Повышение эффективности гребного винта на катере

Xодовые качества катера в значительной мере зависят от к. п. д. гребного винта:


где η_a — осевой к. п. д., учитывающий потери, связанные с затратами энергии на создание осевых вызванных скоростей потока;
η_t — окружной к. п. д., учитывающий потери на окружные вызванные скорости потока;
η_e — конструктивный к. п. д., учитывающий профильные потери на лопастях винта.

Кроме этих основных, существуют еще дополнительные потери, связанные с влиянием центробежных сил, поджатием струи, неравномерностью набегающего потока, сопротивлением ступицы винта, и концевые потери, обусловленные перетеканием жидкости с нагнетающей поверхности лопасти на засасывающую.

Практически, при существующей методике проектирования гребного винта и достаточно высокой чистоте обработки лопастей, профильные потери обычно малы, поэтому повышение эффективности движителя ведется в основном за счет повышения осевого и окружного к. п. д., а также за счет уменьшения некоторых из перечисленных дополнительных потерь.

Для повышения осевого к. п. д., уменьшения поджатия струи и концевых потерь в ряде случаев применяют направляющие насадки. Для повышения окружного к. п. д. используют контрвинты или соосные винты противоположного вращения (последние — крайне редко ввиду сложности привода). Контрвинты, или контрпропеллеры, устанавливаются как с открытым гребным винтом, так и с закрытым (т. е. работающим в насадке, водомете), как перед винтом (в этом случае контрвинт называют направляющим аппаратом, сокращенно — НА), так и за винтом (тогда контрвинт называют спрямляющим или выправляющим аппаратом — ВА).

Известно, что осевые и окружные вызванные скорости возрастают с увеличением удельной нагрузки на движитель (л. с./м²); следовательно, при этом будут увеличиваться и потери. Поэтому установка насадок и контрвинтов наиболее эффективна для судов с большой удельной нагрузкой на движитель — буксирных катеров, но может оказаться полезной и на прогулочно-туристских судах (например, при использовании «быстроходных» двигателей на тихоходных водоизмещающих катерах, так как в подобных случаях движитель может работать при значительных нагрузках).


Для оценки эффективности насадки при различных режимах работы гребного винта приведена диаграмма (рис. 1). По ней можно установить, на сколько увеличится η — к. п. д. комплекса винт — насадка по сравнению с открытым винтом. Кривые построены для оптимального диаметра винта в зависимости от коэффициента К_n, вычисляемого по заданным значениям скорости хода, числа оборотов винта и мощности:


где v_p = v(1—w) — скорость воды в диске винта, м/с;
v — скорость хода судна, м/с;
w = 0,04 — коэффициент попутного потока; для катеров с хорошим подтеканием воды к винту можно принимать w=0; тогда v_p=v;
n — число оборотов гребного винта, об/с;
ρ — массовая плотность воды (102 кг.с²/м⁴);
N_p=N_eη_b — мощность, подведенная к винту, л. с.;
N_e — эффективная мощность на фланце двигателя, я. с.;
η_e — к. п. д. валопровода.

Установка насадок становится выгодной при К'_n < 2,9.

( По тому же графику (рис. 1), зная К'_n можно определить значения относительной поступи λ и шагового отношения H/D, а затем определить диаметр винта:


и шаг для обоих случаев, т. е. для винта без насадки и в насадке. Если речь идет об уже эксплуатируемом катере, это дает возможность оценить степень соответствия элементов существующего гребного винте элементам расчетного винта с оптимальным D.

Целесообразность установки контрвинта (НА или ВА) на данном режиме можно уточнить по графикам (рис. 2, 3, 4), построенным на основании расчетов исходя из условия полной ликвидации потерь на закрутку потока.


Пользоваться этими кривыми очень просто. Например, для винта в насадке известно H/D = 1,03 и λ = 0,5. Это значит, что (рис. 3, 4) установка НА дает в данном случае увеличение к. п. д. комплекса на 6,2%, а установка ВА — на 5%, т. е. менее выгодна.

Для открытого винта при H/D = 0,84 и λ = 0,48 (рис. 2) увеличение к. п. д. при установке НА или ВА составит 4,2%. При этом немаловажно, что установка контрвинта (НА или ВА) влияет на загрузку винта незначительно; благодаря этому ранее вычисленные D и Н винта можно оставлять без изменений.

Контрвинт обычно состоит из ступицы и пяти лопастей с профилем авиационного типа. Ширина лопасти контрвинта с винтом в насадке принимается постоянной по радиусу и равной 0,2D. При открытом винте ширину лопасти можно принимать постоянной и равной 0,2D только до 0,5R (здесь R — радиус лопасти), е далее к периферии следует делать ее эллипсовидной (рис. 5).

Эффективность контрвинта зависит в основном от углов установки сечений лопасти по отношению к плоскости диска. Эти углы β_k для контрвинта в насадке определяются по графику (рис. 6), полученному на основании расчетов и экспериментов для трех сечений лопасти на различном относительном радиусе г = r√R, Углы установки сечений лопасти контрвинта с открытым винтом на г = 0,5 определяются по рис. 7, а на г = 0,2 и 1,0 — по формулам:


где индексом k помечены углы для контрвинта в насадке, снятые с рис. 6.


Изготовление насадки не вызывает больших трудностей; ее можно выточить на токарном станке из металла или сделать из стеклопластика по технологии, рассмотренной в №51 сборника в статье В. В. Вейнберга «Насадка на гребной винт подвесного мотора». Основные относительные размеры и ординаты профиля насадки показаны на рис. В. Крепление ее к корпусу катера зависит, естественно, от конструктивных особенностей кормы.

Изготовление контрвинта представляет более сложную и трудоемкую работу. Лопасти вырезаются из листовой стали толщиной 5—8 мм по шаблону и обрабатываются для придания переменной толщины и заданного профиля сечеиий.

Наибольшая толщина лопасти у корня должна удовлетворять требованиям прочности, но не превышать значения e_k=(0,10÷0,12)b, где b — ширина лопасти, а на кромке должна быть в 2—3 раза меньше, чем у корня: здесь e_k=(0,33÷0,5)е_k. В любом сечении наибольшая толщина лопасти определяется построением диаграммы наибольших толщин по рис. 9; там же приведены размеры авиационного профиля лопасти.
Обработанную лопасть скручивают, зажав корневой ее конец в тисках, так, чтобы каждое сечение ее было развернуто под углом β/(β_k) сторону, указанную на рис. 5 по отношению к направлению вращения винта. Лопасти приваривают к ступице, обрабатывают напильником, проверяя профиль по шаблонам, и шлифуют наждачной бумагой и пастой до 7 класса чистоты.

Ступица контрвинта должна иметь удобообтекаемую форму; диаметр ее принимается равным диаметру ступицы винта.

Лопастям НА придается стреловидная форма для обеспечения лучшего обтекания и отбрасывания предметов, засасываемых винтом. Контрвинт устанавливается на расстоянии ~0,320 от середины лопасти винта и жестко крепится к корпусу катера или насадке.

Целесообразность установки ВА для водометного движителя можно приблизительно оценить по рис. 4 (НА в данном случае обычно оказывается менее эффективным), а проектирование и изготовление его аналогичны варианту с ВА в насадке. Насадка и НА, являясь средством повышения к. п. д. винта, обеспечивают также и его защиту, что особенно важно для туристских катеров, плавающих по засоренным и мелководным водоемам.