Информация с сайта http://www.slokam.ru Расчеты и чертежи в

Информация с сайта http://www.slokam.ru
Расчеты и чертежи в любительском судостроении.
Приближенный расчет гребного винта. Часть1.
Принцип работы гребного винта. На пластине с одной поверхностью выпуклой, а
другой плоской, движущейся в воде (смотри рисунок), на выпуклой поверхности
возникает разрежение, а на плоской — повышенное давление.
Разрежение и давление, возникающее при движении пластины.
Гребной винт представляет собой втулку (ступицу), На которой укреплены 2, 3, 4, а
иногда 5 и 6 отрезков таких пластин, называемых лопастями. Когда надетая на гребной
вал ступица с лопастями вращается, в воде, то на каждой лопасти возникает
разрежение и давление, результирующая которых направлена перпендикулярно к
лепасти (рисунок ниже).
Разложение силы, возникающей при вращении лопасти гребного винта.
Эту результирующую можно разложить на две взаимно-перпендикулярные силы: Т и
Q, Сила Т является силой, преодолевающей сопротивление воды движущемуся судну,
она называется упором гребного винта. Сила Q — сила, затрачиваемая на преодоление
сопротивления воды, вращению лопасти. Сила Т — полезная, а Q — бесполезная.
Работу гребного винта можно представить себе и следующим образом. Разрежение на
выпуклой поверхности лопасти заставляет воду двигаться к винту, а давление на
плоской поверхности отбрасывает воду за корму. Реакция отбрасываемой струи
передается через лопасти ступице, гребному валу, упорному подшипнику и корпусу
судна. Движение частиц воды в отбрасываемой струе винтообразное и, следовательно,
состоит из поступательного и окружного движения.
Винтообразно закрученная струя, отбрасываемая гребным винтом.
Чем больше поступательная скорость частиц по сравнению с окружной, тем большая
доля энергии затрачивается полезно и тем меньшая бесполезно, или, иначе, тем
'больше коэффициент полезного действия винта.
Каждая точка лопасти, вращаясь вокруг оси ступицы к одновременно прямолинейно
перемещаясь с судном, описывает винтообразную линию; следовательно, если
изобразить движение всех точек за некоторый промежуток времени или, иначе,
продолжить лопасть и ступицу, то получим винтовую поверхность, подобную той,
которая изображена на рисунке.
Лопасть гребного винта представляет собой отрезок винтовой поверхности.
Если бы лопасть (или весь гребной винт) вращалась в соответствующей жесткой гайке,
то за один свой оборот она продвинулась бы прямолинейно на путь, равный
геометрическому шагу. Но, ввинчиваясь в тайку, винт должен опираться на
винтообразную поверхность гайки, а так как вода очень податливая среда и отступает
при малейшем давлении на нее, то фактически за один свой оборот гребной винт,
работая на судне, проходит расстояние по отношению к потоку меньшее, чем
геометрический шаг. Это расстояние носит название поступи винта.
Обозначим через H геометрический шаг, а через h поступь винта, тогда величина
будет называться относительным скольжением. У гребных винтов, работающих на
быстроходных судах (у таких винтов на каждый квадратный сантиметр площади
лопастей приходится сравнительно небольшой упор), относительное скольжение имеет
меньшее значение, чем у винтов тихоходных судов (у таких винтов удельный упор
сравнительно большой).
Подбор элементов гребного винта.
Подобрать к судну хороший гребной винт — это значит найти такие главные элементы
гребного винта, при которых винт:
1) на наибольшей заданной скорости хода судна будет развивать упор, равный
сопротивлению судна, и
2) будет требовать для этого точно такой скорости вращения (числа оборотов в минуту)
и мощности, которые может создавать двигатель на заданном рабочем режиме. Задача
эта так же важна и сложна, как и подбор хороших обводов корпуса.
Очень часто подбор винта приходится производить два-три раза, прежде чем'будет
найден хороший вариант.
Приступая к подбору гребното винта, необходимо располагать, помимо теоретического
чертежа судна:
1) внешней характеристикой двигателя, или, иначе, диаграммой, показывающей как
изменяется мощность данного двигателя от изменения числа оборотов,
2) схемой силовой передачи от двигателя к винту и
3) кривой сопротивления будущего судна.
Если внешней характеристики нет, то надо знать по крайней мере наибольшее
возможное число оборотов двигателя и наибольшую развиваемую при этих оборотах
мощность; если двигатель не новый, то надо знать и степень его изношенности, чтобы
можно было точнее оценить фактически развиваемую им мощность. На рисунке
приведен пример внешней характеристики мотора.
Примерная диаграмма внешней характеристики бензинового двигателя.
Если сопротивление судна не вычислено, то надо по крайней мере определить по
приближенным формулам наибольшую возможную скорость хода и сличить ее для
проверки со скоростью известных подобных судов.
Основными элементами гребного винта будем считать его диаметр и геометрический
шаг, а также число лопастей, наибольшие ширину и длину лопасти.
Для подбора элементов гребного винта малого судна существует несколько способов;
более точные и при этом более сложные способы — это те, что применяют для подбора
винтов крупных судов. Они основаны и а результатах многочисленных
последовательных испытаний моделей гребных винтов, при которых измерялись упор,
потребная мощность и число оборотов, либо на сложных теоретических расчетах.
Менее точные способы основаны на статистических данных о винтах построенных
судов. Ниже мы опишем только способ подбора трехлопастного гребного винта,
приведенный в книге Л. Л. Романенко и Л. С. Щербакова «Моторная лодка». Этот
способ более прост, чем точные способы подбора винта, точность же его достаточна
для удовлетворения потребностей любителя. Во всяком случае, при проектировании
обычных судов этот способ предохраняет от серьезных просчетов.
* Упрощенный метод расчета гребных винтов спортивных мотосудов изложен также в
книге «Водно-моторный спорт» (подготовка спортсменов-разрядников). «Физкультура
и спорт», 1959.—Прим, ред.
Прежде чем приступить непосредственно к определению подходящих элементов
(гребного винта, необходимо вычислить некоторые весьма важные величины.
1) Прежде всего надо вычислить величину мощности, которую сможем затрачивать
непосредственно на вращение винта, или, иначе, мощности на винте N0 также число
оборотов, которые сможем сообщать винту. Если двигатель .'Специально судовой, то в
качестве наибольшей мощности на коленчатом валу двигателя можно приниматьмощность но внешней характеристике илк мощность, указанную в паспорте; если же
наш двигатель не судовой, а, например, автомобильный и нам придется его
конвертировать, т. е. приспосабливать к условиям работы на судне, то следует
рассчитывать на то что фактически с вала мотора мы сможем снимать на 12—15% (в
зависимости от качества конверсии и состояния мотора) меньше. Иначе, коэффициент
полезного действия конверсии кон =0,88—0,85. Заметим, что для подвесных моторов в
паспорте указывают мощность на винте.
Если вал двигателя будет соединен с гребным винтом непосредственно (на прямую)
без реверсивно разобщительного устройства, то «по дороге» к винту мы потеряем 3—
4% мощности на валу; иначе говоря, коэффициент полезного действия такого
валопровода вал=0,97—0,96 в зависимости от качества выполнения передачи
(точности установки подшипников и т. п.). При установке реверсивноразобщительного устройства следует рассчитывать на вал= 0,96—0,95.
Наконец, если подбор гребного винта покажет, что нри числе оборотов двигателя,
соответствующем наибольшей мощности, нельзя подобрать винт, который сообщал бы
судну расчетную скорость, то придется по пути от мотора к винту установить
редуктор- или мультипликатор, соответственно уменьшающий или увеличивающий
число оборотов винта. В этом случае следует принимать вал= 0,94—0,93 опять-таки в
зависимости от качества изготовления и состояния зубчатой передачи.
Таким образом, если мы намереваемся установить на судне, например, автомобильный
мотор мощностью на валу 42 л. с., а также реверсивно-разобщительный и механизм и
редуктор, то при подборе элементов гребного винта должны принимать на винте
мощность около
Уменьшая мощность при конверсии и расходуя ее на трение при вращении гребного
вяла, реверсивно-разобщительного механизма и редуктора, двигатель одновременно
уменьшает и число оборотов своего коленчатого вала; поэтому, определив мощность,
которую двигатель сможет передавать гребному винту, надо определить и
соответствующее ей число оборотов двигателя. В случае же установки редуктора или
мультипликатора надо учесть и их передаточное число.
2) Другой важной величиной, которую необходимо определить, является скорость, с
которой винт будет поступательно двигаться на расчетной скорости судна. По
отношению к непюдвиж'ньш предметам винт движется с той же скоростью v км/час,
что и судно. Но так как корпус судна и подводные выступающие части, расположенные
впереди и над гребным винтом, увлекают (подтягивают) за собой массу воды, в
которой должен работать винт, то оказывается, что винт движется не в неподвижной
воде, а в воде, частицы которой движутся вперед с некоторой скоростью, меньшей, чем
скорость v судна и винта. Следовательно, скорость винта по отношению к частицам
воды меньше скорости v судна. Поток воды, который увлекается судном, носит
название попутного потока; скорость его зависит от обводов, осадки и скорости
движения оудна и определяется коэффициентом попутного потока w.
Номограмма для определения скорости движения винта по отношению к потоку воды
за судном.
С помощью номограммы на рисунке можно легко определить скорость
поступательного движения винта vр м/сек по отношению к воде для различных судов в
зависимости от коэффициента попутного лотока w
3) После того как мощность на ,винте Nв, соответствующее ей ,число оборотов винта в
минуту n и скорость движения винта по отношению к воде vр определены, надо
вычислить вспомогательную величину, называемую индексом мощности:
где
n —число оборотов 1винта в минуту;
Nв—мощность на винте, л. с.;
vр—скорость винта по отношению -к воде, км/час.
Индекс мощности может быть определен при помощи номограммы. Определив эти три
величины, можем приступить непосредственно к определению элементов винта.
Диаграмма для определения шагового отношения, коэффициента полезного действия
винта, скольжения к коэффициента К
1. По диаграмме определяем четыре величины:
а) наиболее подходящее отношение шага к диаметру винта H/D ;
б) соответствующий наибольший возможный коэффициент полезного действия винта
в;
в) величину скольжения винта S ;
г) произведение
которое нам потребуется при определении диаметра винта D.
2. Зная эти величины, можем, пользуясь выражением
где vр — в м/сек или номограммой, определить наибольший диаметр гребного винта в
метрах.
3. Затем, зная величину диаметра D и отношение шага винта к диаметру H/D,
определяем шаг винта:
4. Для тото чтобы определить упор гребного винта в кг, пользуемся формулой
или номограммой. Очевидно, что ели величина Р окажется существенно меньше
сопротивления на заданной скорости хода судна
то винт не обеспечит этой скорости и расчет следует повторить, задавшись несколько
меньшей скоростью хода v; если /же упор винта окажется достаточным, то следует
перейти к расчету размеров лопасти.
Спрямленная площадь всех лопастей, иначе, площадь разогнутых лопастей, должна
быть равна (в м2):
где
Р — упор винта, кг;
Рмах — наибольшее допускаемое для прочности винта давление в кг/м2 при выбранном
материале, Величина Рмах может быть взята из таблицы.
Таблица.
Наибольшее допустимое удельное давление на лопасть.
Материал
Число лопастей
две
три
3 000 кг/м
четыре
АлюАлюминиевые сплавы
3 700 кг/м
БронБронзаза
4 400 кг/м2
3 600 кг/м2
3 100 кг/м2
СталСтальь
7 800 кг/м2
6 400 кг/м2
5 000 кг/м2
СпецСпециальная латунь
15 000 кг/м2
12 000 кг/м2
10 000 кг/м2
2
2
2 600 кг/м2
Приближенный расчет гребного винта. Часть2.
Диаграмма на рисунке относится к трехлопастным винтам, у которых площадь
развернутой поверхности лопасти имеет очертание эллипса,
причем длина лопасти L0 = 0,445.0; наибольшая ширина лопасти B0 = 0,985
(смотри рисунок),
Развернутая лопасть гребного винта.
где:
Lо—длина лопасти, м;
B0—наибольшая ширина лопасти, м;
D — диаметр винта, м;
— спрямленная площадь всех трех лопастей, м2.
Пример.
Требуется подобрать гребной винт к безреданному глиссирующему катеру с
автомобильным конвертированным двигателем мощностью (после конверсии) Nвал =62 л.
с. и числом оборотов n = 2500 об/мин; на катере может быть установлен реверс-редуктор с
передаточным числом 1 : 1,5. Винт соединен с двигателем на прямую. Ожидаемая
скорость катера v =40 км/час; требуемый упор Р= 280 кг.
1) Определяем мощность на винте:
2) Определяем поступательную скорость (винта относительно воды, значение w
принимаем равным 0,08 (остроскулый катер средней быстроходности).
По рисунку для w = 0,08 и v = 40 км/час имеем: vр = 10,12 м/сек = 36,7 км/час.
3) Определяем индекс мощности М. Для этого пользуемся номограммой. Для n = 2500 :
1,5 = 1670 об/мин, Nв = 58,3 л. с., vp= 36,7 км/час, индекс мощности М будет равен 7,3.
4) По диаграмме
для М=7,.3 имеем;
5) Определяем диаметр винта по номограмме.
имеем D = 0,400 м.
6) Определяем шаг винта
7) Определяем упор винта по номограмме
Р = 300 кг.
Очевидно, что упор такого винта достаточен.
При всех обстоятельствах бывает желательно иметь винт возможно меньшего диаметра:
это позволяет установить двигатель под меньшим углом наклона, уменьшить высоту
кронштейна гребного вала, уменьшить угол излома угловюй передачи и т.п. Поэтому
попробуем увеличить число оборотов гребного винта, что должно позволить установить
винт меньшего диаметра, для этого удалим редуктор.
Тогда по номограмме для n = 2500 об/мин, Nв = 62x0,97 = 60 л. с., vp = 36,7 км/час будем
иметь М = 11,25, а по диаграмме: H/D =1,0, B = 0,67, К = 0,75.
Для К = 0,75, n = 2 500 об/мин, vp = = 10,2 м/сек по номограмме получим D = 0,322 м,
откуда шаг винта H = 1 • 0,322 = 0,322 м. По номограмме проверим упор:
Если на скоростях, близких к расчетной, кривая сопротивления круто поднимается, то
снижение упора очень Мало отразится на наибольшей скорости хода катера.
Пример влияния уменьшения упора при крутом подъеме кривой сопротивления.
Но в случае, если расчетной скорости соответствуют впадина или горизонтальный участок
кривой сопротивления глиссирующего судна, то даже небольшая разница в величине
упора может весьма существенно отразиться на наибольшей скорости хода.
Пример влияния уменьшения упора при пологой кривой сопротивления.
Если «горб» кривой сопротивления значительно возвышается над горизонтальным
участком кривой, что имеет место при слишком кормовых центровках или в случае
значительного дифферента на корму, то небольшое по своей величине уменьшение упора
иногда может иметь катастрофическое влияние. На рисунке ниже показан пример такого
влияния.
Пример влияния уменьшения упора при высоком горбе.
Данные для подбора гребного винта, которые мы здесь привели могут быть достаточными
лишь для первоначального выбора диаметра, шага или числа оборотов; для
окончательного выбора элементов винта необходимо произвести расчет по более точному
методу, проверить прочность гребного винта, а также насколько винт застрахован от
кавитации — образования на поверхности лопастей, заполненных водяным паром,
пузырей, снижающих упор.
Кавитация возникает при большой скорости вращения, при большой удельной нагрузке
винта и при плохо обтекаемых очертаниях сечения лопастей.
Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей
(кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация возникает в
результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо
при увеличении её скорости (гидродинамическая кавитация), либо при прохождении
акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения
(акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта.
Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода
сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну.
Полное решение всех вопросов, встающих при выборе гребного винта, сложно и может
быть надежно выполнено только специалистом.
В заключение (приведем формулу, по которой можно в известной степени ощутить
правильность выбора элементов выполненного гребного винта по результатам испытания
катера.
Если при пробеге судна мы замерим его скорость v км/час и затем по рисунку
определим vр км/час, то, зная число оборотов винта в минуту, сможем определить
относительное скольжение (в процентах) по формуле
или по номограмме.
Если винт подобран правильно, то величина скольжения должна быть (близкой к той,
которая указана на диаграмме, в противном случае изготовленный гребной винт следует
доводить: если скольжение слишком велико, то надо увеличить диаметр винта и площадь
лопастей, если двигатель недодает при этом числа оборотов, то надо уменьшить шаг
винта. Если винт оказался слишком тяжелым и двигатель недодает числа оборотов, то
следует уменьшить диаметр винта.
В заключение приведем график, который позволяет ориентировочно определить диаметр
гребного винта. Данные этого графика могут быть использаваны лишь в начальной стадии
проектирования судна, когда требуется знать диаметр гребного винта, например с целью
определения угла наклона гребного вала.
Диаграмма для ориентировачного определения диаметра гребного вала.