Чертежи гребного винта

Чертеж гребного винта может быть теоретическим или конструктивным. На теоретическом чертеже изображают в двух проекциях одну лопасть со ступицей и обтекателем; приводятся необходимые размеры. Здесь же даются медианальное и лопастные сечения. Последние изображаются на спрямленном контуре, который располагается в правой части листа.
Конструктивные (рабочие) чертежи значительно подробнее и занимают несколько листов. Они позволяют изготовить винт. На сборочном чертеже указаны все основные размеры, необходимые для изготовления винта, детали крепления винта на валу, допуски, припуски, характер обработки и чистота поверхности. Отдельно, в более крупном масштабе приводят лопастные сечения, кроме того, в натуральную величину рисуют шаблоны кромок для нескольких радиусов. По этим шаблонам проверяют правильность изготовления кромок лопастей винта. На отдельных листах могут быть чертежи технологической оснастки и т.д.
В последнее время интенсивно развиваются компьютерные технологии в судостроении вообще и при проектировании гребных винтов в частности. Мы не будем подробно рассматривать вопросы математического описания геометрии поверхности судовых гребных винтов, используемых при этом систем координат и др. Некоторые сведения на эту тему можно почерпнуть в учебной, справочной и другой специальной литературе.

Распределение толщин по лопасти.

Распределение толщин по лопасти на чертежах изображается в виде сечений двух типов. Одно из них - условное сечение по линии наибольших толщин, иногда называемое медианальным (медиальным) сечением. Оно изображается на боковой проекции, причем толщина откладывается горизонтально. В общем случае медианальное сечение имеет двойную кривизну, обусловленную как переменностью шагового угла, так и кривизной линии наибольших толщин. Если контур лопасти симметричный, а наибольшая толщина лежит посередине хорды, то кривизна сечения будет одинарная. Медианальное сечение совмещается с боковой проекцией и показывает вид и наклон образующей; если линия, соответствующая нагнетательной поверхности, кривая, это обычно значит, что лопасть образована по поверхности аксиально-переменного шага, в этом случае линия кромок на боковой проекции будет прямой. Сечения винтов радиально-переменного шага не отличаются от случая постоянного шага.
Распределение толщин вдоль винтовых линий показано на сечениях лопастей соосными цилиндрами (цилиндрические, или лопастные, сечения). Чаще всего встречаются сечения двух видов: сегментные и авиационные. Сегментные сечения образованы дугами окружностей или парабол, у них наибольшая толщина располагается посередине хорды. У авиационных сечений наибольшая толщина смещена к входящей кромке (примерно на 0,25-0,35 длины хорды от входящей кромки). Кроме того, лопастные сечения могут быть плосковыпуклыми, выпукло-вогнутыми и двояковыпуклыми. Соображения в пользу выбора того или иного вида сечения будут изложены позднее.
Лопастные сечения могут изображаться на шаговых треугольниках, но обычно их совмещают со спрямленным контуром.

Образование лопасти и ее элементы.

Лопасть образуется из винтовой поверхности, рассеченной двумя соосными цилиндрами: по диаметру винта и ступицы. Ее можно дополнительно пересечь или двумя плоскостями, перпендикулярными оси, или двумя плоскостями, проходящими через ось и расположенными под углом друг к другу. У полученного участка ВП скругляются углы, в результате чего и получается лопасть. Чтобы получить несколько лопастей винта, необходимо в качестве образующей взять крест (4 лопасти) или другую соответствующую фигуру, которая образует многозаходную винтовую поверхность.
На чертежах обычные цельнолитые винты вычерчивают в двух проекциях, на которых показывают одну лопасть и ступицу. Проекция на плоскость, перпендикулярную оси винта, называется нормальной, а на плоскость, параллельную оси винта, - боковой. Третью проекцию - горизонтальную - используют для винтов регулируемого шага или со съемными лопастями.
Поверхность лопасти, обращенная назад, называется нагнетательной (нагнетающей), а поверхность, обращенная к корпусу, - засасывающей. Когда мы говорили о типах винтовой поверхности, имелась в виду нагнетательная поверхность, а засасывающая получается путем добавления толщин к ней.
Часть лопасти, прилегающая к ступице, называется корнем, а противоположная - краем (концом) лопасти.
Передняя кромка лопасти (при работе винта на передний ход) называется входящей (ведущей), а задняя - выходящей. Входящая кромка почти всегда толще выходящей. Естественно, названия кромок не зависят от того, вращается винт на передний, на задний ход или лежит на земле.
Гребные винты, как и обычная резьба, бывают правые и левые (правого и левого вращения). Если смотреть на судно с кормы, то правый винт при работе на передний ход вращается по часовой стрелке, а левый - против часовой стрелки. Если наблюдатель находится на ступице и смотрит на одну из лопастей, то название винта (правый или левый) совпадает с названием дальней от наблюдателя кромки, независимо от того, какой стороной лежит винт на земле. Если к винту, лежащему на земле, подойти со стороны, для определения направления вращения можно использовать «правило ноги» или «правило руки»: направление вращения совпадает с названием ноги или руки, которую удобнее поставить (положить) на лопасть. Проблемы могут возникнуть с винтами многовинтовых судов, поскольку направление вращения винтов разных бортов противоположное. Были случаи, когда после ремонта винты по ошибке меняли местами; при выходе из порта судно неожиданно начинало двигаться задним ходом вместо переднего, что приводило к авариям.
Форма гребных винтов довольно сложна, и две проекции дают весьма неполное представление о ней. Поэтому приходится дополнительно использовать контуры и сечения.
Развернутый контур получается, если винтовую поверхность пересечь несколькими соосными цилиндрами (разных радиусов), полученные винтовые линии развернуть на шаговые углы и соединить концы этих линий плавной кривой. Развернутый контур употребляется в некоторых странах; его недостаток в том, что длины винтовых линий искажаются. Поскольку в России эксплуатируются суда, построенные в различных странах, специалисты-судоремонтники могут встретиться с документацией, где использован развернутый контур лопасти винта. Площадь, ограниченная развернутым контуром, довольно точно соответствует площади нагнетательной поверхности лопасти.
В нашей стране применяют спрямленный контур, который получается из развернутого, если все винтовые линии вытянуть вдоль прямых, перпендикулярных оси лопасти. Этот контур принципиально точен, площадь, ограниченная спрямленным контуром, практически равна площади нагнетательной поверхности лопасти, а центр тяжести этой площади лежит на одном радиусе с центром тяжести нагнетательной поверхности лопасти.
Развернутый или спрямленный контур используется при проектировании формы лопасти гребного винта.
Введем понятие «дисковое отношение гребного винта» АЕ/Ао, где АЕ -площадь (нагнетательных поверхностей) всех лопастей; А0 - площадь диска винта.

Дисковое отношение - одна из важнейших геометрических характеристик винта.
Другая, не менее важная геометрическая характеристика - шаговое отношение P/D, равное отношению шага винта к его диаметру. Под шагом винта подразумевают шаг винтовой поверхности, по которой образована нагнетательная поверхность лопасти. Если эта поверхность аксиально-переменного шага, в качестве шага берется так называемый кромочный шаг, когда поверхность постоянного шага проводится через линию кромок (входящую и выходящую кромки, т.е. средний шаг на длине хорды профиля). У винтов радиально-переменного шага шагом считается шаг винтовой поверхности на относительном радиусе, равном 0,7 R. Дополнительно в виде таблицы или графика указывается распределение шага вдоль лопасти.

Геометрия винтовой поверхности.

Из названия «гребной винт» ясно, что форма его основных элементов - лопастей - связана с винтовыми поверхностями.
Простейшая винтовая поверхность (ВП) образуется так. Пусть имеется некоторая прямая линия ОО1 - ось винтовой поверхности. Имеется также отрезок прямой АВ, перпендикулярный ОО1, - образующая винтовой поверхности, причем точка В лежит на оси. Если точку В перемещать вдоль оси с постоянной скоростью, а отрезок АВ равномерно вращать вокруг этой оси, получается винтовая поверхность, которая называется правильной (или прямым геликоидом). Каждая точка образующей в пространстве описывает винтовую линию, проекция которой на плоскость, параллельную оси, есть синусоида, а на перпендикулярную - окружность. Расстояние, проходимое отрезком вдоль оси за один оборот, называется шагом винтовой поверхности Р.
Пересечем полученную винтовую поверхность соосным цилиндром радиуса АВ = R, разрежем цилиндр вдоль его образующей и развернем на плоскость. Развертка цилиндра - прямоугольник, одна сторона которого равна 2nR, а другая - Р. На этой развертке винтовая линия изобразится в виде диагонали прямоугольника. Треугольник, образованный двумя сторонами прямоугольника и винтовой линией, называется шаговым треугольником, а угол в его основании ф - шаговым углом (рис. 2.1).

 ( 2.1 )

Рис. 2.1. Шаговые треугольники для правильной ВП

Более тонкие линии (гипотенузы) на рисунке относятся к меньшим радиусам. Образующая может быть не только прямой, перпендикулярной оси, но также наклонной прямой или кривой линией. ВП, которая при этом получается, носит название поверхности постоянного шага; шаговые треугольники у нее такие же, как и у правильной.
Если скорость вращения образующей постоянная, а поступательная скорость изменяется в течение оборота, получится ВП аксиально-переменного (осепеременного) шага. Шаговые треугольники для такой поверхности будут криволинейными (катеты - прямолинейные). Пример шаговых треугольников для ВП аксиально-переменного шага показан на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Шаговые треугольники для ВП аксиально-переменного шага

У ВП аксиально-переменного шага шаг различен в любой точке; величину его можно найти, проведя касательную к кривой в нужной точке. Можно определить средний шаг за оборот (именно он показан на рисунке). Практический интерес представляет средний шаг на некотором участке, найти который можно, если провести прямую через нужные точки на криволинейной гипотенузе.
Шаг винтовой поверхности может быть разным на разных радиусах, что соответствует деформации образующей в процессе вращения. Такая ВП называется поверхностью радиально-переменного шага. Шаговые треугольники у такой поверхности отличаются тем, что гипотенузы для разных радиусов не выходят из одной точки на оси ординат (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Шаговые треугольники для ВП радиально-переменного шага

Наиболее сложный и общий случай - поверхность аксиально-радиально-переменного шага, пример которой изображен на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Шаговые треугольники для ВП аксиально-радиально-переменного шага

При проектировании реальных гребных винтов находят применение все перечисленные виды винтовых поверхностей, причем шаговые треугольники бывают еще более сложными. В приведенных примерах гипотенузы шаговых треугольников на разных радиусах подобны. Это условие вовсе не является обязательным, у реальных гребных винтов оно нередко не выполняется.