Гребной вал: описание, характеристики, назначение. Вал гребного винта

Подвесные лодочные моторы занимают минимум места и позволяют хранить в безопасном месте дорогостоящий товар. У каждой детали двигателя своя функция и поломка той или иной части может надолго лишить сна его владельца. О предназначении гребного вала, который является неотъемлемой составляющей сложного агрегата, будет рассказано ниже.

Гребной вал лодочного мотора Suzuki DF60-70

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.

История

Водоподъёмный винт, изобретение которого приписывается Архимеду, вполне подходил и для обратной работы — отталкивания самого винта от водяной массы. Идея применения гребного винта как движителя была высказана ещё в 1752 году Даниилом Бернулли и, позднее, Джеймсом Уаттом. Тем не менее, всеобщее признание гребной винт снискал не сразу. Хотя сам принцип действия гребного винта никогда не был секретом, но только в 1836 году английский изобретатель Френсис Смит (англ. Francis Pettit Smith) сделал решающий шаг, оставив от длинной спирали Архимедова винта только один виток. Бытует история о том, что «модернизация» произошла в результате случайного события: на паровом катере Смита у деревянного винта при ударе о подводный риф отломилась часть, оставив единственный виток, после чего катер заметно прибавил в скорости хода. Смит установил гребной винт на небольшой пароход водоизмещением 6 тонн. Удачные опыты Смита привели к образованию компании, на средства которой был построен винтовой пароход «Архимед». При водоизмещении всего в 240 т «Архимед» был оснащён двумя ходовыми паровыми машинами мощностью по 45 л. с. каждая и единственным винтом диаметром чуть более 2 метров (первоначальный винт Смита представлял собой часть винтовой поверхности прямоугольного образования, соответствующую одному целому шагу).

Гребной винт на одной из первых подлодок

Одновременно со Смитом и независимо от него разрабатывал применение гребного винта как движителя известный изобретатель и кораблестроитель швед Джон Эрикссон. В том же 1836 году он предложил другую форму гребного винта, представлявшую собой гребное колесо с лопастями, поставленными под углом. Он построил винтовой пароход «Стоктон» (мощности ходовых паровых машин — 70 л. с), сделал на нём переход в Америку, где его идея была встречена настолько заинтересованно, что уже в 1843 году был спущен первый винтовой фрегат США «Принстон» (USS Princeton, водоизмещение 954 т, мощность машин 400 л. с., дававших ему ход до 14 узлов) с винтом конструкции Эриксона. На испытаниях корабль развил ранее невиданную 14-узловую скорость. А при попытке «стравить» его с колёсным «Грейт Вестерн» винтовой фрегат потащил своего соперника, несмотря на меньшее водоизмещение и меньшую мощность двигателей. Также «Принстон» отметился в истории кораблестроения тем, что нёс самые крупнокалиберные орудия для своего времени — на поворотных платформах на нём впервые установили 12-дюймовые орудия.

В середине XIX века началась массовая переделка парусников в винтовые корабли. В отличие от колёсных пароходов, переделка в которые требовала очень объёмных и продолжительных работ, модернизация парусников в винтовые пароходы оказалась значительно более простой. Деревянный корпус разрезали примерно пополам и делали деревянную же вставку с машинным отделением, мощность которого для крупных фрегатов составляла 400—800 л. с. При этом весовая нагрузка только улучшалась, — тяжёлые котлы и машины располагались в основном под ватерлинией и исчезала необходимость в приёме балласта, количество которого на парусниках иногда достигало сотен тонн. Винт размещали в специальном колодце в корме и снабжали его подъёмным механизмом, поскольку при ходе под парусами он только мешал движению, создавая дополнительное сопротивление. Аналогично поступали и с дымовой трубой, — чтобы она не мешала оперировать парусами, её делали телескопической (по типу подзорной трубы). Проблем с вооружением практически не возникало, — оно оставалось на своём месте.

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:

1. Диаметр элемента (размер окружности, описываемой наиболее удаленными от оси вращения кромками лопастей).
2. Шаг (дистанция вероятного продвижения приспособления в жесткой гайке, а не в воде).
3. Количество и ширина лопастей.
4. Сторонность вращения.
5. Площадь пропеллера.
6. Толщина и конфигурация лопастей.
7. 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.

Выбор материалов валов

Правилами РРР и РМРС предусматривается использование сталей с временным сопротивлением Rm

от 400 до 760 для углеродистых сталей (800 для легированных сталей) МПа. Промежуточные, упорные и гребные валы изготавливаются из стали с временным сопротивлением от 430 до 690 МПа. Применение сталей с другими характеристиками является в каждом случае предметом специального рассмотрения Регистром.

Материалом для валов служат углеродистые стали 35, 40, 45 (категория прочности КМ) и легированные стали 40Х, 36Х2Н1МФА (категория прочности КТ).

Заготовки валов судового валопровода получают ковкой с характеристиками по ГОСТ 8536, при диаметрах менее 120 мм валы допускается изготавливать из проката. Если валы передают значительные крутящие моменты, то их изготовляют с внутренним сверлением (для облегчения вала, устранения возможных дефектов металла, лучших условий термообработки). Внутренние поверхности валов покрывают суриком и ставят заглушки (кроме валов с ВРШ).

При выборе марки стали необходимо учитывать, что валы должны обладать не только достаточной прочностью, но и жесткостью.

Расчет диаметров валов и конструктивных элементов

Валопровода

В соответствии с принятым или рекомендуемым в задании типом передачи мощности разрабатывают её схему с указанием расположения основных элементов от главного двигателя до гребного винта.

На конструктивной схеме валопровода должны быть показаны основные его части: опора в кронштейне, дейдвудная труба, опорные и упорный подшипники, фланцевые и муфтовые соединения, тормоза, а также размеры тех пролетов, для которых в дальнейшем валопровод рассчитывают на продольную устойчивость и критическую частоту вращения от поперечных колебаний. Расчёт валопроводов речных судов выполняется по Правилам Российского Речного Регистра (РРР), а морских – Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС). Расчёт начинают с определения диаметра промежуточного вала, независимо от того, предусмотрена его установка на судне или нет, затем рассчитывают диаметры гребного и упорного валов, толщину облицовки, учитывая возможность плавания во льдах.

По правилам РРР диаметры промежуточного, упорного или гребного валов, мм, должны быть не менее, определяемых по формуле

где —

временное сопротивление материала вала, МПа;формула применяется при = 400…600 МПа, если > 600 МПа, то в формулу подставляют = 600 МПа; k – коэффициент, равный:

= 130 — для промежуточных валов с коваными фланцами или фланцевыми бесшпоночными муфтами;

= 140 — для промежуточных валов со шпоночными муфтами;

= 142 — для упорных валов в подшипниках качения;

= 160 — для гребных валов при длине менее четырёх диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта;

=150 — для гребных валов при длине более четырёх диаметров гребного вала от носового торца ступицы гребного винта;

— коэффициент усиления, равный: 1,0 — для судов без ледового усиления; 1,05- при плавании в битом льду; 1,07 – для ледоколов и судов ледового плавания; P

— расчётная мощность, передаваемая валом, кВт; n – расчётная частота вращения вала, мин ; d c — диаметр осевого отверстия вала, мм. Если этот диаметр меньше или равен 0,4 d г , то можно принять d c= 0; d г -действительный диаметр гребного вала, мм.

В случае, если вал не имеет сплошной облицовки или другой эффективной защиты от коррозии, то участки гребного вала, имеющие контакт с водой, должны иметь наружный диаметр на 5% больше определенного по приведенной формуле.

При расчёте упорного подшипника принимают где —

упор комплекса (если винт в насадке). Расчётный упор не должен превосходить допустимого значения для упорного подшипника.

Правила РМРС рекомендуют следующую формулу для определения диаметра промежуточного вала, мм:

Здесь F

— коэффициент, зависящий от типа механической установки и принимаемый:

F

= 95 — для механических установок с ротативными механизмами или с ДВС, оборудованными гидравлическими или электромагнитными муфтами;

F

= 100 — для других типов механических установок с ДВС;

P

– расчётная мощность на промежуточном валу, кВт;

n

− расчётная частота вращения промежуточного вала, мин .

РМРС рекомендует выполнять диаметр упорного вала выносного подшипника скольжения на расстоянии одного диаметра упорного вала в обе стороны от гребня вала, а для подшипников качения в пределах корпуса подшипника не менее 1,1 диаметра промежуточного вала.

Расчётный диаметр гребного вала, мм,

где k

— коэффициент, определяемый конструкцией вала. Для участка вала от большого основания конуса или наружного фланца гребного вала до носовой кромки ближайшего к движителю подшипника (но во всех случаях не менее 2,5 ):

k

= 1,22 для бесшпоночного соединения гребного винта с валом или в случае соединения винта с фланцем, откованным заодно с валом;

k

= 1,26 для шпоночного соединения гребного винта с валом;

k

= 1,15 для участка вала от носовой кромки кормового дейдвудного подшипника или кормового кронштейнового подшипника в нос до носового торца носового уплотнения дейдвудной трубы для всех типов исполнения.

Значение k

увеличивается на 2 %, если гребной вал выполнен с водяной смазкой и без сплошной облицовки. По согласованию РМРС допускается уменьшение в случае их поверхностного упрочнения. При изготовлении промежуточных, упорных и гребных валов с временным сопротивлением > 400 МПа их диаметр может быть уменьшен. Уменьшенный диаметр определяется по формуле

,

где d

— расчётный диаметр вала, мм; — уменьшенный диаметр вала, мм; — временное сопротивление материала вала.

Во всех случаях временное сопротивление в формуле должно приниматься не более 800 МПа для промежуточного и упорного валов и 600 МПа для гребного вала.

Диаметры валов ледоколов и судов с ледовыми усилениями увеличиваются на величину, указанную в табл. 5.2.5 раздела 5 «Валопроводы» Правил РМРС.

Если в валу выполняется осевое отверстие, его диаметр не должен превышать 0,4 расчётного диаметра вала.

Гребные валы должны быть надежно защищены от соприкосновения с забортной водой.

Облицовки гребных валов должны изготовляться из сплавов, обладающих высокой коррозионной стойкостью к морской воде.

Толщина бронзовой облицовки гребного вала S

, мм, должна быть не менее толщины, определяемой по формуле

,

где — диаметр гребного вала под облицовкой, мм. Толщина облицовки между подшипниками может быть снижена на 25%.

Для соединения фланцев валов используют плотно пригнанные цилиндрические болты. Диаметр болтов, мм, должен быть не менее

где — диаметр промежуточного вала, мм; — временное сопротивление материала болта, МПа, которое следует принимать в диапазоне ≤1,7 , но не более 1000 МПа, i

— число болтов в соединении; D — диаметр центровой окружности соединительных болтов, мм.

Как правило, 50% от общего числа цилиндрических болтов фланцевых соединений валопровода, но не менее трёх должны быть плотно пригнанными. Применение только проходных болтов возможно лишь по согласованию с Регистром.

Толщина соединительных фланцев промежуточных валов должна быть не менее .

Опорные подшипники валопровода располагают таким образом, чтобы их фундаменты опирались на жесткие узлы корпуса судна. Количество опорных подшипников принимают такое, чтобы каждый промежуточный вал опирался на один или два подшипника. Если вал опирается на один подшипник, то для облегчения его прицентровки и монтажа устанавливают один или два монтажных подшипника.

Согласно рекомендациям РРР ориентировочное значение максимально допустимого расстояния, мм, между смежными подшипниками при частоте вращения вала n

≤ 350 мин составляет

,

где — коэффициент, = 450 для подшипников скольжения, смазываемых маслом; = 300 для дейдвудных и кронштейновых подшипников с водяной смазкой (капролоновые, резинометаллические).

При n

> 350 мин расстояние, мм, между серединами смежных подшипников принимают из условия

где — коэффициент: = 8400 для подшипников скольжения, смазываемых маслом; = 5200 резиновых или пластмассовых подшипников скольжения с водяной смазкой.

Минимальное расстояние между подшипниками можно приближенно определить по формуле, мм,

.

В соответствии с Правилами РМРС длина пролета L

, м, между соседними подшипниками промежуточных валов выбирают в диапазоне

,

где d

— диаметр вала, м; а – коэффициент, принимаемый для полых валов равным , здесь – степень расточки вала, – диаметр отверстия; λ – коэффициент, численное значение которого зависит от частоты вращения вала: при n ≤ 500 мин-1 λ = 14; если n >500 мин-1, то λ = 300/ .

Принятые на практике расстояния между опорными подшипниками не превышают для валов диаметром 60 мм — 2,5 м; 80 мм — 3 м; 100 мм — 4 м. Конструктивные значения длин валов назначаются в зависимости от общей протяженности валопровода и технологических возможностей изготовления, установки и ремонта составляющих валов.

Все окончательно принятые линейные размеры элементов валопровода должны соответствовать ГОСТ 6636.

При окончательном назначении длины промежуточных валов необходимо предусмотреть возможность их взаимозаменяемости. Каждый такой вал необходимо опирать на один или на два опорных подшипника.

Как правило, в дейдвудной трубе гребной вал должен опираться на два подшипника. В дейдвудных трубах длиной менее 4,5 диаметров вала в случае применения подшипников скольжения из резины или пластмассы с водяной смазкой, и 3-х диаметров вала в случае применения подшипников скольжения, смазываемых маслом, допускается установка одного кормового подшипника.

Длина подшипников дейдвудного устройства назначается в зависимости от типа антифрикционного материала по табл.1.

Таблица 1

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.

Функциональные особенности

В лодочном моторе гребной вал неотделим от гребного винта. Последний крепится через кронштейн к валу, который вращается с помощью движка. За счет этого действия лопасти винтов захватывают воду и отбрасывают ее назад. После этого мощность реакции откидываемой воды сообщается лопастям винта и по цепочке гребному валу.

Эффективность работы винта определяется соотношением полезной силы, отдаваемой им для движения лодки, к мощности мотора. Ее в свою очередь отдает гребной вал на вращение винта. Это КПД (коэффициент полезного действия) винта.

На плавучих средствах с моторами разной мощности величина КПД будет разной:

• скорость хода лодки до пятнадцати километров в час предполагает размещение винтов с числом оборотов до тысячи двухсот в минуту. Это максимальное значение и оно вдвое меньше при скорости до десяти километров в час, к примеру;
• скорость хода лодки до пятидесяти километров обязывает работать гребной вал лодочного мотора в пределах трех тысяч оборотов в минуту.

Сегодня в сфере водного транспорта все чаще можно встретить винты регулируемого шага, помимо привычных с закрепленным. Шаг – это длина продвижения винта за оборот, если бы он не находился в воде, а был в жесткой гайке. В разных частях лопасти шаг незначительно отличается, поэтому после замеров берется средняя величина:

Рекомендуем прочитать: Какие характеристики имеет лодочный мотор Тохатсу 18?

1. правый винт вращается на переднем ходу по часовой стрелке, когда наблюдаешь с задней части лодки;
2. левый винт вращается в противоположную правому сторону.

Удобство винтов регулируемого шага заключается в том, что они дают передний и задний ход лодки. Они позволяют тормозить плавсредство в удобный момент, не реверсируя мотор.

Очевидно, что мотор эксплуатируется в зависимости от загрузки лодки, ее скорости, течения и прочих факторов. Для этого и создана разная величина шага, чтобы максимально экономично и грамотно работал движок.

В большинстве случаев гребные винты изготавливают из алюминия, поскольку легко обрабатываются. А вот стальные винты сделать гораздо сложнее.

Следует отметить, что в документах к российским моторам вписывалась мощность на валу двигателя, а к иностранным – на самом винте или гребному валу. В связи с этим у наших движков мощность на гребному валу, собственно и ведущая плавсредство вперед, на деле оказывается меньше в сравнении с подобными «иностранцами».

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.

Выбор винта для водоизмещающего корпуса катера или яхты

Страница 1 из 6

Многие владельцы водоизмещающих катеров и яхт сталкиваются с проблемой выбора гребного винта. Решение выбора дается легко, но всегда не дешево. Огромное разнообразие корпусов, обводов, марок и типов стационарных моторов, колонок, редукторов, передаточных чисел и посадочных отверстий, наряду с многообразием типов гребных винтов от различных производителей, может ввести в кому любого капитана.

Эта статья поможет владельцам водоизмещающих корпусов понять особенности для того, чтобы сделать грамотный выбор гребного винта.

Гребной винт на любом водоизмещающем плавсредстве — одна из важнейших составляющих всего комплекса «двигатель-движитель». От его правильного выбора зависят, скорость, экономичность и комфортный режим движения.

Чтобы понять основные принципы, которыми нужно руководствоваться при выборе винта, для начала было бы полезно вкратце вспомнить базовую теорию, не вдаваясь в дебри с расчетами, формулами и графиками.

Гребной винт преобразует вращение вала двигателя в упор — силу, толкающую судно вперед. Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит степень использования мощности двигателя, а следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна. Шаг винта — это расстояние, пройденное винтом в результате поступательного движения за один полный оборот. Разность между теоретическим шагом винта и фактически пройденным расстоянием за один оборот называется проскальзыванием.

Оптимальным винтом называется гребной винт, максимально эффективно реализующий мощность мотора в сочетании с конкретным корпусом и обладающий наибольшим КПД.

Все графики, приведенные ниже, используются для подбора гребных винтов для малых судов. Учтите, что они дают лишь примерную оценку.

Чтобы подобрать гребной винт для конкретно судна выполните следующие операции:

1. Оцените коэффициент попутного потока.

Значение коэффициента может находиться в пределах от 0 до 30%. Его величина зависит главным образом от расположения винта относительно корпуса судна. Круизная яхта, гребной винт которой закрыт архештевнем, или тяжелое судно с водоизмещающим корпусом и крутыми кормовыми батоксами имеют коэффициент около 30%. Моторный катер с гребным винтом, расположенным значительно ниже корпуса, имеет очень небольшой коэффициент попутного потока.

2. Вычтите коэффициент попутного потока из скорости судна.

Например, если судно рассчитано на скорость 10 узлов, а коэффициент попутного потока составляет 20%, то:

20% от 10 узлов = 2 узла,

10 – 2 = 8 узлов

Выберите график для скорости 8 узлов.

3. Рассчитайте обороты гребного винта при полной скорости судна. Например, если двигатель развивает полную мощность при 2800 об./мин, а передаточное число редуктора составляет:

2 : 1, то обороты гребного винта будут равны: 2800/2 = 1400 об./мин.

4. Выберите график диаметра винта, соответствующий мощности на гребном валу (см. примечание далее) и по горизонтальной шкале определите на кривой точку, соответствующую оборотам гребного винта. Далее на вертикальной шкале считайте значение диаметра винта (слева в миллиметрах, справа в дюймах).

5. Выберите график шага винта, соответствующий мощности на гребном валу и по горизонтальной шкале определите на кривой точку, соответствующую оборотам гребного винта. Далее на вертикальной шкале считайте значение шага винта (слева в миллиметрах, справа в дюймах).

6. Полученные значения следует считать первым приближением. Полученная таким образом величина диаметра винта достаточна для определения отстояния винта от корпуса с учетом необходимого зазора. Оптимальная величина зазора составляет 15% от диаметра винта, и в любом случае она не должна быть меньше 8% от диаметра. Рассчитанный по графику диаметр также позволяет определить приблизительную стоимость гребного винта.

Приведенные графики можно также использовать для определения правильности подбора имеющегося винта.

Например, они позволяют выяснить, не кроется ли причина неудовлетворительных скоростных характеристик судна, в неверно подобранных диаметре и шаге гребного винта. Для этого:

1. Измерьте шаг и диаметр установленного гребного винта. Цифры, указанные на ступице, не всегда соответствуют реальности, поэтому лучше провести измерения самостоятельно.

2. Определите реальную скорость судно, пройдя на время точно измеренное расстояние. Откорректируйте полученное значение путем вычитания коэффициента попутного потока.

3. Выберите графики, соответствующие рассчитанной скорости потока воды через винт (один для диаметра один для шага).

4. Выберите нужные кривые в соответствии с мощностью на гребном валу (см. примечание далее).

5. Определите на кривых точки, соответствующие оборотам винта и считайте рекомендованные значения диаметра и шага.

6. Сравните рекомендованные значения диаметра и шага с реально измеренными. Если имеются существенные расхождения, то гребной винт подобран неверно.

Если измеренные параметры винта соответствуют значениям, полученным при помощи графиков, значит причина недобора скорости судна связана с чем-то иным.

На практике потеря скорости часто бывает обусловлена влиянием сразу нескольких факторов: d какой-то мере может быть виноват гребной винт, обрастание корпуса водорослями, лишний вес из-за конструкций, добавленных после постройки судна, износ гребного вала, неправильное размещение балласта и другие причины.

Приведенные ниже графики следует рассматривать исключительно в качестве средства предварительной общей оценки параметров винта. Точных значений они дать не могут.

Мощность на гребном валу

Заявленная выходная мощность двигателя как правило соответствует мощности двигателя с учетом подключенных к нему дополнительных устройств — водяного насоса, генератора и т.п. Однако, до сих пор встречаются производители, указывающие мощность без учета ее отбора этими необходимыми компонентами системы, поэтому заявленное значение следует обязательно проверять. Мощностью на гребном валу называется мощность, реально передаваемая на гребной винт. Она меньше мощности двигателя из-за потерь вследствие трения в дейдвудном сальнике, подшипниках редуктора, опорных подшипниках и т. д.

При неправильной центровке линии вала эти потери возрастают. Обычно мощность на гребном валу составляет 70–90% от паспортной мощности двигателя. Неверная установка или плохое техническое состояние двигателя увеличивают потери. При расчетах предполагается, что двигатель находится в нормальном рабочем состоянии и не имеет существенного износа.

• Вперед

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.

Преимущества гибкой муфты Vetus Bullflex

• очень высокая эластичность

• оптимальное гашение вибрации

• гарантия от осевого и радиального сдвига

• возможно отклонение центровки до 2°, прекрасная центровка вала допускает высокие обороты даже при 2° отклонения

• вал будет отцентрован даже при заднем ходе

• возможность снять центрующее кольцо

• встроенный демпфер осевой нагрузки

• неконусная фиксирующая ступица дляпрекрасной центровки и простоты установки и демонтажа

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).

Сила попутного потока

Движущийся в воде корпус вызывает попутный поток, направленный в сторону движения корабля. Причины его появления — трение пограничных слоев воды о корпус ко­рабля и стремление масс воды заполнить объем, вытес­ненный корпусом. Между скоростью попутного потока в месте расположения винта Vp и скоростью хода кораб­ля V существует соотношение Vp — V (1 — ω), где — ω коэффициент попутного потока. Его значения для различ­ных кораблей могут изменяться от 0,10 до 1,00. Таким об­разом, влияние корпуса на винт сводится к уменьшению скорости обтекания винта. Экспериментально установлено, что в верхней половине диска винта скорость попутного потока больше, чем в нижней. Неравномерность поля скоростей попутного потока в диске винта за один оборот вызывает изменение угла атаки и соответственно сил упо­ра и момента на лопастях, проходящих верхнее и нижнее положения. Так, лопасть, находящаяся в верхнем поло­жении, будет иметь больший угол атаки и соответственно большее сопротивление вращению, чем лопасть, находя­щаяся в нижнем положении. В результате возникает бо­ковая сила, которая на переднем установившемся ходу (винт правого вращения) будет уклонять корму корабля влево. Сила попутного потока b проявляет себя в наибольшей степени на переднем установившемся ходу, вызывая укло­нение кормы корабля в сторону, обратную вращению винта.

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:

1. Подготовленный винт помещают на ровную плоскость (фанерный лист или чертежную доску) строго горизонтально.
2. Ступица должна четко совпадать с центром окружности, предварительно нанесенной на доску, которая имеет диаметр порядка 0,7 части аналогичного полного показателя гребного винта.
3. При помощи угольников замеряют высоты кромок, лежащих строго над начерченной окружностью.
4. Там же отмечают две точки, от которых измерялись указанные расстояния.

   

Одной из задач которую приходится решать при строительстве катера или яхты это приобретение гребного вала. Исходя из того, что ни одно отечественное предприятие не делает гребные валы для маломерного флота, задача становится трудно решаемой. В этом случае следует обратить внимание на гребные валы поставляемые фирмой Craftsman Marine изготовляемые из стали по германскому стандарту DIN 1.4462. в комплекте с обжимной шайбой и гайкой гребного винта с цинковым анодом. По сравнению с другими материалами подобно AISI 316 и Aquamet 17 или 22, коррозионная стойкость Duplex 1.4462 существенно выше. Кроме того, предел прочности Duplex 1.4462 приблизительно на 30% больше, чем AISI 316, и его твердость — приблизительно на 40% выше. Именно эта степень твердости обеспечивает Duplex 1.4462 превосходные качества скольжения в подшипниках, в т.ч. резиновых. Так как материал гребных валов Craftsman Marine намного прочнее можно использовать валы с меньшими диаметрами. Для примера обратимся к графику выбора диаметра гребного вала в зависимости от мощности двигателя и скорости вращения гребного вала. Для двигателя TDME-4105, 62кВт/80л.с., 2500 об/мин достаточно использовать гребной вал диаметром 30 мм.

В дополнение к гребным валам Craftsman Marine Предлагает все компоненты для установки валовой линии. Дейдвудные трубы из латунного сплава устойчивого к соленой воде — лучшее предложение на рынке! Дейдвудная труба поставляется с установленной втулкой Гудриджа, которая может быть легко заменена при необходимости. Установочные фланцы в комплекте с внешним подшипником и сальниковым уплотнением (SKF) сделают установку дейдвудной трубы «детской игрой».

ГРЕБНЫЕ ВАЛЫ	Наличие	Цена, Евро	ГРЕБНЫЕ ВИНТЫ	Шаг	Конус	Вал	Цена, Евро	Наличие
На складе	222,00	7», 8», 9», 10»	1:10	25 мм	263,00	На заказ
На складе	298,00	7», 8», 9», 10», 11», 12»	1:10	25 мм	283,00	На заказ
На складе	357,00	8», 9», 10», 11», 12», 13», 14»	1:10	25 мм	302,00	На заказ
На заказ	418,00	9», 10», 11», 12», 13», 14»	1:10	25 мм	330,00	На заказ
На складе	387,00	9», 10», 11», 12», 13», 14», 15»	1:10	30 мм	408,00	На заказ
На складе	444,00	10», 11», 12», 13», 14», 15»	1:10	30 мм	427,00	На заказ
На складе	469,00	10», 11», 12», 13», 14», 15», 16»	1:10	30 мм	479,00	12»,14»,16»
На складе	542,00	1:10	35 мм	547,00	На заказ
На складе	638,00	1:10	35 мм	609,00	На заказ
На складе	419,00	1:10	35 мм	667,00	На заказ
На складе	544,00
На складе	648,00
На складе	774,00
На складе	900,00
ДЕЙДВУДНЫЕ ТРУБЫ
Для вала 25 мм L – 500 мм	На складе	209,00
Для вала 25 мм L – 1000 мм	На складе	285,00
Для вала 25 мм L – 1500 мм	На складе	363,00
Для вала 25 мм L – 2000 мм	На складе	423,00
Для вала 30 мм L – 500 мм	На складе	227,00
Для вала 30 мм L – 1000 мм	На складе	313,00
Для вала 30 мм L – 1500 мм	На складе	418,00
Для вала 30 мм L – 2000 мм	На складе	481,00
Для вала 35 мм L – 500 мм	На складе	359,00
Для вала 35 мм L – 1000 мм	На складе	483,00
Для вала 35 мм L – 1500 мм	На складе	635,00
Для вала 35 мм L – 2000 мм	На складе	729,00
ВНЕШНИЙ ПОДШИПНИК С САЛЬНИКОМ
Для вала 25 мм	На складе	253,00
Для вала 30 мм	На складе	281,00
Для вала 35 мм	На складе	302,00
ЭЛАСТИЧНЫЕ МУФТЫ
Для вала 25 мм	На складе	376,00
Для вала 30 мм	На складе	395,00

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.

Характеристики гребного винта.

По установившейся традиции исторического контекста следует заметить, что ДО НЕДАВНЕГО ВРЕМЕНИ применяемые на яхтах гребные винты со складывающимися или поворотными в нерабочем положении лопастями обладали низким коэффициентом полезного действия. Как следствие — необходимость повышения мощности двигателя, что, в свою очередь выливалось в увеличение веса, расхода топлива и денег. Такое увеличение мощности выражалось нешуточными 30-50% от мощности мотора, снабженного традиционным винтом с фиксированными лопастями.

Подобно тому, как колеса автомобиля различаются шириной шины, диаметром диска, высотой профиля и другими параметрами, гребные винты тоже имеют ряд характеристик, основными из которых являются:

1. Тип и количество лопастей. На парусных яхтах можно встретить три типа гребных винтов: фиксированный (fixed prop) с лопастями, жестко закрепленными на ступице, складной (folding prop) с лопастями, складывающимися в сторону кормы под напором воды на ходу под парусами и поворотный (feathering prop) с лопастями, которые при отсутствии вращения винта гребным валом разворачиваются во флюгерное положение вдоль потока воды, резко уменьшая сопротивление. На парусных яхтах обычное число лопастей гребного винта — 2-3, на моторных — 3-5 лопастей фиксированного винта.

2. Диаметр винта (diameter) — диаметр круга, который описывают крайние точки лопастей гребного винта. Как правило, диаметр винта прямо пропорционален мощности двигателя и обратно пропорционален частоте вращения гребного вала. Начальным значением для выбора диаметра гребного винта парусной яхты может служить величина 0,037 — 0,045 от длины корпуса по ватерлинии. Обычно измеряется в дюймах.

3. Шаг винта (pitch) — величина поступательно перемещения винта вдоль оси вращения за один оборот, если представить его в твердой среде, не допускающей проскальзывания. Аналогичное понятие — глубина вкручивания шурупа в доску за один оборот. Разумеется, что в воде перемещение винта будет меньше его указанного шага, но это обозначение, выраженное в дюймах, вслед за диаметром клеймом выбивается на ступице винта и отличает его от других, внешне на него похожих.

Так, если на винте читается 16×11, это значит, что винт имеет диаметр 16 дюймов и его шаг составляет 11 дюймов. Интересно, что, если при замене винта нет возможности найти аналогичный, то сгодится такой, у которого сумма диаметра и шага равна оригинальному: т.е. винт 16×11 можно заменить винтом 15×12.

4. Направление (the hand) и скорость вращения. Винт считается «правым», если на переднем ходу он вращается по часовой стрелке, глядя на судно с кормы. Любой винт имеет диапазон оборотов, в котором он работает наиболее эффективно. При подборе винта учитываются номинальные обороты двигателя и передаточное число редуктора. Превышение нормальной частоты вращения гребного винта вызывает явление кавитации (газообразования), что снижает его работоспособность и создает условия для разрушения поверхности лопастей.

Вышеприведенные параметры достаточны для обычного пользователя, который должен знать какой винт стоит на его яхте и какие могут быть варианты. Профессионалы оперируют еще такими характеристиками, как проскальзывание винта (slip), изменение угла атаки по длине лопасти — скручивание (blade twist), соотношение площади лопастей к площади круга вращения винта (blade area ratio — BAR или disk area ratio — DAR), и некоторыми другими.

Несколько лет назад британскими специалистами были проведены испытания различных типов гребных винтов для выявления сравнения их достоинств и недостатков. В качестве базового судна была выбрана обычная круизная яхта Beneteau Oceanis 323 с двигателем мощностью 21 л.с. при 3,600 об/мин. Редуктор двигателя имел передаточное отношение 2,6:1 вперед и 3:1 назад. Для испытаний были взяты:

• винты с фиксированными лопастями (в таблице — на желтом фоне)
• винты со складывающимися лопастями (зеленый фон)
• винты с поворотными лопастями (голубой фон):

Входе испытаний проводились измерения параметров:

• «упор винта» — тяговое усилие на переднем и заднем ходу;
• «боковое усилие», вызванное так называемым эффектом винта при изменении направления вращения винта, этот параметр выражен в процентах к тяге на заднем ходу;
• максимальная скорость хода;
• время полной остановки яхты при включении реверса на скорости 6 узлов.

Данные, полученные в ходе испытаний, сведены в таблицу.

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.

Примечания

1. В последнем случае имеет значение возможность устанавливать винт в вертикальном положении в гидродинамическом следе ахтерштевня для уменьшения его сопротивления при плавании под парусами.
2. Выбор гребного винта // vlboat.ru.
3. Движители кораблей и судов // korabley.net, 6.04.2010.
4. Д/ф Гигантские гребные винты («Как это делается?», Discovery Channel).
5. Материал для изготовления винта // vlboat.ru.
6. ПРОПУЛЬСИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГРЕБЛИ. Архивная копия от 5 сентября 2015 на Wayback Machine

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.