Это сообщение было с интересом встречено нашими водномоторниками, особенно владельцами моторов «Вихрь», к которому выпускается только один и к тому же достаточно «скоростной» гребной винт с шагом 300 мм.
В редакцию сборника стали поступать письма с просьбой опубликовать чертежи конструкций мультипитча, некоторые читатели самостоятельно разработали несколько конструктивных вариантов таких винтов. В сборниках №44 (1973 г.) и №54 (1975 г.) были даны описания двух конструкций наиболее детально проработанных к тому времени мультипитчей. Более того, гребным винтом изменяемого шага ВИШ (будем его называть так, в отличие от ВРШ — винта регулируемого шага, где изменение шага выполняется дистанционно) заинтересовались и некоторые предприятия. Одно из них — Днепропетровский завод полимерного машиностроения выпустил ВИШ для «Вихрей» в продажу.
Такой резонанс читателей на сообщение о мульти-питче был несколько неожиданным для редакции. Получилось так, что восторженные поборники ВИШ видят в нем идеальный движитель для подвесного мотора. Но давайте все-таки трезво оценим возможности винта изменяемого шага, сформулируем те требования, которым должна отвечать его конструкция, чтобы он был и в техническом и в экономическом отношении конкурентоспособным винту фиксированного шага. И наконец, является ли ВИШ со всех точек зрения — к. п. д., надежности, возможности использовать полную мощность двигателя мотора при различных скоростях движения — равноценным эквивалентом набору из двух-трех обычных винтов различного шага?
Винты регулируемого шага — ВРШ — особенно в последние три десятилетия, получили широкое распространение в «большом» судостроении. Преимущества их применения на крупнотоннажных судах неоспоримы. В условиях, когда гидродинамическое сопротивление воды движению судна изменяется по каким-либо причинам (ход в грузу или порожнем, при буксировке, на волнении) дистанционное изменение геометрического шага винта позволяет поддерживать номинальные обороты главных двигателей, т. е. снимать с них номинальную мощность и обеспечивать максимальную скорость при различных режимах движения. Другими словами, без смены гребного винта (а на больших судах замена винта в пути невозможна) его можно делать гидродинамически «легким» или «тяжелым» в зависимости от режима движения.
Эти винты позволяют установить лопасти даже так, что упор винта или станет равен нулю, или знак упора изменится — судно в первом случае не будет двигаться при вращающемся гребном винте, а во втором начнет двигаться задним ходом без сложных реверсивных устройств или специальных реверсивных двигателей. Реверсирование при помощи ВРШ выполняется очень мягко, без рывков, время выбега — остановка и начало обратного хода — намного сокращается.
Все эти положительные качества и обусловили широкое применение ВРШ на крупных транспортных, рыбопромысловых, буксирных и других судах, несмотря на значительно большую их сложность и, естественно, стоимость. Однако, как и любое «всережимное» устройство, ВРШ обладает рядом недостатков. Например, к.п.д. его на всех значениях шага, кроме расчетного, так называемого конструктивного шага, меньше, чем к.п.д. винтов фиксированного шага, рассчитанных специально на эти промежуточные режимы.
Дело в том, что для изменения геометрического шага винта — уменьшения или увеличения его — в ВРШ вся лопасть поворачивается на какой-то угол. Причем, так как угол постоянен для всей лопасти, значение геометрического шага на различных радиусах лопасти изменяется не на одинаковую величину — распределение шага по радиусу искажается.
Это можно проиллюстрировать примером (рис. 1) поворота лопасти винта в сторону уменьшения шага. Как видим, в этом случае при повороте лопасти на постоянный угол γ шаг сечений на комле и на конце лопасти изменяется в разной степени — у конца уменьшается значительно больше, чем у комля. Обратная картина наблюдается при повороте лопастей в сторону увеличения шага — на конце лопасти он увеличивается на большую величину по сравнению с комлем. Причем при достаточно большом повороте лопастей в сторону уменьшения шага может возникнуть такое положение, когда концевые сечения лопасти будут иметь отрицательный угол атаки — создавать упор заднего хода. Это хорошо видно из графика закона распределения шага по радиусу лопастей ВРШ с конструктивным шаговым отношением H0,65/D=0,8 (рис. 2) — при установочном шаговом отношении менее 0,4 на относительном радиусе 0,65 шаговое отношение у комля будет равно 0,5, а на конце лопасти — нулю.
Но и это не все. При развороте лопасти профиль поперечного сечения ее уже не ложится на спрямленную винтовую линию, а приобретает S-образную форму (рис. 3), что также приводит к искажению фактического шага.
В силу этих причин к. п. д. ВРШ на шагах, отличных от конструктивного, особенно при значительных разворотах лопасти, быстро убывает. Реальные значения величины к. п. д. для ВРШ можно проследить на примере испытанных моделей серии с различными шаговыми отношениями (см. А. А. Русецкий. Гидродинамика винтов регулируемого шага. Л., «Судостроение», 1968). Одна из моделей трехлопастных ВРШ — №4 — имеет конструктивное шаговое отношение Hк/D=1,179, т. е. приблизительно равное шаговому отношению штатного винта «Нептуна-23» или «Москвы-30». Значения к. п. д. сняты с диаграммы при относительной поступи
равной 0,8 (для указанных моторов — при скорости 36 км/ч).
При повороте лопасти в сторону уменьшения шага на 2,5° шаг винта на относительном радиусе г=0,7 (Р=85 мм) становится равным 246 мм, при повороте на 5° — 216 мм, т. е. почти таким же, как у имеющихся в продаже винтов уменьшенного шага для этих моторов. К. п. д. винта при этом почти не меняется и примерно равен 0,6. При повороте лопастей в сторону увеличения шага на 5° (шага 340 мм) к. п. д. падает до 0,57. Но если этот же винт использовать на лодке с максимальной скоростью 40 км/ч (λ=0,9) при этих же изменениях шага, то к. п. д. при установочном шаге 246 мм будет равен 0,6, а при шаге 216 мм — только 0,30.
В то же время к. п. д. винтов с постоянным шагом, но спроектированных специально на эти условия движения с указанными выше шаговыми отношениями, может лежать в диапазоне от 0,73 до 0,55. Если обратиться к диаграммам кривых действия ВРШ для других (по сравнению с моделью № 4) шаговых отношений, характер изменения к. п. д. сохраняется — при конструктивном шаге он наиболее высок (но все-таки меньше, чем у винта с фиксированным шагом) и убывает при изменении шагового отношения в ту или иную сторону, причем чем больше разворот лопасти, тем уменьшение коэффициента полезного действия значительнее.
Из этого можно сделать вывод, что для получения более высоких технико-экономических показателей ВРШ его, так же как и ВФШ (винт фиксированного шага), необходимо проектировать на вполне определенные наиболее часто используемые режимы движения судна — для скоростных судов Hк/D должно быть выше, для тихоходных — ниже. Собственно, так и рассчитываются ВРШ для крупнотоннажных судов: на обеспечение максимального к. п. д. на основном режиме эксплуатации и на использование полной мощности двигателя при пониженном к. п. д. винта — на других режимах. Помимо упоминавшихся ранее преимуществ применения ВРШ на крупных судах имеется и еще одно: изменения шага винта во всем диапазоне можно выполнять из рубки, не подавая команды в машинное отделение.
Мы кратко рассмотрели принцип работы ВРШ, его недостатки и преимущества в приложении к большим судам. Ну а как обстоит дело на маломерных судах и, в частности, что может дать ВРШ подвесному мотору?
Во-первых, трудно представить в конструкции подвесного мотора дистанционно управляемый ВРШ (хотя такие попытки, конечно, опытные, делались) — слишком сложна, дорога и ненадежна была бы его конструкция. Поэтому изменять шаговое отношение гребного винта можно только так же, как при замене на другой; надо остановить лодку, поднять подводную часть мотора из воды, разжать фиксирующее устройство и, установив новый шаг, вновь его затянуть. Времени на это уходит примерно столько же, сколько и на замену винта, так что преимущества в этом ВИШ не имеет.
Техника изменения шага может быть различной — либо специальным поворотным установочным кольцом с пазами, либо по рискам на комле лопасти или проверкой шага по шаговым угольникам, устанавливаемым, например, на антикавитационную плиту. Первый способ, безусловно, более быстрый и простой при изменении шага, но винт получается намного более сложным и дорогим. При втором способе изменение шага более длительно (на 5—10 мин), но зато и конструкция винта предельно проста: движущихся деталей всего три — сами лопасти.
Во-вторых, эффективное использование винта, как мы видели из диаграмм действия винтов, возможно только в достаточно узком диапазоне перекладки лопастей от конструктивного шага. Отсюда следует, что так же, как и винты с фиксированным шагом, ВИШ должны изготавливаться для различных глиссирующих мотолодок с различным конструктивным шагом. И совершенно нерационально постоянно использовать, например, винт с расчетным конструктивным шагом 260, установив на нем шаг 340, на легкой лодке: скоростные и экономические показатели его будут невысокими.
Примечательно, что все наши проработки ВИШ — и заводские и любительские — выполнены преимущественно для моторов «Вихрь», т. е. моторов, для которых гребные винты с различным шаговым отношением не выпускаются. В то же время для «Нептуна-23» и «Москвы-30» таких проработок нет — винты с различным шагом для этих моторов выпускаются промышленностью и вполне обеспечивают эксплуатацию моторов на современных туристских лодках с различной нагрузкой. Кстати, в зарубежной практике большинство фирм предлагает для любого мотора минимум 4—5 гребных винтов и похоже, что мульти-питчи большого распространения не получают, по крайней мере в последние три года рекламные сообщения фирмы «Омни-питч» в зарубежных журналах не встречаются.
В-третьих, к конструкции ВИШ должны предъявляться и некоторые другие требования, в частности, по ограничению его веса. Действительно, обычный гребной винт имеет вес 400—500 г; на этот вес (конечно, с запасом) рассчитаны подшипники редуктора, поэтому, если вес ВИШ будет превышать вес обычного винта в 1,5—2 раза, моторесурс редуктора снизится. Следовательно, применение металла в конструкции ВИШ нежелательно; там, где это возможно, его необходимо заменять на более легкий материал (пластмассу, например), но без ущерба для прочности деталей. В прямой зависимости от сложности конструкции ВИШ и трудоемкости его изготовления находится и такая, очень существенная для потребителя характеристика, как стоимость. Вряд ли покупателя устроит цена, превышающая стоимость обычного винте в 5—6 раз; ведь опасность повреждения мульти-питча остается все той же. Поэтому представляется реально приемлемой цена, не более чем в 2—3 раза превышающая стоимость обычного винта, й, конечно, при наличии в комплекте (если этот винт заводского изготовления) 1—2 запасных лопастей, подобранных по весу.
Но даже и при выполнении всех этих требований к конструкции ВИШ он не является идеальным движителем для подвесного мотора. Правильно подобранный с учетом выпускающихся промышленностью прогулочных и туристских лодок набор из двух-трех винтов с фиксированным шагом будет не менее удобным и уж наверняка более надежным. Поэтому даже при выпуске нашей промышленностью нескольких типов ВИШ для различных моторов и лодок должны выпускаться и серии винтов с различными фиксированными шагами.
Давайте именно с этих позиций рассмотрим некоторые конструкции винтов изменяемого шага, как опубликованные в сборнике, так и не публиковавшиеся.
В 1975 г. днепропетровским заводом была выпущена первая партия — около 800 штук — винтов изменяемого шага для моторов «Вихрь».
Серийный гребной винт изменяемого шага «Днепр-240» (рис. 4) — такое название присвоено ему заводом — трехлопастный, с диаметром 240 мм, дисковым отношением — 0,55 и с бесступенчатым изменением шага в пределах от 220 до 400 мм, т. е. H/D=(0,92÷1,82). Лопасти винта изготовлены методом литья по выплавляемым моделям из нержавеющей стали 1Х18Н9Т и отполированы. Отклонение веса обработанной лопасти от номинального (194 г) не более 0,5 г; ступица, установочное кольцо и обтекатель также литые, но из алюминиевого сплава. Втулка выточена из бронзы.
О том, как доводился и испытывался винт, рассказывает один из его конструкторов Е. Г. Иванов:
«Первые опытные партии винтов начали эксплуатироваться с 20 апреля 1973 г. Двухлетняя эксплуатация и многократные сравнительные испытания винтов, изготовленных в 1973—1974 гг., показали очень хорошие результаты. Благодаря ВИШ удалось значительно повысить скорость мотолодок при больших нагрузках. Винт хорошо выдерживал перегрузки при случайных ударах о камни, подводные корни и топляки.
Наши винты соответствуют всем параметрам лучших зарубежных образцов, кроме веса, но к концу 1974 г. нам удалось снизить вес винта с 1,18 кг до 0,94 кг. Результаты сравнительных испытаний на некоторых серийных лодках хорошие. Но длительная эксплуатация в условиях мелководья и большой засоренности водоемов показала, что при ударах винта о препятствие случаются поломки или деформации лопастей по всей ширине примерно в 10—15 мм от ступицы винта. В связи с этим на заводе срочно принимаются меры по упрочнению лопастей, что в свою очередь приведет к некоторому увеличению веса винта (примерно на 150 г.)
Пользуясь имеющимся опытом эксплуатации винта, можно посоветовать обязательно оборудовать лодку тахометром и указателем скорости и устанавливать шаг винта несколько большим, чем требуется по загрузке, с тем чтобы обеспечить обороты двигателя не выше 4600—4800 об/мин».
Да, действительно, как отмечает и конструктор, вес «Днепра-240» очень высок: почти 1,2 кг против веса штатного «вихревского» винта 0,5 кг. Это следствие применения для изготовления лопастей металла — почти половина веса винта приходится на их долю (0,6 кг).
Установка необходимого шагового отношения занимает столько же времени, сколько и смена винта — нужно нажать на фиксатор, отвернуть обтекатель, повернуть установочную шайбу для изменения шага и снова затянуть обтекатель.
Не будем детально разбирать конструкцию винта — она в общих чертах почти аналогична (кроме применяемых материалов) омни-питчу, описание которого было помещено в сборнике №39 (1972 г.), и не рассчитана на изготовление в любительских условиях. Правда, вызывает сомнение необходимость выполнения ступицы винта шаровидной с диаметром 70 мм, т. е. больше диаметра заднего среза редуктора — обтекаемость из-за этого значительно ухудшается.
А вывод в общем однозначен — мы говорили об этом еще в публикации «Потерянные силы» (сборник №41, 1973 г.): для «Вихря» нужны винты уменьшенного шагового отношения.
С двумя конструкциями любительских винтов изменяемого шага мы уже знакомили читателей сборника. На одном из них не было установочного кольца и шаг лопастей выставлялся по угольникам; второй, более сложный, имел ступенчатое изменение шага винта и оригинальную конструкцию устройства фиксации его на валу.
Конструкторы-любители продолжают работу над винтами и сейчас.
А. П. Лошкарев из Клайпеды сконструировал ВИШ (рис. 5), сходный по конструкции с «Днепром-240», но более простой. Винт полностью изготовлен из алюминиевого сплава и при диаметре 300 мм весит 915 г. Использовался винт на катере со стационарным двигателем «МЗМА-407» и угловой колонкой, поэтому не понадобились резиновые амортизаторы. Применение его на подвесных моторах вследствие этого сопряжено с опасностью срезать шпонку при включении реверса, но конструкция винта (рис. 6, 7) и присоединительные размеры позволяют использовать его и на моторе «Вихрь» (необходимо только сместить с оси отверстие в ступице для контровочного штифта). Форма ступицы хорошо согласуется с формой корпуса редуктора «Вихря». Лопасти винта отлиты по модели, сделанной из лопасти штатного винта «Вихря», увеличенной до необходимого размера наклейкой картона, и могут быть развернуты фиксирующим кольцом на любое значение шага от 240 до 450 мм. Винт изготовлен с применением только фрезерного и токарного станков, причем отверстия для комлей лопастей растачивались в четырехкулачковом патроне.
Винт изменяемого шага (рис. 8) сконструировали и члены красноярского водно-моторного клуба «Нептун» В. М. Лекомцев и Е. В. Радев. По внешнему виду он также похож на серийный «Днепр-240», но имеет много конструктивных отличий (рис. 9). Основа винта — бронзовый полый болт с фланцем, внутренний диаметр которого соответствует гребному валу. На болт надеваются сначала две половинки ступицы, выточенные из дюралюминия, с заложенными в гнезда комлями трех лопастей, затем регулировочная шайба-прокладка, и все затягивается гайкой. Демпфер выполнен в виде круглых резиновых шайб, закладываемых в гнезда между фланцем болта и передней половинкой ступицы. Механизм поворота расположен внутри ступицы — в поворотной регулировочной шайбе сделаны три углубления для поводков поворота, закрепленных в комлях лопастей. Лопасти винта отлиты из пластмассы, что значительно облегчило конструкцию. Испытания винта, проведенные авторами, показали достаточную прочность конструкции — лопасти не повреждались даже при ударах о галечное дно. Как можно судить по фотографии, ступица винта имеет шаровидную форму, и в этом он мало чем отличается от «Днепра-240».
Весьма оригинальную и достаточно простую конструкцию ВИШ (рис. 10) создал Р. П. Соловьев из Улан-Удэ. Этот винт конструктор использовал на своей лодке «Василиса» с 20-сильным «Вихрем», описание которой было помещено в сборнике №54, 1975 г.
При проектировании винта была поставлена задача — по возможности упростить его конструкцию, идя даже на некоторое увеличение времени, затрачиваемого на изменение шага (учитывая, что делать это приходится довольно редко).
Р. П. Соловьев добился желаемого результата — последняя модель винта, которая эксплуатируется с 1973 г., относительно проста и легка — весит почти столько же, сколько и серийный винт.
Основа винта — дюралюминиевая безразъемная ступица (рис. 11) с установленной на трех армированных резиновых амортизаторах бронзовой втулкой. Лопасти в отверстиях ступицы удерживаются на шлицах. Причем шлицы в отверстии ступицы и выемки под них на комле лопасти срезаны на части окружности, так что комель лопасти свободно входит в отверстие, а при развороте на 90° шлицевое соединение надежно удерживает лопасть в гнезде. Упрощен и механизм изменения шага — с передней части ступицы (по ходу движения лодки) просверлены отверстия и нарезана резьба для шести винтов — по два напротив каждой лопасти. Винты не имеют головок и вворачиваются до упора в срезанную часть комля лопасти. Вворачивая один из них и отворачивая другой, каждую лопасть отдельно можно развернуть на необходимый угол. При установке угла можно пользоваться или рисками на комле или, что точнее, угольниками.
Как видим, для того чтобы изменить шаг, винт необходимо снять с гребного вала, так как регулировочные винты расположены со стороны, обращенной к ступице. Р. П. Соловьев применил оригинальное быстродействующее шариковое фиксирующее устройство. В два отверстия ступицы закладываются шарики 5, входящие в кольцевую проточку вала, и удерживаемые в ней наворачиваемой сверху гайкой-обтекателем 7. Чтобы гайка-обтекатель на ходу не отворачивалась, на ней нарезана левая резьба. Благодаря компактности оригинальных узлов крепления лопастей и узла регулировки угла поворота диаметр ступицы ВИШ не превышает диаметра ступицы штатного винта.
После трехлетней эксплуатации этого винта на своей лодке конструктор убедился как в его высокой прочности и надежности, так и в том, что большого диапазона изменения шага на туристской лодке не нужно: обычно используемые значения — это примерно 250—260 мм, только при чрезмерной нагрузке шаг винта приходилось уменьшать до 220 мм. В упоминавшейся статье о лодке «Василиса» на одной из фотографий показан такой вариант с перегрузкой — лодка глиссирует с семью пассажирами.
Наиболее простую и доступную для воспроизведения любителями конструкцию ВИШ выполнил киевлянин А. М. Саура. Конструктивное решение чрезвычайно простое — винт не имеет никаких специально изготовляемых деталей и сделан непосредственно из серийного винта «Вихря» (в дело могут пойти и винты с обломанными лопастями).
Для изготовления ВИШ лопасти винта по комлю отрезаются от ступицы, торец комля размечается и к нему приваривается заготовка бобышки. Затем лопасти зажимаются в оправку и на бобышках протачиваются буртики для фиксации в гнезде ступицы. После этого по центру комлей лопастей ступица разрезается поперек и обе половинки снимаются с втулки. В них растачиваются посадочные гнезда для комлей и сверлятся шесть отверстий для стяжных винтов, завинчиваемых с задней стороны ступицы. Установка шага винта производится индивидуально для каждой лопасти по угольнику, закрепляемому на антикавитационной плите. Конечно, прочность заделки комля винта А. М. Сауры, видимо, меньше, чем у серийного, но винт подкупающе прост в изготовлении. Естественно, и вес винта не превышает веса штатного. Увеличить прочность лопастей в такой конструкции можно, сделав их литыми или клееными из пластмассы.
Мы познакомили вас с некоторыми особенностями винтов изменяемого шага и с их конструктивными решениями, выполненными как профессиональными конструкторами, так и любителями. В заключение хочется повторить, что ВИШ не является идеальным со всех точек зрения движителем — набор из двух-трех винтов с фиксированным шагом обеспечивает полное использование мощности подвесного мотора на самых различных режимах движения мотолодки.