Основные понятия о геометрии ГВ, скольжении, кавитации и т. п. рассмотрены в статье «Что надо знать о винте?», опубликованной в сборнике №16 (1968 г.), а также в книге «300 советов по катерам, лодкам и моторам» (1973 и 1974 гг.). Однако, судя по редакционной почте, многих читателей интересуют практические рекомендации по изготовлению ГВ наиболее доступными методами — в условиях ремонтных мастерских при лодочных стоянках и даже на дому. Этот интерес вполне оправдан возросшим вниманием к экономичности эксплуатации прогулочных и туристских судов.
В предлагаемой вниманию читателей «КиЯ» серии статей рассматриваются специфичные особенности геометрии ГВ малых судов, которые необходимо учесть при самостоятельном изготовлении винтов. Учитывая перечисленные выше опубликованные материалы, в данных статьях не освещаются ни элементарные определения и понятия, считая их уже известными широкому кругу читателей, ни тонкости расчета основных элементов ГВ. Поэтому в публикуемых ниже статьях вопрос о выборе диаметра и шага ГВ считается решенным.
Попутно заметим, что даже самый сложный расчет, основывается на ряде допущений и только в редких случаях дает точные результаты. Поэтому даже в практике конструкторских бюро предусматривают возможность доводки ГВ при испытаниях построенного катера: либо заранее изготовляют несколько вариантов винтов с различными параметрами (например, шагом), либо изготовляют один винт несколько большего диаметра, чем выбранный по расчету (т. е. заранее «утяжеляют» винт), и доводят его диаметр до оптимального путем последовательной подрезки лопастей во время ходовых испытаний (см. упомянутую статью Л. Л. Хейфеца).
В общем случае, оптимальный вариант ГВ может быть получен только после анализа результатов ходовых испытаний. Поэтому в большинстве случаев, и в частности — и любительских условиях, целесообразно отказаться от сложных расчетов и, выбрав элементы ГВ при помощи приближенного расчета, «доводить» его на построенном судне.
Шаг винта
Нередко на малых судах вследствие расположения ГВ вблизи поверхности воды возможно явление аэрации — проникновения атмосферного воздуха на засасывающую сторону лопастей □о воронкам, которые образуются при работе винта.
При аэрации упор на винте резко падает, происходит внезапное падение скорости лодки, резко возрастает частота вращения двигателя. Аэрации способствуют такие явления, как случайное оголение винта, резкое повышение сопротивления судна, например, при ударе о волну, образование каверны перед или близко за винтом при отрывном обтекании кронштейнов, угловых передач или рулей. Все эти явления, вероятно, знакомы многим владельцем катеров и лодок.
Предотвратить аэрацию винта можно, увеличив погружения его оси, изменив шаг винта по радиусу. Последнее мероприятие является наиболее эффективным. В этом случае ГВ имеет переменный шаг, т. е. шаг винтовой поверхности в различных сечениях лопасти будет разным в для характеристики такого винта приходится проводить кривую зависимости шага от радиуса г.
Для ГВ подвесных моторов, работающих при почти осевом обтекании и имеющих шаговое отношение 1 < Н/D < 1,4, чаще всего лопасти делают с плавным уменьшением шага на 15—20% к ступице, начиная от сечения на r = 0,65—0,7R. При больших шаговых отношениях (H/D > 1,4) иногда уменьшают шаг и на концевых сечениях лопасти на те же 15—20%, начиная с того же радиуса r = 0,6—0,7R, на котором шаг винта принимается равным расчетному. Иногда, наоборот, шаг увеличивают на 15—20% в тех же сечениях. Второй способ является более эффективным.
Аэрации подвержены и суперкавитирующие гребные винты, хотя и в значительно меньшей степени. Для предотвращения этого явления при шаговых отношениях 1,6—2,0 достаточно уменьшить шаг лопасти на 25—20%, но только у ступицы.
Количество лопастей
Наибольшим КПД обладают двухлопастные винты; к тому же, они значительно проще в изготовлении, чем многолопастные. Однако при работе в неравномерном потоке, например, за обтекателем редуктора ПМ или при косом обтекании при установке ГВ на наклонном гребном вале, двухлопастной винт подвержен вибрации, что может вызывать поломки гребных валов и кронштейнов, разбивать концевые подшипники гребного вала. Поэтому в таких случаях предпочитают трехлопастные гребные винты.
Толщина лопастей выбирается, исходя из условия обеспечения прочности.
Дисковое отношение 0 представляет собой отношение суммарной площади лопастей А к площади диска винта Аd:
где D — диаметр ГВ; π = 3,14.
Величина дисковою отношения во многом определяет форму лопастей: чем больше и, тем шире лопасти ГВ. Винты с малым дисковым отношением — с узкими и длинными лопастями — имеют более высокий КПД, чем широколопастные. Однако для обеспечения необходимой прочности толщину поперечных сечений узкой лопасти приходится увеличивать, что приводит к повышенным гидродинамическим потерям на профильное сопротивление и раннему возникновению кавитации. При наступлении же второй стадии кавитации происходит существенное падение КПД и упора ГВ. На практике винты с дисковым отношением менее 0,3 не применяют, так как лопасти получаются излишне толстыми и эффективность ГВ падает. Опасность возникновения кавитации появляется на скоростях свыше 40—45 км/ч (особенно на катерах с наклонным гребным валом — из-за влияния косого обтекания ГВ). Для того, чтобы избежать кавитации, дисковое отношение приходится иногда увеличивать до Θ = 0,8÷1,0.
Выбрать дисковое отношение ГВ. исходя из условия отсутствия кавитации, можно по графику (рис. 1). Меньшие значения Θ относится к ГВ подвесных моторов и угловых колонок, большие — к ГВ катеров с наклонными гребными валами. На скоростях более 60 км/ч оказывается выгодным применение суперкавитирующих винтов, имеющих специальный профиль поперечного сечения лопасти.
Для таких винтов оптимальное значение Θ составляет 0,3—0,5, а КПД мало отличается от КПД винтов с увеличенной площадью лопастей. Обычно у суперкавитирующих ГВ значение Θ не превышает 0.7—0,8. так как при большой ширине лопасти происходит падение КПД.
Иногда приходится увеличивать дисковое отношение ГВ по другим причинам. Например, существует ограничение максимального диаметра ГВ, который может быть размещен на стандартной подводной части подвесного мотора или под днищем катера. В этом случае для достижения достаточно высокою КПД необходимо либо увеличить шаг винта, либо дисковое отношение. Второе является предпочтительным, так как при переходе на большие шаговые отношения увеличивается относительное скольжение и КПД винта падает.
Форма лопасти
Распределение ширины лопасти по радиусу обычно задается плавной кривой (рис. 2) и может быть определено для конкретного винта на каждом радиусе r=r·R по формуле
Иногда встречающиеся вариации распределения ширины лопасти на пропульсивные характеристики винта не оказывают существенного влияния (рис. 3).
Форма лопасти в плане (по спрямленному контуру) зависит от саблевидности — положения линии середин сечений относительно осевой линии. Саблевидность задается как смешение (обычно по ходу вращения винта) средней линии лопасти от ее оси. Умеренная саблевидность лопастей, не оказывая существенного влияния на гидродинамические характеристики ГВ, обеспечивает снижение вибрации благодаря более плавному входу лопастей в воду, несколько улучшает характеристики ГВ в условиях кавитации и позволяет повысить местную прочность лопастей близ входящих кромок, что имеет особое значение для ГВ быстроходных судов.
Геометрия лопастей характеризуется также профилем радиальных сечений лопасти, толщиной сечений и ее распределением вдоль лопасти. Обычно указывают относительную толщину сечений лопасти. которая равна максимальной толщине профиля, отнесенной к ширине сечения.
Максимальные толщины вдоль лопасти обычно распределяются по линейному закону, уменьшаясь от значения до 1,5—2 мм на конце лопасти.
Для ГВ спортивных судов значение можно уменьшить до 4—5, а толщину кромок — на 30%.
Важно обеспечить местную прочность лопасти, особенно в районе входящих концевых сечений. Даже при использовании высокопрочных материалов нельзя допускать уменьшения толщины кромок менее 1,5 мм. Кромки можно заточить до толщины 0,5—0,8 мм на участке шириной не более 5—8 мм. Такое изменение профиля лопасти несколько снижает КПД (по крайней мере, на 3—4%) по сравнению с оптимальным профилем.
Профилировка сечений
Для винтов относительно тихоходных судов и винтов, изготовляемых из материалов с пониженными прочностными характеристиками, рекомендуется использовать плоско-выпуклый сегментный профиль (табл. 1).
Лопасти ГВ быстроходных судов (развивающих скорость более 45 км/ч), желательно выполнять возможно более тонкими, чтобы предотвратить кавитацию. Для повышения их эффективности обычно применяют выпукло-вогнутый профиль («луночка» — см. ту же табл. 1). Стрелка вогнутости профиля (f) принимается равной около 2% хорды сечения. Обеспечить прочность таких винтов можно, только применяя для их изготовления латунь, бронзу или сталь.
Для лопастей суперкавитирующих винтов рекомендуются клиновидные с максимальной толщиной, смещенной к выходящей кромке (табл. 2). Такие винты изготовляют только из высокопрочных материалов.
Наклон образующей лопасти — отклонение, откидка лопасти в корму от теоретической плоскости диска винта. Для полностью погруженных ГВ образующая лопасти наклона обычно не имеет — она перпендикулярна оси винта. Однако придавать наклон целесообразно лопастям ГВ, перед которыми находятся кронштейны гребных валов либо плохообтекаемые части ахтерштевней. вызывающие возмущения и неравномерность в потоке, набегающем на винт. Благодаря откидке увеличивается расстояние между концевыми сечениями лопастей и элементами, вносящими завихрения, что способствует улучшению условий работы ГВ и уменьшению вибрации. Но для обычных ГВ наклон образующей не должен превышать 15% чтобы не уменьшались упор и КПД.
Диаметр ступицы гребного винта
Выбирается обычно конструктивно, исходя из условии крепления на гребном валу. Следует стремиться к максимальному уменьшению диаметра ступицы, обеспечивая, однако, при этом плавное сопряжение поверхности ступицы ГВ с впереди расположенной втулкой кольцевого кронштейна или обтекателем редуктора угловой передачи. Нежелательно увеличивать диаметр ступицы d/D > 0,2, так как при таких относительно больших размерах ступицы КПД винта начинает заметно падать.