Типы приводов — Журнал «Лодка»

Внешние характеристики гребного винта.

Зависимость мощности Nv от скорости вращения pv известна как внешняя или пропеллерная характеристика.

Движение пропеллера так же важно, как и его функция.

Где — осевая скорость набегающей воды (или осевая скорость гребного винта относительно спокойной жидкости);

D — внутренний диаметр пропеллера.

Поскольку j — коэффициент скольжения, а H — шаг винта, из этого следует следующее:

Для характеристик винта l=const и для =const существует только одна из двух версий.

Установленные формулы могут быть использованы для расчета крутящего момента и тяги гребного винта.

Коэффициенты импульса Kn и Kp, соответственно;

Плотность воды равна r.

Рис. Зависимость крутящего момента и коэффициента остановки от относительного шага винта

В VFS шаг H/D остается неизменным.

В процессе эксплуатации внешние факторы изменяют градиент коэффициента скольжения, Kn (рис.). 14). При этом использование формулы давления вращения неактуально.

Рис. В ряде задач, связанных с анализом совместной работы турбины и пропеллера, можно принять константы j, l. Например, на рис. 15 показано семейство характеристик мощности и крутящего момента гребного винта. Каждая кривая построена при постоянном значении l. Вдоль каждой линии тяга гребного винта равна сопротивлению судна (P=R, R2).

где , ,.

Рис. Винтовые характеристики (l = const):

Величина мощности, используемой пропеллером; B — крутящий момент, приложенный к ступице.

При эксплуатации судна вам приходится иметь дело с семейством и полем характеристик. Пропеллеры могут проявлять свои номинальные характеристики только при определенном наборе номинальных условий, включая чистую, глубокую воду без волн и ветра. Если характеристика 0-A соответствует номинальной (см. рис. 1), то 15), более тяжелые характеристики будут слева, более легкие — справа, и наоборот.

Каждый из признаков, изображенных на рис. Стационарные условия движения судна с винто-турбинной установкой будут определяться 15. На каждом режиме мощность, отдаваемая турбиной на гребной винт, и потребляемая гребным винтом мощность равны. В этом случае сила остановки гребного винта равна силе сопротивления судна, так как все компоненты вращающейся системы (турбина, валопровод и гребной винт) движутся с постоянной частотой.

Динамические характеристики гребного винта.

Запишем
формулы для упора
P
и момента
M,
развиваемого винтом в виде:

n
— частота вращения гребного винта;

D-
диаметр гребного винта.

Мощность,
потребляемая гребным винтом,
Np
равна:

Где

Окружная скорость гребного винта.

Полезная
мощность,
производимая винтом, равна
,
поэтому коэффициент
полезного действия винта
найдем из выражения:

В
этих формулах
называетсякоэффициентом
упора,
а
-коэффициентом
момента. Графическое представление
,

и

в зависимости от
называетсякривыми
действия винта
или его динамическими
характеристиками
(рис

Рис
5. Кривые действия гребного винта

Режимы работы гребного винта.

0
— винт
вращается, но не перемещается вдоль
оси. Этот режим наз

Рассмотрим
некоторые характерные режимы работы
гребного винта.

• =
  0 наывается
  режимом
  работы винта на швартовах.
  В этом случае
  ибудут наибольшими , так как углы атаки
  элементов будут наибольшими . Упор и
  момент имеют наибольшие величины ,
  (КПД)
  =0,т.к.
  нет перемещения винта .
• С
  увеличением
  углы
  атаки лопастей уменьшаются , что приводит
  к падению упора и момента и , соответственно
  ,
  и. При некоторой поступиупор винта иобращаются
  в нуль . Работа гребного винта в режиме
  плавания при поступи , находящейся в
  пределахот
  =0 до=
  , т.е.
  в промежутке от режима на швартовых до
  режима нулевого упора
  называется
  обычным режимом плавания
  .
• =0;
  =0;=0;>0.
  Этот режим называется
  режимом нулевого упора.
  Он наступает, когда подъемная сила
  лопасти будет настолько малой, что
  только уравновесит отрицательную
  составляющую упора от лобового
  сопротивления. Линейная поступь винта
  в этом режиме называется
  шагом
  нулевого
  упора
  ,
  обычно
  >.
  Отношение

  есть гидродинамическое
  шаговое отношение.
  При еще большей поступи обращается в
  нуль момент на винте.

• =0;<0
  и<0.
  Это
  режим нулевого момента.
  Линейная поступь винта в этом режиме
  называется
  шагом нулевого момента
  , обычно>
  .
• шаговое
  отношение.
  При еще большей поступи обращается в
  нуль момент на винт (зона
  параля).
• .9.
  При еще
  большей поступи упор и момент будут
  отрицательными.
  Это будет работа винта в режиме
  турбины
  (например, вертушечный лаг или свободно
  вращающийся гребной винт у многовального
  судна). Схемы скоростей и сил на различных
  режимах работы винта приведены на
  рис.5.11. .

Рис
5. Схемы многоугольников скоростей и
сил при специальных режимах работы
гребного винта : а – швартовый режим; б
– винт-движитель; в – режим
нулевого упора; г – режим нулевого
момента; д – зона параля ; ж –
режим турбины.

Похожие документы для темы Теория и проектирование судов

Предварительный выбор конструктивного типа и диаметра гребного винта, ориентировочных значений мощности, частоты вращения двигателя и (или) скорости хода судна

А УДИТОРНАЯ РАБОТА И ВЫПУСКНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ

Какие ЭЛЕМЕНТЫ винтов GREB являются важными?

И НЕОБХОДИМАЯ ПОДВИЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Курсы по судомеханике, обучение по электромеханике

Студентов судостроительного факультета и инженерного факультета.

Применение методов расчета гребных винтов или использование схем гребных винтов становится необходимым при решении различных конструкторских и эксплуатационных вопросов.

Курсовые и дипломные проекты курсантов ХМА по курсу «Теория и конструкция судна» основаны на этих расчетах. Эти расчеты основаны на диаграммах, которые показывают коэффициент работы и кривые действия гребного винта.

На основе данных, полученных от моделей, испытанных в кавитационных трубах, рассчитываются ходовые качества судна и выбираются основные компоненты гребного винта. Эти данные позволяют выполнить на компьютере точные расчеты геометрии лопастей гребного винта.

Какую функцию выполняет пропеллер?

Сила тяги гребного винта — это то, что заставляет судно двигаться прямолинейно. Сила тяги Re является компонентом силы остановки P. Сила тяжести R совершает работу в единицу времени при быстром движении судна; нагрузка на судно — это полезная или буксировочная мощность.

Главный двигатель самоходного судна является источником механической энергии, а движитель — механизмом, преобразующим эту энергию в энергию движения судна вперед. Корпус и двигатель играют роль в преобразовании корпуса корабля, как известно из курса «Морские пропульсивные системы».

Отношение пропульсивного коэффициента к активности называется пропульсивным значением:

Где Ne — эффективная мощность главного двигателя.

К ПД двигателя равен нулю;

ηк — коэффициент влияния корпуса.

Наиболее распространенным типом гребных винтов, которых существует множество, являются гребные винты. Судно с гребным винтом является наиболее экономичным благодаря его высокому КПД, простоте конструкции и эффективной передаче мощности от главного двигателя. Тот факт, что режим работы двигателя и условия эксплуатации судна оказывают значительное влияние на гидродинамические характеристики гребных винтов с фиксированным шагом, является одним из их основных недостатков.

Цели и задачи расчета гребного винта.

В зависимости от исходных условий расчет гребного винта позволяет решать разнообразные проектные и эксплуатационные задачи. Расчеты гребных винтов обычно направлены на определение геометрических составляющих судна для конкретного судна с известными главными размерениями, коэффициентами полноты и формой очертаний корпуса.

Расчеты пропеллеров выполняются в следующих индивидуальных заданиях для конкретных задач:

Конструкция корабля и его энергетической установки;

— выбор главного двигателя для конкретного судна, движущегося с определенной скоростью;

— выбор компонентов гребных винтов судна и определение его скорости;

— анализ результатов натурных испытаний или оперативных задач во время плавания;

— Определение необходимой мощности, скорости и частоты вращения гребных винтов в зависимости от конкретных условий работы вне винтов.

Схемы для его реализации и необходимые исходные данные выбираются в зависимости от целей расчета, и они всегда включают результаты расчета сопротивления среды движению судна.

Присоединение прицепа

Эти рекомендации учитывают два подхода к решению проблем, связанных с расчетом гребных винтов в соответствии с учебной программой SMA по курсу TUS:

В курсовой работе по курсу «Судовые силовые установки» решается оперативная задача по определению идеальных геометрических составляющих гребного винта применительно к существующему (заданному) судну. Здесь мы располагаем информацией о первичных размерах судна и коэффициентах полноты, а также о первичных параметрах работы двигателя (вращения гребного вала).

Задача требует определения компонентов гребного винта, которые обеспечивают наибольшую рабочую скорость при определенной мощности главного двигателя.

В разделе дипломного проекта «Мореходность» можно решить проектно-эксплуатационный вопрос, который сводится к выбору подходящих гребных винтов для судна в зависимости от его скорости. Если в методических указаниях к дипломному проекту указаны примерная скорость и тип двигателя, то вопрос часто сводится к выбору скорости судна или его гребных винтов.

Для выполнения задания необходимо указать рабочую скорость судна, а также номинальную мощность и частоту вращения двигателя судовой энергетической установки.

При расчете оптимальных элементов гребного винта для двух вышеупомянутых задач рекомендуется выполнять следующие шаги в порядке, учитывая текущий уровень проектирования.

1) Грубая оценка скорости судна и расчетный тип и диаметр гребного винта.

1) Расчет коэффициентов взаимодействия винта с корпусом.

2) Расчет дискового отношения пропеллера и количества лопастей. Выберите схему расчета.

4) Учет механических потерь в линии электропередачи.

5) Режим проектирования, который выбирается при создании пропеллеров.

5) Используя одну из расчетных схем, определите идеальные компоненты гребного винта.

7) Проверьте, нет ли налипания на пропеллер.

Построение паспортной диаграммы с использованием расчетов. расчет рабочих значений частоты вращения, мощности и скорости главного двигателя.

Идея о движущей силе и скорости корабля

Различные представления о скорости и мощности судна используются в курсовых и дипломных проектах.

При выполнении расчетов рекомендуется использовать следующие понятия мощности двигателя и скорости судна:

Номинальная мощность двигателя Ne ном, гарантированная заводом-изготовителем и максимальная длительная (без ограничения во времени) мощностью на фланце.

2) Длительная рабочая мощность (LOP) двигателя рекомендуется как его основной режим работы на частотах pex, выраженная в процентах от номинала фланца.

Запас, необходимый для обеспечения стабильной работы двигателя при износе деталей головки блока цилиндров двигателя, определяется разницей между ЦМР и номинальной мощностью.

Какая связь между Ne nom и No dem?

На курсовой (контрольной) работе, в задании, которое назначается на контрольную работу, Ne nom и Ne dem могут быть указаны одинаково.

3) Расчетная мощность двигателя Ne расчетная — это мощность, необходимая для движения судна с проектной скоростью и осадкой при идеальных гидрометеорологических условиях. Запас мощности, необходимый для поддержания проектной (или заданной) скорости в плохую погоду, определяется разницей между Ne ном и Ne рас;

Проектная скорость судна — это его максимальная скорость подъема, которую оно должно достичь в процессе эксплуатации при идеальных гидрометеорологических условиях.

Заказчик (в случае реального проектирования) или руководитель (для дипломного проекта) определяет расчетную скорость судна;

Максимальная скорость — это самая высокая скорость, с которой может двигаться судно, работая в одинаковых условиях.

Тип конструкции и диаметр гребных винтов, а также приблизительное значение мощности двигателя или скорости судна.

Те геометрические составляющие, которые диктуются потребностями прочности и вибрации, должны быть приняты на начальном этапе расчета оптимальных элементов гребного винта.

Выбирается диаметр и скорость вращения пропеллера.

Выбор соответствующего диаметра гребного винта и частоты вращения вала на начальной стадии проектирования в соответствии с размерами корпуса судна или мощностью пропульсивной системы имеет решающее значение.

При решении проектно-эксплуатационной задачи (вариант диплома) номограмма используется для оценки частоты вращения гребного винта и диаметра гребного колеса, когда известна скорость судна.

В данном случае номограмма вводится с использованием следующих данных:

Узлов скорости воздушного винта

Местоположение коэффициента обходного потока

Значение на этом этапе расчета можно определить с помощью грубой формулы Тейлора:

Сосуды с одним винтом (2 штуки)

Для двух судов с гребными винтами были созданы два (2) двигателя.

Ne или является грубой оценкой мощности, выраженной в кВт, электростанции. основывается на соотношении:

E PS означает «тяговое усилие», которое рассчитывается на основе ходовых характеристик графика при.

— пропульсивный коэффициент, значение которого в настоящее время определяется на основе следующих предложений:

Если у суда коэффициент более 0,74 и коэффициент общей полноты 0,8,

Для сосудов с = 0,74 — 0,8 можно использовать специальный водяной крюк.

Пересечение кривой n и значения Ne или на номограмме, соответствующего найденному значению, дает оптимальную скорость nop. Тот же метод используется для определения приблизительного диаметра гребного винта.

Рис. Номограмма для предварительного определения оптимальной скорости вращения и диаметра гребного винта

Для окончательного расчета идеальных элементов гребного винта найденные значения nop, D op и Ne or являются приближенными.

Это максимум для одновинтовых судов с требуемой скоростью вращения гребного винта при заданных длине и диаметре винта. Рекомендуется уменьшить скорость вращения на 5 — 15% при выборе Ne nom и силовой установки nop.

Для двухвинтовых быстроходных судов рекомендуется выбирать диапазон (1.0 1.15) nop.

Номограмма используется только для оценки диаметра гребного винта при решении оперативной задачи (курсовая работа, контрольная работа). В данном случае значение «», где «» — гребной коэффициент, используется для получения приближенного значения скорости судна по карте и внесения его в диаграмму. Далее, используя формулу (2.) 1), определяют значение и величины Dop для кривых A и B.

Конструкция гребного винта по отношению к корпусу судна.

Цифры для винта Dop взяты из рис. Максимально допустимый диаметр винта на уровне кормового габарита судна можно определить, используя осадку судна и возможность размещения за корпусом при отсутствии теоретического чертежа. Для этого можно воспользоваться следующими рекомендациями.

— для судов с одним гребным винтом;

Для судов со спаренными винтами.

Диаметр гребного винта более 11 м не представляется возможным из-за технологических ограничений.

Если?, то на последующих этапах расчета должно быть определено окончательное значение диаметра гребного винта. Если Dpred, то следует принять во внимание целевой диаметр и принять его за диаметр гребного винта.

D = Dпред.

Расчет коэффициентов взаимодействия гребного винта с корпусом судна

Аналитическое определение коэффициентов взаимодействия винта с корпусом в настоящее время невозможно.

Эти коэффициенты зависят от размера и формы корпуса, обстоятельств, связанных с расположением гребного винта позади судна, или режима движения в реальной конструкции.

В настоящее время для грубой оценки коэффициентов взаимодействия используется несколько эмпирических формул, которые были разработаны на основе систематизации данных тестирования моделей статическим методом.

Расчетный коэффициент для одновинтовых транспортных судов может быть определен по методу Холтропа.

Где? — это смоченная поверхность корпуса судна, определенная расчетом сопротивления;

.

.

Вязкая составляющая коэффициента общего сопротивления тела, или CV, приблизительно определяется путем вычисления силы на скорости или в подвешенном состоянии.

— Коэффициент продольной полноты корпуса судна.

Используя формулу Э. Папмеля, можно управлять

Где m = 1 для судов с одним винтом

Для двухвинтовых судов m = 2;

— водоизмещение судна; если оно не определено, то для определения его величины можно воспользоваться формулой.

Чтобы учесть влияние числа Фруда.

Для расчета коэффициента хвостового потока двухшнекового судна можно использовать формулы Шенхера.

Если пропеллеры вращаются наружу и валы пропеллеров выступают, то.

Что связано с кронштейнами для гребного вала?

Если угол наклона куспидов к горизонту неизвестен, рекомендуется использовать формулы Э. Папмеля и Иеремии (по методу Пиретта).

Для расчета коэффициентов всасывания одновинтовых судов используйте формулу Холтропа.

Формулы для двухвинтовых судов фирмы Schenherr

Выравнивание вала пропеллера: t = 0,25 t + 0,14 (3)

.

Для регулирования результатов по формуле (3.) ), необходимо определить коэффициент 3 t = (0,5 0,9)t — для руля квадратного сечения, обтекаемой формы и стойки руля;

Коэффициент неравномерности потока диска пропеллера.

Значения коэффициентов влияния неравномерности потока в диске гребного винта обычно изменяются для современных транспортных судов таким же образом, как и для обычных судов.

Коэффициент влияния на упор:

Для одновинтовых судов – =0,95÷1,05 (3

В сосудах с двойными винтами -=0,95 0,099 (3).

Коэффициент влияния на текущее время =0.991.01

Следующая зависимость описывает, как неравномерность потока влияет на эффективность винта: 3. 10)

Коэффициент влияния корпуса можно определить по следующей формуле:

Поможем в написании учебной работы
Поиск по сайту:Главная
О нас
Популярное
ТОП
Новые страницы
Случайная страница
Изречения для студентов
Пожаловаться на материал
Обратная связь
FAQ

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.

На рисунке 1 показана реакция лопастей пропеллера на различные силы и скорости (правое вращение).

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.

На рисунке 2 показаны ступенчатые углы и спиральная поверхность лопасти (a).

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:

.

Гребной винт «Вихря» имеет шаг H0. 3 м, частота вращения n=2800/60=46. 7 об/с. Предполагаемая максимальная скорость винта составляет:

H*n=0. 3*46. 7=14 м/с.

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

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%.

Отношение скорости лодки к осевой скорости гребного винта, показанное на рисунке 3.

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.

Эта формула может быть использована для расчета эффективности:

Затем корпус судна создает поток попутной воды, который замедляет скорость воды, поступающей на гребной винт. При этом учитывается коэффициент попутного потока w:

va=V(1-w) м/с.

Исходя из представленных выше данных, легко рассчитать значения w.

При учете взаимного влияния корпуса и гребного винта полезная мощность равна.

Для определения общей пропульсивной эффективности комплекса «судовой двигатель — гребной винт» используется следующая формула:

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%.

Эффективность гребного винта достигает своего пика при относительном скольжении 10-30%. Эффективность снижается с увеличением скольжения, пока не достигнет нуля, когда гребной винт работает в режиме швартовки. Аналогично этому, когда обороты на малых шагах равны нулю, КПД снижается до нуля.

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: Внешние характеристики двигателя Vortex и пропеллера.

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.

Изображение 6. Структура ступенчатых углов (a) и кривых изменения угла наклона кромки лезвия.

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

Диаметр втулки диаметром 0. дюйма составляет 0,7 мм при 4 м и 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

Суперкавитирующие гребные винты гоночных судов имеют клиновидный профиль с тупой 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.

Небольшое внимание уделяется самому устройству, которое направляет поток воды вокруг пользователя. Каждый компонент насадки имеет подъемную силу, что приводит к появлению горизонтальной составляющей. Дополнительная тяга создается за счет этой совокупности.

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 лодкам, моторам и катерам. «Вакансии, статьи и комментарии», Г. Новак

Что такое упор гребного винта?

Вращение двигателя преобразуется в тягу гребного винта (рисунок 1), который толкает судно вперед. Поверхности лопастей гребного винта, направленные вперед, в сторону тяги судна, создают вакуум воды при вращении.

Что такое шаг гребного винта?

За полный оборот гребной винт преодолевает это расстояние. Вал гребного винта ускоряется тем быстрее, чем больше шаг гребного винта. Однако считается, что двигатель несет тем большую нагрузку, чем меньше шаг винта. Скоростные гребные винты — это те, которые имеют значительный шаг, а грузовые — те, которые его не имеют.

Как определить шаг гребного винта?

Сравнение угла лопасти у ступицы и внешнего края упрощает это определение. Та же пробка с иглами и угольником может быть использована для определения шага винта. С помощью компаса, постукивая иглой по центру бумаги, рисуют дугу радиусом 0,6R, или минимальный диаметр винта.

Что зависит от шага винта?

Что влияет на вещь? Основной характеристикой гребного винта является шаг. Предельная скорость увеличивается вместе с шагом, в то время как нагрузка на двигатель возрастает. Скорость и тяга судна уменьшаются при уменьшении шага.

Чем больше шаг винта?

Сила, необходимая для вращения гребного винта, увеличивается с шагом винта, что заставляет судно вращаться быстрее. Окружность, описываемая концами лопастей, является диаметром гребного винта.

Какой шаг винта скоростной и грузовой?

Считается, что вихрь гребного винта движется тем быстрее, чем больше шаг гребного винта. Однако считается, что вихрь тем тяжелее, чем меньше шаг винта. Скоростные винты и грузовые винты — это термины, используемые для описания винтов с разным шагом.

Как рассчитать силу тяги винта?

Энергия гребного винта рассчитывается по формуле P=D 4 n s 2 кг, где коэффициенты тяги гребных винтов зависят от формы лопастей. где — коэффициент мощности гребного винта, на который влияют те же факторы, что и на X.