В. В. Вейнберг, журнал КиЯ №21

Обычно применяемые методы расчета катерных гребных винтов могут быть использованы при проектировании движителей гоночных судов. Однако диаграммы кривых действия, используемые в стандартных расчетах, построены для гребных винтов с определенной формой и профилем сечения лопастей. Гребные же винты спортивных судов имеют особую геометрию. Высокие абсолютные скорости движения и относительно небольшие значения упора требуют повышения чисел оборотов при одновременном уменьшении диаметра гребных винтов. Если лопасти придать оптимальную толщину, то ее входящие кромки будут отгибаться под давлением воды. В связи с этим приходится утолщать сечения лопастей у кромок и придавать лопастям саблевидность. Кроме того, чтобы уменьшить потери вследствие значительного на высоких оборотах радиального перетекания воды, лопастям винта придают значительный наклон в корму. Это одновременно в некоторой степени устраняет вредное влияние расположенного впереди винта кронштейна гребного вала или обтекателя редуктора угловой передачи.

Такие изменения в геометрии винтов, безусловно, приводят к некоторому отклонению их гидродинамических характеристик от полученных на стандартных сериях.

В отличие от судов других типов, на гоночных судах ось гребного винта всегда располагается сравнительно близко к поверхности воды. Глубина погружения оси редко превышает 0,6 D (D — диаметр винта), применяются и частично погруженные винты, поэтому нередки случаи попадания к лопастям воздуха и даже полного оголения всего диска винта, особенно на волне.

При работе гребного винта с концов его лопастей и по оси сбегают свободные вихри, причем интенсивность осевого вихря в Z раз больше, чем концевых (Z — число лопастей). Из-за больших окружных скоростей в центре вихревых шнуров создается значительное разрежение, которое может вызвать образование воздушной воронки, выходящей на поверхность воды (рис. 1). Размеры этих воронок и глубина распространения их в воде зависят от интенсивности сбегающих вихрей, скорости набегающего потока и наклона оси винта.

 

Рис. 4. Гребной винт подвесного мотора „Джонсон" № 307430.

 

При определенных условиях воздушная воронка может достичь диска винта; тогда воздух, распространяясь в зону разрежения на засасывающей стороне лопасти, резко уменьшает величину упора и момента винта. Падение момента вызывает дополнительное повышение числа оборотов, что, в свою очередь, усиливает аэрацию винта.

Попаданию воздуха по воздушной воронке способствуют такие явления, как случайное оголение лопасти винта, резкое повышение сопротивления судна, например, при ударе о волну, образование паро-воздушной каверны перед или за винтом при отрывном обтекании кронштейнов или рулей.

Мерами для прекращения аэрации винта могут быть увеличение погружения его оси, изменение угла наклона вала или кратковременное снижение числа оборотов. Однако, как показали эксперименты, проведенные на ряде спортивных судов различных классов, наиболее простым и эффективным способом предотвращения аэрации является изменение шага Н по радиусу R гребного винта. Например, на подвесных моторах подсос воздуха к винтам, имеющим ось, погруженную на 0,6—0,65D, и почти осевое обтекание, начинается при шаговом отношении H/D > 1. По-видимому до H/D=1,4 воздух подсасывается только по центральному вихрю, так как плавное уменьшение шага к ступице на 15—20%, начиная от сечения на r = 0,65 ~ 0,7R, приводит к полному предотвращению влияния аэрации на характеристики винта.

При дальнейшем увеличении шагового отношения воздух начинает засасываться к винту по воздушным воронкам концевых вихрей, поэтому при H/D>1,4 приходится уменьшать шаг и на конце лопасти приблизительно на те же 15—20%. Такое распределение шага вдоль лопасти позволяет даже при минимальных погружениях оси винта (h = 0,5D) и периодических оголениях лопастей полностью предотвратить аэрацию винта на всех режимах движения (тем более, при номинальном режиме работы движителя).

При наклонном гребном вале аэрация наступает при больших шаговых отношениях. Испытания на катерах К-02 винтов, имеющих H/D = 1,6, показали, что при уменьшении шага на 18% у ступицы просос воздуха на всех режимах движения отсутствует.

Суперкавитирующие винты также подвержены аэрации, хотя и в значительно меньшей степени. Если при работе суперкавитирующего винта постоянного шага с H/D = 1,7 прососа воздуха нет на всех режимах движения (это было проверено на ряде глиссеров яхт-клуба ЛВМБ), то при увеличении HID до 1,8-2 на режиме разгона глиссера аэрации избежать не удается.

Для предотвращения падения упора из-за попадания воздуха на диск винта приходится уменьшать шаг (в указанных пределах) вблизи ступицы винта.

При проектировании гребных винтов спортивных судов многие параметры могут быть заданы только приближенно (величина сопротивления судна, мощность при номинальных оборотах и т. п.), поэтому на практике влияние отклонений в геометрии можно компенсировать некоторым заранее принятым в расчете запасом мощности и небольшим «утяжелением» винта за счет увеличения его расчетного шага или диаметра. Некоторое несоответствие принятых элементов винта в этом случае может быть исправлено небольшой подрезкой лопастей по радиусу и учтено на дальнейших стадиях доводки судна.

На рис. 2—5 и 7 приведены чертежи ряда гребных винтов, установленных на иностранных подвесных моторах и стационарных двигателях различной мощности. Эти винты вполне могут служить иллюстрацией применения данных рекомендаций и использоваться в качестве прототипов при проектировании винтов спортивных судов. Следует особо отметить большое влияние на к. п. д. винта точности изготовления и чистоты обработки поверхности лопастей.

На спортивных судах все большее распространение находят частично погруженные винты. Уменьшение погружения оси винта позволяет снизить сопротивление выступающих частей, достигающее 60% полного сопротивления скутера при скоростях более 100 км/час. Однако снижение сопротивления часто не компенсирует падения к.п.д. винта, поэтому применение полупогруженных винтов объясняется другими соображениями. Высокооборотные гоночные двигатели с настроенными резонансными глушителями и всасывающими каналами не могут развить достаточно высокую мощность на малых и средних оборотах, а ограниченный температурный режим свечей зажигания сокращает рабочий диапазон использования двигателя по числу оборотов.

Внешняя характеристика таких двигателей имеет ярко выраженный провал (рис. 8). Частично погруженные винты в этих условиях обеспечивают полное соответствие рабочей характеристики форсированного двигателя и винтовой характеристики.

Проведенные в ЛИВТе испытания небольшой серии моделей гребных винтов при различных погружениях показали, что при малых значениях относительной поступи

коэффициент упора частично погруженного винта резко уменьшается, по сравнению с полностью погруженными винтами. 

При увеличении λ_р происходит значительное относительное повышение коэффициента упора—К₁ (рис. 9). Такое изменение К₁, как было отмечено во время испытаний, обусловлено аэрацией лопастей винта из-за отрыва потока от лопасти в момент входа ее в воду и прососа воздуха по вихревым шнурам, выходящим своими концами на свободную поверхность воды, а также уменьшением рабочего сечения движителя ввиду его неполного погружения. Если на первом участке уменьшение упора происходит в основном из-за попадания воздуха к диску винта, то на втором — влияние прососа воздуха резко уменьшается, а снижение упора вызывается, в основном, уменьшением рабочего сечения винта. К.п.д. частично погруженного винта на всех режимах остается меньше, чем полностью погруженного, что можно объяснить влиянием таких факторов, как аэрация винта, нестационарность и неравномерность потока, потери энергии на брызгообразование при ударе лопасти о воду. На рис. 10 дано сравнение гидродинамических характеристик одного из винтов исследованной серии при частичном и полном погружении.

Динамические качества движительного комплекса можно оценить по паспортным диаграммам (рис. 11 и 12), построенным для винтов — частично и полностью погруженного, работающих с различными двигателями. Один двигатель имеет внешнюю характеристику обычного вида, свойственную нефорсированным двигателям, другой — характеристику с глубоким провалом мощности на режиме среднего числа оборотов в результате применения резонансных глушителей (см. рис. 8).

У обычного винта при максимальной загрузке судна (режимы, соответствующие предельной тяговой характеристике) по мере увеличения скорости движения число оборотов повышается от 4500 до 8000 об/мин. При применении частично погруженного винта этот диапазон сокращается, причем при v = 0 (на швартовах) обороты могут превосходить номинальные и по мере разгона несколько уменьшаться; только при скоростях выше 0,8 расчетной число оборотов винта начинает увеличиваться, достигая номинального.

Рис. 10. Кривые действия частично погруженного гребного винта.

Рис. 11. Паспортные диаграммы тяги и мощности полностью и частично погруженных винтов при работе совместно с нефорсированным двигателем.

1 — сопротивление судна; 2 — предельная мощность двигателя, соответствующая внешней характеристике; 3 — предельная тяга частично погруженного винта; 4 — предельная тяга винта при полном погружении; 5 — потребная мощность (винтовая характеристика) для частично погруженного гребного винта; 8 — то же для судна с полностью погруженным винтом.

Рис. 12. Паспортные диаграммы тяги и мощности полностью и частично погруженных винтов при работе с форсированным двигателем, имеющим провал внешней характеристики на средних оборотах.

1 — сопротивление судна; 2 — предельная мощность двигателя, соответствующая внешней характеристике; 3 — предельная тяга частично погруженного винта; 4 — предельная тяга винта при полном погружении; 5 - потребная мощность (винтовая характеристика) для частично погруженного гребного винта; 6 — то же для винта при полном погружении.

 

Вид предельных тяговых характеристик этих винтов также различен. Если у обычного винта тяга плавно падает по мере увеличения скорости движения, то для частично погруженного винта характерен провал на скоростях v = 0,5v_paсч с дальнейшим подъемом почти до величины тяги обычного винта. На швартовном режиме тяга частично погруженного винта может оказаться несколько выше, чем у полностью погруженного (см. рис. 9). При использовании нефорсированного двигателя (рис. 11) применение частично погруженного винта совершенно нецелесообразно из-за снижения достижимой скорости (ввиду меньшего к.п.д. винта) и ухудшения «приемистости» судна во время разгона, при маневрировании и т. п. «Приемистость» судна можно характеризовать запасом тяги, равным разнице между предельной тягой винта и сопротивлением судна.

Тяга обычного полностью погруженного винта при работе с форсированным двигателем будет недостаточна для того, чтобы преодолеть горб сопротивления при разгоне, либо придется рассчитывать винт из условия обеспечения тяги на этом режиме, а не для достижения максимальной скорости. В данном случае целесообразно применить частично погруженный винт. Узкий диапазон его рабочих оборотов позволит полностью исключить появление во время разгона режимов, соответствующих провалу мощности двигателя.

Как уже говорилось, впадина на кривой тяги частично погруженного винта часто близка к положению горба на кривой сопротивления. Кроме того, повышение числа оборотов двигателя (разнос) при периодических выходах винта из воды также вызывает просос воздуха и падение тяги винта вплоть до величин, недостаточных для дальнейшего движения в данном режиме. (Часто такое явление можно наблюдать при «вылете» на крупной волне из воды моторных лодок с винтами, установленными очень близко к поверхности воды). Для уменьшения влияния прососа воздуха на упор винта, а также отсечки воздуха, попадающего на винт из каверны за обтекателем углового редуктора подвесного мотора, используется тот же прием, что и для погруженных винтов, подверженных прососу воздуха, т. е. уменьшение шага на 15—20% у ступицы, в районе границы каверны.

Высокие обороты винта и скорость движения спортивных судов не позволяют добиться безотрывного обтекания засасывающих поверхностей лопастей частично погруженного гребного винта, поэтому выгодно придавать их сечениям суперкавитирующий профиль, а для повышения эффективности — поперечную и продольную погибь до 2—3% («ложку»). Поскольку избежать прорыва воздуха у концов лопастей невозможно, уменьшение шага на крайних сечениях не имеет смысла; для повышения упора целесообразно, наоборот, увеличить шаг. Наиболее характерным примером частично погруженного винта может явиться винт широко распространенных подвесных гоночных моторов «RN-175» (рис. 13).

При выборе элементов для спортивных судов гребных винтов можно руководствоваться обычными приемами расчета и проектирования винтов, внося соответствующие изменения в геометрии согласно вышеизложенным рекомендациям. Однако отсутствие систематических экспериментальных данных о влиянии на гидродинамические характеристики гребного винта изменения формы и сечения лопастей, нестационарности обтекания, подсоса воздуха, радиально переменного шага не позволяет в настоящее время решать эту задачу с той же точностью, что и в обычных судостроительных расчетах ходкости, и обычно требуется тщательная доводка комплекса в натурных условиях.