Профиль крыла самолета работает под определенным углом атаки, вследствие чего путем отклонения воздуха создается желаемая подъемная сила. Лопасть судового гребного винта представляет собой гидродинамический профиль, который работает под определенным углом наклона к водному потоку, отбрасывая (ускоряя) его и образуя таким образом упор. Лопасть имеет входящую и выходящую кромки, а также рабочую (нагнетающую) поверхность, аналогичную нижней поверхности крыла самолета.
Основной характеристикой гребного винта является шаг. Если гребной винт совершит полный оборот, то можно измерить расстояние, на которое он продвинется, при условии, что вода является твердым телом. Это геометрическое перемещение, равное длине витка винтовой поверхности, часть которой образует лопасть, называют геометрическим шагом или просто шагом винта.
В воде под нагрузкой возникает проскальзывание, или скольжение, гребного винта. Оно представляет собой разность между шагом винта и расстоянием, действительно пройденным за один оборот. Скольжение почти никогда не бывает менее 15% шага винта, в большинстве случаев оно равно 30% и довольно часто составляет даже 40—50% шага винта.
Если шаг гребного Бинта равен, например, 50 см, а частота вращения равна 1000 об/мин, то при расчете его продвижение будет равно 500 м/мин = 30 000 м/ч = 30 км/ч. При действительной скорости катера 21 км/ч скольжение составит 30%. Эта величина еще не позволяет судить о работе гребного винта, Наивыгоднейшее скольжение можно определить контрольным расчетом или путем испытания винтов с различным шагом на мерной миле.
Оптимальный гребной винт выявляют лишь при помощи серии последовательных испытаний, поскольку такие характеристики, как водоизмещение, вероятная скорость судна и действительная мощность двигателя, переданная на гребной винт, при расчете получаются приближенными 82. Поэтому во многих случаях после первого ходового испытания приходится вносить небольшие изменения в характеристики гребного винта. Если бы были точно известны сопротивление судна и мощность двигателя, а также условия обтекания в рабочем поле гребного винта, то можно было бы найти оптимальные характеристики винта уже при первом расчете.
Рис. 1. Под шагом гребного винта понимают расстояние, которое он прошел бы при одном полном обороте, если бы вода была твердой.
1 — один оборот; 2 — номинальный шар; 3 — диаметр.
Гребной винт состоит из центральной ступицы и нескольких лопастей, имеет легко измеряемый диаметр. Для малых нагрузок и высоких скоростей обычно выбирают двухлопастный гребной винт, для нормальных нагрузок —трехлопастный, а для больших нагрузок и малых скоростей — четырехлопастный, На катерах чаще всего устанавливают трехлопастный винт. Число лопастей незначительно влияет на к. п. д. гребного винта.
При выборе количества лопастей стремятся добиться уменьшения вызываемой гребным винтом вибрации в корме судна и избежать кавитации. На парусных яхтах двухлопастный гребной винт, расположенный за дейдвудом, почти закрыт им и в наименьшей степени мешает во время хода под парусами. Во время хода под мотором обе лопасти одновременно входят в кильватерную струю за кормой судна, В результате возникает внезапная помеха потоку, набегающему на гребной винт, которая вызывает сильную вибрацию судна. При использовании трехлопастного винта лопасти попеременно проходят через верхнюю и нижнюю части кильватерной струи. Вместо двух толчков при одном обороте возникает шесть толчков, что втрое увеличивает частоту вибрации, возбуждаемой двухлопастным винтом, и уменьшает ее амплитуду. Перед винтом расположен гребной вал, поддерживаемый обычно двуплечим кронштейном. Выступающие части также вызывают неравномерность скоростей потока перед винтом. На больших моторных туристских катерах в настоящее время применяют четырех- или даже пятилопастные гребные винты. Замена трехлопастного винта пятилопастным приводит к резкому уменьшению вибрации в кормовой части судна. Однако при этом не достигается одинаковая и тем более повышенная скорость судна. Сказанное нуждается в доказательстве, так как характеристики многих находящихся в употреблении гребных винтов не являются оптимальными и могут быть улучшены. Само собой разумеется, что при установке пятплопастного винта можно получить лучший результат, чем при установке плохо подобранного трех- или четырехлопастного винта.
Рис. 2. Трехлопастный гребной винт с различным очертанием лопастей:
а — овальным; б — асимметричным, для смягчения удара в кильватерной струе за кронштейном гребного вала или ахтерштевнем.
Рис. 3. Пятилопастные гребные винты для уменьшения вибрации в кормовой части, используемые на моторных катерах.
Форма очертаний лопасти не влияет на к. п. д. Овальное очертание лопасти является таким же благоприятным, как и асимметричное в его различных вариантах. При асимметричном очертании лопасти входнуюкромку скашивают так, чтобы удар лопасти по кильватерной струе происходил как можно мягче.
На рис. 4 изображены четыре гребных винта одной серии, лопасти которых имеют одинаковые, направленные на смягчение ударов, асимметричные очертания. Различна лишь площадь лопасти. Для каждого винта показан проектированный контур лопасти. Кроме того, на верхней лопасти изображен ее развернутый контур, который, естественно, шире проектированного (на нем показаны сечения лопасти).
Поверхность лопастей гребного винта без ступицы, отнесенная к площади круга, ометаемого винтом, также является важной характеристикой и называется дисковым отношением винта 0. В данном
Рис. 4. Асимметричное очертание лопасти с различными отношениями площадей Fp/F (отношение спроектированной поверхности лопасти к площади круга, ометаемого винтом): а — FJF= 30%; б – Fp/F = 40%; в – Fp/F = 50%; г – FJF = = 60%.
случае выбрана проектированная поверхность лопастей, но можно также использовать развернутую поверхность. У гребного винта с самыми узкими лопастями (вверху) отношение площади проектированной поверхности лопастей к площади круга равно 30%. Это отношение повышается у винта с самыми широкими лопастями до 60%. Данная величина не является пределом, так как (особенно при опасности кавитации) используют еще более широкие лопасти. Если лопасти перекрывают одна другую, отношения площадей могут превышать 100%. Узкие лопасти испытывают меньшее трение, однако каждое отдельное сечение лопасти относительно несколько толще. Широкая лопасть имеет наиболее тонкое сечение и большое сопротивление трению воды. Обычно дисковое отношение площадей равно примерно 50%.