Двигатели и устройства малотоннажного моторного судна
Общие сведения о двигателях
Проектирование гребного винта
При проектировании винта на плоскость, перпендикулярную его оси, получим
так называемую проектированную (или нормальную) поверхность лопастей
гребного винта (рис. 175). Контур проектированной поверхности не дает
представления об истинных размерах и форме лопасти, поэтому вычерчивают
развернутую и спрямленную поверхность лопасти гребного винта 1.
Чертеж гребного винта, на котором показана форма и сечения лопастей, а
также ступицы с обтекателем называется теоретическим чертежом в отличие
от рабочего чертежа гребного винта, на котором, кроме того, указывают
обработку лопастей и ступицы, детали крепления винта на валу,
формовочные угольники, обтекатель, а также помещают технологические
указания.
Теоретический чертеж гребного винта для спроектированной мотолодки
показан на рис. 176.
По принципу работы гребной винт является осевым насосом без Корпуса. При
вращении винта на выпуклой засасывающей стороне его лопастей создается
разрежение. Благодаря этому винт как бы засасывает воду и в виде
ускоренного спирального потока отбрасывает ее назад (рис. 177). Сила, с
которой винт воздействует на воду, пропорциональна массе этого потока и
его ускорению (второй закон Ньютона).
Рис. 176. Теоретический чертеж гребного винта
для спроектированной мотолодки.
Рис. 177. Действие гребного винта.
По третьему закону механики всякому действию всегда есть равное и
противоположно направленное противодействие. В данном случае таким
противодействием является реакция отбрасываемого потока, которая через
гребной вал и упорный подшипник двигает судно в сторону, противоположную
выбросу струи.
Эта сила называется упорным давлением или упором гребного винта. Упор
гребного винта пропорционален количеству отбрасываемой им воды и
получаемой ею при этом скорости.
По той причине, что гребной винт ускоряет поток воды в плоскости
лопастей, его продвижение в воде за один оборот меньше геометрического
шага. Вследствие этого действительная скорость винта по отношению к
окружающей воде будет меньше произведения, выражающего как бы
теоретическую скорость.
Необходимо отметить, что бытующее мнение о том, что скольжение
относится к вредным явлениям, уменьшающим эффективность гребного винта,
принципиально неверно. Это не пробуксовка колес наземного транспорта, а
физическая закономерность, без которой не может работать реактивный
гидравлический движитель. Чем больше скольжение, тем больше упор
движителя, но меньше поступь.
Представленное выше выражение для S называется кажущимся скольжением в
отличие от действительного, учитывающего действие попутного потока.
Корпус моторного судна занимает в воде определенный объем. При движении
судна в освобождающееся пространство устремляется вода. Кроме того,
корпус увлекает за собой воду вследствие трения ее о наружную обшивку.
Эта струя, которую корпус как бы <тянет> за собой, называется попутным
потоком. Скорость попутного потока va меньше скорости хода судна у.
Отношение этих скоростей называется коэффициентом попутного потока, оно
характеризует относительное уменьшение скорости потока в диске винта
из-за влияния корпуса.
Нагнетающая поверхность лопастей работающего гребного винта испытывает
повышенное давление, в то время как на засасывающей поверхности
вследствие увеличения скорости обтекания создается некоторое разрежение.
При большой скорости обтекающего лопасть потока, складывающейся из
скорости мотосудна и скорости вращения винта, на лопастях винта может
возникнуть кавитация (см. 10). Движение при кавитации сопровождается
грохотом, бурлением и вибрацией. В первой стадии кавитации
гидродинамические характеристики гребного винта практически не
изменяются, однако происходит эрозионное разрушение лопастей. На второй
стадии кавитации, наоборот, эрозия лопастей прекращается, но резко
падает упор гребного винта.
Наступление кавитации зависит от скорости моторного судна, <кружной
скорости винта, дискового отношения, формы профиля, а также глубины
погружения винта, характера набегающего потока, наклона вала и других
факторов.
Другие меры борьбы с кавитацией - уменьшение окружной скорости винта
путем установки редуктора между коленчатым и гребным валом (если это
возможно), применение сегментных сечений лопасти, уменьшение толщины
лопасти, увеличение глубины погружения винта и уменьшение
неравномерности подтекания воды к винту.
В практике эксплуатации речных судов известны случаи, когда для
уменьшения эрозии лопастей, попадающих в первую зону кавитации, у корня
лопастей просверливали сквозные отверстия. Перетекание воды из зоны
повышенного давления в зону разрежения через эти отверстия приводит к
уменьшению пика разрежения на засасывающей поверхности лопасти
(естественно, при некотором уменьшении к. п. д. винта).
Ниже этого предела целесообразно использовать суперкавитирующие гребные
винты, обладающие в этих условиях более высокой эффективностью, чем
обычные. Кроме того, суперкавитирующие винты могут работать при более
высоких числах оборотов, что устраняет необходимость установки
редуктора.
Режим суперкавитации характерен тем, что каверна охватывает всю
засасывающую поверхность лопасти и простирается на значительное
расстояние от нее, поэтому в отличие от обычных винтов суперкавитирующие
винты создают упор только нагнетающей стороной лопастей.
Вытянутая кавитационная каверна увеличивает сопротивление воды вращению
винта и вредно отражается на работе других лопастей, попадающих при
вращении в зону завихренной воды. В этих условиях число лопастей
гребного винта должно быть минимальным- равно двум (для уменьшения
взаимного влияния лопастей), а профиль таким, чтобы при расчетной
скорости движения судна создавалась устойчивая каверна минимальной
толщины.
С учетом изложенных факторов были разработаны суперкавитирующие гребные
винты. Клиновидный профиль (рис. 174, в) сечения лопасти с острой
входящей кромкой, вогнутой нагнетающей стороной, и смещением
максимальной толщины к выходящей кромке обеспечивает более ранний
переход в область глубоко развитой второй стадии кавитации, быстро минуя
опасную, разрушающую лопасти первую стадию. Острая кромка лучше
рассекает воду при больших скоростях вращения винта, а малый входной
угол лопасти обеспечивает наименьшую толщину кавитационной каверны и
достаточно высокий к. п. д.
Относительную толщину профиля выбирают минимально допустимой по условиям
прочности при данном упоре. Дисковое отношение суперкавитирующих винтов
определяют исходя из условия обеспечения прочности; обычно дисковое
отношение таких винтов составляет 0,6-0,8.
В промышленных условиях характеристики суперкавитирующих гребных винтов
определяют по данным испытаний в так называемых кавитационных трубах.
Этот метод в условиях любительского судостроения применить невозможно.
Поэтому остается основной путь - подбор и доводка элементов винта по
результатам испытаний натурного судна. В то же время для определения
характеристик обычных винтов существуют более или менее точные методы
расчета.
Прежде чем приступить к расчету гребного винта, проектант должен ясно
представить себе, как отдельные элементы винта (диаметр, шаговое
отношение, число лопастей и т. п.) влияют на его работу и эффективность.
