Методы измерения шага гребного винта

Информация с сайта www.katera-lodki.ru
Выбор оптимального гребного винта
Подбор оптимального гребного винта для комплекса «лодка + мотор» - задача не из
простых, как это может показаться на первый взгляд. Более того, точно подобрать винт
для различных условий эксплуатации практически невозможно, поскольку на движитель
действует одновременно множество меняющихся факторов.


Тяжёлый и лёгкий гребной винт
Методы измерения шага гребного винта
Подбор гребного винта происходит приближенно по эмпирическим формулам,
основанным на обработке результатов испытаний гребных винтов для каждого
конкретного сочетания судна и двигателя. Каждая такая формула составляется поданным
о винтах определенного типа и, естественно, не может гарантировать результат, близкий к
оптимальному. Более надежный метод — пользоваться несколькими такими формулами
или составленными по ним графиками, чтобы в результате прийти к «золотой середине».
На практике элементы гребного винта для конкретного судна можно рассчитать,
располагая лишь кривой сопротивления воды движению данного судна, внешней
характеристикой двигателя и расчетными диаграммами, полученными по результатам
модельных испытаний гребных винтов, имеющих определенные параметры и форму
лопастей. Здесь мы не будем касаться вопроса влияния формы лопастей на эффективность
винта, поскольку в подавляющем большинстве случаев конфигурацию лопастей своими
силами не изменяют. Гораздо более насущным является определение оптимального
диаметра и шага винта. Стараясь не загромождать материал математическими
выкладками, укажем только, что для определения диаметра гребного винта наиболее
важными исходными данными являются мощность, частота вращения и скорость. Эти
величины обычно выводятся на график (рис. 39).
Рис. 39. График для определения диаметра трехлопастного винта при мощности от 5 до 45
л. с.
Для выполнения вспомогательных вычислений необходима номограмма для определения
поступательной скорости встречи винта с водой (рис. 40). Ясно, что поступательная
скорость v встречи винта с водой меньше скорости vx хода судна, так как за и под кормой,
где находится винт, корпус задерживает и увлекает за собой воду, ввиду чего возникает
попутный поток. Скорость движения этого потока зависит от обводов кормы и от места
расположения винта. Чем больше объем кормы и менее плавны ее обводы, а также чем
ближе к корпусу расположен винт, тем значительнее замедление потока, набегающего на
винт. Это замедление учитывается коэффициентом попутного потока w: w = (vx—v)/vx.
На рис. 40 приведена номограмма для определения скорости встречи винта с потоком,
если известны скорость хода и тип судна. Пользование этой номограммой состоит в
следующем.
Рис.40. Номограммадля определения поступательной скорости встречи винта с водой
Найдя на шкале 1 деление, соответствующее типу судна, а на шкале 2 деление,
соответствующее ожидаемой скорости хода судна, нужно положить линейку так, чтобы ее
ребро соединило эти два деления. Тогда пересечение ребра линейки со шкалой 3 укажет
искомую скорость встречи винта с водой. Например, если судно остроскулое и мы
ожидаем скорость хода vx = 30 км/час, то этому судну соответствует на шкале 1 деление
«Остроскулое средней быстроходности» 0,08, а на шкале 2 деление против числа 30.
Приложив линейку к этим двум делениям, найдем, что ее ребро пересекает шкалу 3
немного выше деления 7,5. Поэтому искомая скорость встречи винта с водой v = 7,6 м/сек.
Если бы судно было остроскулым, быстроходным, со скоростью хода vx = 80 км/час, то
скорость v была бы равна v = 21 м/сек.
Помимо указанной номограммы для подбора винта нужно использовать график для
определения шага винта (рис. 41).
Pиc. 41. Номограмма для определения шага винта
В качестве примера использования графика на практике приведем вариант подбора винта
для судна со следующими параметрами:






Полное водоизмещение Δ= 1200кг; Δ/Nвал = 57кг/л.с.
Мощность на валу Nвал= 21 л.с.
Число оборотов винта n = 1000 об/мин = 16,7 об/сек;
Ожидаемая скорость хода: νx — 25 км/час;
Коэффициент попутного потока: w = 0,18;Относительное скольжение: s = 0,26 (см.
рис. 40);
КПД силовой передачи: ηсп = 0,95.
Определим величины, которые потребуются для подбора винта:


N = 21x0,95 = 20л.с.
ν = 5,55 м/сек = 20 км/час.
Определяем по графику (рис. 41) шаг винта Н:
Задано: ν = м/сек; n = 16,7 об/сек; s = 0,26.
Прикладывая линейку к делениям 5,55 и 16,7 на шкалах, соответственно 1 и 2, получаем
на оси 3 точку пересечения, соединив которую с делением 0,26 на шкале 4, получаем на
шкале 5: Н = 0,450 м. Определить диаметра винта можно с помощью графика (рис. 39).
Определим диаметр винта для предыдущего примера (n = 16,7 об/ сек; N = 20 л.с; ν = 5,55
м/сек). Соединяя линейкой деления 16,7 и 20 на шкалах 1 и 2, а затем полученную точку
пересечения на оси 3 с делением 5,55 на шкале 4, на шкале 5 получим ответ: D = 0,43 м.
Каждый двигатель имеет так называемую внешнюю характеристику — зависимость
снимаемой с вала мощности от частоты вращения коленчатого вала при полностью
открытой дроссельной заслонке. График изменения мощности, которая поглощается на
данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения двигателя,
называется винтовой характеристикой и присуща только винту с определенными шагом и
диаметром. Взаимное расположение этих характеристик на осях координат и в
особенности положение точки их пересечения показывают степень эффективного
использования мощности двигателя. Для наглядности здесь приведены данные внешней и
винтовой характеристик отечественного мотора «Вихрь» (рис. 42).
Рис. 42. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».
Кривая 1 на рисунке иллюстрирует внешнюю характеристику мотора, а кривые 2, 3 и 4—
винтовые характеристики разных винтов. При увеличении шага и диаметра винта свыше
оптимальных значений лопасти начинают захватывать и отбрасывать назад слишком
большие объемы воды; упор при этом возрастает, но одновременно увеличивается и
потребный крутящий момент на гребном валу. Винтовая характеристика 2 такого винта
пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке А. Координаты этой точки
показывают, что двигатель отдает всего 12 л.с. вместо 22 л.с. Такой гребной винт следует
отнести к гидродинамически тяжелым винтам.
И наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий
момент будут меньше, то двигатель не только легко разовьет, но и превысит значение
номинальной частоты вращения коленвала. Режим его работы будет характеризоваться
точкой С. И в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а
работа на слишком высоких оборотах сопряжена с повышенными нагрузками и износом
деталей. При этом надо иметь в виду, что поскольку упор винта невелик, судно не
достигнет максимально возможной скорости. Такой винт относят к гидродинамически
легким.
Как уже говорилось, для каждого конкретного сочетания судна и двигателя существует
оптимальный гребной винт. Для рассматриваемого примера такой оптимальный винт
имеет характеристику 3, которая пересекается с внешней характеристикой двигателя в
точке В, соответствующей его максимальной мощности. Численные рекомендации для
наиболее популярных моторов мощностью 20-25 л.с. могут быть следующие.
Штатные гребные винты, имеющие Н=280—300 мм, дают оптимальные результаты на
сравнительно плоскодонных лодках с массой корпуса до 150 кг и нагрузкой 1—2 чел. На
еще более легкой лодке массой до 100 кг можно получить прирост скорости за счет
увеличения Н на 8-12%. На более тяжелых глиссирующих корпусах, имеющих большую
килеватость днища и при большой нагрузке (4-5 чел.), шаг винта может быть уменьшен на
10 — 15% (до 240-220 мм), но использовать такой винт при поездке без пассажиров с
малой нагрузкой не рекомендуется: двигатель будет «перекручивать обороты» и быстро
выйдет из строя.
Методы измерения шага гребного винта
Приобретая тот или иной гребной винт, на котором не обозначены его параметры или
отсутствует паспорт, вы, в силу изложенных причин, непременно подвергаете свой мотор
риску. Поэтому, прежде чем ставить неизвестный винт на лодку, необходимо, как
минимум измерить его шаг. Напомним, что геометрическим шагом грибного винта
называется то расстояние, которое прошел бы винт за один оборот в осевом направлении
без скольжения. Это расстояние легко себе представить, если допустить, что вода стала
твердой или провести аналогию с шурупом, ввертываемым в древесину.
Шаг каждого радиального сечения лопасти Н iможно выразить общей формулой
Hi = 2πRitgvi
(1)
где Ri-радиус сечения лопасти, vi — шаговый угол.
Наглядное представление о шаге развернутого на плоскость сечения лопасти Н дает
шаговый треугольник, основанием которого является дуга окружности 360°, имеющая
длину 2πRi (рис. 43).
Рис. 43. Шаговый треугольник сечения лопасти на радиусе Ri.
Чтобы получить шаг гребного винта, необходимо как можно тщательнее замерить
радиусы и шаговые углы для нескольких сечений каждой лопасти винта и после расчетов
по формуле (1) найти среднее арифметическое значение. Однако из-за сложности
конфигурации винта сделать это довольно трудно - нужны специальные приборы, так
называемые шагомеры. Упростить измерение можно лишь за счет некоторого снижения
точности. Известны несколько относительно простых методов измерения геометрического
шага винта.
1 метод определения шага гребного винта
Из шагового треугольника, показанного на рис. 43, видно, что для определения шага в
данном сечении лопасти достаточно измерить высоту подъема винтовой линии на любом
участке окружности и затем по ней вычислить полный шаг. Для этого на плотной бумаге,
картоне или фанере строят сектор с углом при вершине α° (рис. 44).
Рис. 44. Схема измерения шага сечения лопасти: 1 — картон или фанера; 2 — сектор.
Из вершины сектора на 4-5 радиусах проводят части окружностей до пересечения их в
точках m и n с лучами сектора. Совместив вершину сектора с осью винта, установленного
горизонтально нагнетающей (кормовой) поверхностью вниз, при помощи отвесов
измеряют отстояния точек m и n от соответствующих точек m' и n' на нагнетающей
поверхности лопасти и находят разность этих отстояний
hi = h1 — h2. (2)
Шаг каждого сечения лопасти можно вычислить по формуле
Нi = hi 360º / αº. (3)
Если угол при вершине сектора принять равным 36°, формула (3) еще более упростится и
примет вид
Hi = 10hi. (4)
Чтобы повысить точность замера шага, угол при вершине сектора целесообразно
принимать возможно большим — 45° или даже 60° (если, конечно, позволяют ширины
сечений лопасти винта). В этих случаях шаг сечений лопасти будет составлять
Нi = hi 360° / 45° = 8 hi (5)
или
Нi = hi 360° / 60° = 6 hi (6)
При этом лучи сектора должны проходить на некотором расстоянии от краев лопасти.
Измерения и расчет шага по одной из формул (3)-(6) следует произвести для всех
лопастей и найти среднее арифметическое значение шага каждого сечения. У гребных
винтов постоянного шага значения Нi на всех сечениях должны быть примерно
одинаковыми. У винтов с радиально переменным шагом измеренный шаг должен плавно
изменяться вдоль радиуса.
2 метод определения шага гребного винта
Этот метод также основан на общей формуле (1). Здесь (согласно предложению Б.
Григорьева) измеряются не углы наклона сечений лопасти, а только радиус одного
сечения Rx, расположенного под шаговым углом ν = 45°. При горизонтальном положении
гребного винта это сечение легко найти при помощи гибкого пластикового треугольника с
углами при гипотенузе 45°. Изогнутый по окружности радиуса Rx треугольник нужно
наложить гипотенузой на нагнетающую поверхность лопасти таким образом, чтобы
верхний катет а — b стал горизонтальным. Вблизи искомого радиуса Rx при помощи
рейки и отвеса (если нет более совершенного разметочного приспособления) на лопасти
следует пробить одну-две винтовые линии (рис. 45).
Рис. 45. Схема установки гибкого треугольника на сечение лопасти гребного винта.
Это поможет более правильно изогнуть треугольник и более точно определить
местоположение сечения лопасти, имеющего угол наклона 45°. Поскольку для найденного
сечения tgν = tg45° = 1,0, формула (1) после подстановки известных значений π и ν примет
совсем простой вид:
H45 = 2Rx tgν = 6,28Rx. (7)
Измерив указанным образом величины радиуса Rx на всех лопастях винта, по формуле (7)
находят шаг каждой лопасти, а затем и шаг всего винта. Аналогичным образом можно
измерить шаг еще на двух радиусах, лопастные сечения которых имеют шаговые углы 60°
и 30°, а шаг винта определяют по формулам:
Н60 = 6,28 Rx tg60° = 10,88 Rx; (8)
Н30 = 6,28 Rx tg30° = 3,63 Rx; (9)
При помощи данного приспособления можно получить более или менее достоверные
результаты лишь применительно к гребным винтам постоянного шага.
Простейший измеритель шага гребного винта
Метод, предложенный В. Полкановым состоит в том, что из толстой фанеры вырезают
сектор с углом между сторонами 36° (рис. 46). Отверстие в вершине сектора вырезается
примерно на 2 мм больше диаметра отверстия в ступице. Если шаг замеряется на
установленном на гребной вал винте, отверстие нужно сделать несколько больше гайки
гребного винта или нарезной части вала. На секторе наносятся части окружностей «а» и
«б» на 3-4 радиусах. Для определения шага сектор плотно прижимается к ступице, так,
чтобы центр отверстия ступицы совпадал с вершиной угла сектора.