движении происходит существенное снижении требуемой мощности. Обычно танкер, требующий мощность 10 МВт при движении в открытой воде будет требовать установленной мощности в 20 МВт для движения во льдах носом вперед. Ес­ли же его конструкция будет предусматривать движение во льдах кормой впе­ред, требуемая мощность будет снижена до 12 МВт.
• Простота силовой передачи. В то время как механические движители имеют сложную трансмиссию с зубчатыми колесами и валами, AZIPOD имеет только электрические кабели между источником электрического питания и электро­двигателем. Это позволяет построить крайне прочное гребное устройство, объединяющее в себе простоту, прочность и надежность для наиболее слож­ных ледовых условий и судов любого ледового класса.
• Экономность. Эта установка не только оптимально размещает весь винто­рулевой комплекс в подводной части судна, но и значительно упрощает ком­поновку машинного отделения обслуживающими системами и механизмами. Исходя из этого, удалось сократить размеры машинного отделения, стоимость постройки, а также упростить ряд технологических операций.
• Соответствие требованиям. Новая компактная установка AZIPOD спроек­тирована так, чтобы удовлетворить все предъявляемые требования по обеспе­чению маневренности с возможностью работы в диапазоне мощностей от 400 кВт до 5 МВт. При этом выдерживаются требования экономической целесо­образности применения на небольших типах судов.
• Плавное изменение скорости. Применение частотного преобразователя энер­гии позволяет плавно изменять скорость, а также обеспечивать контроль кру­тящего момента.
• Небольшой диаметр винта. Удалось уменьшить внешний диаметр гребного винта, сохранив все его гидродинамические характеристики.
• Высокая пропульсивная эффективность. Работа всех устройств и механизмов имеет низкую шумность и вибрацию.
• Модернизация конструкции. Усовершенствование конструкции электродвига­теля позволило значительно сократить потери мощности, а также эффективно применить систему охлаждения. Наиболее оптимальным стало использование воды в качестве охлаждающей среды.
• Система контроля. Она позволяет постоянно контролировать скорость двига­теля, держа угол атаки винта в заданном режиме работы, и не превышать пре­дельно допустимых значений. Частота вращения винта может изменяться пу­тем регулировки уровня тока, подаваемого на электродвигатель. Сам электро­привод низковольтный, рассчитан на напряжение 690 В.

Основными недостатками комплекса AZIPOD являются высокая стоимость установки и трудность ремонта в рейсе.

Система управления AZIPOD

Установки AZIPOD применяются на контейнеровозахСпециализированные суда для перевозки сухих грузов, балкерах, пассажир­ских судах и т. В подавляющем большинстве это достаточно крупные суда. Немаловажным фактором является большая возможность использовать пропульсивные установки AZIPOD для ледоколов и судов ледового плавания.

Один из примеров использования AZIPOD – танкер двойного действия (рис. 12), который на открытой воде двигается как обычное судно, а во льдах двигается кормой вперёд как ледокол, для чего кормовая часть такого судна оснащена ледо­вым подкреплением для ломки льда.

Современные суда ледового плавания, как правило, имеют навигационный мостик закрытого типа во всю ширину судна. Две консоли управления модулями AZIPOD расположены в центре мостика (в передней части для управления судном при движении вперёд и в задней части при движении кормой вперёд) и по одной на каждом их крыльев (рис. 13).

Консоли, установленные на крыльях мостика, поз­воляют капитану одновременно управлять модулями и контролировать окружаю­щую обстановку у борта судна, например, во время таких сложных операций как швартовка к причалу, подход к которому затруднён из-за льда.

Консоль управле­ния, как правило, оборудована монитором рабочей станции, средствами связиМорская сигнализация и связь, те­леграфом и джойстиками ручного управления движителями AZIPOD (рис. 14).

Рис. 12 Танкер двойного действияРис. 13 Навигационный мостик судна двойного назначения. 1 – кормовая и 2 – носовая часть мостика

С помощью джойстиков (рис.

15) капитан может изменить скорость судна, увеличив или уменьшив количество оборотов движителей маленькой рукояткой (телеграфом), и установить необходимый угол поворота движительных модулей для изменения направления тяги винтов, повернув джойстик вокруг своей оси. Положение модулей также контролируется на специальных индикаторах возле джойстиков.

Рис. 14 Консоль управления движительными установками AZIPODРис. 15 Джойстики ручного управления движителями AZIPOD

Предлагается к прочтению:Влияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость суднаВлияние гребного винта фиксированного шага (ВФШ) и руля на управляемость судна

Что надо знать о гребном винте?

Как работает гребной винт? Гребной винт (рисунок 1) 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 силу Р, создающую упор гребного винта, и силу Т,
образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.

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. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.

Винтовая поверхность лопасти. На рисунке 1 показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном
определенном поперечном сечении лопасти, расположенном на каком-то определенном радиусе r гребного винта. Окружная скорость вращения vr зависит от радиуса, на котором сечение
расположено (vr — 2πrn, где n — частота вращения винта, об/с). Скорость же поступательного движения
винта va остается постоянной для любого сечения лопасти. Таким образом, чей больше r, т. чем ближе
расположен рассматриваемый участок к концу лопасти, тем больше окружная скорость vr, а следовательно,
и суммарная скорость W.

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. 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 рисунок 2. Лопасть при работе винта как бы скользит по
направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, по одинаковую высоту — шаг Н, и поднимается
за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (H*n) представляет собой теоретическую
скорость перемещения винта вдоль оси.

Рисунок 2. Винтовая поверхность лопасти (а) и шаговые угольники (б)

Скорость судна, скорость винта и скольжение. При движении корпус судна увлекает за собой воду,
создавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой va всегда
несколько меньше, чем фактическая скорость судна V. 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, идущих со
средней скоростью хода эта разница составляет 5-8%, а у тихоходных водоизменшющих глубокосидящих катеров
достигает 15-20%. Сравним теперь теоретическую скорость винта H*n со скоростью его фактического
перемещения va относительно потока воды (рисунок 3). Пусть это будет «Казанка», идущая под
мотором «Вихрь» со скоростью 42 км/ч = (11,7 м/с). Скорость натекания воды да винт окажется на 5% меньше:

H*n-va=(1-0. 05)*11. 7=11. 1м/с

Гребной винт на «Вихре» имеет шаг Н=0. 3 м и частоту вращения n=2800/60=46. 7 об/с. Теоретическая скорость винта:

H*n=0. 3*46. 7=14 м/с.

Таким образом, мы получаем разность

H*n-va=14-11. 1=2. 9м/с.

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

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. 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

Nз=2π*n*M кгсм/с.

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:

va=V(1-w) м/с.

Значения w нетрудно определить по данным, приведенным выше.

Таким образом, полезная мощность с учетом взаимовлияния корпуса и винта равна

а общий пропульсивный КПД комплекса судно-двигатель-гребной винт вычисляется по формуле:

Здесь ηp — КПД винта; ηk — коэффициент влияния корпуса;
ηM — КПД валопровода и реверс-редукторной передачи.

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.

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

где N — мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л. ;
n — частота вращения гребного вала, об/с; va — скорость встречи винта с водой,
определенная с учетом коэффициента попутного потока w.

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:

Оптимальная величина скольжения для винтов, имеющих шаговое отношение H/D<1. 2 составляет s=0. 14÷0. 16;
для винтов имеющих H/D>1. 2, s=0. 12÷0. При выборе шагового отношения H/D можно руководствоваться следующими
рекомендациями. Для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением H/D, для тяжелых
и тихоходных — с меньшим. При обычно применяемых двигателях с номинальной частотой вращения 1500-5000 об/мин оптимальное
шаговое отношение H/D составляет: для гоночных мотолодок и глиссеров — 0. 9÷1. 5; легких прогулочных
катеров — 0. 8÷1. 2; водоизмещающих катеров — 0. 6÷3-1. 0 и очень тяжелых тихоходных
катеров — 0,55÷0. Следует иметь в виду, что эта значения справедливы, если гребной вал делает
примерно 1000 об/мин из расчета на каждые 15 км/ч скорости лодки; при иной частоте вращения вала необходимо
применять редуктор.

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 частоты вращения коленчатого вала при полностью открытом дросселе карбюратора. Такая характеристика для подвесного
мотора «Вихрь», например, показана на рисунке 4 (кривая 1). Максимум мощности в 21. 5 л. двигатель развивает
при 5000 об/мин.

Рисунок 4. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».

Мощность, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения мотора,
показана на рисунке 4 не одной, а тремя кривыми — винтовыми характеристиками 2, З и 4, каждая из
которых соответствует определенному гребному винту, т. винту определенного шага и диаметра.

При увеличении и шага, и 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 A. Это означает,
что двигатель уже достиг предельного — максимального значения крутящего момента и не в состоянии проворачивать гребной
винт с большой частотой вращения, т. не развивает номинальную частоту вращения и соответствующую ей номинальную
мощность. В данном случае положение точки А показывает, что двигатель отдает всего 12 л. мощности вместо 22 л. Такой гребной винт называется гидродинамически тяжелым.

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 иллюстрирует важность правильного подбора винта на примере мотолодки «Крым» с подвесным мотором «Вихрь». При использовании штатного винта мотора с шагом 300 мм мотолодка с 2 чел. на борту развивает скорость 37 км/ч. С полной нагрузкой 4 чел. скорость лодки снижается до 22 км/ч. При замене винта другим с шагом 264 мм скорость с полной нагрузкой повышается до 32 км/ч. Оптимальные же результаты достигаются с гребным винтом, имеющим шаговое отношение H/D = 1. 0 (шаг и диаметр
равны 240 мм): максимальная скорость повышается до 40-42 км/ч, скорость с полной нагрузкой — до 38 км/ч. Несложно сделать вывод и о существенной экономии горючего, которую можно получить с винтом уменьшенного шага. Если со штатным винтом при нагрузке 400 кг расходуется 400 г горючего на каждый пройденный километр пути,
то при установке винта с шагом 240 мм расход горючего составит 237 г/км.

Рисунок 5. Зависимость скорости мотолодки «Крым» от нагрузки и шага гребного винта
мотора «Вихрь» мощностью 14. 8 кВт (20 л

На следующем рисунке представлен теоретический чертеж для изготовления «грузовых» гребных винтов для моторов
семейства «Вихрь» с шагом 240 и 264 мм. Эти винты имеют саблевидные лопасти со значительным наклоном к оси винта. Профиль поперечного сечения лопасти — переменный. У концов лопастей использован сегментный профиль,
к ступице он постепенно переходит в авиационный, Для повышения КПД шаг винтов принят переменным по
радиусу (данные для построения шаговых угольников приведены на рисунке 6 и в таблице 1.

Рисунок 6. Построение шаговых угольников (а) и кривые изменения кромчатого шага лопасти (б).

У подвесных моторов изменение шага гребного винта — практически единственная возможность согласовать работу
винта с двигателем, так как размеры корпуса редуктора ограничивают максимальный диаметр винта, который может
быть установлен на моторе. В некоторой степени винт можно «облегчить», если его подрезать по диаметру, однако
оптимальным вариантом является применение сменных винтов с различным шаговым отношением.

Численные рекомендации для наиболее популярных моторов мощностью 14-18 кВт (20-25 л. ) 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.

Кавитация и особенности геометрии гребных винтов малых судов. Высокие скорости движения
мотолодок и катеров и частота вращения винтов становятся причиной кавитации — вскипания воды и образований
в области разрежения на засасывающей стороне лопасти. В начальной стадии кавитации эти пузырьки невелики и на работе
винта практически не сказываются. Однако когда эти пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления,
отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения
могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.

При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость — каверна, захватывает всю
лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового
сопротивления и искажения формы лопастей.

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.

Степень разрежения на лопасти, а следовательно, и момент наступления кавитации зависят прежде всего от скорости
потока, набегающего на лопасть. Напомним, что эта скорость является геометрической суммой окружной
скорости vr=π*D*n к поступательной va. Замечено, что на катерных гребных винтах кавитация
вступает во вторую стадию, когда окружная скорость на конце лопасти достигает значения 3500 м/мин. Это означает, например, что гребной винт диаметром 300 мм будет иметь при этом частоту вращения

а винт диаметром 0. 4 м — около 2800 об/мин.

Момент наступления кавитации зависит не только от частоты вращения, но и от ряда других параметров. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт,
тем при меньшей частоте вращения, т. раньше наступает кавитация. Появлению кавитации способствует также большой угол
наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.

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. 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. У сильно нагруженных винтов на быстроходных катерах с мощными высокосборотнымн двигателями A/Ad увеличивается
до 0. 6-1. 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.

Гребные винты катеров имеют обычно большую частоту вращения, поэтому вследствие больших центробежных скоростей
происходит перетекание воды по лопастям в радиальном направлении, что отрицательно сказывается на КПД винта. Для уменьшения этого эффекта лопастям придают значительный наклон в корму — от 10 до 15°.

В большинстве случаев лопастям винтов придается небольшая саблевидность — линия середин сечений лопасти выполняется
криволинейной с выпуклостью, направленной по ходу вращения винта. Такие винты благодаря более плавному входу лопастей
в воду отличаются меньшей вибрацией лопастей, в меньшей степени подвержены кавитации и имеют повышенную прочность
входящих кромок.

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. Ординаты профилей лопастей некавитирующих винтов
приведены в таблице 2.

ПРИМЕЧАНИЕ: x/b — относительный абсциссы отвходящей кромки ГВ, % хорды сечения лопасти;
Yн — относительная ордината нагнетающей поверхности лопасти, % макс. стрелки вогнутости ƒ;
Yз — относительная ордината засасывающей поверхности лопасти, % макс. расчётной толщины профиля t

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».

На рисунке представлена схема устройства такого винта, выпускаемого Черноморским судостроительным заводом. Ступица винта изготовлена из нержавеющей стали и коррозионно-стойкого алюминиевого сплава;
лопасти изготавливают литьем под давлением из полиамидных смол. Все три лопасти взаимозаменяемы и имеют на комле жестко
закрепленные пальцы 2, которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 и входят в пазы поводка 4. При повороте лопасти вокруг ее оси происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения или уменьшения
шага винта. На поводке нанесена шкала, причем среднее деление ее соответствует конструктивному шагу, равному 240 мм. Пределы изменения шага составляют 200-320 мм, дисковое отношение винта — 0.

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.

Винт имеет диаметр 240 мм и массу не более 0. 71 кг (винт новой конструкции — целиком из полиамидных
смол — весит 0. 45 кг). Для изменения шага достаточно 3-5 мин, причем снимать винт с мотора не требуется,
так же как и специально подходить к берегу. Конструкция защищена авторским свидетельством №454146.

Совмещая в себе как бы несколько сменных гребных винтов разного шага, мультипитч не лишен недостатков. Например, КПД винта при всех значениях шага, кроме конструктивного, оказывается меньше КПД винтов фиксированного шага,
рассчитанных специально на эти промежуточные режимы. Это объясняется тем, что для изменения геометрического шага
винта (уменьшения или увеличения его) в мультипитче, как и в винте регулируемого шага, вся лопасть поворачивается на
какой-то угол. Так как этот угол постоянен для всей лопасти, значение геометрического шага на различных радиусах лопасти
изменяется не на одинаковую величину и распределение шага по радиусу лопасти искажается. Например, при повороте лопасти
в сторону уменьшения шага на постоянный угол шаг сечений у конца лопасти уменьшается в значительно большей степени,
чем у комля. При достаточно большом повороте лопасти концевые сечения даже могут получить отрицательный угол
атаки — создавать упор заднего хода при неизменном направлении вращения гребного вала. Кроме того, при развороте лопасти
профиль поперечного сечения ее уже не ложится на спрямленную винтовую линию, а приобретает S-образную форму, что также
приводит к искажению кромочного шага.

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

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.

Рисунок 7. Кольцевая профилированная насадка: а — расположение гребного винта;
б — размеры и профиль насадки.

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.

Очевидно, что применение комплекса винт-насадка сопровождается повышением пропульсивных качеств судна до тех пор,
пока потери мощности на преодоление сопротивления насадки не превысят увеличение упора винта, достигнутое с ее помощью. Для оценки эффективности насадки можно воспользоваться диаграммой, представленной на рисунке 8. По ней можно установить,
на сколько повысится ηн-КПД комплекса винт-насадка по сравнению с КПД η открытого винта. Кривые построены для оптимального диаметра винта в зависимости от коэффициента K’n,
вычисляемого по заданным значениям скорости, частоты вращения винта и мощности, подводимой к винту:

где va — скорость воды в диске винта с учетом попутного потока, м/с; n — частота вращения винта, об/с;
p — массовая плотность воды (102 кгс2/м4); Ne — мощность, подводимая к винту,
с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.

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

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. 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. Новака