Уже указывалось, что число лопастей и их очертание, соотношение площадей гребного винта в обычных случаях незначительно влияют на к. п. д. Это справедливо для 95% всех моторных яхт и быстроходных катеров. Но при скоростях 65—70 км/ч, когда наступает кавитация гребного винта, приходится использовать широкие лопасти и тонкие сечения.
В чем заключается сложность выбора самого эффективного гребного винта, соответствующего катеру и мощности его двигателя? Необходимо рассчитывать лишь два размера: диаметр и шаг. Все остальные характеристики (эллиптическая или асимметричная форма очертаний, профиль поперечного сечения лопасти, образование корня лопасти и ступицы гребного винта, большая или меньшая ширина лопасти и др.) не имеют столь существенного значения, как эти два параметра.
Правильный выбор диаметра очень важен при взаимодействии гребного винта и катера. Для получения в действительности наилучшей скорости необходим правильный выбор шага винта. Для каждого катера, его скорости, мощности двигателя, частоты вращения существует лишь один оптимальный гребной винт.
Фирма, поставляющая гребные винты, имеет среди своих служащих «гения с электронным мозгом». Если обратиться к нему с вопросом относительно гребного винта, пригодного для определенного типа катера с соответствующим двигателем, то он, включив свой мозговой компьютер, безошибочно выберет нужный гребной винт. И действительно, с большим опытом и хорошей памятью даже такой нетехнический метод довольно часто приводит к успеху.
Обычно считают, что диаметр гребного винта должен быть как-то связан с размерами катера, или шаг винта зависит от того, имеет ли катер округлые или V-образные шпангоуты. Как часто утверждают, моторостроительный завод мог бы поставлять одновременно с двигателем и гребной винт, точно подогнанный к мощности двигателя и частоте вращения, хотя завод совершенно не знаком с катером, на котором должен устанавливаться двигатель.
Для расчета основных элементов гребного винта необходимо знать три параметра:
1) действительную «мощность на валу» (она обозначена pSu);
2) определенную тщательно обоснованную частоту вращения гребного вала, которая может не совпадать с наибольшей частотой вращения выходного вала двигателя, указанной заводом—изготовителем двигателя;
3) действительную поступательную скорость гребного винта в поле попутного потока судна (обозначена va). Она меньше скорости катера на величину попутного потока.
Процесс подробного расчета гребного винта достаточно сложен и базируется на использовании диаграмм, составленных по результатам многочисленных испытаний моделей гребных винтов.
Чтобы использовать такую диаграмму, необходимо изучить теорию движительного комплекса и иметь математические навыки.
При проектировании катера приходилось выполнять при каждом кратком предварительном проекте целый ряд подробных расчетов лишь для того, чтобы внести в проект неизвестный диаметр гребного винта. Во избежание этого была построена упрощенная диаграмма для быстрого определения вероятного диаметра гребного винта.
Рис. 1. График для определения диаметра трехлопастного гребного винта по действительной мощности двигателя pSa, отдаваемой на гребной винт.
Подобного рода упрощенная диаграмма с целью оценки диаметра гребного винта не могла быть разработана без введения «основной» скорости для каждой мощности двигателя.
Три величины, необходимые при проектировании гребного винта: мощность, частота вращения и скорость, —указаны на диаграмме. Мощность на валу pSa находят по нижней шкале диаграммы, «основную» скорость — по верхней шкале; частота вращения выражена в виде семейства кривых между 500 и 4500 об/мин. Наконец, диаметр гребного винта дается на левой шкале диаграммы.
Поясним пользование диаграммой на примере. Небольшой катер, оборудованный двигателем мощностью 95 л. с. и частотой вращения 3000 об/мин при ожидаемой скорости 32 км/ч, имеет или прямую передачу на винт, или снабжен редуктором со степенью редукции 2 : 1 (1500 об/мин).
Номинальную мощность двигателя прежде всего необходимо пересчитать на действительную — мощность на валу pSa. Вследствие потерь она составляет действительную величину pSa = 80. Эта мощность соответствует основной скорости 30 км/ч. Действительная ожидаемая или рассчитанная скорость соответственно на 7% больше основной скорости. Если перейти к кривой частоты вращения, то на левой шкале для 3000 об/мин находим диаметр 312 мм, а для 1500 об/мин — 475 мм.
Для перехода от основной скорости, равной 30 км/ч, к ожидаемой, которая больше на 7%, используют корректирующую диаграмму, расположенную справа внизу. Ее левая половина действительна для увеличенных скоростей, а правая —для пониженных. Поскольку в данном примере ожидаемая скорость на 7% выше основной, обратимся к левой половине. Однако разница, равная 7%, очень мало влияет на диаметр, и поправка составит около 1%. Она, как видно по цифрам слева, обозначает уменьшение, т. е. вычитается из рассчитанного ранее диаметра. Поэтому вместо диаметра, равного 312 мм, выбрали бы диаметр 310 мм или вместо 475 мм выбрали бы 470 мм. Рассмотренная упрощенная схема не может дать высокой точности, но это и не требуется с практической точки зрения, так как всегда при определении элементов гребного винта появляются две основные неизвестные характеристики: действительная мощность на гребном винте и действительная скорость набегающего на винт потока.
Второй пример относится к тихоходному катеру, двигатель которого позволяет выбрать различные редукторы. Необходимо определить, будет ли для наиболее эффективного гребного винта, относящегося к наибольшей степени редукции, достаточно места под днищем судна.
Большая моторная яхта оборудована двумя дизелями мощностью по 180 л. с. при частоте вращения 2400 об/мин, которые дают ожидаемую скорость (20 км/ч).
Прежде всего установим, какая основная скорость относится к 160/?5’а. По верхней шкале основная скорость составляет 35,5 км/ч. Действительная скорость равна 20 км/ч, она меньше основной на 34%. Так как имеется выбор редукторов 2:1,3:1 и 4 : 1, определим по левой шкале диаметр гребного винта для 1200, 800 и 600 об/мин. В точке пересечения линии 160pSa с кривой частоты вращения на левой шкале находим: для 1200 об/мин диаметр равен 610 мм, для 800 об/мин — 780 мм и для 600 об/мин — 900 мм.
Между ожидаемой скоростью 20 км/ч и основной, равной 35,5 км/ч, существует разница минус 34%. В данном случае получается поправка на увеличение диаметра. Малая корректирующая диаграмма показывает, что при уменьшенной на 34% скорости необходимо выбрать диаметр, больший на 5%. Отсюда для трех имеющихся в выборе степеней редукции получаются следующие диаметры гребного винта: 640 мм для 1200 об/мин; 820 мм для 800 об/мин; 945 мм для 600 об/мин.
Необходимо еще раз напомнить, что упрощенный способ определения диаметра гребного винта не следует смешивать с расчетом характеристик гребного винта.
Составление упрощенной диаграммы для определения шага гребного винта является простой задачей, которая содержит лишь одну неизвестную, требующую оценки, величину — скольжение (в процентах). Поэтому данные, полученные при определении шага винта по упрощенной диаграмме, менее достоверны, чем данные, полученные при упрощенном определении диаметра гребного винта.
На практике принимают скольжение равным 15—50%; во многих случаях скольжение не соответствует среднему значению (30%), но предлагаемая диаграмма разработана именно для скольжения, равного 30%. Как просто определить по диаграмме шаг гребного винта, покажем на примере для катера с двигателем мощностью 95 л. с. Предполагались скорость 32 км/ч и частота вращения 3000 или 1500 об/мин. Определив на нижней шкале указанную скорость, обратимся к кривым, обозначающим частоту вращения гребного вала, например 3000 об/мин. По левой шкале определим шаг винта, он равен 255 мм. При частоте вращения 1500 об/мин шаг винта составляет 510 мм. Итак, имеем гребные винты: для 3000 об/мин — диаметр 310 мм, шаг 255 мм; для 1500 об/мин — диаметр 470 мм, шаг 510 мм;
Найденные очень простым способом значения могут превзойти по степени точности значения, выдаваемые упомянутым выше «гением по гребным винтам». Однако необходимо отметить неточность принятых упрощений, хотя полученные величины приближаются к оптимальному диаметру винта, но не к наиболее подходящему для него шагу. В приведенном примере следует отметить, что при установке редуктора улучшается к. п. д., что связано с уменьшенным скольжением гребного винта. При определении шага винта по графику, изображенному на рис. 214, скольжение было неизменным.
Pиc. 2. Определение шага винта для скоростей от 10 до 60 км/ч. Шаг рассчитан для среднего скольжения, равного 30%( и не дает значительной точности, так как не учитывает нагрузку гребного винта.
Если вместо обычного трехлопастного винта используется винт с другим числом лопастей, то рекомендуется незначительно изменить диаметр по отношению к трехлопастному гребному винту.
Многие пытаются повысить не удовлетворяющую их скорость катера путем установки гребного винта с увеличенным шагом; естественно, при этом для сохранения потребляемой мощности уменьшают диаметр винта. В большинстве случаев (95%) эти попытки терпят крах. Оправдало себя в случаях сомнения увеличение диаметра и уменьшение шага винта 84.
Как велико влияние частоты вращения на потребляемую гребным винтом мощность, можно показать с помощью таблицы. Для этого был выбран гребной винт среднего размера: диаметр 400 мм и шаг 300 мм.