Конструкторам и строителям лодок с воздушными винтами

Не часто встретишь лодку, движимую воздушным винтом. И это неудивительно — плотность воздуха в 840 раз меньше воды. А поскольку как гребной водяной, так и воздушный винт работают на реактивном принципе, то тяга и эффективность воздушного винта зависят главным образом от того, какая масса воздуха и с каким ускорением отбрасывается назад. Чем больше эта масса и чем выше скорость потока воздуха за винтом, тем большую тягу развивает движитель. Потому-то и приходится воздушный винт делать намного большего диаметра, чем водяной, и сообщать гораздо более высокую частоту вращения, чтобы получить сравнимую тягу. И даже при этом конструкторам катеров с воздушными винтами редко удается добиться достаточно высокого коэффициента полезного действия движителя.

Кроме сравнительно низкой эффективности и больших габаритов воздушные винты имеют и другие недостатки. Так, их работа сопровождается повышенной шумностью, а винт необходимо защищать решеткой и надежным ограждением, чтобы исключить возможность травмировании водителя или пассажиров. И тем не менее в ряде случаев именно воздушный винт может оказаться самым удобным, если не единственным, вариантом движителя для катера. Речь идет о мелководных или заросших водорослями реках И озерах, где не пройти даже водометному катеру.

Предлагаемая ниже статья Ю. В. Шукевича адресуется прежде всего самодеятельным конструкторам и строителям лодок с воздушными винтами. В ней автор делится своим опытом подбора винта к небольшой мотолодке, а также приводит заимствованные им из ряда других источников материалы по ориентировочному расчету воздушного винта и конструированию его профиля.

Следует заметить, что воздушные винты могут применяться не только на быстроходных глиссирующих лодках.

Например, двигатель мощностью 3 л. с. с воздушным винтом D=1,4 м дает тягу около 20 кг. Такой тяги вполне достаточно, чтобы сообщить легкой лодке скорость 10—15 км/ч, поэтому для небольших водоизмещающих лодок или катамаранов, там где нужна хорошая проходимость, вполне возможна установка маломощных моторов с воздушным винтом. К тому же изготовить небольшой винт фиксированного шага с установкой его непосредственно на вал двигателя гораздо проще, чем, например, водомет, а проходимость лодки будет, конечно, лучше.

---

Для постройки мотолодки (рис. 1) я применил обводы типа морских саней, один из проектов которых был опубликован в 13-м номере (рис. 2). Корпус длиной 4,0 м и шириной 1,4 м построен на шпангоутах из 10-миллиметровой фанеры и продольном наборе из сосновых реек. Обшивка днища из фанеры БП-1 толщиной 3,5 мм, борта — толщиной 2,5 мм. Корпус оклеен снаружи стеклотканью на эпоксидной смоле. В носу и в корме вклеены блоки пенопласта.

Запланированный двигатель от мотоцикла «М-62» достать не удалось. Пришлось собирать его из деталей двигателя ИЖ «Планета» и мотопомпы МП-800. Мощность этого агрегата составила около 30 л. с., вес в сборе 42 кг.

Корпус подшипников вала воздушного винта, сам вал и втулка переделаны из соответствующих деталей хвостового винта вертолета «МИ-1», отслуживших свой срок. Лопасти винта я изготовил из сосны и оклеил их капроном на смоле ЭД-5. Винт диаметром 1,7 м реверсивный, изменяемого шага. Передача на винт от двигателя осуществляется цепью от мотоцикла «ИЖ-56». Двигатель и привод воздушного винта установлены на раме из хромансиловых труб.

Поскольку в конструкции были использованы уже готовые детали, рассчитанные на значительно большие мощности, общий вес установки оказался довольно велик — около 100 кг. Для упрощения топливной системы на раму винта пришлось также вынести и расходный 15-литровый бензобак (рис. 3, 4).

При обкатке двигателя была замерена тяга винта на месте — при открытии дросселя на 2/3 она оказалась равной 80 кг.


Лодка была испытана на озере Кенон. На полном ходу она проходила через сплошные заросли камыша и травы (скорость от этого не падала), шла вдоль берега по глубине 8—10 см, не задевая дна. Лодка неплохо шла и по довольно высокой волне, на режиме глиссирования хорошо управлялась, скорость с одним водителем достигала 45 км/ч, с двумя пассажирами — 42 км/ч.

К воде лодка доставлялась на прицепе за мотоциклом. Если запустить двигатель лодки на прицепе, то она легко толкает впереди себя мотоцикл с коляской. Так что и по льду она должна идти так же легко.

Выявились и недостатки конструкции. Сильно вибрировала на ходу цепь (число оборотов звездочки составило около 5000 об/мин), недостаточно эффективным оказался водяной руль, особенно при малой скорости лодки. За зиму была заменена цепь клиноременной передачей, которая работает бесшумно и выдерживает большие обороты. Для повышения тяги вокруг винта была установлена профилированная насадка с зазором 6 мм. Однако прироста тяги она не дала, при уменьшении же зазора до 2 мм на переходных режимах двигателя кольцо начинало вибрировать и винт задевал его. В будущем предполагается повысить тягу винта, увеличив его диаметр и установив редуктор. Однако и полученные результаты можно считать неплохими. Скорость 45 км/ч при полной нагрузке в 280—300 кг и хорошая проходимость вполне окупают усилия, затраченные на постройку.

Основная трудность, с которой может столкнуться строитель такой мотолодки, — это расчет воздушного винта. Ниже приводится ряд практических рекомендаций по подбору основных элементов воздушных винтов, заимствованных из ряда источников (перечень их приводится в конце статьи).

Диаметр винта

Желание получить наибольшую тягу и к. п. д. винта заставляет использовать винты большого диаметра или увеличивать число оборотов. Но и тот и другой путь имеют свои пределы: увеличение диаметра, как правило, ограничивается конструктивными соображениями (например, нежелательно, чтобы кромки лопастей выступали за габарит ширины лодки), а при увеличении оборотов окружные скорости концов лопастей приближаются к значению скорости звука и к. п. д. винта резко снижается. При этом критической частоты вращения деревянные винты достигают быстрее, чем металлические (рис. 6 и 7).

Увеличение диаметра ухудшает также остойчивость мотолодки, ее проходимость по камышам и тростнику, снижает мореходность, увеличивает габариты установки и вес.

Обычно диаметры воздушных винтов даже при мощном двигателе не превышают 2,5 м. Для определения диаметра винта можно воспользоваться формулой:


или


где W_к — окружная скорость конца лопасти, м/с;


n_в — число оборотов винта в мин;
N — мощность двигателя, л. с.;
n — число оборотов винта в сек.

Повысить силу тяги можно и без увеличения диаметра, увеличив число лопастей до 3 и даже 4. Правда, к. п. д. многолопастных винтов из-за работы лопастей в более возмущенном потоке несколько снижается. При расчете многолопастного винта вводят поправочный коэффициент k₂=0,9.

Для расчета диаметра двухлопастного винта с лопастями нормальной ширины коэффициент k₂=1,0 (при b_max=0,08÷0,09); двухлопастного винта с узкими лопастями k₂=1,1 (b_max=0,06÷0,07); щелевого двухлопастного винта с очень широкими лопастями k₂=0,14÷0,2 (всюду b_max=b_max/D; b_max — максимальная ширина лопасти).

Форма и размеры поперечного сечения лопасти

Наиболее часто для воздушных винтов применяют плоско-выпуклые сегментные и авиационные профили. Основными геометрическими характеристиками профилей являются величина хорды b и толщина профиля С (рис. 8). Относительной толщиной профиля называется отношение c=C/b; профили бывают: толстые (c=0,21÷0,15), средние (c=0,12÷0,1) и тонкие (c<0,1).

Увеличение ширины лопасти не дает выигрыша — за счет роста ее веса снижается к. п. д. винта; это объясняется тем, что с увеличением ширины увеличивается и толщина лопасти. Характерным поперечным сечением лопасти винта является ее сечение на радиусе, равном 0,75 R. Величина хорды профиля этого сечения называется средней хордой лопасти b_0,75. Для ее расчета можно рекомендовать формулу:


где k — число лопастей;
С_у — средний коэффициент подъемной силы данного профиля, определяемый по графику (рис. 9).


Вычислив значение средней хорды лопасти b_0,75, необходимо определить ее относительную ширину: b_отн=b_0,75/D; для деревянных винтов эта величина должна находиться в пределах от 0,08 до 0,12. Широкие лопасти с b_0,75>0,12 будут иметь меньший к. п. д. Если окажется, что относительная ширина лопасти не укладывается в рекомендуемые пределы, значит, параметры винта выбраны не совсем удачно. В атом случае можно изменить ширину лопасти за счет изменения окружной скорости, либо увеличить количество лопастей винта. Лучше делать винт с одинаковой шириной лопасти по всей длине с прямоугольным широким концом (рис. 10).

Значение относительных толщин профилей лопасти должны быть: у ступицы — 0,18÷0,2, в сечении на R_0,75 — 0,14÷0,13 и на концах лопастей — 0,07÷0,1.

Большие относительные толщины целесообразно применять на тихоходных винтах с окружной скоростью конца лопасти до 180 м/с.

Шаг винта или средний угол установки сечения, расположенного на радиусе 0,75 R, относительно плоскости вращения винта, определяется по формуле:


Углы установки остальных сечений φ_н определяются по относительной величине φ, снимаемой с графика (рис. 11):


Тягу винта можно определить по формуле:


где η — к. п. д. винта;
Δ — относительная плотность воздуха (при нормальных условиях численно равна 1);
D — диаметр винта в м;
N — мощность, подводимая к винту, в л. с.


или


где К₁ для двухлопастного винта равен 7,5.

В заключение приводятся примеры расчета винтов, сделанные для описываемой мотолодки.

---

Приводятся расчеты деревянного, реверсивного винта с цепным редуктором (винт 1) и металлического винта (винт 2) для установки прямо на вал двигателя (угол установки лопастей можно регулировать при остановленном двигателе).

Исходные данные: мощность двигателя — 30 л. с.; обороты коленвала — 3600 об/мин; передаточное число редуктора — 2.

I. Подбор диаметра винта. Для деревянного винта 1 я выбрал окружную скорость Wк=160 м/с, соответствующую наибольшему к. п. д., тогда (1)


Во втором случае я выбрал диаметр винта 2 из конструктивных соображений равным ширине лодки 1,4 м. Критические обороты для винта из металла диаметром 1,4 м находим по графику из рис. 7 n=4000 об/мин, а фактически 3600 об/мин, следовательно,


По графику (рис. 6) находим значение к. п. д. η=0,6, что, конечно, меньше, чем для деревянного винта, но зато в данном случае не будет потерь мощности в редукторе.

II. Определяем тягу винта (7):


где N взята с учетом потерь в редукторе;


Этот результат почти совпадает с динамометрическими испытаниями на швартовых — тяга оказалась равной 80 кг.

III. Определяем ширину лопасти для данных винтов на расстоянии 0,75 R (3):


Во втором случае лопасть получается уже, что выгоднее.

IV. Определяем угол установки сечения по лопасти на расстоянии 0,75 R (4):


По рис. 11 можно определить углы установки сечений на любом радиусе. Если винт изменяемого шага, то важно правильно сделать лишь крутку лопасти, т. е. угол атаки лопасти можно менять в зависимости от условий плавания (шаг деревянного винта я могу менять от —1 м до +1,5 м). Если же винт постоянного шага, то ошибка в определении шага может привести к тому, что двигатель не потянет такой винт или будет работать не на полную мощность.

Вес одной лопасти первого винта 2,5 кг. Второй винт я отлил из дюралюминиевого сплава. Вес его лопасти 3 кг.

Установка винта без редуктора позволила снизить вес винтомоторной установки на 30 кг.

Рекомендуемая литература

• 1. «Аэросани». И. Н. Ювенальев, изд. ДОСААФ, 1962 г.
• 2. Журнал «Моделист-конструктор», № 9, 1968 г., № 11, 12 за 1970 г., изд. «Знание», № 11 за 1967 г.
• 3. Брошюра серии «Транспорт», изд. «Знание», № 11 за 1967 г.

В этой литературе приводятся расчеты винтов для установки на аэросанях. Но так как условия работы винтов на аэросанях сходны с условиями работы на глиссирующих лодках, можно воспользоваться этими расчетами, учтя некоторые особенности работы винтов на лодках.