Рух судна з працюючим поблизу нього гребним гвинтом - явище дуже складне. Рухомий корпус і обертається гвинт створюють поблизу себе дуже складну і для різного типу судів різну картину розподілу тисків і швидкостей, яка, до того ж, змінюється зі зміною обводів, швидкості ходу, числа обертів гвинта і т. П. Природно, що вибір найвигіднішого місця розташування гвинта залежить від цієї картини, і для того щоб відповісти на питання, де краще всього помістити гвинт і під яким кутом розташувати його вісь, треба добре знати розподіл швидкостей і тисків.
Визначити картину розподілу швидкостей і тисків до будівлі і спеціальних випробувань судна дуже важко, проте теорія і практика суднобудування виявили основні обставини, які супроводжують роботу гребного гвинта на що йде судні, і знайшли найбільш розумні способи враховувати їх.
Вибираючи місце і становище гребного гвинта на малому судні водоизмещающего або глиссирующего типу, треба брати до уваги наступні обставини.
Вплив корпусу судна на роботу гвинта
Корпус впливає на роботу гвинта насамперед тим, що за ним рухається попутний потік. Якщо гвинт працює в попутному потоці - це добре, тому що швидкість гвинта по відношенню до попутному потоку менше, ніж швидкість зустрічі з нерухомою водою, а чим менше швидкість гвинта по відношенню до встречаемой воді, тим більше створюється гвинтом упор. Найбільший упор гвинт розвиває, коли його швидкість по відношенню до води дорівнює нулю, т. Е. Коли судно стоїть на швартовах.
Попутний потік має місце не тільки за кормою, а й неглибоко під днищем. Швидкість попутного потоку в порівнянні зі швидкістю ходу судна тим більше, чим повніше і тупіше обводи корми. Швидкість руху гвинта по відношенню до попутному потоку можна визначати по номограмі (рис. 1).
Корпус може надавати і шкідливий вплив на роботу гвинта. Якщо гвинт розташований по відношенню до корпусу так, що корпус заважає вільному підтікання води прямо назустріч гвинта (по осі гвинта) - це дуже погано. Лопаті гвинта розраховані на те, що вони будуть працювати в достатній кількості води, підтікає до них в напрямку осі гвинта; якщо ж гвинта води «не вистачає», він працює з неповною віддачею.
Вплив гвинта на опір корпусу
При роботі гвинта перед ним створюється розрідження, яке прискорює потік спрямовуються до нього води. Якщо кормова частина судна омивається цим прискореним потоком, вона відчуває опір більше, ніж якщо б гвинт НЕ підсмоктував до себе воду. Щоб подолати це додатковий опір, гвинт повинен розвивати додатковий (понад необхідний для подолання буксирувального опору судна) упор.
Це явище називають взаємним підсмоктуванням між гвинтом і корпусом. Чим більше сила взаємного подсоса, тим більша частка упору витрачається марно на стиск води між гвинтом і корпусом. Чим далі від корми розташований гвинт, тим менше сила подсоса. Якщо через R позначити буксирне опір корпусу (без працюючого гвинта), а через t - відношення сили подсоса до повного упору (ця величина називається коефіцієнтом підсмоктування), то величину повного упору гвинта Р можна виразити так:
Для швидкохідних катерів можна приймати t = 0,05 ÷ 0,08.
Вплив підводних виступаючих частин на потік, що набігає на гвинт
Потік, що підтікає до гвинта, повинен бути прямолінійним і суцільним (без «пустот»), а його швидкість повинна бути однаковою по всьому диску гвинта і спрямованої по осі гвинта.
Якщо поблизу, перед гвинтом стоять виступаючі підводні частини (гребний вал, кронштейн гребного валу, підводна частина ноги підвісного мотора і т. П.), То вони можуть порушувати суцільність і прямолінійність потоку, через що частина гвинта може виявитися в «порожнечі» (рис. 2). Звичайно, це шкідливо відбивається на роботі гвинта. Крім того, якщо, як це іноді буває на Реда глиссирующих судах, частина гребного валу виявляється над водою, уздовж вала до гвинта може проникати повітря, що також дуже шкідливо.
Можливість проникнення повітря до гвинта з поверхні води
Якщо гвинт занурений недостатньо глибоко, розрідження перед ним під час роботи може викликати підсмоктування повітря з поверхні води, що різко знижує ефективність гвинта. Іноді з поверхні води повітря проникає тільки на стоянці, а на ходу судна надходження повітря припиняється. Щоб запобігти доступ повітря з поверхні води, на остроскулих судах гвинт розташовують під днищем; іноді для тієї ж мети за транцем встановлюють горизонтальну, так звану антікавітаціонной, пластину (рис. 3).
Вплив місця розташування і нахилу осі гвинта на диферент судна
Диферент судна відбивається на його опорі. Особливо великий вплив дифферента на опір глиссирующих і полугліссірующіх судів. Диферент судна на ходу залежить не тільки від положення ЦТ уздовж судна, але і від величини і напрямки всіх сил, що діють на корпус; в числі цих сил особливо великий вплив робить упор гребного гвинта. Якщо лінія дії упору проходить нижче ЦТ судна, упор збільшує дифферент на корму (рис. 4, а), а якщо вище ЦТ - збільшує дифферент на ніс (рис. 4, б). Вплив місця розташування і нахилу осі гвинта тим більше, чим більше упор і чим далі від ЦТ судна проходить лінія його дії.
Вплив кута нахилу осі гвинта до горизонту на зниження к. П. Д. Гвинта
Гребний гвинт розрахований на те, що він буде працювати в потоці, що набігає на нього у напрямку його осі. Якщо вісь гвинта нахилена до горизонту, потік буде набігати на гвинт під деяким кутом до осі (рис. 5); чим більше цей кут, званий кутом скоса потоку, тим нижче ефективність гвинта. Скіс потоку позначається тим більше, чим більше швидкість ходу. Кут скоса, менший 10 °, на малих швидкостях позначається на величині к. П. Д. Дуже слабо.
Одночасно зі зниженням к. П. Д. При косому обтіканні гвинта на ньому розвивається поперечна сила, спрямована під прямим кутом до осі гвинта і під тупим кутом до потоку (рис. 6). На судах швидкохідних з гвинтом невеликого діаметра поперечна сила може виявитися чималою. Поперечна сила на гвинті розвивається і при повороті судна, коли через дрейф судна потік набігає на гвинт збоку.
Певне уявлення про те, наскільки знижується к. П. Д. Гвинта при косому обтіканні, дають наступні цифри. Якщо при куті нахилу 10 ° на малій швидкості к. П. Д. Знижується на 0,8%, то на дуже великій швидкості він може знизитися на 5,5%; якщо, наприклад, при куті скосу 20 ° к. п. д. знижується на малій швидкості на 4%, то на дуже
великій швидкості він падає на 8%. Більш точні дані про те, як знижується к. П. Д. При косому обтіканні, можна знайти в статті А. А. Оскольського «Розрахунок основних елементів катерних гребних гвинтів» в першому випуску збірника.
Вплив кута нахилу осі гвинта до горизонту на зменшення горизонтальної і збільшення вертикальної складових упору
Упор гвинта повинен долати опір судна. Опір направлено горизонтально; отже, і упор повинен бути спрямований горизонтально; Якщо ж упор буде спрямований під кутом до горизонту, то опір буде долатися не всієї величиною упору, а тільки його горизонтальної складової (рівній упору, помноженому на косинус кута нахилу), що, звичайно, невигідно. При похилому розташуванні упору з'являється його вертикальна складова, яка прагне, піднімаючи судно з води, зменшити його водотоннажність і, отже, знизити його опір. Вертикальна складова дорівнює упору, помноженому на синус кута нахилу (рис. 7).
Якщо опір судна слабо залежить від водотоннажності і притому крива опору з ростом швидкості піднімається дуже круто, як це має місце, наприклад, для водоизмещающих судів, піднімати судно, витрачаючи на це частина упору, невигідно (рис. 8); якщо ж опір дуже чутливо до величини водотоннажності і, до того ж, крива опору дуже полога, як це має місце для судів глиссирующих, то в деяких випадках може виявитися дуже вигідним зменшити занурення судна, витрачаючи на це масть упору (рис. 9).
Вплив нахилу осі гвинта на кут нахилу двигуна
Вибираючи кут нахилу осі гвинта по відношенню до судна, слід пам'ятати, що з цим кутом пов'язаний і кут установки двигуна. Якщо кут наклонд двигуна до горизонту виявиться занадто великим (цей кут дорівнює куту нахилу двигуна на місці плюс кут, на який на ходу збільшиться дифферент судна), нормальна мастило і робота двигуна можуть бути порушені. Кожен двигун має свій граничний кут нахилу, зазначений в його паспорті.
Вплив місця положення гвинта і кута нахилу його осі на розташування двигуна
Місце, вибране для розташування гребного гвинта, і кут нахилу його осі дуже часто впливають не тільки на установчий кут двигуна, але і на розташування його по довжині судна. Для установки двигуна в даному місці судна необхідно, щоб відстань від осі колінчастого вала до нижньої точки двигуна (зазвичай - картера) було не більше певної величини. Неможливість встановити двигун в даному місці може змусити змінити внутрішнє розміщення на судні і, отже, його центрування, що спричинить за собою необхідність перегляду всього проекту і, у всякому разі, гідродинамічного розрахунку.
Дія струменя, що відкидається гребним гвинтом, на ефективність керма
Ефективність керма залежить від швидкості потоку, що обтікає його перо. Якщо перо знаходиться в потоці, який відкидається гвинтом, то воно обтекается з більшою швидкістю, ніж якби воно стояло поза цього потоку. Тому для підвищення повороткості судна завжди прагнуть розташувати кермо в потоці за гвинтом. Чим ближче до керма розташований гвинт, тим більше ефективність керма і тим краще повороткість судна.
Вплив керма на розкручування потоку, що відкидається гребним гвинтом
Гребний гвинт витрачає більшу частку переданої йому потужності на марне Гвинтоподібне закручування відкидається потоку. Якщо на одиницю поверхні лопатей доводиться велика величина упору (такий гвинт називають сильно навантаженим), закручування особливо велике, і в цьому випадку, перешкоджаючи закручування струменя, можна заощадити істотну частину потужності двигуна. Для того щоб перешкодити струмені закручуватися, за гвинтом встановлюють невеликі направляючі (спеціальні профільовані пластини); це пристосування називають контрпропеллером. Таким контрпропеллером може служити кермо, розташований в безпосередній близькості до гвинта і має відповідні перетину. Чим ближче один до одного гвинт і таке кермо, тим сильніше ефект контрпропеллера.
Необхідність захисту гвинта від ушкоджень на ходу
Захист гвинта від ушкоджень при ударах про плаваючі предмети, про підводні камені і мілини є не останньою турботою конструктора малого судна. Гвинт, перед яким стоїть похилий гребний вал і кронштейн, краще захищений від пошкоджень, ніж гвинт, що тягне Z-образної передачі. Гвинт в кормі захищений більше, ніж гвинт в носовій частині, так як підвищений тиск в воді, що викликається носовою частиною корпусу, відкидає в сторони плаваючі предмети. У разі плавання по особливо засміченою воді розумно захищати гвинт спеціальною огорожею, хоча таку огорожу і буде збільшувати опір.
Зручність огляду, очищення і зміни гребного гвинта
Вибираючи місце для гребного гвинта, треба подумати і про те, щоб доступ до гвинта для огляду був не надто складним і щоб, в разі потреби, зняття пошкодженого гвинта і гребного валу не було пов'язано з необхідністю зняття керма і кронштейна. Звичайно, розташування гвинта за транцем в цьому плані має перевагу над його розташуванням під днищем.
Не всі перераховані обставини рівнозначні. Одні з них мають більше значення, інші - менше. Деякі з них проявляють себе сильніше на судах водоизмещающих, інші - на глиссирующих. І далеко не завжди вдається знайти рішення, яке враховувало б всі ці обставини в достатній мірі.
Щоб можливо повніше врахувати обставини, пов'язані з установкою гребного гвинта, на дрібних судах застосовують різні схеми передачі обертання від мотора до гвинта (див. Наприклад, рис. 7 в книзі В. А. Лазарєва «Автомобільні двигуни в катеростроеніі», Судпромгіз, 1961 р .). Перш ніж вибрати схему силової передачі, треба познайомитися з її специфічними особливостями. Одні з них створюють великий шум, інші вимагають спеціальної турботи про відвід тепла, що виділяється при роботі зубчастих передач, треті створюють занадто кормову центрування і тому вимагають отгиба днища в кормі або установки за-транцевих «горизонтальних рулів»; нарешті, одні з них доступні для аматорського виготовлення, а інші вимагають заводського обладнання і т. п.
Суднобудування знає багато засобів поліпшити роботу гребного гвинта на судні (контрпропеллери, кільцеві насадки, тунелі, пристрої для регулювання кроку гвинта, спеціальні заходи для усунення кавітації і створення суперкавітаціі, напрямні пристрої перед гвинтом, підйом частини лопаті над водою і т. П.), але застосовувати їх розумно тільки в тих випадках, на які вони розраховані. Тому перш ніж застосувати один з цих способів, треба добре ознайомитися з його спеціальним призначенням, так як інакше він може заподіяти тільки шкоду.
Оцінюючи вибрані місце і становище гребного гвинта, треба в першу чергу враховувати головні умови високої ефективності гвинта: вісь гвинта на ходу судна повинна бути розташована якомога ближче до горизонталі і досить глибоко під поверхнею води; ніщо не повинно заважати вільному підтікання води до гвинта, як і застосування гвинта досить великого діаметру.