Что такое перекрут гребного винта
Настройка лодочного мотора. Как выбрать гребной винт. Часть 1
На автомобиле с ручной коробкой передач мы, обычно, не пытаемся передвигаться на первой передаче на скоростях, для которых она не предназначена. 50 км/ч — и у нас уже как минимум, третья. Да и не хватит передаточных чисел первой передаче. Мотор будет раскручен до предельных оборотов, а машина ехать быстро не сможет.
С лодочным мотором почти все тоже самое. На больших судах роль коробки передач может выполнять дистанционное изменение угла атаки лопастей гребного винта, на наших маленьких лодках мы можем играть нагрузкой на мотор, только переставляя сам винт.
В большинстве случаев, мы выбираем основной гребной винт для крейсерского режима передвижения при средней загрузке лодки и запасной, как правило, грузовой.
Исключая заблуждения о назначении «грузовых» и «скоростных» гребных винтов, основная цель в его подборе — дать возможность работать мотору в его нормальном диапазоне оборотов, выдавать свою полную мощность и крутящий момент.
Для подбора винта необходим тахометр, если определение частоты вращения коленвала мотора на слух является проблемой. Подойдет даже цифровой дешевый китайский, установка которого занимает минуты полторы. Единственная мелочь — не все показывают точное значение, а так же надо смотреть, совместим ли он с четырехтактными или с двухтактными моторами. Впрочем, если нет — то можно изменить схему подключения, либо перемножить значения на два.
Но этот вариант — для маломощных лодочных моторов, на которых игра с винтами особого смысла не имеет, да и выбор характеристик там более, чем скромный. А на лодках с моторами помощней — тахометры, как правило, врезаны в приборную консоль.
Самым нежелательным явлением для двигателя является перекрут — превышение максимально допустимых паспортных оборотов. Вызывает огромные нагрузки на узлы мотора, на которые производитель не рассчитывал. При этом нарушается внутренняя работа смазочного механизма.
Из-за большой скорости вращательных и поступательных движений, нарушается целостность масляной пленки, покрывающая детали, задиры поршней и цилиндров, разрушение деталей ДВС — обычное дело для режимов работы выше расчетных. При постоянном проявлении — вызван параметрами гребного винта. При кратковременном — вентиляцией и кавитацией.
На небольших лодочных моторчиках перекрут — довольно редкое явление, чаще встречается обратное — недокрут, как следствие выбора слишком большой и тяжелой лодки для данного мотора. Самое бы время изменить одну из характеристик винта.
Диаметр — один из основных параметров. Для портативных лодочных моторов существует только возможность прикупить винт от предшествующей по мощности модели. На нем же будет изменен и еще один параметр — шаг винта. Это теоретическое расстояние в дюймах или в мм, пройденное винтом за один оборот в условно твердой среде без учета коэффициента скольжения, как если бы мы вкручивали его в пенопласт.
Каждый пройденный винтом в пенопласте дюйм за один оборот — снизит количество оборотов коленвала мотора на 180 — 220 об/мин, добавив на мотор дополнительную нагрузку и увеличив недокрут. Соответственно, что бы вернуть лодочному мотору номинальный режим его работы, для большинства лодочных моторов — 5000-5700 об/мин, следует уменьшить либо шаг винта, либо его диаметр.
Для решения проблем, связанных со скоростью выхода лодки в режим глиссирования, при использовании шага и диаметра, позволяющих работать мотору без перегрузок в своем номинальном диапазоне оборотов, можно применить не трех-, а четырехлопастные винты. Время выхода уменьшится, на крейсерском режиме может сократиться расход топлива, хотя конечная максимальная скорость может стать несколько ниже из-за дополнительного сопротивления и меньшего КПД относительно трехлопастного. Зато работа винта станет более плавной и менее шумной.
К тому же при использовании четырех лопастей, гораздо позже наступает явление кавитации. Кавитация — процесс, проявляющийся при увеличении разницы давления, в нашем случае, на разных сторонах лопастей. В какой-то момент времени, на передней стороне лопасти создается сильное разряжение, при котором происходит закипание и парообразование внутрь воды.
При встрече этой смеси на границе лопасти с областью высокого давления, происходят микровзрывы из-за схлопывания пузырьков воздуха. КПД такого микровзрыва довольно высок. Примерно, как у зубила и молотка. Это иногда чувствуется через корпус судна. Происходит выкрашивание кромок лопастей. 
Поэтому этот процесс так же называют кавитационной эрозией.
При ее частом воздействии, побитые кромки лопастей начинают еще более способствовать ее созданию, в конечном счете, разумеется, сильно теряя свой КПД. Увеличение площади лопастей и диаметра винта отодвигают момент ее появления, но на скоростных судах избежать ее не представляется возможным. Поэтому проектируются гребные винты, способные работать в условиях кавитации.
Что нужно знать о лодочных винтах?
Отвечает Константин Кудинов
Участие в турнире Pro Anglers League стимулирует не только развитие умения ловли рыбы, но и заставляет учиться разбираться в тонкостях водномоторного спорта.
Каждый ПАЛовец – это немножко механик, который постоянно что-то дорабатывает или настраивает в своем катере. Настройки производятся на каждом новом водоеме, под каждые новые погодные и гидрологические условия.
Чаще всего, эксперименты касаются подбора лодочного винта, либо подвеса (высоты и угла) лодочного мотора. Сейчас, многие участники PAL уже оснастили свои лодки системой регулировки высоты установки двигателя. Кто-то поставил регулируемые транцы с сервоприводом («гидролифт»), кто-то простые, механические, домкратного типа.
Основная мысль такова – более низкая установка мотора придает катеру мореходности и управляемости, а более высокая позволяет достигать больших скоростей. У меня механический транец, и я иногда немного подкручиваю движок вверх-вниз, в зависимости от погодных условий. Ребятам с электроприводом, конечно, проще. Они могут выполнять регулировку прямо в процессе движения. Но интереснее всего работать с винтами.
На первый взгляд, все довольно просто. У винтов есть такой параметр как шаг – условное расстояние, которое винт проходит за один оборот. Измеряют его, обычно, в дюймах. Чем больше шаг, тем более высокую скорость позволяет развить винт (если мотор сможет его раскрутить), чем меньше шаг, тем более грузоподъемной станет лодка.
За одинаковое количество оборотов коленвала двигателя, винт пройдет в воде меньшее расстояние. Это как более низкая передача в коробке скоростей автомобиля. Скорость ниже, а тяга выше. У нас в PAL тяга особенно не нужна – всех интересуют больше скоростные качества винтов. В основном, все добиваются того, чтобы лодка более-менее сносно выходила на глиссирующий режим, а потом мотор достигал своих разрешенных максимальных оборотов. В таком случае теоретическая скорость должна быть максимальной.
Увы, на практике все оказывается гораздо сложнее. Во-первых, производители винтов разные, и конфигурация лопастей у них может отличаться. Иногда сильно, иногда едва уловимо. Но в реальности винт с заявленным шагом, скажем, 15” от одной компании иногда оказывается заметно «тяжелее» в работе, чем винт с точно таким же заявленным шагом от компании конкурента.
Все приходится проверять на практике, пробуя и пробуя различные варианты. Не стоит забывать и о таком параметре винта, как его диаметр. Он тоже маркируется в дюймах, и, иногда, уменьшение винта всего на четверть дюйма, может дать ощутимый прирост оборотов двигателя. Этим можно пользоваться, и это всегда нужно учитывать при поборе винта.
Очень важным оказывается такой нюанс, что винт чуть меньшего диаметра, но с большим шагом никогда не даст вам прироста скорости! Мотор будет его раскручивать до рабочих оборотом, но в действие вступит фактор проскальзывания лопастей в воде – их меньшая площадь будет просто прорезать воду, и не проталкивать катер вперед. Я сам на практике это прошел – накупил красивых скоростных винтов с тонкими изящными лопастями, обеспечивающими минимальное сопротивление в воде. Обкатывал один в пустом катере – все было супер.
А потом в лодку садился напарник, заполнялся лайвелл, и мотор начинал в холостую перекручивать винт в воде. Обороты росли, а скорость и КПД падали. Переход на винт следующего размера по диаметру, и меньшего по размеру шага возвращал и обороты, и скорость, и делал их стабильными при любой загрузке лодки. Так что не всегда то, что хорошо для гонок, одинаково подойдет и для рыболовного турнира.
С другой стороны, не всегда оправданы и трехлопастные винты, которые обычно применяют для катеров-буксировщиков (водные лыжи, вейк). Они заточены на максимальную тягу, но иногда оказываются тяжеловаты для мотора.
Алюминий или сталь?
Стальные винты могут стоить в несколько раз дороже обычных дюралюминиевых. В чем же их преимущества?
Ну, во-первых, они крепче. Стандартный алюминиевый винт может критично повредиться о песок на мелководье, и даже при слишком быстром прохождении поля травы. На его кромке могут появиться зазубрины и заломы. Сама лопасть может погнуться.
Во-вторых, стальные винты меньше подвержены эффекту кавитации – они не срываются в перекрут, при прохвате воздуха. То есть, они позволяют поднимать мотор (тримом или транцем) выше, чем с алюминием. А значит, уменьшается сопротивление подводной части мотора, и вырастает максимальная скорость.
Еще, у стали ниже коэффициент проскальзывания, а значит выше КПД. Максимальные показатели скорости катера можно получить только используя стальные винты.
Но некоторые преимущества стали, одновременно становятся и ее же недостатками. С одной бедой пришлось столкнуться и мне.
Алюминиевый винт по сути расходник. Стоит недорого, но редко переживает более одного сезона при ПАЛовской эксплуатации. При переходе на сталь на сложных акваториях (Сызрань, Васильсурск с их пеньками) есть риск в качестве расходника получить уже вал редуктора. А это совсем другие деньги. В 2012 году в Сызрани я «поймал» пенек со стальным винтом, и получил биение вала около 0,6-0,8 мм.
Если не ремонтировать (а это замена вала!), то следом последует выход из строя сальников, и далее попадалово на замену всех внутренностей редуктора. Очень дорого. При этом винт остался неповрежденным.
С тех пор эксперименты со сталью я провожу только на безопасных, и хорошо известных мне акваториях. С моей личной точки зрения разумной достаточности, использование в ПАЛе стальных винтов не очень оправдано.
Скорость перемещения катера впрямую редко влияет на результат. Результаты стартовой жеребьевки нивелируют незначительные приросты скорости от использования стали.
Возможно, в будущем, когда весь лодочный парк участников достигнет мощности максимально разрешенных 250-ти л.с. придется подойти к тюнингу более плотно. Пока же, можно немного расслабиться и сосредоточиться на прокачке умения ловить рыбу.
Плюс, очень важен подбор винта под редукцию мотора. На одном и том же корпусе, с одними и теми же лошадиными силами мотора, но с разной редукцией (разные вендоры) оптимальными могут оказаться совершенно разные винты с разными шагами.
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь чтобы оставить комментарии.
Что надо знать о гребном винте?
Рисунок 1. Схема сил и скоростей на лопасти винта (правого вращения)
Упор в большой степени зависит от угла атаки α профиля лопасти. Оптимальное значение α, для быстроходных катерных винтов 4-8°. Если α больше оптимальной величины, то мощность двигателя непроизводительно затрачивается на преодоление большого крутящего момента; если же угол атаки мал, подъемная сила и, следовательно, упор Р будут невелики, мощность двигателя окажется недоиспользованной.
На схеме, иллюстрирующей характер взаимодействия лопасти и воды, α можно представить как угол между направлением вектора скорости набегающего на лопасть потока W и нагнетающей поверхностью. Вектор скорости потока W образован геометрическим сложением векторов скорости поступательного перемещения va винта вместе с судном и скорости вращения vr, т. е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.
Так как сторона va в треугольнике рассматриваемых скоростей остается постоянной, то по мере удаления сечения лопасти от центра необходимо разворачивать лопасти под большим углом к оси винта, чтобы α сохранял оптимальную неличину, т. е. оставался одинаковым для всех сечений. Таким образом, получается винтовая поверхность с постоянным шагом Н. Напомним, что шагом винта называется перемещение любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот винта.
Рисунок 2. Винтовая поверхность лопасти (а) и шаговые угольники (б)
Гребной винт на «Вихре» имеет шаг Н=0.3 м и частоту вращения n=2800/60=46.7 об/с. Теоретическая скорость винта:
Таким образом, мы получаем разность
Эта величина, называемая скольжением, и обуславливает работу лопасти винта под углом атаки α к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением. В нашем примере оно равно
| s= | H*n-va | = | 2.9 | =0.207=20.7%. |
| H*n | 14 |
Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15%) имеют винты легких гоночных мотолодок на полном ходу; у винтов глиссирующих прогулочных мотолодок и катеров скольжение достигает 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%.
Рисунок 3. Соотношение скорости лодки и осевой скорости винта.
Коэффициент полезного действия. Эффективность работы гребного винта оценивается величиной его КПД, т. е. отношения полезно используемой мощности к затрачиваемой мощности двигателя. Полезная мощность или ежесекундное количество работы, используемой непосредственно для движения судна вперед, равно произведению сопротивления воды R движению судна на его скорость V (Nп=RV кгсм/с).
Мощность, затрачиваемую на вращение гребного винта, можно выразить в виде зависимости Nз от крутящего момента М и частоты вращения n
Следовательно, КПД можно вычислить следующим образом:
В свою очередь и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость потока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока w:
Значения w нетрудно определить по данным, приведенным выше.
Таким образом, полезная мощность с учетом взаимовлияния корпуса и винта равна
| Nп=Pe*(1-t)* | va | кгсм/с, |
| 1-w |
а общий пропульсивный КПД комплекса судно-двигатель-гребной винт вычисляется по формуле:
| η= | Nп | = | Pe*va | * | 1-t | *ηM=ηp*ηk*ηM |
| Na | 2π*n*M | 1-w |
Максимальная величина КПД гребного винта может достигать 70-80%, однако на практике довольно трудно выбрать оптимальные величины основных параметров, от которых зависит КПД: диаметра и частоты вращения. Поэтому на малых судах КПД реальных винтов может оказаться много ниже, составлять всего 45%.
Максимальной эффективности гребной винт достигает при относительном скольжении 10-30%. При увеличении скольжения КПД быстро падает; при работе винта в швартовном режиме он становится равным нулю. Подобным же образом КПД уменьшается до нуля, когда вследствие больших оборотов при малом шаге упор винта равен нулю.
Коэффициент влияния корпуса нередко оказывается больше единицы (1.1-1.15), а потери в валопроводе оцениваются величиной ηM=0.9÷0.95.
Диаметр и шаг винта. Элементы гребного винта для конкретного судна можно рассчитать, лишь располагая кривой сопротивления воды движению данного судна, внешней характеристикой двигателя и расчетными диаграммами, полученными по результатам модельных испытаний гребных винтов, имеющих определенные параметры и форму лопастей. Для предварительного определения диаметра винта можно воспользоваться формулой
| D= | 4 | 4 √ | N | =M, |
| √n | 102va |
Диаметр гребных винтов, полученный как по приближенной формуле, так и с помощью точных расчетов, обычно увеличивают примерно на 5% с тем, чтобы получить заведомо тяжелый винт и добиться его согласованности с двигателем при последующих испытаниях судна. Для «облегчения» винта его постепенно подрезают по диаметру до получения номинальных оборотов двигателя при расчетной скорости.
Шаг винта можно ориентировочно определить, зная величину относительного скольжения s для данного типа судна и ожидаемую скорость лодки:
Легкий или тяжелый гребной винт. Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит степень использования мощности двигателя, а следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна.
Рисунок 4. Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».
Наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, поэтому двнгатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленвала. Режим его работы будет характеризоваться точкой С. И в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с опасно большим износом деталей. При этом надо подчеркнуть, что поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт называется гидродинамически легким.
Для каждого конкретного сочетания судна и двигателя существует оптимальный гребной винт. Для рассматриваемого примера такой оптимальный винт имеет характеристику 3, которая пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке В, соответствующей его максимальной мощности.
Рисунок 5. Зависимость скорости мотолодки «Крым» от нагрузки и шага гребного винта мотора «Вихрь» мощностью 14.8 кВт (20 л.с.)
Рисунок 6. Построение шаговых угольников (а) и кривые изменения кромчатого шага лопасти (б).
| r/R | r, мм | h, мм | Hср=0.264м | Hср=0.240м | ||
| l | L | l | L | |||
| 0.3 | 36 | 62.5 | 59 | 75.2 | 65.5 | 82.5 |
| 0.5 | 60 | 57.4 | 83.5 | 119 | 92 | 129.5 |
| 0.7 | 84 | 52.3 | 105 | 144.5 | 115 | 154.5 |
| 0.9 | 108 | 47.2 | 119.5 | 142 | 131.5 | 165 |
| 1.0 | 120 | 44.5 | 124 | — | 139.5 | — |
Численные рекомендации для наиболее популярных моторов мощностью 14-18 кВт (20-25 л.с.) могут быть следующие. Штатные винты, имеющие H=280÷300 мм, дают оптимальные результаты на сравнительно плоскодонных лодках с массой корпуса до 150 кг и нагрузкой 1-2 чел. На еще более легкой лодке массой до 100 кг можно получить прирост скорости за счет увеличения H на 8-12%.
На более тяжелых глиссирующих корпусах, на лодках, имеющих большую килеватость днища и при большой нагрузке (4-5 чел.), шаг винта может быть уменьшен на 10-15 % (до 240-220 мм), но использовать такой винт при поездке без пассажиров с малой нагрузкой не рекомендуется: двигатель будет «перекручивать обороты» и быстро выйдет из строя.
При установке подвесного мотора на тихоходной водоизмещающей шлюпке рекомендуется применять трех- и четырех лопастные винты с соотношением H/D не менее 0.7; при этом ширину лопасти и профиль ее поперечного сечения сохраняют такими же, как и на штатном винте мотора.
При замене согласованного с корпусом и двигателем гребного винта другим, с близкими величинами D и H (расхождение должно быть не более 10%), требуется, чтобы сумма этих величин для старого и нового винтов была равна.
Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение частоты вращения. Гребной винт при этом издает специфический шум, иа корпус передается вибрация, лодка движется скачками.
Упор, развиваемый гребным винтом, практически не зависит от площади лопастей. Наоборот, с увеличением этой площади возрастает трение о воду, и на преодоление этого трения дополнительно расходуется мощность двигателя. С другой стороны, надо учесть, что при том же упоре на широких лопастях разрежение па засасывающей стороне меньше, чем на узких. Следовательно, широколопастной винт нужен там, где возможна кавитация <т. е. на быстроходных катерах и при большой частоте вращения гребного вала).
В качестве характеристики винта принимается рабочая, или спрямленная, площадь лопастей. При ее вычислении принимается ширина лопасти, замеренная на нагнетающей поверхности по длине дуги окружности на данном радиусе, проведенном из центра винта. В характеристике винта указывается обычно не сама спрямленная площадь лопастей А, а ее отношение к площади Ad сплошного диска такого же, как винт, диаметра, т. е. A/Ad. На винтах заводского изготовления величина дискового отношения выбита на ступице.
Для винтов, работающих в докавитационном режиме, дисковое отношение принимают в пределах 0.3-0.6. У сильно нагруженных винтов на быстроходных катерах с мощными высокосборотнымн двигателями A/Ad увеличивается до 0.6-1.1. Большое дисковое отношение необходимо и при изготовлении винтов из материалов с низкой прочностью, например, из силумина или стеклопластика. В этом случае предпочтительнее сделать лопасти шире, чем увеличить их толщину.
Наибольшее распространение среди винтов малых судов получил сегментный плоско-выпуклый профиль. Лопасти винтов быстроходных мотолодок и катеров, рассчитанных на скорость свыше 40 км/ч, приходится выполнять возможно более тонкими с тем, чтобы предотвратить кавитацию. Для повышения эффективности в этих случаях целесообразен выпукло-вогнутый профиль («луночка»). Стрелка вогнутости профиля принимается равной около 2% хорды сечения, а относительная толщина сегментного профиля (отношение толщины t к хорде b на расчетном радиусе винта, равном 0.6R) принимается обычно в пределах t/b=0.04÷0.10. Ординаты профилей лопастей некавитирующих винтов приведены в таблице 2.
