Гребной винт - устройство, преобразующее вращение вала двигателя в упор - силу, толкающую судно вперед. Он состоит из ступицы и нескольких (две и более) лопастей. Лопасть судового гребного винта представляет собой гидродинамический профиль, работающие под определенным углом наклона к водному потоку, отбрасывая его и создавая таким образом упор. Лопасть име входящую и выходящую кромки и рабочую (нагнетающую) поверхность. Физическая суть работ гребного винта достаточно проста - при вращении на поверхности его лопастей, обращенный сторону движения судна образуется разрежение, а обращенных назад - повышенное давлен воды. Разность давлений создает силу, одна из составляющих которой и двигает судно вперед.
Упор в большой степени зависит от угла атаки профиля лопасти. Оптимальное значение этого угла для быстроходных катеров 4 - 8°. Основные понятия при рассмотрении темы и характеристик гребного винта:
Шаг гребного винта - геометрическое перемещение (расстояние) любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот гребного винта при условии, что он совершает его в условно твердой среде.
Диаметр винта - диаметр окружности в которую вписаны спрямленные лопасти гребного винта (рис. 124).
Рис. 124. Шаг, диаметр гребного винта: 1 - один оборот; 2 - номинальный шаг; 3 — диаметр.
Шаговое отношение - отношение шага винта к диаметру.
Дисковое отношение - отношение площади спрямленных лопастей (без ступицы) к площади диска, диаметр которого равен диаметру гребного винта (рис.126).
Рис. 126. Гребные винты с разным дисковым отношением q: а-Ө = 0,3; б — Ө = 0,4; в — Ө = 0,5; г-Ө = 0,6.
Шаговое и дисковое отношения являются основными параметрами гидродинамических характеристик гребного винта, от которых зависит степень использования мощности двигателя и достижение максимально возможной скорости судном. Каждому гребному винту конкретного размера и фиксированного шага присуща своя винтовая характеристика. В принципе, для каждого корпуса судна и двигателя должен подбираться свой оптимальный гребной винт. Процесс расчета гребного винте сложен и базируется на использовании существующих графиков и диаграмм определения диаметра и шага винта в зависимости от мощности на валу. Для малых нагрузок и больших скоростей обычно выбирается двухлопастной гребной винт, для нормальных нагрузок (на катерах) - трехлопастной, для больших нагрузок и малых скоростей — четырехлопастной.
Применение пятилопастного гребного винта значительно уменьшает вибрацию. Скольжение винта - явление, возникающее при работе гребного винта в водной среде под нагрузкой, представляет собой разность между расчетным шагом винта и фактически пройденным расстоянием за один оборот. Скольжение почти никогда не бывает менее 15% шага винта, в большинстве случаев равно 30%, иногда - около 45-50% шага винта. Коэффициент полезного действия (КПД) винта - отношение полезно используемой мощности к затраченной мощности двигателя, зависит, в основном, от диаметра и частоты вращения винта. КПД является оценкой эффективности работы гребного винта, его максимальная величина может достигать 70-80%, на малых судах 45-50%. Знать КПД винта необходимо для производства расчетов проектируемой скорости судна. КПД гребных винтов рассчитывается также по многочисленным графикам и диаграммам, основой которых служит коэффици мощности (коэффициент нагрузки) - отношение произведения мощности двигателя, отдани винту, на частоту его вращения к поступательной скорости винта в попутном потоке. Большинство гребных винтов работает с коэффициентами нагрузки в пределах от 1 до 10. Структура коэффициента нагрузки показывает, что к высокому КПД гребного винта приводят небольшая мои ность двигателя, низкая частота вращения и высокая скорость. Направление вращения гребни винта (рис. 125) в судовождении (правое - по часовой стрелке, левое - против часовой стрел» устанавливают глядя с кормы в нос при работе винта на передний ход и определяют только да переднего хода.
Рис. 125. Гребные винты правого и левого вращения
Кавитация - явление "вскипания" воды и образования пузырьков пара на заа сывающей стороне лопасти винта. При разрушении пузырьков создаются огромные местные да; ления, что является причиной выкрашивания лопасти. При длительной работе эти разрушены достигают больших величин, сказывающихся отрицательно на работе винта. Вторая стадия га тации - возникновение на лопасти сплошной каверны, которая иногда может замыкаться даже) ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивл ния и искажения формы лопастей. При изменении шага и диаметра винта больше или мены оптимальных значений возникают моменты, когда двигатель или не в состоянии вращать винт большей частотой оборотов (не развивает номинальной мощности), либо, наоборот, не только развивает, но и легко превышает значение номинальной частоты вращения коленвала, a поскольку упор винта мал - судно все равно не развивает большой скорости. В этом случае вступают в силу понятия легкий (тяжелый) винт, которые также относятся к числу винтовых характеристик, о которых было сказано выше.
Гребные винты изготавливают из бронзы, латуни, нержавеющей и углеродистой сталей, чугуна. Для гребных винтов малых судов применяют пластмассу. Металлические винты делают литыми с последующей доводкой (обработкой). Задача учета меняющегося сопротивления корпуса судна при изменении его нагрузки и более эффективного использования двигателя в этих условиях достаточно успешно решается применением гребного винта изменяемого шага (винт "мультипитч", не путать с винтом регулируемого шага - ВРШ). Ступица винта - металлическая, взаимозаменяемые лопасти - из полиащ ных смол (последнее время из них изготовлена и ступица винта). Лопасти имеют жестко закрепленные пальцы (рис. 127), которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 входят в пазы поводка 4, имеющего мерную шкалу. При повороте любой лопасти вокруг ее а происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения (уменьшения) шага винт Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой 3. Втулка 5 имеет вну ренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора. От осевого перемещения во втул винт фиксируется гайкой 3 и стопорным винтом 8. Операция смены шага занимает при навыке 5 мин и не требует подхода к берегу и снятия винта.
Рис. 127. Устройство гребного винта - мультипитча: 1 - лопасть; 2 - палец; 3 - стопорная гайка; 4 - поводок; 5 - втулка; 6 - носовая часть ступицы; 7 - кормовая часть ступицы; 8 - стопорный винт; 9 - шайба пружинная; 10 - штифт; 11 - обтекатель ступицы.
Гребные винты регулируемого шага отличаются сложностью устройства, массивной ступицей и большой стоимостью, поскольку разворот лопастей для изменения шага винта у них производится дистанционно, в процессе работы (вращения). Преимущества ВРШ: возможность использования полной мощности двигателя на различных режимах движения судна и получения всего диапазона скоростей без изменения направления и частоты вращения гребного вала; экономия горючего и увеличение моторесурса двигателя. Недостатки ВРШ: сложность конструкции, снижение КПД двигателя из-за увеличенного размера ступицы и искажения профиля лопастей при их развороте на промежуточных режимах работы, низкая эффективность на заднем ходу. Для повышения КПД гребного винта на тяжелых водоизмещающих судах достаточно часто применяется кольцевая профилированная насадка (рис. 128), представляющая из себя замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем.. Площадь входного сечения насадки больше площади выходного, винт устанавливается в наиболее узком месте и с минимальным (0,01 D винта) зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки. При работе винта засасываемый поток увеличивает скорость из-за уменьшения проходного сечения насадки, вследствие чего уменьшается скольжение винта. Дополнительный упор создается и на самой насадке (из-за обтекания водой подобно крылу).
Рис. 128. Кольцевая профилированная насадка.
