Гребным валом оснащается большинство гоночных, спортивных и учебных моторных лодок. Предназначение механизма заключается в создании определенной мощности за счет энергии, получаемой от двигателя. Усилие направляется на проекцию упорного давления, позволяющего преодолевать водное сопротивление движению судна.
История создания
Создание рассматриваемого элемента приписывают Архимеду. В качестве движителя водоподъемный винт было предложено использовать Бернулли в 1752 году. Несмотря на это, признание к агрегату пришло не сразу. Лишь в 1836 году изобретатель из Британии Ф. Смит укоротил «Архимедову» спираль до одного витка.
Конструкцию установили на пароход водоизмещением 6 тонн. Опытные испытания прошли успешно, после чего Смит открыл компанию, которая построила корабль водоизмещением 240 тонн. Пароход оборудовали парой ходовых машин (суммарной мощностью 90 лошадиных сил). Единственный винт имел в диаметре два метра.
Конструкционные особенности
Гребной вал по сути — это движитель реактивного типа, развивающий упор, направленный на массы воды, отбрасываемые лопастями в направлении, противоположном перемещению плавательного средства.
В конструкцию узла входит ступица с размещенными на ней лопастями пропеллерного типа. Соединительный отсек именуется корнем лопасти. Поверхность, обращенная в сторону лодки — засасывающая, обратная часть — нагнетающая. Точка сопряжения двух указанных поверхностей является кромкой лопасти, проходит по ее контуру. Часть, смотрящая в сторону движения лопасти, называется входящей кромкой, противоположная — выходящей. Поверхности пропеллера представляют собой элементы сложной конфигурации.
Основные геометрические параметры
Ниже приведены основные геометрические характеристики лодочных винтов:
- Диаметр элемента (размер окружности, описываемой наиболее удаленными от оси вращения кромками лопастей).
- Шаг (дистанция вероятного продвижения приспособления в жесткой гайке, а не в воде).
- Количество и ширина лопастей.
- Сторонность вращения.
- Площадь пропеллера.
- Толщина и конфигурация лопастей.
- Размер ступицы по диаметру.
Гребные валы обладают различным шагом в разных частях лопасти. В этом случае основным показателем считают усредненный параметр, измеряемый на участке, где радиус составляет примерно 0,7 от общего размера. Количество лопастей — две, три или четыре штуки. Важно отметить, что по направлению вращения винты подразделяются на лево- и правосторонние.
Другие размеры
Лопасти по ширине меряются от входящей и выходящей кромки на одинаковом радиусе (чаще всего в точке, где параметр составляет 0,7 от общей величины). Итоговую характеристику и работу гребного вала определяет дисковое соотношение (площади всех винтовых лопастей к плоскости, перпендикулярной оси вращения).
Сечения лопастей могут обладать круговой конфигурацией, формой авиационного крыла либо клиновидным профилем. Последние конструкции эксплуатируются на особо быстроходных и гоночных судах с оборотистыми моторами. Чтобы обеспечивалась необходимая прочность лопастей, наибольшая толщина делается у корня, снижаясь к концу до полного заострения (от 0,2 до 0,05 мм). Размер ступицы в диаметре находится в диапазоне 1,8-2,0 диаметра винта.
КПД гребного вала
Винт, создавая упор, преобразовывает в полезном направлении только часть энергии, получаемой от мотора. Это связано с бесполезными затратами на:
- завихрение потока;
- силу трения;
- витки, создаваемые на кромках лопастей, и тому подобное.
В итоге параметр мощности на гребной вал всегда превышает аналогичный показатель, отдаваемый на движение плавательного средства. Эффективность работы винта по соотношению к мощности двигателя и является коэффициентом полезного действия (КПД). Даже у самых лучших элементов данный параметр не превышает 1/3 от мощности силового агрегата.
Расчет мощности
На величину КПД лодочного винта преимущественно влияет правильный расчет при выборе оптимальных взаимосвязей между мощностью мотора, оборотистостью пропеллера, геометрическими параметрами элемента и скоростными характеристиками судна.
Рассчитать подобные соотношения довольно проблематично. Это связано с тем, что на показатели влияют субъективные причины. Среди них:
- водное сопротивление перемещению плавательного средства;
- особенности корпуса судна;
- величина потока, набегающего на лопасти.
Обустройство или строительство лодок с моторами спортивного и гоночного предназначения силами спортсменов или отдельных команд ведется по упрощенным расчетам. Это связано с тем, что высчитать оптимальные соотношения, указанные выше, самостоятельно практически невозможно.
Оборотистость
На катерах туристического предназначения, скорость которых не превышает 20 км/ч, хорошие результаты показывают винты с оборотами от 600 до 1200 вращений в минуту. Соответственно, чем больше скорость и мощность плавательного средства, тем большая оборотистость лопастей потребуется.
Для средних спортивных судов понадобится больший размер гребного вала. При мощности лодки 30-75 л.с. и скорости до 50 км/ч оптимальным числом винта считается 2-3 тысячи оборотов в минуту. При этом диапазон выгоднейших чисел вращений уменьшается со снижением скоростного режима и повышением показателей мощности. Для быстроходных гоночных плавсредств, скорость которых превышает 70 км/ч, потребуются гребные валы на подшипниках с интенсивностью вращения 4-5 тысяч оборотов в минуту.
Кавитация
Оборотистые винты гоночных и самых быстроходных лодок или катеров функционируют в особых условиях. Они характеризуются наличием вскипания воды на фронтальной засасывающей части лопастей. Указанное явление называется кавитацией. Жидкость при этом отрывается от поверхности пропеллера, образуя своеобразные пузырчатые пустоты (каверны). Они заметно ухудшают работу винта, часто разрушают лопасти, приводят к эрозийному износу сальника гребного вала. Чтобы минимизировать негативные последствия от кавитации, используют клиновидные элементы.
Если предположить, что винт работает не в воде, а по типу болта в гайке, логично представить его перемещение на один виток винта за один оборот. На практике особенности жидкой среды вносят свои коррективы, обеспечивая меньшее перемещение (поступь).
Материал изготовления
На спортивных моторизованных катерах и лодках небольшой мощности, а также подвесных моторах нередко монтируют алюминиевые винты гребных валов. В этом случае сечение лопасти у корня делают толще, чем у латунных аналогов. Модификации из алюминия просты в отливке, легко поддаются обработке.
Литые винты из стали на мотосудах указанного типа не применяются по причине сложности их изготовления. Иногда используют сварные стальные версии, ступицы которых выполнены методом поковки. Лопастные элементы вырезают из листовой стали, кромки заостряют, деталь изгибают по специальным шаблонам. Полученные заготовки приваривают к ступицам, затем обрабатывают и выверяют.
Для установления характеристик винта, проверки шага лопастей, устранения люфта гребного вала и выверки прочих параметров требуется обмер изготовленного элемента. Это делают следующим образом:
- Подготовленный винт помещают на ровную плоскость (фанерный лист или чертежную доску) строго горизонтально.
- Ступица должна четко совпадать с центром окружности, предварительно нанесенной на доску, которая имеет диаметр порядка 0,7 части аналогичного полного показателя гребного винта.
- При помощи угольников замеряют высоты кромок, лежащих строго над начерченной окружностью.
- Там же отмечают две точки, от которых измерялись указанные расстояния.
Винты регулируемого шага (ВРШ)
На современных лодках с мотором ВРШ используются довольно редко, хотя перспективы их дальнейшего распространения, несомненно, имеются. Это связано с тем, что возможность изменения положения лопастей позволяет устанавливать передний, задний ход или остановку без необходимости реверса двигателя. При этом трансформация величины шага обеспечивает оптимальные условия работы винта с учетом величины нагрузки, скоростного режима и прочих факторов.
Конструкция ВРШ довольно проста:
- механизм для передачи усилия от контрольного маховика на блок управления;
- ступица;
- лопасти;
- поворотная штанга;
- полый вал.
Простейшая конструкция может использоваться на средних плавательных средствах с двигателями мощностью 70-100 лошадиных сил со скоростным порогом до 25-30 км/ч.
Усовершенствованные ВРШ имеют гидравлический либо механический привод для поворота лопастей. Управление механизмом судового валопровода осуществляется при помощи электромотора или посредством отбора мощности от вала. Такие модели могут эксплуатироваться на всех типах катеров и лодок, за исключением гоночных судов. В последнем случае это не имеет смысла, поскольку увеличенный размер ступицы немного снижает КПД по сравнению с обычными версиями, рассчитанными на один предельный скоростной режим.
Преимущества и недостатки
Винтовой движитель функционирует по назначению только при возрастающей или непрерывной скорости вращения, в остальных случаях — выполняет функцию активного тормоза. Это не особо удобно, особенно на спортивных соревнованиях. КПД винта только в теории составляет порядка 75%. На самом деле этот параметр не превышает 35%. К сведению, у весла аналогичный показатель достигает 60%.
Если сравнить гребное колесо и винт, последний элемент по полезности выигрывает за счет компактности и легкости. При этом поврежденный колесный механизм легко отремонтировать, а при деформации винта потребуется замена гребного вала. Еще один недостаток — высокая опасность для морской флоры и фауны, а также уязвимость (по сравнению с прочими движителями).
При этом колесные элементы гарантируют больший параметр тяги с места, что удобно для буксиров. Но при сильном волнении они быстро оголяют рабочие части, что способствует неравномерности погружения элементов (один из них полностью оказывается в воде, а второй — работает вхолостую). Такая ситуация чрезмерно перегружает тяговый агрегат. Это делает колесный движитель непригодным для мореходных судов. Ранее они использовались только ввиду отсутствия альтернативы. Винтовая установка имеет большое преимущество при обустройстве военных кораблей. Это связано с тем, что нивелируется проблема размещения артиллерийских орудий. Батарею можно устанавливать по всей площади борта. Кроме того, маскируется цель для врага, винт полностью находится под водой.
В завершение
Самые большие гребные валы с винтами могут достигать высоты трехэтажного дома, их производство требует специального оборудования и соответствующих навыков. Например, во времена возведения пароходов типа «Великая Британия» на изготовление заготовки уходило больше недели. Современные технологии позволяют сделать это за несколько часов (при условии применения роботизированного манипулятора). Конфигурация винта вводится в программу компьютера, после чего алмазный инструмент на конце манипулятора подготавливает идеальную пенопластовую копию. Затем готовую модель помещают в песочно-цементный раствор для получения максимально точного оттиска. Когда бетон остывает, половинки формы соединяют между собой и заливают в них расплавленный металл.
Гребной винт должен обладать высоким прочностным показателем, чтобы выдерживать огромное давление и нагрузку, а также противостоять коррозийным процессам в морской воде. Гребные валы делают из бронзы, латуни, стальных сплавов, куниаля. Не так давно для этих целей стали использовать сверхпрочные полимеры.
