§ 49. Гребной винт

На современных судах в основном работают гребные винты, которые отличаются небольшим весом, надежностью в эксплуатации. Винты обладают довольно высоким к.п.д. при сравнительно простой конструкции. Он состоит из нескольких лопастей, радиально укрепленных на ступице. Гребной винт, как и любой другой винт, преобразует вращательное движение, вырабатываемое судовым двигателем, в поступательное движение судна. Каждая точка его лопастей описывает винтовые линии (рисунок 72)

Если мысленно «развернуть» эти винтовые линии на плоскость, то получим треугольник, гипотенуза которого и является траекторией движения точки лопасти, а катеты – траектории соответственно поступательного и вращательного движения точки. Этот треугольник называется шаговым треугольником, а угол φ - шаговым углом.

Рисунок 73

Винт постоянного шага

Шагом называется расстояние, которое проходит точка при поступательном дви-жении за один оборот. На рисунке 73 показан винт постоянного шага, у которого все се-чения лопасти за один оборот проходят одинаковое расстояние. Как видно из рисунка, это возможно только, если менять шаговый угол каждого сечения, так как путь, пройденный точкой при вращении, зависит от расстояния этой точки от оси вращения. Это обстоятель-ство и придает лопасти винта изогнутую форму.

Представить сложную винтовую поверхность лопасти помогает рисунок. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, но одинаковую высоту - шаг H, и поднимается за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (Нn) представляет со-бой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.

Винты изготавливают из чугуна, углеродистой стали, легированной стали, латуни, бронзы и даже из пластмасс – для небольших судов. Гребные винты современных мор-ских судов изготавливают главным образом из бронзы или латуни, т.к. эти материалы стойки против коррозии, долго сохраняют чистоту поверхности лопастей, хорошо подда-ются шлифовке и полировке. Гребные винты для ледоколов делают из нержавеющей ле-гированной стали.

Гребной винт преобразует вращение вала двигателя в упор – силу, толкающую судно вперед. При вращении на поверхностях лопастей, обращенных вперед, в сторону движения судна (засасывающих), создается пониженное давление, а на обращенных назад (нагнетающих) – повышенное давление воды. В результате разности давлений на лопа-стях возникает сила Y (ее называют подъемной). Разложив силу на составляющие - одну, направленную в сторону движения судна, а вторую перпендикулярно к нему, получим си-лу Р, создающую упор гребного винта, и силу Т, образующую крутящий момент, кото-рый преодолевается двигателем.

Основные геометрические и кинематические характеристики винта

Основными геометрическими характеристиками винта являются:

• диаметр винта D – диаметр окружности, описываемой наиболее удаленны-ми от оси точками лопастей;

• диаметр ступицы винта d ;

• шаг винта Н – шаг винтовой поверхности или расстояние, которое пошел бы винт за один оборот в твердой среде;

• шаговое отношение Н/D – отношение шага винта к его диаметру. Величина шагового отношения судовых винтов колеблется от 0,6 до 2,0;

• дисковое отношение А/Аd – отношение суммарной площади всех лопастей винта А к площади диска винта. В качестве характеристики винта принима-ется рабочая, или спрямленная, площадь лопастей. При ее вычислении при-нимается ширина лопасти, замеренная на нагнетающей поверхности. В ха-рактеристике винта указывается обычно не сама спрямленная площадь ло-пастей А, а ее отношение к площади Аd сплошного диска такого же, как винт, диаметра,

(193)

Величина дискового отношения судовых гребных винтов колеблется от 0,3 до 1,2 (большие значения соответствуют быстроходным судам).

Для пояснения принципа действия гребного винта рассмотрим на рис.73 сечение лопасти, сделанное на расстоянии r от оси винта

Упор в большой степени зависит от угла атаки  профиля лопасти. Если  больше оптимальной величины, то мощность двигателя непроизводительно затрачивается на пре-одоление большого крутящего момента, если же угол атаки мал, подъемная сила и, следо-вательно, упор Р будут невелики, мощность двигателя окажется недоиспользованной.

На схеме, иллюстрирующей характер взаимодействия лопасти и воды,  можно представить как угол между направлением вектора скорости набегающего на лопасть потока  и нагнетающей поверхностью. Вектор скорости потока  образован геометри-ческим сложением векторов скорости поступательного перемещения vр винта вместе с судном и скорости вращения vr, т.е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.

На рисунке 74 показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном опреде-ленном поперечном сечении лопасти, расположенном на каком-то определенном радиусе r гребного винта. Окружная скорость вращения v, зависит от радиуса, на котором сечение расположено

vr = 2 r n (194)

где n - частота вращения винта, об/с,

Cкорость же поступательного движения винта vр остается постоянной для любого сечения лопасти. Таким образом, чем больше r, т.е. чем ближе расположен рассматривае-мый участок к концу лопасти, тем больше окружная скорость vr, а следовательно, и сум-марная скорость .

Если бы винт работал в твердой среде, то за один оборот он проходил бы расстоя-ние, равное шагу винта Н. в действительности же винт, работающий в податливой среде, какой является вода, проходит за один оборот расстояние меньшее, чем шаг. Это расстоя-ние называется абсолютной поступью винта h.

, (195)

где vр – осевая скорость винта, м/сек, п – число оборотов винта в секунду.

Отношение абсолютной поступи винта к диаметру винта называется относительной поступью винта λ

(196)

Разность между шагом винта и абсолютной поступью винта называется абсолютным скольжением, и обуславливает работу по пасти винта под углом атаки  к потоку воды, имеющему скорость .

(197)

Отношение абсолютного скольжения к шагу винта называется относительным скольжением гребного винта s:

(198)

Скольжение и поступь являются характеристиками режима работы гребного винта. Максимальной величины (100 %) скольжение достигает при работе винта на судне, при-швартованном к берегу, поступь винта при этом λ = 0. При движении судна по мере уве-личения поступи винта скольжение уменьшается.