Определить картину распределения скоростей и давлений до постройки и специальных испытаний судна очень трудно, однако теория и практика судостроения выявили основные обстоятельства, которые сопровождают работу гребного винта на идущем судне, и нашли наиболее разумные способы учитывать их.
Выбирая место и положение гребного винта на малом судне водоизмещающего или глиссирующего типа, надо принимать во внимание следующие обстоятельства.
Влияние корпуса судна на работу винта
Корпус влияет на работу винта прежде всего тем, что за ним движется попутный поток. Если винт работает в попутном потоке — это хорошо, так как скорость винта по отношению к попутному потоку меньше, чем скорость встречи с неподвижной водой, а чем меньше скорость винта по отношению к встречаемой воде, тем больше создаваемый винтом упор. Наибольший упор винт развивает, когда его скорость по отношению к воде равна нулю, т. е. когда судно стоит на швартовах.
Попутный поток имеет место не только за кормой, но и неглубоко под днищем. Скорость попутного потока по сравнению со скоростью хода судна тем больше, чем полнее и тупее обводы кормы. Скорость движения винта по отношению к попутному потоку можно определять по номограмме (рис. 1).
Корпус может оказывать и вредное влияние на работу винта. Если винт расположен по отношению к корпусу так, что корпус мешает свободному подтоку воды прямо навстречу винту (по оси винта) — это очень плохо. Лопасти винта рассчитаны на то, что они будут работать в достаточном количестве воды, подтекающей к ним в направлении оси винта; если же винту воды «не хватает», он работает с неполной отдачей.
Влияние винта на сопротивление корпуса
При работе винта перед ним создается разрежение, которое ускоряет поток устремляющейся к нему воды. Если кормовая часть судна омывается этим ускоренным потоком, она испытывает сопротивление большее, чем если бы винт не подсасывал к себе воду. Чтобы преодолеть это добавочное сопротивление, винт должен развивать дополнительный (сверх необходимого для преодоления буксировочного сопротивления судна) упор.
Это явление называют взаимным подсосом между винтом и корпусом. Чем больше сила взаимного подсоса, тем большая доля упора тратится бесполезно на сжатие воды между винтом и корпусом. Чем дальше от кормы расположен винт, тем меньше сила подсоса. Если через R обозначить буксировочное сопротивление корпуса (без работающего винта), а через t — отношение силы подсоса к полному упору (эта величина называется коэффициентом подсоса), то величину полного упора винта Р можно выразить так:
Для быстроходных катеров можно принимать t = 0,05÷0,08.
Влияние подводных выступающих частей на поток, набегающий на винт
Поток, подтекающий к винту, должен быть прямолинейным и сплошным (без «пустот»), а его скорость должна быть одинаковой по всему диску винта и направленной по оси винта.
Если вблизи, перед винтом стоят выступающие подводные части (гребной вал, кронштейн гребного вала, подводная часть ноги подвесного мотора и т. п.), то они могут нарушать сплошность и прямолинейность потока, из-за чего часть винта может оказаться в «пустоте» (рис. 2). Конечно, это вредно отражается на работе винта. Кроме того, если, как это иногда бывает на реданных глиссирующих судах, часть гребного вала оказывается над водой, вдоль вала к винту может проникать воздух, что также очень вредно.
Возможность проникания воздуха к винту с поверхности воды
Если винт погружен недостаточно глубоко, разрежение перед ним во время работы может вызвать подсос воздуха с поверхности воды, что резко снижает эффективность винта. Иногда с поверхности воды воздух проникает только на стоянке, а на ходу судна поступление воздуха прекращается. Чтобы предотвратить доступ воздуха с поверхности воды, на остроскулых судах винт располагают под днищем; иногда для той же цели за транцем устанавливают горизонтальную, так называемую антикавитационную, пластину (рис. 3).
Влияние места расположения и наклона оси винта на дифферент судна
Дифферент судна отражается на его сопротивлении. Особенно велико влияние дифферента на сопротивление глиссирующих и полуглиссирующих судов. Дифферент судна на ходу зависит не только от положения ЦТ вдоль судна, но и от величины и направления всех сил, действующих на корпус; в числе этих сил особенно большое влияние оказывает упор гребного винта. Если линия действия упора проходит ниже ЦТ судна, упор увеличивает дифферент на корму (рис. 4, а), а если выше ЦТ — увеличивает дифферент на нос (рис. 4, б). Влияние места расположения и наклона оси винта тем больше, чем больше упор и чем дальше от ЦТ судна проходит линия его действия.
Влияние угла наклона оси винта к горизонту на снижение к. п. д. винта
Гребной винт рассчитан на то, что он будет работать в потоке, набегающем на него по направлению его оси. Если ось винта наклонена к горизонту, поток будет набегать на винт под некоторым углом к оси (рис. 5); чем больше этот угол, называемый углом скоса потока, тем ниже эффективность винта. Скос потока сказывается тем больше, чем больше скорость хода. Угол скоса, меньший 10°, на малых скоростях сказывается на величине к. п. д. очень слабо.
Одновременно со снижением к. п. д. при косом обтекании винта на нем развивается поперечная сила, направленная под прямым углом к оси винта и под тупым углом к потоку (рис. 6). На судах быстроходных с винтом небольшого диаметра поперечная сила может оказаться значительной. Поперечная сила на винте развивается и при повороте судна, когда из-за дрейфа судна поток набегает на винт сбоку.
Некоторое представление о том, насколько снижается к. п. д. винта при косом обтекании, дают следующие цифры. Если при угле наклона 10° на малой скорости к. п. д. снижается на 0,8%, то на очень большой скорости он может снизиться на 5,5%; если, например, при угле скоса 20° к. п. д. снижается на малой скорости на 4%, то на очень
большой скорости он падает на 8%. Более точные данные о том, как снижается к. п. д. при косом обтекании, можно найти в статье А. А. Оскольского «Расчет основных элементов катерных гребных винтов» в первом выпуске сборника.
Влияние угла наклона оси винта к горизонту на уменьшение горизонтальной и увеличение вертикальной составляющих упора
Упор винта должен преодолевать сопротивление судна. Сопротивление направлено горизонтально; следовательно, и упор должен быть направлен горизонтально; Если же упор будет направлен под углом к горизонту, то сопротивление будет преодолеваться не всей величиной упора, а только его горизонтальной составляющей (равной упору, умноженному на косинус угла наклона), что, конечно, невыгодно. При наклонном расположении упора появляется его вертикальная составляющая, которая стремится, поднимая судно из воды, уменьшить его водоизмещение и, следовательно, снизить его сопротивление. Вертикальная составляющая равна упору, умноженному на синус угла наклона (рис. 7).
Если сопротивление судна слабо зависит от водоизмещения и притом кривая сопротивления с ростом скорости поднимается очень круто, как это имеет место, например, для водоизмещающих судов, поднимать судно, затрачивая на это часть упора, невыгодно (рис. 8); если же сопротивление очень чувствительно к величине водоизмещения и, к тому же, кривая сопротивления очень пологая, как это имеет место для судов глиссирующих, то в некоторых случаях может оказаться очень выгодным уменьшить погружение судна, расходуя на это масть упора (рис. 9).
Влияние наклона оси винта на угол наклона двигателя
Выбирая угол наклона оси винта по отношению к судну, следует помнить, что с этим углом связан и угол установки двигателя. Если угол наклонд двигателя к горизонту окажется слишком большим (этот угол равен углу наклона двигателя на месте плюс угол, на который на ходу увеличится дифферент судна), нормальная смазка и работа двигателя могут быть нарушены. Каждый двигатель имеет свой предельный угол наклона, указанный в его паспорте.
Влияние места положения винта и угла наклона его оси на расположение двигателя
Место, выбранное для расположения гребного винта, и угол наклона его оси очень часто влияют не только на установочный угол двигателя, но и на расположение его по длине судна. Для установки двигателя в данном месте судна необходимо, чтобы расстояние от оси коленчатого вала до нижней точки двигателя (обычно — картера) было не больше определенной величины. Невозможность установить двигатель в данном месте может заставить изменить внутреннее размещение на судне и, следовательно, его центровку, что повлечет за собой необходимость пересмотра всего проекта и, во всяком случае, гидродинамического расчета.
Действие струи, отбрасываемой гребным винтом, на эффективность руля
Эффективность руля зависит от скорости потока, обтекающего его перо. Если перо находится в потоке, который отбрасывается винтом, то оно обтекается с большей скоростью, чем если бы оно стояло вне этого потока. Поэтому для повышения поворотливости судна всегда стремятся расположить руль в потоке за винтом. Чем ближе к рулю расположен винт, тем больше эффективность руля и тем лучше поворотливость судна.
Влияние руля на раскручивание потока, отбрасываемого гребным винтом
Гребной винт затрачивает большую долю передаваемой ему мощности на бесполезное винтообразное закручивание отбрасываемого потока. Если на единицу поверхности лопастей приходится большая величина упора (такой винт называют сильно нагруженным), закручивание особенно велико, и в этом случае, препятствуя закручиванию струи, можно сэкономить существенную часть мощности двигателя. Для того чтобы помешать струе закручиваться, за винтом устанавливают небольшие направляющие (специальные профилированные пластины); это приспособление называют контрпропеллером. Таким контрпропеллером может служить руль, расположенный в непосредственной близости к винту и имеющий соответствующие сечения. Чем ближе друг к другу винт и такой руль, тем сильнее эффект контрпропеллера.
Необходимость защиты винта от повреждений на ходу
Защита винта от повреждений при ударах о плавающие предметы, о подводные камни и отмели является не последней заботой конструктора малого судна. Винт, перед которым стоит наклонный гребной вал и кронштейн, лучше защищен от повреждений, чем тянущий винт Z-образной передачи. Винт в корме защищен больше, чем винт в носовой части, так как повышенное давление в воде, вызываемое носовой частью корпуса, отбрасывает в стороны плавающие предметы. В случае плавания по особенно засоренной воде разумно защищать винт специальным ограждением, хотя такое ограждение и будет увеличивать сопротивление.
Удобство осмотра, очистки и смены гребного винта
Выбирая место для гребного винта, надо подумать и о том, чтобы доступ к винту для осмотра был не слишком сложным и чтобы, в случае надобности, снятие поврежденного винта и гребного вала не было связано с необходимостью снятия руля и кронштейна. Конечно, расположение винта за транцем в этом отношении имеет преимущество перед его расположением под днищем.
Не все перечисленные обстоятельства равнозначны. Одни из них имеют большее значение, другие — меньшее. Некоторые из них проявляют себя сильнее на судах водоизмещающих, другие — на глиссирующих. И далеко не всегда удается найти решение, которое учитывало бы все эти обстоятельства в достаточной степени.
Чтобы возможно полнее учесть обстоятельства, связанные с установкой гребного винта, на мелких судах применяют различные схемы передачи вращения от мотора к винту (см., например, рис. 7 в книге В. А. Лазарева «Автомобильные двигатели в катеростроении», Судпромгиз, 1961 г.). Прежде чем выбрать схему силовой передачи, надо познакомиться с ее специфическими особенностями. Одни из них создают большой шум, другие требуют специальной заботы об отводе тепла, выделяемого при работе зубчатых передач, третьи создают слишком кормовую центровку и потому требуют отгиба днища в корме либо установки за-транцевых «горизонтальных рулей»; наконец, одни из них доступны для любительского изготовления, а другие требуют заводского оборудования и т. п.
Судостроение знает много средств улучшить работу гребного винта на судне (контрпропеллеры, кольцевые насадки, тоннели, устройства для регулирования шага винта, специальные меры для устранения кавитации и создания суперкавитации, направляющие устройства перед винтом, подъем части лопасти над водой и т. п.), но применять их разумно только в тех случаях, на которые они рассчитаны. Поэтому прежде чем применить один из этих способов, надо хорошо ознакомиться с его специальным назначением, так как иначе он может причинить только вред.
Оценивая выбранные место и положение гребного винта, надо в первую очередь учитывать главные условия высокой эффективности винта: ось винта на ходу судна должна быть расположена возможно ближе к горизонтали и достаточно глубоко под поверхностью воды; ничто не должно мешать свободному подтоку воды к винту, как и применению винта достаточно большого диаметра.