Влияние характеристик винта на его работу

Режим работы гребного винта определяется в первую очередь его кинематическими характеристиками, из которых наиболее характерной является относительное скольжение,    подсчитанное по гидродинамическому шагу,

С ростом скольжения растут упор и мощность (крутящий момент),КПД достигает максимума при s1 = 0,15-0,25, после чего медленно снижается. На рабочем режиме скольжение бывает раза в два больше этих оптимальных значений, что связано с необходимостью обеспечения требуемого упора. Характер влияния скольжения можно оценить по рис. 3.3, если развернуть ось абсцисс: при J = P/D s1 = 0, при J = 0 скольжение s1 = 1.
Вторая по важности характеристика - шаговое отношение P/D. С ее ростом увеличиваются упор и крутящий момент, но влияние P/D на КПД более сложное. В целом с ростом P/D КПД растет, но, во-первых, до определенного предела (примерно 1,5-1,7), после которого он снижается, во-вторых, это утверждение относится к максимально достижимому КПД; если задана относительная поступь (а она связана со скоростью), то максимальный КПД будет при вполне определенном шаговом отношении тем меньшем, чем меньше поступь. Влияние P/D иллюстрирует рис. 3.6, где построены кривые коэффициентов упора и КПД для трех значений шагового отношения.

Рис. 3.6. Влияние шагового отношения на работу винта

К числу важнейших характеристик относится также дисковое отношение AE/A0. Его влияние несколько меньше, чем шагового отношения. С ростом AE/A0 при неизменном шаговом отношении увеличиваются упор и момент и снижается КПД (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Влияние дискового отношения на работу винта

Если шаговое отношение нулевого упора постоянное, все кривые пересекают ось абсцисс в одной точке. На рис. 3.7 имеются некоторые расхождения, которые можно объяснить влиянием относительной толщины лопастей на P1/D.
Относительная толщина б = е0/бср выбирается из условия прочности лопастей, она представляет собой отношение толщины на радиусе центра тяжести площади лопасти (R0 примерно 0,6 R) к средней ширине контура лопасти. Рост толщины приводит к некоторому увеличению коэффициентов упора и момента и небольшому снижению КПД (при очень малой толщине ее влияние обратное).
Число лопастей z при работе винта в свободной воде сравнительно слабо влияет на работу винта. Если винт проектируется на заданный упор, коэффициент упора будет фиксирован, а КПД несколько изменяется с изменением числа лопастей. Сравнивая наиболее распространенные варианты винтов с z = 3 и z = 4, можно отметить, что у слабо нагруженных винтов с точки зрения КПД предпочтительнее z = 3, благодаря меньшей относительной толщине (в связи с большей шириной одной лопасти), а у тяжело нагруженных винтов - z = 4, благодаря уменьшению индуктивных потерь, связанных с перетеканием воды через край лопасти с нагнетательной поверхности на засасывающую.
У винтов, работающих за корпусом, влияние числа лопастей более значительное. Рост числа лопастей в целом способствует уменьшению вибрации и шума при работе винта, что особенно существенно при больших мощностях энергетической установки.
Форма контура лопасти оказывает некоторое, хотя и небольшое, влияние на КПД. Напомним, что в теории крыла доказывается, что минимальные индуктивные потери будут у крыла, имеющего в плане эллиптическую форму. Подобная форма оптимальна и для лопасти, хотя нужно иметь в виду, что сечения, расположенные на больших радиусах, развивают больший упор в связи с большей окружной скоростью. Но при работе винта за корпусом (особенно если он расположен в ДП) для уменьшения вибрации и шума широко применяется несимметричный (саблевидный) контур лопастей. Наибольшие усилия на лопасти одновинтового судна развиваются в ее верхнем положении, несимметричный контур позволяет сгладить пик возникающих нагрузок. На некоторых судах встречается очень сильная саблевидность, что, однако, несколько снижает КПД, требует увеличения толщины в связи с необходимостью восприятия значительных скручивающих моментов (в дополнение к изгибающим) и может привести к заметному искажению геометрических характеристик во время работы из-за деформаций лопасти от совместного действия изгиба и кручения.
Форма лопастных сечений чаще всего бывает сегментной или авиационной. Первая предпочтительней с точки зрения простоты изготовления, эффективности на заднем ходу и кавитации. Авиационный профиль обеспечивает более высокий КПД на переднем ходу. Популярные винты серии Трооста, разработанные в Голландии (Вагенингенский опытовый бассейн), имеют авиационный профиль вблизи корня с постепенным переходом к сегментному на больших радиусах, где из-за меньшей толщины разница в эффективности мала.
Винты некоторых судов имеют уклон лопастей в корму. В свободной воде это обстоятельство тоже незначительно влияет на работу, но у винтов, работающих за корпусом, уклон делают с учетом формы окна ахтерштевня для обеспечения необходимых зазоров между винтом и корпусом. При уклоне немного удлиняется лопасть, что незначительно ухудшает КПД (если угол уклона не превышает 15 градусов); дополнительный изгибающий момент от действия центробежных сил требует некоторого увеличения толщины.
Относительный диаметр ступицы у цельнолитого винта составляет 16-20 % - эта величина близка к оптимальной. При уменьшении диаметра ступицы корневые сечения располагаются под очень большими шаговыми углами (нормально в корневом сечении этот угол близок к 60 градусам) и работают крайне неэффективно; ступица большого диаметра создает повышенное сопротивление.
Качество обработки поверхностей лопастей может очень сильно повлиять на КПД, если оно низкое. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в главе о повышении эффективности винтов.
Наконец, недостаточная глубина погружения оси винта, как указывалось в теории идеального движителя, ведет к снижению КПД из-за образования волн при работе винта. Считают, что отношение глубины погружения оси винта к его диаметру не должно быть менее 80-100 %.