Що потрібно знати про гребний гвинт

Як працює гребний гвинт? Гребний гвинт перетворює обертання валу двигуна в упор – силу, що штовхає судно вперед. При обертанні гвинта на поверхнях його лопатей, звернених вперед - у бік руху судна (що засмоктують), створюється розрідження, а на звернених назад (нагнітають). підвищений тиск води. В результаті різниці тисків на лопатях виникає сила Y (її називають підйомною) Розклавши силу на складові — одну, спрямовану у бік руху судна, а другу перпендикулярно до нього, отримаємо силу Р, що створює упор гребного гвинта, і силу Т, що утворює момент, що крутить, який долається двигуном.

  Упор великою мірою залежить від кута атаки a профілю лопаті. Оптимальне значення для швидкохідних катерних гвинтів 4-8. Якщо a більше оптимальної величини, то потужність двигуна непродуктивно витрачається на подолання великого моменту, що крутить, якщо ж кут атаки малий, підйомна сила і, отже, упор Р будуть невеликі, потужність двигуна виявиться недовикористаною.

  На схемі, що ілюструє характер взаємодії лопаті і води, можна представити як кут між напрямком вектора швидкості набігає на лопату потоку W і поверхнею, що нагнітає. Вектор швидкості потоку W утворений геометричним складанням векторів швидкості поступального переміщення Va гвинта разом з судном і швидкості обертання Vr, тобто швидкості переміщення лопаті в площині перпендикулярної осі гвинта.

  Гвинтова поверхня лопаті. На малюнку показано сили та швидкості, що діють у якомусь одному певному поперечному перерізі лопаті, розташованому на якомусь певному радіусі r гребного гвинта. Окружна швидкість обертання V залежить від радіусу, на якому переріз розташований (Vr = 2х p х rх n, де n - частота обертання гвинта, про/с), швидкість поступального руху гвинта Va залишається постійною для будь-якого перерізу лопаті. Таким чином, чим більше r, тобто чим ближче розташована ділянка до кінця лопаті, тим більша окружна швидкість Vr, а отже, і сумарна швидкість W.

  Так як сторона Va в трикутнику швидкостей залишається постійною, то в міру видалення перерізу лопаті від центру необхідно розвертати лопаті під великим кутом до осі гвинта, щоб a зберігав оптимальну величину, тобто залишався однаковим для всіх перерізів. Таким чином, виходить гвинтова поверхня з постійним кроком Н. Нагадаємо, що кроком гвинта називається переміщення будь-якої точки лопаті вздовж осі за один повний оберт гвинта.

  Уявити складну гвинтову поверхню лопаті допомагає малюнок. Лопата при роботі гвинта як би ковзає по напрямних косинцях, що мають на кожному радіусі різну довжину основи, але однакову висоту - крок H, і піднімається за один оборот на величину Н. Твір кроку на частоту обертання (Нn) являє собою теоретичну швидкість переміщення гвинта вздовж осі.

  Швидкість судна, швидкість гвинта та ковзання. Під час руху корпус судна захоплює за собою воду, створюючи попутний потік, тому дійсна швидкість зустрічі гвинта з водою Va завжди дещо менша, ніж фактична швидкість судна V. У швидкохідних глісуючих мотолодок різниця невелика - всього 2 - 5%, тому що їх корпус ковзає по воді і майже не тягне rdquo; її за собою. У катерів, що йдуть із середньою швидкістю ходу ця різниця становить 5-8%, а у тихохідних водовипромінюючих глибокосидящих катерів досягає 15-20%. Порівняємо тепер теоретичну швидкість гвинта Нn зі швидкістю його фактичного переміщення Va щодо потоку води.

  Різниця Hn - Va, звана ковзанням, і зумовлює роботу з пащі гвинта під кутом атаки a до потоку води, що має швидкість W. Відношення ковзання до теоретичної швидкості гвинта у відсотках називається відносним ковзанням:
s = (Hn-Va)/Hn.

  Максимальної величини (100%) ковзання досягає під час роботи гвинта на судні, пришвартованому до берега. Найменше ковзання (8-15%) мають гвинти легких гоночних мотолодок на повному ходу; у гвинтів глісуючих прогулянкових мотолодок і катерів ковзання досягає 15-25%, у важких водовипромінюючих катерів 20-40%, а у вітрильних яхт, що мають допоміжний двигун, 50 - 70%.

  Легкий або важкий гребний гвинт. Діаметр і крок гвинта є найважливішими параметрами, від яких залежить ступінь використання потужності двигуна, а отже, і можливість досягнення найбільшої швидкості ходу судна.

  Кожен двигун має свою так звану зовнішню характеристику - залежність потужності, що знімається з валу від частоти обертання колінчастого валу при повністю відкритому дроселі карбюратора. Така характеристика для підвісного мотора “Вихор”, наприклад, показана на малюнку (крива 1). Максимум потужності 21,5 л, с. двигун розвиває при 5000 об/хв.

  Потужність, яка поглинається на даному човні гребним гвинтом залежно від частоти обертання мотора, показана на цьому ж малюнку не однією, а трьома кривими - гвинтовими характеристиками 2, 3 і 4, кожна з яких відповідає певному гребному гвинту, тобто гвинту певного кроку та діаметру.

  При збільшенні і кроку, і діаметра гвинта вище оптимальних значень лопаті захоплюють і відкидають назад дуже багато води: упор при цьому зростає, але одночасно збільшується і потрібний крутний момент на гребному валу. Гвинтова характеристика такого гвинта перетинається із зовнішньою характеристикою двигуна 1 в точці А. Це означає, що двигун вже досяг граничного - максимального значення крутного моменту і не в змозі провертати гребний гвинт з великою частотою обертання, тобто не розвиває номінальну частоту обертання і відповідну їй номінальну потужність. У разі положення точки А показує, що двигун віддає всього 12 л. с. потужності замість 22 л. с. Такий гребний гвинт називається гідродинамічно важким.

  Навпаки, якщо крок або діаметр гвинта малі (крива 4), і упор і потрібний момент, що крутить, будуть менше, тому двигун не тільки легко розвине, але і перевищить значення номінальної частоти обертання коленвала. Режим його роботи буде характеризуватись точкою С. І в цьому випадку потужність двигуна буде використовуватися не повністю, а робота на занадто високих оборотах пов'язана з небезпечно великим зносом деталей. При цьому треба наголосити, що оскільки упор гвинта невеликий, судно не досягне максимально можливої швидкості. Такий гвинт називається гідродинамічно легким.

  Гребний гвинт, що дозволяє для конкретного поєднання судна та двигуна повністю використовувати потужність останнього, називається узгодженим. Для прикладу такий узгоджений гвинт має характеристику 3, яка перетинається із зовнішньою характеристикою двигуна в точці В, що відповідає його максимальної потужності.

  Малюнок ілюструє важливість правильного підбору гвинта на прикладі мотолодки "Крим" з підвісним мотором “Вихор”, при використанні штатного гвинта мотора з кроком 300 мм мотолодка з 2 чол. на борту розвиває швидкість 37 км/год. З повним навантаженням 4 чол, швидкість човна знижується до 22 км/год. При заміні гвинта іншим з кроком 264 мм швидкість повного навантаження підвищується до 32 км/год. Найкращі ж результати досягаються з гребним гвинтом, що має крокове відношення H/D = 1,0 (крок і діаметр дорівнюють 240 мм): максимальна швидкість підвищується до 40&42 км/год, швидкість з повним навантаженням — до 38 км/год. Нескладно зробити висновок і про суттєву економію пального, яку можна отримати з гвинтом зменшеного кроку. Якщо зі штатним гвинтом при навантаженні 400 кг витрачається 400 г пального на кожен пройдений кілометр шляху, то при установці гвинта з кроком 240 мм витрата пального становитиме 237 г/км.

  Слід зазначити, що узгоджених гвинтів для конкретного поєднання судна та двигуна існує безліч. Справді, гвинт із трохи більшим діаметром, але трохи меншим кроком навантажить двигун так само, як і гвинт із меншим діаметром і більшим кроком. Існує правило: при заміні узгодженого з корпусом і двигуном гребного гвинта іншим, з близькими величинами D і H (розбіжність допустимо не більше 10%), потрібно, щоб сума цих величин для старого і нового гвинтів дорівнювала.

  Однак з цієї безлічі узгоджених гвинтів тільки один гвинт, з конкретними значеннями D і H, матиме найбільший ККД. Такий гвинт називається оптимальним. Метою розрахунку гребного гвинта якраз і є знаходження оптимальних величин діаметра та кроку.

  Коефіцієнт корисної дії. Ефективність роботи гребного гвинта оцінюється величиною його ККД, тобто відношення корисно використовуваної потужності до потужності двигуна, що витрачається.

  Не вдаючись у подробиці, відзначимо, що головним чином ККД гвинта, що некавітує, залежить від відносного ковзання гвинта, яке в свою чергу визначається співвідношенням потужності, швидкості, діаметра і частоти обертання.

  Максимальна величина ККД гребного гвинта може досягати 70 ~ 80 %, проте практично досить важко вибрати оптимальні величини основних параметрів, яких залежить ККД: діаметра і частоти обертання. Тому на малих суднах ККД реальних гвинтів може виявитися набагато нижчим, становити лише 45 %.

  Максимальної ефективності гребний гвинт досягає при відносному ковзанні 10 - 30%. При збільшенні ковзання ККД швидко падає: під час роботи гвинта у режимі швартування він стає рівним нулю. Подібним чином ККД зменшується до нуля, коли внаслідок великих обертів при малому кроці упор гвинта дорівнює нулю.

  Однак слід ще врахувати взаємовплив корпусу та гвинта. При роботі гребний гвинт захоплює і відкидає в корму значні маси води, внаслідок чого швидкість потоку, що обтікає кормову частину корпусу, підвищується, а тиск падає. Цьому супроводжує явище засмоктування, т. е. поява до додаткової сили опору води руху судна проти тим, що його відчуває під час буксирування. Отже, гвинт повинен розвивати упор, який перевищує опір корпусу деяку величину Рe = R/(1-t) кг. Тут t — коефіцієнт засмоктування, величина якого залежить від швидкості руху судна та обводів корпусу в районі розташування гвинта. На глісуючих катерах і мотолодках, на яких гвинт розташований під порівняно плоским днищем і не має перед собою ахтерштевня, при швидкостях понад 30 км/год t = 0,02 0,03. На тихохідних (10 25 км/год) човнах і катерах, на яких гребний гвинт встановлений за ахтерштевнем, t = 0,06 0,15.

  У свою чергу, і корпус судна, утворюючи попутний потік, зменшує швидкість потоку води, що натікає на гребний гвинт. Це враховує коефіцієнт попутного потоку w: Va = V (1 m) с/с. Значення w неважко визначити за даними, наведеними вище.

  Загальний пропульсивний ККД комплексу судно-гребний гвинт обчислюється за формулою:

Тут hp – ККД гвинта; hk — коефіцієнт впливу корпуса; hm — ККД валопроводу та реверс - редукторної передачі.

  Коефіцієнт впливу корпусу нерідко виявляється більше одиниці (1,1 - 1,15), а втрати у валопроводі оцінюються величиною 0,9 0,95.

  Діаметр і крок гвинта. Елементи гребного гвинта для конкретного судна можна розрахувати, лише маючи криву опору води руху даного судна, зовнішній характеристикою двигуна та розрахунковими діаграмами, отриманими за результатами модельних випробувань гребних гвинтів, що мають певні параметри та форму лопатей. Для попереднього визначення діаметра і кроку гвинта існують спрощені формули, наводити які немає сенсу, т.к. пропонується скористатися точнішими методами розрахунку оптимального гвинта. Ці методи ґрунтуються на апроксимації (наближеному поданні) графічних діаграм аналітичними залежностями, що дозволяє виконувати досить точні розрахунки на ЕОМ і навіть на мікрокалькуляторах.

  Діаметр гребних гвинтів, отриманий як за наближеною формулою, так і за допомогою точних розрахунків, зазвичай збільшують приблизно на 5% для того, щоб отримати свідомо важкий гвинт і домогтися його узгодженості з двигуном при подальших випробуваннях судна. Для "полегшення" гвинта його поступово підрізають по діаметру до отримання номінальних оборотів двигуна при розрахунковій швидкості.

  Однак для гвинтів маломірних суден цього можна й не робити. Причина проста: завантаження прогулянкових суден змінюється в широких межах, і гвинт, трохи "важкуватий" або "легкуватий" при одному значенні водотоннажності судна стане узгодженим при іншому завантаженні.

  Кавітація та особливості геометрії гребних гвинтів малих суден. Високі швидкості руху мотолодок і катерів і частота обертання гвинтів стають причиною кавітації - закипання води та утворення бульбашок парів у галузі розрідження на боці лопаті, що засмоктує. У початковій стадії кавітації ці бульбашки невеликі і на роботі гвинта практично не позначаються. Однак коли ці бульбашки лопаються, створюються величезні місцеві тиски, через що поверхня лопаті викрашується. При тривалій роботі гвинта, що кавітує, такі ерозійні руйнування можуть бути настільки значними, що ефективність гвинта знизиться.

  За подальшого підвищення швидкості настає друга стадія кавітації. Суцільна порожнина - каверна, що захоплює всю лопату і навіть може замикатися за її межами. Розвинений гвинтом упор падає через різке збільшення лобового опору та спотворення форми лопат.

  Кавітацію гвинта можна виявити у тому, що швидкість човна перестає зростати, попри подальше підвищення частоти обертання. Гребний гвинт при цьому видає специфічний шум, на корпус передається вібрація, човен рухається стрибками.

  Момент наступу кавітації залежить тільки від частоти обертання а й від інших параметрів. Так, чим менше площа лопатей, більша товщина їх профілю і ближче до ватерлінії розташований гвинт, тим при меншій частоті обертання, тобто раніше настає кавітація. Появі кавітації сприяє великий кут нахилу гребного валу, дефекти лопатей — вигин, неякісна поверхня.

  Упор, що розвивається гребним гвинтом, мало залежить від площі лопатей. Навпаки, зі збільшенням цієї площі зростає тертя про воду і подолання цього тертя додатково витрачається потужність двигуна. З іншого боку, треба врахувати, що при тому ж упорі на широких лопатях розрідження на боці, що засмоктує менше, ніж на вузьких. Отже, широколопатевий гвинт потрібен там, де можлива кавітація (тобто на швидкохідних катерах і за великої частоти обертання гребного валу).

  Як характеристику гвинта приймається робоча, або спрямлена, площа лопатей. При її обчисленні приймається ширина лопаті, заміряна на поверхні, що нагнітає, по довжині дуги кола на даному радіусі, проведеному з центру гвинта. У характеристиці гвинта вказується зазвичай не сама спрямлена площа лопатей А, а її відношення до площі Аd суцільного диска такого ж, як гвинт, діаметра, тобто A/Ad. На гвинтах заводського виготовлення величина дискового відношення вибита на маточині.

  Для гвинтів, що працюють у докавітаційному режимі, дискове відношення приймають у межах 0,3 – 0,6. У сильно навантажених гвинтів на швидкохідних катерах із потужними високообертовими двигунами A/Ad збільшується до 0,6 - 1,1. Велике дискове відношення необхідне і при виготовленні гвинтів із матеріалів із низькою міцністю, наприклад, із силуміну або склопластику. У цьому випадку краще зробити лопаті ширше, ніж збільшити їх товщину.

  Вісь гребного гвинта на катері, що глісує, розташована порівняно близько до поверхні води, тому нерідкі випадки засмоктування повітря до лопатей гвинта (поверхнева аерація) або оголення всього гвинта при ході на хвилі. У цих випадках гвинт різко падає, а частота обертання двигуна може перевищити максимально допустиму. Для зменшення впливу аерації крок гвинта робиться змінним по радіусу - починаючи від перерізу лопаті на r = (0,63—0,7) R у напрямку до маточини крок зменшується на 15~20%.

  Гребні гвинти катерів зазвичай мають велику частоту обертання, тому внаслідок великих відцентрових швидкостей відбувається перетікання води по лопатях в радіальному напрямку, що негативно позначається на ККД гвинта. Для зменшення цього ефекту лопатям надають значний нахил у корму від 10 до 15°С. .

  У більшості випадків лопатям гвинтів надається невелика шаблеподібність - лінія середин перерізів лопаті виконується криволінійною з опуклістю, спрямованою по ходу обертання гвинта. Такі гвинти завдяки більш плавному входу лопатей у воду відрізняються меншою вібрацією лопатей, меншою мірою схильні до кавітації і мають підвищену міцність вхідних кромок.

  Найбільшого поширення серед гвинтів малих суден набув сегментний плоскопуклий профіль. Лопаті гвинтів швидкохідних мотолодок і катерів, розрахованих на швидкість понад 40 км/год, доводиться виконувати якомога тоншими для того, щоб запобігти кавітації. Для підвищення ефективності в цих випадках доцільний опукловогнутий профіль ("луночка"). Стрілка увігнутості профілю приймається рівною близько 2% хорди перерізу а відносна товщина сегментного профілю (відношення товщини t до хорді b на розрахунковому радіусі гвинта, що дорівнює 0,6R) приймається зазвичай в межах t/b = 0,04 0,10.
/>
  Дволопатевий гребний гвинт має більш високий ККД, ніж трилопатевий, проте при великому дисковому відношенні дуже важко забезпечити необхідну міцність лопаті такого гвинта. Тому найбільшого поширення на малих судах набули трилопатеві гвинти. Гвинти з двома лопатями застосовують на гоночних суднах, де гвинт виявляється слабко навантаженим, і парусно - моторних яхтах, де двигун грає допоміжну роль. В останньому випадку має значення можливість встановлювати гвинт у вертикальному положенні у гідродинамічному сліді ахтерштевня для зменшення його опору під час плавання під вітрилами.

  Чотирьох та п'ятилопатеві гвинти застосовують дуже рідко, в основному на великих моторних яхтах для зменшення шуму та вібрації корпусу.

  Гребний гвинт найкраще працює, коли його вісь розташована горизонтально. У гвинта, встановленого з нахилом і у зв'язку з цим обтічного "косим" потоком, коефіцієнт корисної дії завжди буде нижчим; це падіння ККД позначається при куті нахилу гребного валу до горизонту більше 10°.