Рабочее колесо водометного движителя *в принципе работает как гребной винт, поэтому расчет его основных характеристик можно производить методом эквивалентного винта по диаграммам для изолированных винтов, но с учетом специфических условий работы в трубе и взаимодействия с корпусом моторного судна. Не вдаваясь в теоретическую часть, поясним использование метода профессора А. М. Баскна на примере расчета рабочего колеса водомета, изображенного на рис. 193.
Исходные величины: мощность двигателя Ne = 13,5 л. с, число оборотов п = 3500 об/мин, или пс = 58,3 об/сек, скорость хода лодки v = 31 км/ч = 8,62 м/сек, сопротивление корпуса при этой скорости RK = 52 кг, с учетом 3—4% надбавки на сопротивление трубы водомета общее сопротивление R = 54 кг.
Скорость хода судна и сопротивление корпуса определяют любым из изложенных ранее методов: расчетом по прототипу или, лучше всего, буксировкой корпуса за достаточно мощным моторным судном. При наличии кривой сопротивления в зависимости от скорости хода расчет производят для нескольких значений скорости.
В настоящее время разработано и проверено эксплуатацией
несколько конструкций водометных движителей для различных вариантов мощности и скорости . Данные по этим водометам могут служить как для проверки результатов расчета по любой методике, так и в качестве прототипа при проектировании нового движителя. В последнем случае общие элементы моторного судна (водоизмещение, скорость и т. п.) определяют, как уже было сказано, любым методом: расчетом, по прототипу и т. п. Однако вычисление элементов движителя по известным формулам подобия не всегда возможно, так как эти формулы предполагают, как правило, изменение только одного параметра, в то время как практически изменяются все исходные данные — мощность, число оборотов, скорость. В таких случаях рекомендуется пользоваться приведенными ниже формулами, полученными на основании известных зависимостей для определения диаметра и шага гребного винта.
Водометные движители, как и гребные винты, относятся к числу гидрореактивных движителей, создающих упор за счет реакции отбрасываемой с некоторым ускорением массы воды. В отличие от гребного винта, движущиеся части водомета находятся внутри корпуса судна и надежно защищены от повреждений при встрече с подводными препятствиями, что и определяет основное преимущество этого вида движителей.
Моторные суда с водометами могут проходить по мелководью с глубинами, почти равными осадке корпуса, т. е. до 0,1—0,2 м, преодолевать засоренные и заросшие участки водоемов и даже отдельные препятствия, выступающие из воды. Кроме того, к преимуществам водометного движителя относятся:
— уменьшение сопротивления воды движению судна вследствие отсутствия выступающих частей;
— относительная простота изготовления реверсивно-рулевого устройства взамен более сложных реверс-редукторов;
— высокая маневренность, обеспечиваемая реверсивно-рулевым устройством, воздействующим непосредственно на выбрасываемую струю воды;
— значительное укорочение и упрощение линии валопровода;
— менее шумная работа движительной установки;
— возможность установки двигателя горизонтально или с минимальным наклоном, что улучшает его работу и ликвидирует потери, связанные с наклонным валопроводом.
Гребной винт формуют нагнетающей поверхностью вниз,литник выполняют в центре ступицы. Диаметр литника обычно равен или немного меньше диаметра ступицы винта, причем литник одновременно является прибылью.
Механическая обработка отлитого гребного винта заключается в разметке центра и обработке на токарном станке торцов и конусного отверстия ступицы. Обработку лопастей и ступицы снаружи можно выполнять только вручную, поэтому отливку рекомендуется производить как можно точнее, с минимальными припусками. После обработки винт необходимо отбалансировать, для чего его надевают на специально изготовленный короткий вал и укладывают на установленные строго горизонтально и параллельно две металлические пластины с тонкими ребрами. Если какая-то лопасть винта перевешивает, то с засасывающей стороны ее осторожно снимают тонкий равномерный слой металла до получения безразличного равновесия.
Заключительная операция — полировка гребного винта до полу, чения зеркальной поверхности; эта операция совершенно необходима для гребных винтов быстроходных моторных судов.
Толщина заготовки пенопласта должна несколько превышать длину боковой проекции винта. Обе поверхности заготовки обрабатывают рубанком до получения ровных, параллельных друг другу плоскостей. На одной стороне по чертежу винта в натуральную величину вычерчивают контур проектированной поверхности всех лопастей и ступицы. В середине просверливают отверстие диаметром на 0,5—1,0 мм меньше диаметра стержня и заготовку обрезают по размеченному контуру лопастей (контролируя перпендикулярность по отношению к плите угольником). Обработанную таким образом заготовку надевают на стержень так, чтобы одна из лопастей находилась i против шагового угольника, изакрепляют заготовку винта в этом положении на плите (например, предварительно забитым снизу гвоздем). Материал заготовки постепенно срезают -ножом, постоянно контролируя обработку формовочным шаблоном, поворачивая его вокруг стержня так, чтобы нижняя кромка шаблона скользила по гипотенузе шагового угольника и по всей длине соприкасалась с обрабатываемой поверхностью. В результате получим винтовую нагнетающую поверхность поочередно всех лопастей.
Поверхности зачищают мелкой наждачной шкуркой и наносят дуги, радиусы которых указаны в чертеже. Для этой операции можно использовать формовочный шаблон, закрепляя к нему на нужном расстоянии от центра карандаш.
С обратной стороны лопасти сначала грубо обрабатывают, затем по нанесенным дугам тонким шилом прокалывают сквозные вертикальные отверстия с шагом примерно 10 мм. Производя окончательную обработку засасывающих поверхностей, сечения контролируют заранее изготовленными и согнутыми по соответствующим радиусам контршаблонами; их прикладывают по линиям, образованным проколотыми отверстиями.
После окончательной обработки модель шлифуют мелкой наждачной шкуркой, шпаклюют и окрашивают.
По дугам различных радиусов, нанесенным на формовочной плите, устанавливают соответствующие этим радиусам шаговые угольники. Для винтов с постоянным и аксиально-переменным шагом эти угольники устанавливают после изготовления модели, и формовочную плиту с угольниками применяют для дополнительного контроля модели и проверки готового винта. При положении лопастей нагнетающей поверхностью вниз они должны плотно, без просветов, прилегать к каждому шаговому угольнику. Модель винтов с радиально-переменным шагом изготавливают по формовочной плите со всеми установленными шаговыми угольниками. В этом случае контроль нагнетающей поверхности в процессе обработки производят, укладывая нагнетающую поверхность на верхние кромки шаговых угольников. Отливка гребного винта по модели — обычная литейная операция, не представляющая трудностей для тех, кто знаком с основами литейного производства. Разъем верхней и нижней половин опоки лучше всего предусматривать в плоскости лопастей, точно фиксируя их относительное положение. Перед заливкой металла половины опоки следует прочно соединить.
Для набивки опок при отливке винтов из алюминиевых сплавов используют песчаную смесь: любой песок с величиной зерна 0,5— 1,0 мм и в качестве связующего 3—5% жидкого стекла (силикатного конторского клея). При отливке винтов из латуни, стали и т. п. поль-3viotch глиной или песчано-цементной смесью: песок кварцевый К50/100 — 88% и цемент марки 400 или 500 — 12%.
Сварные гребные винты изготовляют из углеродистой стали марок Ст.2, Ст.З, 20. Ступицу вытачивают из круглой заготовки, а лопасти делают из листовой стали.
Для изготовления гребного винта из стеклопластика используют гидрофобизированную (обладает водоотталкивающими свойствами) стеклоткань сатинового переплетения АСТТ (б) — С2 — О или гарни-турового переплетения АСТТ (б)-8 и эпоксидную смолу ЭД-5 или ЭД-6 с полиэтиленполиамином в качестве инициатора и ускорителя (15 вес. ч. на 100 вес. ч. смолы). Подробно ^технологией изготовления таких винтов можно ознакомиться в сб. «Катера и яхты» (Л., «Судостроение»), 1966, № 6, стр. 76.
Прежде чем приступить к изготовлению литого гребного винта, необходимо сделать модель винта, форму для отливки. После этого отливают винт, обрабатывают и балансируют. Модель гребного винта чаще всего делают из дерева мягких пород (липа, ольха, тополь), однако опыт авторов позволяет рекомендовать в качестве лучшего материала для модели пенопласт плиточный ПХВ-1 (СТУ 9-90—61), широко используемый для изготовления поплавков рыболовных сетей. Этот материал обладает вполне удовлетворительной прочностью и настолько легко обрабатывается, что единственным инструментом может служить тонкий, остро отточенный нож, а время на изготовление модели вместе с формовочной плитой составляет не более 4 ч.Формовочную плиту делают из ровной столярной плиты или толстой фанеры с размерами, превышающими на 30—40 мм размеры лопасти со ступицей. У одного из краев плиты намечают центр, из которого проводят несколько дуг радиусами, указанными на чертеже винта, и одну радиусом, на 10—15 мм больше радиуса винта.
Для изготовления модели винта постоянного и аксиально-переменного шага достаточно одной последней дуги.
Шаговый угольник изготовляют по чертежу винта из листовой стали толщиной 1,0—1,5 мм. Если на чертеже не приведен шаговый угольник, то вычерчивают прямоугольный треугольник, у которого один катет равен 2л/?, где R — радиус установки угольника, а второй — шагу винта Яв.
Поскольку лопасть занимает часть окружности длиной /, откла-дызаем эту величину и отрезаем ненужную часть. По полученной трапеции изготовляют металлический шаговый угольник (см. рис. 192). Угольник изгибают по радиусу R и закрепляют на плите по прочерченной дуге, причем для винта левого вращения его высота должна уменьшаться справа налево, если смотреть на плиту сверху.
В отмеченном центре на плите перпендикулярно к ней закрепляют металлический стержень диаметром 5—6 мм и высотой не менее трех длин ступицы. На стержень надевают скользящую втулку, к которой прикреплен формовочный шаблон, изготовленный из тонкой фанеры, пластика или жести. Наклон нижней кромки формовочного шаблона к оси стержня определяется наклоном лопастей к оси винта, указанным на чертеже.
Конечный этап создания гребного винта — его изготовление, причем это наиболее сложный и ответственный этап, так как вся предыдущая работа по проектированию и конструированию может дать хорошие результаты только при достаточно точном и тщательном изготовлении винта.
Гребной винт в условиях любительского судостроения можно изготовить отливкой, сваркой и формованием. Соответственно принятому способу выбирают и материал гребного винта. При отливке используют различные металлы и сплавы, при сварке—углеродистую сталь, а формование производят из стеклоткани на эпоксидной смоле.
Для отливки гребных винтов относительно мощных и быстроходных моторных судов широко применяют латуни марок ЛМцЖ55-3-1, ЛАМцЖ67-5-2-2 и ЛМцЖ5-3-2, отличающиеся хорошими литейными свойствами, относительно высокой прочностью и стойкостью против коррозии и кавитационно-эрозионного разрушения, легкостью обработки и полировки.
Гребные винты гоночных мотосудов изготовляют из литой нержавеющей стали таких марок, как Х18Н9ТЛ, ОХ17Г4НЗД2ТЛ и 1Х14НДЛ. Эти стали обладают большой прочностью (предел прочности при растяжении 72—62 кПмм2) и антикавитационной стойкостью, что позволяет делать лопасти минимальной толщины. Литейные свойства и обрабатываемость нержавеющих сталей ниже, чем у латуни. Бронзу используют сравнительно редко, так как при одинаковых литейных свойствах с латунью она стоит дороже, отличается более низкими механическими свойствами. Однако разработанные в последнее время, например, никельалюминиевые бронзы по механическим свойствам превосходят латунь; их можно применять для изготовления тяжелонагруженных винтов.
Алюминиевые сплавы широко используют при изготовлении гребных винтов моторных судов с двигателями относительно небольшой мощности, работающих в пресной воде. К этим сплавам относятся: алюминиево-кремниевый АЛ2 (силумин), алюминиево-магниевый АЛ8, алюминиево-магниево-кремниевый АЛ9, алюминиево-ыагниево-кремниево-марганцовый АЛ13, алюминиево-магниево-марганцово-титановый 45 Мг2 и др. Преимущества алюминиевых сплавов — хорошие литейные свойства и обрабатываемость. Однако они отличаются невысокой прочностью (предел прочности при растяжении 15—20 кГ/мм2), что вынуждает делать лопасти винта более толстыми, и недостаточной коррозионной стойкостью в морской воде (особенно сплавы типа АЛ2 и АЛ9). Этот недостаток можно устранить, применив анодное оксидирование и соответствующую грунтовку и окраску.
Основные характеристики ВРШ — диаметр и шаговое отношение — рассчитывают обычными методами, изложенными выше, причем для расчета принимают исходные данные того режима, на котором моторное судно будет работать наиболее продолжительное время (например, для СПК принимают режим движения на крыльях при максимальной скорости, так как момент выхода на крылья занимает незначительное время). Если для судна одинаково важно обеспечение большого упора и максимальной скорости хода (например, моторная лодка при буксировке лыжников и при ходе без них), то в расчете номинального шагового отношения принимают условия при максимальной скорости хода, а второй режим обеспечивают соответствующим поворотом лопастей.
Обычно дисковое отношение ВРШ назначают равным 0,4—0,6, причем верхний предел принимают только в том случае, если возникает опасность кавитации, ибо для уменьшения крутящих моментов от действия центробежных сил следует уменьшать ширину лопастей, а следовательно, и дисковое отношение.
Наиболее удачной формой лопасти была бы симметричная, однако при этом возникает опасность изменения направления скручивающего момента при работе ВРШ, что может привести к вибрации и поломке механизма, поэтому лучше придать лопасти небольшую сабле-образность. Профиль прикорневых сечений лопастей рекомендуется аэродинамический, а для крайних сечений [начиная с (0,55-0,65) R] — сегментный (с максимальной толщиной посередине сечения). Для обеспечения необходимой прочности корневых Сечений их относительную толщину принимают несколько большей, чем у ВФШ, вследствие вынужденного уменьшения длины этих сечений из-за комлевой заделки.
Для описанных винтов фиксированного шага характерен общий недостаток: их параметры оптимальны только для определенных условий эксплуатации (сопротивление воды движению мотосудна и скорость, мощность и число оборотов двигателя). Между тем многие моторные суда во время эксплуатации неизбежно работают на разных режимах. Например, полностью нагруженная лодка испытывает большое сопротивление и движется в режиме плавания или переходном, а та же лодка с одним человеком глиссирует при значительно меньшем сопротивлении воды движению. Естественно, что если гребной винт такой лодки рассчитан на режим глиссирования, то для переходного режима он будет гидродинамически тяжелым и двигатель не разовьет полных оборотов и мощности. И наоборот, оптимальный для режима плавания гребной винт будет легким для глиссирования. Для судов на подводных крыльях в момент выход на крылья, как известно, существует горб сопротивления, для преодоления которого необходим резерв мощности (около 30%) именно потому, что гребной винт, приспособленный
для больших скоростей, тяжел для этого момента и двигатель не развивает оптимальных оборотов
В предыдущем параграфе было показано, что можно добиться согласованной работы движителя и двигателя, изменив шаг винта, т. е. для разных условий эксплуатации шаг винта должен быть разным. Лопасти винтов регулируемого шага (ВРШ) поворачиваются вокруг своей оси, изменяя шаг винта. Это дает возможность изменять скорость хода моторного судна от самой малой до полной на переднем и заднем ходу при постоянных числе оборотов и направлении вращения гребного вала. При правом вращении винта, как показано на рис. 188, положение / лопасти соответствует переднему ходу, положение 2 — нейтральному (стоп) и положение 3 — заднему ходу. ВРШ позволяет применять нереверсивные двигатели без реверсивных устройств, существенно упрощая конструкцию двигателя, обеспечивают наиболее экономичный режим работы двигателя (по расходу топлива), дают возможность получить любую самую малую скорость хода судна и повышают моторесурс двигателя.
Поворотом лопастей ВРШ всегда можно подобрать оптимальный шаг для разных условий работы моторного судна и при данном числе оборотов достигнуть наиболее полного преобразования мощности двигателя в полезный упор винта.
Основной недостаток ВРШ — относительная сложность изготовления, требующая достаточно высокой квалификации строителя и проведения токарных и фрезерных работ. Кроме того, ступица ВРШ для размещения механизма поворота лопастей развита больше, чем у ВФШ, что приводит к уменьшению к. п. д. на 1—3% на расчетном режиме работы винта. При других режимах работы снижение к. п. д. еще больше, так как при повороте лопастей изменение шага их сечений у корня отстает от изменения шага крайних сечений. При повороте лопастей на задний ход по указанной причине корневые сечения частично продолжают работать с углами атаки, соответствующими переднему ходу, что, естественно, снижает упор винта. Однако режимы работы, отличные от расчетного режима, как правило, кратковременные (например, момент выхода СПК на крылья), поэтому некоторое снижение эффективности винта несущественно, а увеличение трудоемкости изготовления ВРШ вполне компенсируется его
преимуществами.
ВРШ состоит из гребного винта с поворотными лопастями, механизма изменения шага и привода для управления этим механизмом. Механизм изменения шага может быть шестеренным, кулисным и т. п.
В ряде случаев гребные винты на мелких моторных судах неизбежно работают вблизи поверхности воды или даже пересекают ее. Особенно это характерно для морских саней и быстро-, ходных катамаранов, где гребной винт работает в струе воды, насыщенной воздушными пузырьками, а также для
судов на подводных крыльях с уменьшенной осадкой (см. рис. 66) и для очень быстроходных гоночных глиссеров, кормовая часть которых поднимается на ходу из-за большой вертикальной составляющей упора винта. Во всех этих случаях происходит интенсивный прорыв воздуха к винту, в область разрежения, что снижает упор и к. п. д. винта. Это явление усугубляется наличием каверны за гребным валом, по которой воздух попадает к засасывающей поверхности винта. При пересечении лопастями поверхности воды сила, действующая на них, значительно изменяется за один оборот, а на поверхности воды происходит волнообразование. Рабочая площадь винта при частичном погружении уменьшается.
Все эти факторы приводят к резкому падению эффективности обычного гребного винта. В таких условиях следует применять так называемые полупогруженные винты, специально спроектированные Для работы с пересечением лопастями свободной поверхности воды.
До сих пор не выработана надежная методика расчета полупогруженных гребных винтов, и хотя существуют основные практические рекомендации по их конструированию, решающее значение имеют экспериментальные данные.
Существует довольно много способов расчета гребных винтов — от простейших эмпирических формул до диаграмм, построенных по данным испытаний серий гребных винтов. Наиболее точные результаты можно было бы получить, используя диаграммы, однако они построены по данным испытаний винтов, которые значительно отличаются своими характеристиками от винтов, применяемых на малотоннажных судах. Упрощенные методы расчета, естественно, позволяют получить менее точные результаты. С другой стороны, нередко точность исходных данных для расчета винта — мощность и число оборотов двигателя, сопротивление воды, скорость мотосудна — бывает недостаточной.Чаще всего приходится вести расчет по данным имеющегося двигателя. В этом случае при известных мощности и числе оборотов Двигателя и кривой сопротивления корпуса или заданной скорости Хода судна определяют наивыгоднейшие элементы гребного винта.
К числу приближенных способов относится номограмма, опублико-Ванная в журнале «Motor Boating», январь, 1968 г., несколько измененная авторами и переведенная в метрическую систему.