Вся электронная библиотека >>>

 Катера >>>

 

 

 

 БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА


Раздел: Техника

 

ГЛАВА XIX ГРЕБНЫЕ ВИНТЫ

  

 

Хотя в распоряжении конструктора имеется большое число различных методов расчета винта, очень немногие из них практически применимы для быстроходных катеров, на которых источником механической энергии обычно служит двигатель с большим числом оборотов.

Ниже будут детально рассматриваться только вопросы, имеющие отношение к гребному вииту, являющемуся в настоящее время наиболее распространенным судовым движителем, который преобразует крутящий момент двигателя в упор, необходимый для движения судна. Любой виит представляет собой, по существу, реаитив- ный даижитель, лопасти которого при вращении отбрасывают массу воды или воздуха в сторону, обратную движению виита. Воспринимаемая лопастями реакция отбрасываемых масс воды создает упор виита. Поток от виита называют, соответственно, водяным или воздушным потоком винта.

Гребные винты различных типов различаются между собой, главным образом, по количеству энергии, расходуемой на создание упора, причем наиболее эффективен тот виит, благодаря которому это достигается с минимальными затратами мощности.

Основные характеристики любого гребного винта могут быть выведены из нескольких несложных допущений. Рассмотрим гребной виит, установленный на судне, имеющем скорость поступательного движения V (м/сек), и допустим, что в результате работы винта с площадью А (м2) создается поток со скоростью перемещения v [м/сек), направленный в сторону, противоположную поступательному движению судна.

Из уравнения (3) следует, что для судна, имеющего скорость поступательного движения V,'идеальный КПД составит 100"в только при ч = 0. Однако, обратившись к уравнению (1), можно видеть, что в таких условиях гребной винт не будет развивать упора. Следовательно, ни один гребной винт не может иметь идеального КПД, равного 100'л. Совершенно очевидно, что наиболее выгоден такой движитель, у которого величина v является малой при условии, что винт развивает упор Т, необходимый для поступательного движения судна со скоростью V.

Если величина v мала, то уравнение (1) указывает, что площадь А должна соответственно увеличиваться, или, другими словами, должен быть увеличен диаметр винта. Однако допустимый диаметр винта, подлежащего установке на данном судне, по целому ряду причин обычно ограничивается, ввиду чего неизбежны потери КПД.

Часто высказывается предположение о том, что турбореактивные двигатели (ТРД) современных самолетов можно с успехом применить на быстроходных катерах, поскольку всякий ТРД развивает упор посредством вытеснения больших масс воздуха при высоких скоростях и, следовательно, v весьма велико. Но, если скорость хода судна не настолько высока, что ~ довольно мало

по сравнению с единицей, КПД будет весьма низким и, разумеется, не выдерживающим сравнения с движителями других типов. Пожалуй, можно утверждать, что применение таких ТРД, принимая во внимание, помимо сказанного выше, их высокий расход топлива, на данном этапе себя не оправдывает, исключая суда со скоростью хода свыше 200 миль/час.

Аналогичные аргументы относятся и к установке реактивных движителей, при работе которых вода выбрасывается в сторону, противоположную движению судна. Хотя теоретически этот тип движителя можно сделать столь же выгодным, как и прочие, на практике в системе возникает целый ряд дополнительных потерь, вследствие которых данный движитель становится менее эффек- тивиым, чем винтовые, у которых, например, отсутствуют водо- подводящие трубы и т. д.

Следовательно, можно сказать, что для быстроходных катеров гребной виит яаляется в настоящее время наиболее эффективным типом движителя, который может быть приспособлен для различных условий работы, хотя и не всегда оказывается наиболее подходящим.

Винтовые движители, или, проще говоря, гребные винты быстроходных судов, имеют обычно две или три лопасти эллиптической конфигурации, хотя иногда применяются и винты с широкими лопастями ( 154). Эти гребные винты характеризуются, в нер-вую очередь, большой площадью лопастей, необходимой для уменьшения нагрузки от упора на единицу площади, а следовательно, и уменьшения кавитации, оказывающей разрушительное воздействие на гребные винты.

Для быстроходных судов величина дискового отношения составляет 0,65—1,0. Толщина лопастей винта определяется, главным образом, соображениями механической прочности; она должна быть достаточной для предупреждения деформации лопастей под нагрузкой, так как даже весьма незначительный изгиб лопастей может вызвать снижение скорости. В то же время тонкие лопасти обычно имеют более высокие характеристики, чем лопасти с большим сечением, что приводит к поискам некоторого компромисса. Толщина лопастей винта максимальна у корня, где они переходят в ступицу, и уменьшается к наружным кромкам.

Отношение толщины лопасти t, замеренной по оси виита, как показано на  155, к его диаметру называют относительной толщиной лопасти, величины которой для быстроходных винтов составляют 0,04—0,05 в зависимости от материала, из которого изготовлен виит (меньшая из указанных величин относится к виитам из материала с высоким пределом прочности, например, из нержавеющей ствли).

Поведение гребного винта в условиях эксплуатации также в значительной степени определяется формой сечений лопастей. При пересечении лопасти дугой круга ( 156) она обычно имеет форму сегментного профиля, т. е. прямую и дугообразную стенки.  Сечения такого типа обеспечивают хорошие характеристики винта и, очевидно, наименее сложны в изготовлении.

Лопасти некоторых винтов имеют сечение, аналогичное профилю авиационного крыла (). На тихоходных виитах подобный профиль может дать увеличение КПД, но при высоких скоростях винты с такими лопастями имеют тенденцию к кавитации в гораздо большей степени, чем винты с лопастями сегментного профиля. В настоящее время ведутся исследования с целью разработки профилей, имеющих преимущества профиля авиационного крыла, но с пониженной тенденцией к преждевременной кавитации. Для сильно нагруженных участков широколопастных винтов применяют серповидные профили.

Вследствие действия винта на окружающую его поверхность воды в процессе создания подъемной силы (упора) поток, проходящий через виит относительно сечения лопасти, получает искривленный характер

Этот факт имеет значение только при использовании винтов с широкими лопастими, которые чаще всего и применяются на быстроходных судах.

Сказанное выше относится, главным образом, к крайним сечениям лопастей, где происходит создание большой части упора. Излишне подчеркивать, что для обеспечения наилучших характеристик гребной виит, особенно в сечении, должен иметь весьма точную форму и высокое качество обработки поверхности. Известно большое число случаев, когда на работу быстроходного винта отрицательно влияют плохая или неравномерная обработка поверхности, что обычно ведет к эрозии его лопастей. Задняя поверхность лопасти (т. е. та сторона, которая видна, если смотреть на виит с кормы в нос) у большинства винтов представляет собой участок с истинной винтовой поверхностью, иначе говоря, аналогична участку поверхности, которая создается при нарезке обычных крепежных винтов на станке, для чего вращение заготовки и перемещение резца производятся с равномерной скоростью.

Задняя поверхность гребных винтов нарезается, фактически, таким же путем. Точно так же, как и при нарезке обычных крепежных винтов, шаг винта есть расстояние, проходимое резцом за один оборот заготовки, поэтому шаг лопасти гребного винта мы определяем аналогичным образом. Шаг винта, который для данной лопасти обычно постоянен, может быть определен путем замера по оси расстояния d между точкой А на передней кромке лопасти и точкой В на задней кромке ( 158) при таком же радиусе от оси гребного винта Другими словами, при обработке участка нижней стороны лопасти, находящегося между точками А и В, резец будет перемещаться на максимальное расстояниеd (м), а лопасть виита повернется ва этот период на угол 6 градусов. Шаг лопасти виита, в таком случае, представляет соответствующее перемещение за полный оборот 360°.

Вообще, шаг гребного винта есть расстояние, на которое виит переместился бы вперед за один оборот вала, если бы он вращался не в воде, а в каком-либо твердом теле. Шаг можно считать наиболее важной характеристикой гребного винта, так как упор, развиваемый при данных скорости и числе оборотов, больше всего зависит от шага виита.

Лопасти гребного винта можно уподобить вращающимся крыльям. Точно так же, как угол атаки крыльев самолета обеспечивает создание подъемной силы, шаг лопастей гребного винта определяет создание упора. Отсюда не обязательно следует, что повышение КПД винта вызвано увеличением упора; следовательно, у винта, на который работает двигатель ограниченной мощности, существует предел шага для достижения наибольшего эффекта винта

Аналитический или эффективный шаг винта. Следующим определением, которое применяется при изучении элементов гребного — винта, является аналитический или эффективный шаг винта, т. е. поступательное движение за один оборот, которое должно быть проделано винтом для создания нулевого упора.

Эффективный шаг обычно на несколько процентов превышает шаг лопасти, причем степень этого превышения зависит от шагового отношения и дискового отношения. Можно полагать, что для винтов с большим числом оборотов отношение эффективного шага к шагу лопасти составляет величину порядка 1,04. Это отношение обычно называют шаговым коэффициентом. Указанное различие между поступательным данжением виита за один оборот, соответствующим шагу винта, и действительной поступью за один оборот объясняется влиянием передней стороны лопасти и ее толщины.

Шаг обычно выражается в долях диаметра виита и шаговое отношение р винта есть отношение шага виита к его диаметру. В зависимости от величины, взятой в числителе дроби, оно будет яв- литься шаговым отношением или эффективным таго- ным отношением. Наиболее типичные величины шагового отношения составляют от 0,9 до 1,2.

 О винте, который вращается, но не перемещается вперед или назад, говорят, что он работает при 100-процентном скольжении.

 Такой виит, хотя и является сравнительно мало эффективным, создает довольно большой упор. Виит, который перемещается таким образом, что не развивает упора, работает при нулевом упоре. Поэтому для винта, вращающегося при определенном числе оборотов, будет существовать целая область скоростей, считая от состояния покоя, в пределах которой упор будет по мере увеличения скорости уменьшаться от 100% при 100-процентном скольжении до нуля при нулевом скольжении. Где-то в пределах этой области будет находиться такая скорость, при которой упор, создаваемый винтом, равняется сопротивлению судна при данной скорости, т. е. скорости самоходного движения. Это произойдет при определенном скольжении, называемом рабочим скольжением, величина которого составляет от 10 до 30"о в зависимости оттипа судна, шага винта и т. д. Эта процентная величина относится к разности между скоростью в диске винта при данном числе оборотов, когда упора не создается, и истинной скоростью поступательного движения V, соответствующей работе винта.

Рассмотрим судно, движущееся со скоростью V, когда винт вращается при п об/мин. Из определения эффективного шага, см. уравнение (4), скорость в диске винта, соответствующая нулевому упору, будет Н0п, где Н0 есть эффективный шаг.

Скольжение, точнее, относительное скольжение, составит:

Здесь следует отметить, что вследствие влияния корпуса для всех судов, исключая глиссируюшие, скорость в диске виита обычно ниже скорости судна. Эту скорость необходимо аводить во все расчеты винтов, однако для форм с глиссирующими обводами влиянием корпуса, вызываемым попутным потоком, можно пренебречь.

Изменение скольжения может быть достигнуто посредством изменения шага лопасти винта, так как это, в свою очередь, вызовет изменение эффективного шага Нп. Увеличение шага даст увеличение скольжения и приведет к увеличению упора, как было описано выше.

Точно так же, для винта, работающего при фиксированном числе оборотов, любое увеличение сопротивления судна, вследствие, например, обрастания или повышения водоизмещения в результате впитывания корпусом воды, потребует создания винтом более значительного упора. Скорость хода судна понизится, что будет способствовать увеличению скольжения до тех пор, пока создаваемый упор ие станет соответствовать сопротивлению судна при данной пониженной скорости.

Кавитация. Освещение вопроса о выборе гребных винтов для быстроходных катеров было бы неполным без рассмотрения явления кавитации. Вообще говоря, кавитацией называют образоввние в воде, проходящей через винт, воздушных каверн, которые могут иметь различную форму. Указанное явление фактически представляет собой кипение воды при чрезвычайно низких давлениях и нормальных температурах. Образующиеся при этом «мешки» или пузырьки содержат водяной пар и растворенный воздух в том количестве, которое выделилось из раствора аналогично тому, как в котле с кипящей водой образуются пузырьки пара или воды в парообразном состоянии при температуре 100° С.

Общеизвестен тот факт, что, например, на вершиие горы вода кипит при более низкой температуре, чем у ее подножья, вследствие того, что в первом случае атмосферное давление меньше. У гребного виита, который вращается в воде с большим числом оборотов, давление снижается до такой степени, что «кипение» происходит при обычных температурах.

Образование каверн в воде, протекающей через винт, несомненно влияет на упор и энергию, развиваемые винтом. Впервые этот эффект был обнаружен на испытаниях английского эсминца «Дэринг» (1895 г.), когда вследствие повышенной скорости хода и больше мощности гребные винты кавитировали со значительным снижением упора, что привело к серьезному увеличению скольжения и потере КПД. Было признано, что основной причиной этого нежелательного явления была малая площадь лопастей винтов, которая затем была увеличена примерно на 50 V В результате кавитация прекратилась и скорость хода возросла с 24 до 29,25 узла. Этот пример наглядно показывает значительность ущерба, который может иметь место, если кавитация не принимается во внимание при проектировании гребных винтов, рассчитанных на большое число оборотов и значительные нагрузки.

Явление кавитации тесно связано с созданием упора гребным винтом. Профили лопастей гребных винтов работают аналогично профилям крыльев самолета, установленных под каким-либо углом к направлению потока. Иначе говоря, действующая на данный профиль подъемная, сила создается за счет пониженного давления или засасывания на передней поверхности профиля и повышенного давления на заднюю поверхность. Сторону лопасти, воспринимающую при переднем ходе повышенное давление веды, называют нагнетающей поверхностью лопасти. Характерное распределение нагнетания и засасывания для сегментного профиля представлено на  159.

Для большинства типов сечений доля разряженйя, воздействующего на переднюю стенку лопасти, примерно в два раза превышает в суммарном упоре долю нагнетания, воздействующего на заднюю стенку лопасти.

 

Горбовидное распределение сил засасывания вызывает в массе окружающей воды образование весьма низких давлений, что приводит к появлению газовых мешков, которое происходит описанным ниже образом.

Применение лопастей, имеющих сегментный профиль, до некоторой степени выравнивает резкие пики распределения засасывания. Следовательно, такие профили рекомендуются для тех случаев, когда кавитация должна быть предупреждена или сведена к минимуму.

Применение широких лопастей, в особенности расширяющихся к концам, также даст уменьшение максимальных величин давлений нагнетания и засасывания по этим профилям при постоянном упоре и, таким образом, задержит развитие кавитации. При соответствующем выборе профилей увеличение площади лопастей является наиболее эффективным средством уменьшения, если не полного исключения кавитации, хотя на практике существуют определенные пределы и затруднения, с которыми оно связано. Прежде всего, существуют вполне очевидные технологические трудности изготовления винтов с большой площадью лопастей. Во-вторых, что более важно, взаимодействие между лопастями таких винтов вызовет более значительное снижение КПД, чем это могло бы быть в результате кавитации.

По этой причине более целесообразно выбрать слегка кавитирующий виит с малой площадью лопастей, чем некавитирующий с большой площадью лопастей, хотя степень допустимой кавитации в значительной мере зависит от наличия и характера имеющегося опыта эксплуатации винтов в аналогичных условиях.

Некоторое улучшение может быть достигнуто уменьшением толщины лопастей, хотя необходимость обеспечепия должной прочности лопастей является в этой связи ограничивающим фактором. Далее, виит при работе должен быть погружен как можно более глубоко, хотя его предельное погружение определяется допустимой степенью наклона двигателя и гребного вала. Недостаточное погружение нинта может вызвать засасывание воздуха с поверхности воды, результатом чего будут значительное снижение упора и увеличение оборотов винта.

В заключение скажем несколько слов об обработке поверхности виита. Местные пороки и шероховатость засасывающей поверхности лопасти ведут к увеличению интенсивности засасывания на этих участках, что способствует преждевременному развитию крайне нежелательной кавитации.

Исследования кавитации и ее влияния активно проводятся со времени испытаний эсминца «Дэринг» как путем экспериментов с моделями, так и на ходовых испытаниях натурных судов.

Поведение моделей винтов в условиях кавитации может быть исследовано в кавитационных трубах. Существуют трубы замкнутого типа, где вода прогоняется через вращающиеся модели винтов с довольно высокой скоростью (в современных трубах со скоростью до 12 м/сек). Для создания условий, соответствующих работе натурного винта корабля, давление в трубе можно изменять. Это позволяет производить замер упора, крутящего момента и КПД модели винта. Смотровые окна в стенке трубы позволяют производить ви- зуальное наблюдение с использованием стробоскопического освещения.

Этот вид кавитации происходит при относительно невысоких скоростях, но никоим образом не влияет на характеристики гребного виита. По засасывающей стороне лопасти кавитация принимает вид тонкой ровной полосы и объясняется отделением вода от передней стенки лопасти на высоких скоростях. Первоначально эта кавитационная полоса образуется на концевых кромках лопастей и с увеличением скорости распространяется по направлению к ступице виита.

Это явление аналогично срыву потока у крыла самолета и вызывает потерю упора. На некоторых участках лопастей можно видеть большие пузыри, которые создают явление критической кавитации, объясняющейся наличием на передних стенках лопастей участков максимального засасывания. Пузыри наблюдаются в зоне максимального засасывания лишь короткий период времени; по мере перемещения к выходной кромке лопасти они внезапно лопаются на участках повышенного давления. Результатом этого быстро протекающего процесса является мгновенное возникновение больших импульсов, т. е. ударных нагрузок на малый по площади участок лопасти, находящийся в контакте с пузырем в момент его разрыва.

Такое чрезвычайно высокое давление оказывается достаточным для того, чтобы вызвать точечное разрушение металла и служит одной из основных причин эрозии лопастей. Как указывалось выше, полосовая и критическая кавитация может быть уменьшена посредством увеличения площади лопасти и выбором подходящих профилей, дающих более благоприятное распределение давлений. При малом скольжении кавитация может происходить на нагнетающей стороне лопастей гребного винта.

Для устранения кавитации задней стенки лопасти можно рекомендовать несколько изменить форму переднего края профиля, немного приподняв его.

На катерах, имеющих высокую скорость хода и, соответственно, большее число оборотов гребных винтов, например, на известном

рекордном глиссере «Синяя птица», полосовая кавитация распространяется настолько, что полностью захватывает засасывающую поверхность лопасти. Передние стенки лопастей, в таком случае, остаются совершенно сухими и отделяются чрезвычайно низком давлении (). О таком винте говорят что он суперкавитирует. В этом состоянии влияние засасываиня у стенок лопастей на упор является предельным, и дальнейшее увеличение числа оборотов винта нызовет только увеличение давления на нагнетающую сторону лопасти.

Следовательно, в данном случае будут более значительные потери упора, чем у аналогичного виита с тем же числом оборотов и таким же скольжением, но без кавитации. При этом возникают также некоторые потери КПД, но они не столь значительны, как потери упора, поскольку отделение воды от стенки лопасти ведет к уменьшению сопротивления трения лопастей и, следовательно, к некоторому уменьшению крутящего момента.

Меры, предпринимаемые для улучшения характеристик таких винтов, дают незначительные результаты. Указанные недостатки неизбежны вследствие высокой скорости вращения винтов. С другой стороны, совершенно очевидно, что при достижении описанного выше состояния форма сечений лопастей существенного значения не имеет и не может влиять на характеристики виита.

Большая часть потерь энергии в этих условиях происходит за счет потерь на трение, связанных с тем, что нагнетательная стенка лопасти виита омывается потоком, движущимся с большой скоростью. В этих условиях применение узких лопастей с не совсем обычным сечением может дать некоторые преимущества. Гребные винты с такими лопастями окажутся малоэффективными на малых скоростях вращения, не вызывающих кавитации, и будут иметь полную кавитацию или суперкавитацию при гораздо более низких скоростях, чем винты с обычными сечениями и широкими лопастями. При достижении состояния полной кавитации, винт с меньшей площадью поверхности лопастей будет иметь преимущество, так как потери на трение для данной лопасти будут меньше. В этой области еще многое остается неизученным и исследователям остается широкое поле деятельности.

Учет результатов экспериментов в кавитационной трубе особенно полезен при проектировании кавитирующих гребных винтов. Испытания винтов в кавитационных трубах позволили добиться значительного повышения КПД и усовершенствования их конструкции. Это, в частности, относится к корневой части лопастей, где сечения по необходимости должны быть толстыми и, с точки зрения кавитации, далеки от идеальных.

Окончательная разработка формы корневых сечений и характера их перехода в ступицу может быть успешно выполнена только после испытаний в кавитационной трубе. Однако оборудование кавитационных труб и их эксплуатация обходятся довольно дорого, и до настоящего времени в Англии построено только три таких трубы; хотя их количество в ближайшие годы может увеличиться, нужно признать, что возможность испытания гребных винтов для различных быстроходных судов пока остается почти неосуществимой мечтой.

Со времени испытаний эсминца «Дэринг» делаются попытки установить подходящий критерий, которым можно было бы пользоваться для разработки конструкции некавитирующих винтов и определять потери упора и КПД вследствие кавитации гребного виита, работающего в заданных условиях.

Наиболее простой и широко известный метод состоит в введении допустимого (до появления кавитации) коэффициента нагрузки или коэффициента давления, который может быть получен делением создаваемого винтом упора на полную поверхность его лопастей. Следовательно, зная упор, требуемый от виита при данном числе оборотов, и используя указанный коэффициент давления, мы можем подсчитать минимальную площадь его лопастей, необходимую для развития заданного упора без появления кавитации.

Соответствующие величины коэффициента давления выведены, главным образом, на основании данных ходовых испытаний судов и меняются в зависимости от типа судна: для эсминцев и крупных судов принята величина 8,3 m/м® площади лопастей, а для быстроходных катеров более подходящей признана величина 5 т/м*. Однако последнее значение дает, в основном, неприемлемую площадь лопастей; поэтому лучше использовать цифру 5,5 т/ма, что не внесет сколько-нибудь существенных потерь. Тем не менее, в лучшем случае этот коэффициент может служить лишь приблизительной величиной, и большая часть конструкторов, проектирующих гребные винты, вероятно имеет свои собственные правила, выработанные длительной практикой и дающие хорошие результаты для того типа судов, в котором они непосредственно заинтересованы. Пригодность этих правил может быть проверена только практикой и данными ходовых испытаний.

Предлагался целый ряд других, более сложных критериев, учитывающих эффект большинства переменных характеристик гребного винта; однако сложность этих критериев не позволяет привести их здесь. По этой причине за прочими нодробностими мы отсылаем читателя к трудам различных институтов!

график, которым можно пользоваться в качестве вспомогательного средства при проектировании винтов для быстроходных судов. График построен на основе данных ряда ходовых испытаний. Кривая дает величины отношения упора (7*™)» развиваемого винтом при отсутствии кавитации, к упору (7*с), создаваемому винтом при аналогичном скольжении и числе оборотов, но в условиях кавитации, в зависимости от коэффициента давления. Следует подчеркнуть, что эти данные приблизительны и приемлемы не для всех быстроходных судов. Насколько нам известно, аналогичного графика для определения потери КПД не имеется, и при определении пропульсивного коэффициента на основании данных предшествующих ходовых испытаний в полученную величину принято вносить надлежащую поправку.

Расчет характеристик гребных винтов. Имеется множество методов (от кустарных приемов до сложнейших математических теорий) расчета гребного винта, наиболее подходящего для данного судна.

Опубликован целый ряд элементарных графиков и диаграмм/ по которым могут быть определены основные элементы гребных винтов. Эти графики по необходимости основаны на произвольных допущениях. Если, однако, для достижения максимального КПД необходимо получить наиболее эффективный виит, то проектироба- ние значительно усложняется.

Модельные испытания, включая, очевидно, испытания моделей винтов в кавитационной трубе, несомненно, приносят большую пользу, но обходятся дорого и оправдывают себя только в случае последующей установки винтов на большом количестве однотипных судов или на рекордных глиссерах.

Практический подход к точному и детальному расчету винта заключается в использовании данных, полученных при испытаниях систематической серии моделей гребных винтов, что значительно облегчает задачу выбора соответствующих параметров винтов из большого количества данных, относящихся к испытаниям этой систематической серии. Такой метод довольно трудоемок и сложен, но ввиду того, что большое значение в данном случае имеет точность, мы не можем воспользоваться более короткими путями. Данные испытаний систематических серий регулярно публикуются в печати.

Основой расчетного метода, использованного в данной главе, послужила работа Р. В. Л. Гауна,2 в которой приводятся результаты испытаний серии моделей винтов диаметром 500 мм с различными дисковыми и шаговыми отношениями в условиях отсутствия кавитации. Вииты были трехлопастными и имели эллиптическую форму с сегментными сечениями.

Упомянутые данные имеют то преимущество, что охватывают более широкий днаназон дисковых и шаговых отношений, чем какие-либо другие опубликованные работы; это делает их особенно полезными для быстроходных судов, хотя необходимо внести в них поправки на влияние кавитации.

Проектирование гребных винтов. Приведенный пример показывает, как по данным систематической серии могут быть определены упор и КПД для гребного виита с известными размерами. Однако основная задача расчета виита является гораздо более сложной.

Если первоначальный проект виита иа ходовых испытаниях окажется не вполне удовлетворяющим предъявленным требованиям, то последующий проект должен базироваться на полезных данных, полученных в результате этих испытаний. Разумеется, подобным методом следует пользоваться только в том случае, если признано, что он обеспечит значительное улучшение характеристик виита.

Наиболее типичную задачу, возникающую при проектировании винтов, можно сформулировать следующим образом: для данного судна с двигателем заданной мощности определить максимально достижимую скорость и соответствующие размеры винта. Как было объяснено выше, для обеспечения максимального КПД виита диаметр его должен быть принят наибольшим, но на практике максимально допустимый диаметр определяется такими факторами, как максимальный наклон валопровода, зазор между корпусом и концами лопастей, а на многовинтовых судах также и зазор между концами лопастей смежных винтов.

Наклон ввлопровода должен быть минимальным и, вместе с тем, должен обеспечивать достаточное погружение гребных винтов. Он обычно определяется максимальным уклоном, который может быть придай двигателю без нарушения работы системы смазки, хотя эта трудность частично устраняется применением V-образного привода. Для предупреждения иптенеивной вибрации между корпусом и концами лопастей винта должен быть выдержан достаточный зазор, равпып не менее — диаметра винта, хотя желательны еще большие зазоры.

Есть и другой фактор, ограничивающий выбор диаметра виита. Для данного диаметра существует оптимальная величина числа оборотов, которая дает максимальный КПД. Точно так же, для данного числа оборотов существует один диаметр винта, который дает максимальный КПД. Поэтому с целью получения надлежащего числа оборотов винта, соответствующего данному диаметру, может оказаться необходимым применение редуктора, хотя это не всегда осуществимо или желательно.

На катерах, имеющих весьма высокие скорости хода, принятие слишком низкого числа оборотов гребного виита может повести к излишнему увеличению сопротивления выступающих подводных частей, что обусловлено увеличением диаметров собствеппо гребного вала и размеров его кронштейна в связи с необходимостью передачи большего крутящего момента. Следует также принимать во внимание эффект кавитации от кронштейнов гребных валов и, возможно, от валонроводов.

Значительный эффект крутящего момента, ощутимый на одновинтовых судах, может вызвать нежелательную реакцию корпуса, и любой выигрыш, достигнутый в результате повышения КПД тихоходного винта, ликвидируется вследствие увеличения сопротивления или трудностей в управлении

Важность этого положения подчеркивается, например, тем, что на рекордном глиссере «Синяя птица» число оборотов винта в два с половиной раза превышало число оборотов двигателя. Это позволило установить гребной виит меньших размеров. Расчетный номинальный КПД виита без учета действия кавитации составлял 72%. Следует отметить, что твердых строго определенных правил определения наиболее выгодного диаметра виита и его числа оборотов не имеется. Конечный выбор зависит в значительной степени от опыта конструктора.

Предлагаемый ниже метод расчета гребных винтов был выбран благодаря тому, что он четко показывает зависимость диаметра виита от числа его оборотов. В этом методе использованы данные по систематической серии винтов диаметром 1000 мм, опубликованные Гау- иом, и применена заимствованная у него и воспроизводимая здесь полезная томограмма расчета гребных вилтов ().

Другим источником вибрации может быть несбалансированность винта. Всякий винт статически уравновешен, когда его центр тяжести лежит на оси вращения виита; если же центр тяжести не находится на этой оси, то при вращении гребного виита возникает центробежная сила, которая может оказаться достаточной для создания деформации конца вала и может вызвать чрезмерную вибрацию. Результатом интенсивной вибрации может быть даже поломка

Статическая балансировка виита легко проверяется путем закрепления его в оправке на двух ровных горизонтальных плоскостях. Оправка неподвижно крепится в ступице винта,. Если гребпой винт статически отбалансирован, то он приходит в состояние покоя в любом произвольном положении; если же этого не происходит, то винт будет, подобно маятнику, стремиться после нескольких колебаний остаться в каком-либо одном определенном положении, причем более «тяжелая» сторона всегда будет находиться внизу. Для достижения баланса необходимо снять металл с менее ответственных участков этой стороны виита. Снятие необходимого количества металла не всегда практически осуществимо, особенно на двухлопастных винтах. Статическая балансировка хотя и имеет важное значение, является только частью балансировки.

При статической балансировке гребного винта во время его вращения могут возникнуть пары сил вследствие того, что лопасти виита не находятся в одном и том же аксиальном положении, и это может вызвать вибрацию. Замер этого динамического баланса во время вращения виита возможен только посредством испытаний в специальных приборах. Подобные испытания особенно важны для определения эксплуатационных данных быстроходных . винтов.

При изготовлении и чистовой обработке поверхности винтов, которые должны иметь как статическую, так и динамическую балансировку, необходимо соблюдение высокой степени точности.

Факторы, определяющие выбор гребных винтов при двигателях с наддувом. Для развития большой мощности при малом весе на авиационных двигателях приходится прибегать к применению относительно высокого числа оборотов, тогда как повышение мощности на цилиндр осуществляется посредством увеличения среднего эффективного давления таким образом, что давление впуска в начале хода расширения и последующего сжатия не настолько велико, чтобы вызвать детонацию.

Обычно для достижения этой цели производится впуск под давлением смеси воздуха и паров бензина посредством использования в системе всасывания насоса, называемого нагнетателем или воздуходувкой.

Независимо от вида используемого топлива, нагнетатели в настоящее время получили почти повсеместное применение для двигателей.

 Существует предельное давление смеси, достижимое сжатием, после которого образовавшаяся теплота воспламенит смесь и вызовет преждевременное воспламенение и детонацию, вследствие чего возможны потеря мощности и повреждения двигателя, если это явление будет продолжаться достаточно долго.

Можно легко убедиться в том, что если это предельное давление и, следовательно, воспламенение, вызваны до того, как поршень достиг верхней мертвой точки (ВМТ), он будет скорее иметь тенденцию к запаздыванию, чем к движению вниз во время такта расширения, что вызовет взрыв или детонацию.

В случае бензинового двигателя с нормальным всасыванием, т. е. без наддувочного агрегата, мало вероятно, что давление сжатия может достигнуть точки самовоспламенения. Однако, если вследствие нагрузки, приложенной к выходному валу двигателя, число его оборотов значительно снижается, то будет наблюдаться тенденция к аналогичному явлению благодаря тому, что искра от запальной свечи, образующаяся до достижения верхней мертвой точки, может вызвать взрыв, оказывающий влияние на поршень прежде, чем достигнута эта точка.

Следует указать, что в бензиновых двигателях искра или воспламенение всегда, образуются за несколько градусов до ВМТ. Например, при работе на большом числе оборотов всегда возникает вапаздывание во времени между образованием искры и повышением давления до полного, следующим за горением смеси паров бензина и воздуха. Если, однако, скорость вращения вала по каким-либо причинам снижается, особенно в случае приложения замедляющей нагрузки, то в тот момент, когда искра воспламенит смесь под тем же углом до ВМТ и пройдет аналогичный период времени до достижения полного давления рабочего хода, следующего после горения, время достижения поршнем ВМТ возрастет вследствие снижения, скорости вращения вала. Возникнет такое положение, когда давление рабочего хода может достигнуть максимального значения у ВМТ или до нее, вызывая стук или преждевременное зажигание. Это нежелательное явление, равно как и причины его возникновения, оказывают серьезное влияние на применение двигателей внутреннего сгорания на морских судах.

Если, например, винт спроектирован таким образом, что его шаг и диаметр точно удовлетворяют требованию обеспечения заданной скорости хода катера при определенном водоизмещении с оптимальным использованием мощности на максимальном числе оборотов, то при увеличении веса или сопротивления катера вследствие, например, обрастания днища, будут происходить детонация, стук и снижение мощности.

Описанное выше явление имеет место у двигателей с естественным всасыванием, но когдв для увеличения мощности прибегают к наддуву, то возникает опасность детонации, хотя начало ее определить легче благодаря тому, что при перегрузке скорость вращения виита не всегда снижается сразу и может поддерживаться на эадан-

ном уровне посредством увеличения дввления наддува или открытия дроссельной заслонкн. В результате, во время хода сжатия происходит впуск дополнительного количества смеси, максимальное давление увеличивается и создаются условия, отрицательно воздействующие на работу двигателя, в частности — перегрев.

Следует пояснить, что хотя при наддуве достигнутое максимальное давление в цилиндрах, в основном, неизменно, общий объем смеси будет больше. Это возможно по той причине, что при наддуве двигателя в головке цилиндра над поршнем у ВМТ высвобождается больший объем. Вследствие сравнительно высокого давления наддува, при котором производится впуск смеси в начале хода сжатия, нормальное максимальное давление будет достигнуто после сжатия, несмотря на больший объем над годовкой поршня.

Гребной винт должен проектироваться таким образом, чтобы избежать перегрузки в условиях работы, могущих возникнуть при эксплуатации. В этой связи требуется, чтобы шаг и диаметр виита обеспечивали ход катера при полной нагрузке при наддуве и числе оборотов, необходимых для развития полной мощности. Если, следовательно, катер идет при какой-либо нагрузке меньше полной, то при том же винте будет наблюдаться тенденция двигателя к увеличению оборотов, что вызовет необходимость регулирования дросселя.

В таких случаях работы двигателя при нагрузке меньше полной имеют место напрасные потери мощности и, следовательно, скоро сти, поскольку полная мощность не может быть развита. С уменьшением веса катера потенциальная потеря скорости возрастает.

Все двигатели с наддувом имеют характеристику, показывающую ограничение давления наддува для данного числа оборотов. График с характеристикой, показывающей режим работы цилиндров в условиях, которые ведут к детонации, обычно прилагается заводом-изготовителем. Большое значение в этом случае имеет двв- ление при сгорании, однако кривая обычно имеет довольно плавный характер.

Теперь вернемся к необходимости предупреждения детонации, которая может происходить не только при полной скорости и нагрузке, особепно у двигателя с наддувом. Однако, если в период развития скорости полного хода увеличение мощности, потребной для движения катера, влечет за собой форсировку двигателя и повышение числа его оборотов, соответствующих кривой максимально допустимого наддува или выходящих за ее пределы, то кривая необходимой мощности для данного корпуса должна проходить ниже ограничительной кривой наддува.

Все приведенные выше замечания относятся, главным образом, к бензиновым двигателям. Для быстроходных дизелей, особенно для двигателей с наддувом, повышенные тепловые режимы работы цилиндров более характерны.

Поскольку кривая потребной мощности для какого-либо катера с остроскулым корпусом не плавна, а обычно имеет «горб» в одном

из участков скорости полного хода, то для предупреждения перегрузки на предельной скорости мощность при полном числе оборотов будет несколько ниже максимально допустимой, т. е. скорость при полном числе оборотов окажется меньше той скорости, когда винт рассчитан на использование полной мощности при максимальном числе оборотов. Кроме того, шаг винта следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить на предельной скорости предупреждение перегрузки двигателя в условиях полного водоизмещения катера.

В целом, по изложенным выше причинам у катеров с остроску- лой формой корпуса может иметь место значительная потеря скорости полного хода, что лишний раз подчеркивает преимущества гребного винта регулируемого шага, несмотря на неизбежное в этом случае снижение КПД винта, вызываемое увеличением диаметра ступицы.

Интересно отметить, что характер кривой потребной мощности значительно изменяется в зависимости от формы корпуса.

Остроскулые обводы с большой килеватостью имеют менее резко выраженный «горб» кривой сопротивления, хотя на высоких скоростях хода их мореходные качества ухудшаются. С другой стороны, в случае применения корпусов водоизмещающего или полуводоиз- мещающего типа кривая потребной мощности на малых скоростях хода будет располагаться ниже кривой остроскулого корпуса, поднимаясь выше ее примерно в районе «горба» кривой и заканчиваясь резким подъемом на скорости полного хода при значении относительной скорости 3.

Рассмотренное явление необходимо принимать во внимание при проектировании винтов для быстроходных судов глиссирующего типа. Этот фактор должен также учитываться при предварительных определениях скорости.

Из сказанного выше можно сделать вывод о том, что израсходованная на полезные цели мощность при полном числе оборотов будет равна разности мощностей в точках А и В (). Поскольку, однако, в случае использования винтов регулируемого шага на современном этапе их развития обычно возникает некоторая потеря КПД, то весьма вероятно, что в величине скорости полного хода при установке ВРШ особой разницы не будет, несмотря на то, что разность между мощностями в точках А и В добавляется к мощности, подвваемой на гребной вал.

С другой стороны, преимуществом ВРШ является их способпость использовать полную мощность, развиваемую двигателем при малых нагрузках катера. Еще более важна способность ВРШ сохранять высокие значения среднего эффективного давления, которые так необходимы для экономичного режима работы на сравнительно низких крейсерских скоростях хода.

При уменьшении числа оборотов до такой величины, при которой скорость хода катера остается нензмеиной при повышении наддува до максимально допустимой постоянной величины, соответствующей указанному числу оборотов, становится возможной эксплуатация двигателей при высоком среднем эффективном давлении. Это двет основания ожидать максимальной экономии в расходе топлива.

Здесь нам снова приходится удовлетвориться тем, что при установке БРШ общий пропульсивный КПД не снижается настолько, что мощность, потребная для движения катера на любой заданной скорости, становится меньше, чем при наличии более эффективного винта фиксированного шага. В результате общий расход топлива получается выше, несмотря на ограничения среднего эффективного давления, связанные с данной скоростью.

Другими словами, увеличение мощности, потребной для обеспечения ходв судна на какой-либо заданной скорости, может вызвать увеличение расхода топлива, несмотря на условия, способствующие его экономии при повышенном среднем эффективном давлении.

Выбор того или иного фактора в большой степени зависит от того, насколько кривая фактического наддува для данной скорости и виита фиксированного шага расположена ниже ограничительной кривой максимального наддува и от того, какова относительная эффективность ВРШ.

Если перечисленные факторы заслуживают внимания, то ниже предлагаются для рассмотрения следующие вопросы, возникающие при обеспечении хода "катера двигателями большой мощности.

Современные быстроходные сторожевые и торпедные катера ми- гут иметь до четырех двигателей. Типовая установка для того случая, когда требуется высокая максимальная скорость в сочетании с большим радиусом действия при низких скоростях крейсерского хода, может состоять из двух турбин внутреннего сгорания, работающих на средние валы, и двух быстроходных дизелей, работающих на бортовые гребные валы.

Таким образом, для достижения максимальной скорости все четыре двигателя могут работать на полном дросселе, а для длительного плавания на более низких скоростях можно использовать только дизели, эксплуатируя их преимущественно на таких мощностях, при которых сохраняются высокое среднее эффективное давление и достаточно низкий удельный расход топлива. Маневрирование также осуществляется на дизелях, где могут быть установлены реверсивные механизмы с муфтами сцепления. При работе турбин внутреннего сгорания маневрирование затруднительно.

Анализ элементов гребного винта, рассчитанного на работу с дизелями, поможет выбрать для него шаг, пригодный и для эксплуатации на полной скорости вместе с турбинами.

Предположим, например, что мощность каждой из двух турбин составляет 4000 л. е., а мощность каждого из двух дизелей равна 2500 л. с. В таком случае, полная мощность, используемая для обеспечения скорости полного хода, составляет 13 000 я. с., а мощность для крейсерского хода 5000 л. с. Соответствующие скорости составят 40 узлов дня полной мощности и 20 узлов для крейсерского хода. Если винт для дизелей спроектирован так, чтобы обеспечить скорость хода 40 узлов, то для максимальной скорости экономического хода 20 узлов его шаг окажется совершенно неподходящим, поскольку будет значительно превышать допустимые величины, хотя в обоих случаях будет развиваться аналогичная максимальная мощность на вал. Одним из средств решения этой задачи является применение винтов регулируемого шага, хотя следует отметить, что в таком случае значительные размеры крокшгеш а гребного вала и ступицы вызовут на высоких скоростях значительную потерю КПД.

Эта задача при использовании винтов фиксированного шага оптимальных размеров может быть решена путем устаповки двухско- ростного редуктора, позволяющего изменить число оборотов виита от скорости экономического хода до скорости полного хода в отношении 20: 40.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ:  БЫСТРОХОДНЫЕ КАТЕРА

 

Смотрите также:

 

Гребные винты изменяемого шага

Подбирают и изготовляют гребные винты так: на вал электромотора насаживается отрезок трубки длиной 15—20 см. К свободному концу трубки припаивается временный винт...

 

Движители для моделей судов. Гребной винт

Очень важно правильно подобрать гребной винт для судна. Если мощность винта при вращении больше мощности двигателя...

 

Судомоделизм. Модели судов кораблей

Гребной винт — это цилиндрическая ступица с лопастями.
Гребные винты для своих моделей юные корабелы рассчитывают и изготавливают чаще всего сами.

 

Редукторы. Устройства и приспособления для самоходных моделей судов

С помощью редуктора можно изменить направление вращения гребного винта или передать вращение двум винтам. Существует много конструкций редукторов.

 

Двигатели модельные

Гребной винт, закрепленный на валу, через соединительную муфту связан с валом электродвигателя...

 

ЧТО НИ ШАГ, ТО ЗАГАДКА. Рыбы. Как плавают рыбы

А ведь он создает лишь дополпительную скорость, в то время как гребные винты судов являются единственными двигателями.

 

Модель спортивного катера Б-4

Установку гребного винта на валу следует делать до установки баллера руля в петли. Руль устанавливается на корпус в собранном виде.

 

БРОКГАУЗ И ЕФРОН. Подводные лодки. Изобретение подводной лодки

Горизонтальный винт напоминал современные гребные винты и приводился в движение руками экипажа; второй винт, вертикальный, служил для погружения и подъема П. лодки...

 

Пружинные двигатели. Двигатели для моделей

...Для того, чтобы не уменьшать и без того малую мощность двигателя, необходимо устанавливать механизмы в корпусе модели так, чтобы вал пружинного механизма и вал гребного винта были...

 

Сборка моделей и испытание их на воде

После установки сальников необходимо укрепить гребные валы при помощи кронштейнов. Предварительно перед креплением гребных винтов проверяют установку валопровода.