ГЕОМЕТРИЯ ГРЕБНОГО ВИНТА.

/ — лопасть; 2 — засасывающая поверхность; 3 — ступица; 4 — нагнета­тельная поверхность; 5 — выходящая кромка; 6 — входящая кромка; 7 — край лопасти; 8 — корень лопасти. / — симметричный; // — сабле­видный; /// — ледокольный; IV — усеченный (Каплана)

В общем случае образующая может быть расположена под любым углом к оси 00, а также может представлять собой от­резок кривой линии.

Если образующая не доходит до оси 00, то при одновремен­ном поступательном и вращательном движении она образует винтовую поверхность в виде винтовой ленты (рис. 3.11). Вин­товая лента ограничена двумя цилиндрическими поверхностями, из которых внутреннюю можно рассматривать как стержень, не­сущий на себе винтовую ленту.

Путь, проходимый любой точкой образующей ВВ₁ (см. рис. 3. 10) в аксиальном направлении за один полный оборот вокруг оси 00, называется геометрическим шагом винтовой линии Н.

Рис. 3.10 Образование и развертка винтовой поверх­ности.

Разрежем цилиндрическую поверхность с прочерченной на ней винтовой линией fiBjDi по вертикальной образующей ED и развернем ее на плоскость. Полученная развертка будет иметь вид прямоугольника ACDE, длина основания которого

Рис. 3.11 Образование винтовой ленты

равна длине окружности 2Пr, а высота — шагу винтовой ли­нии Н. Если вращение и подъем образующей ВВ_1{ происходят с равномерной скоростью, то винтовая линия при этом превра­тится в гипотенузу AD прямоугольного треугольника ADE, назы­ваемого шаговым треугольником. Угол ср при основании тре­угольника называется шаговым углом, определяемым из соотношения:

При равномерных поступательном и вращательном движе­ниях любой точки образующей получается винтовая линия по­стоянного шага, у которой шаговый угол сохраняет постоянное значение. Если одно из движений любой точки образующей не­равномерно, то шаг винтовой линии получается аксиально-пере­менным (рис. 3.12). В этом случае при развертке цилиндриче­ской поверхности на плоскость получается неправильная винто­вая линия, которая изображается в виде некоторой кривой. Для определения местного шага винтовой линии в какой-либо произ­вольной ее точке М следует провести в этой точке касательную к кривой и построить шаговый треугольник K.LM, как показано на рисунке.

Рис. 3.12. Развертка винтовой поверхности аксиально-переменного.

Винтовую поверхность, имеющую образующую в виде от­резка прямой линии, перпендикулярной к оси цилиндра, назы­вают правильной, а во всех других случаях — неправильной винтовой поверхностью.

При равномерных вращательном и поступательном движе­ниях образующей любой формы с произвольным углом наклона ее к оси цилиндра получается винтовая поверхность постоянного шага. Если же одно из этих движений неравномерно, то полу­чается винтовая поверхность аксиально-переменного шага, у ко­торой местный шаг винтовых линий, описываемых всеми точ­ками образующей при любом заданном ее положении, сохраняет постоянное значение, но изменяется по мере перемещения об­разующей в осевом направлении. Для такой поверхности вводят понятие о среднем шаге. Если же винтовые линии, описываемые отдельными точками образующей, имеют постоянный шаг, но на разных радиусах этот шаг различный, то такая винтовая поверхность называется поверхностью радиально-переменного шага. Она получается при поступательном движении отдельных точек образующей в осевом направлении с различными скоро­стями.

Наконец, могут встретиться винтовые поверхности акси-ально-радиально-переменного шага, у которых каждая винтовая линия имеет переменный шаг, разный на различных радиусах.

Отношение HID шага винтовой поверхности, положенной в основу образования лопасти, к диаметру винта называют шаговым отношением.

Первые гребные винты имели одну лопасть, образованную винтовой поверхностью, получаемой в результате одного полного оборота или даже полутора-двух оборотов образующей вокруг оси винта. Однако практика показала, что более эффективными оказались гребные винты с несколькими лопастями, образован-

Рис. 3.13. Образование лопасти гребного винта.

ными винтовыми поверхностями при неполном обороте обра­зующей.

Рассмотрим образование одной лопасти гребного винта. Для этого представим себе винтовую ленту постоянного шага Н, расположенную между двумя концентрическими цилиндричес­кими поверхностями, одна из которых, диаметром d, представ­ляет собой ступицу винта, на которой укреплена лопасть (рис. 3. 13). Диаметр D другой цилиндрической поверхности равен диаметру винта. На винтовой ленте выделим участок abc, ограниченный некоторым криволинейным контуром ло­пасти. Этот участок может быть изображен в двух проекциях, одна из которых называется нормальной проекцией лопасти (рис. 3. 13,а), а другая — боковой проекцией (рис. 3.13,6).

Под равными углами располагаются на ступице аналогично образованные другие лопасти гребного винта. Правильную вин­товую поверхность имеет только нагнетательная сторона ло­пасти. Поскольку лопасть гребного винта воспринимает гидро­динамические силы, измеряемые десятками тонн, она должна обладать достаточной прочностью, т. е. быть телесной. Поэтому засасывающей стороне придают неправильную винтовую поверхность исходя из необходимости обеспечить прочность лопасти и придать удобообтекаемую форму лопастным сечениям.

Рассекая телесную лопасть соосным с винтом цилиндром радиуса г и развертывая контур полученного сечения на плос­кость, получаем профиль сечения лопасти на данном радиусе. В зависимости от типа и условий работы винта применяют сегментные, авиационные и клиновидные профили (рис. 3.14). У сегментных профилей наибольшая толщина находится посре-

Рис. 3.14. Профили сечений лопасти гребного винта: а — сегмент­ный; б—авиационный; в — клиновидный.

дине хорды профиля, у авиационных она смещена к передней кромке в район трети хорды профиля. Как сегментные, так и авиационные профили могут быть плоско-выпуклыми, двояко­выпуклыми и выпукло-вогнутыми.

В зависимости от направления вращения образующей ло­пастей гребные винты могут быть правыми и левыми. Если при поступательном перемещении в осевом направлении от наблю­дателя образующая вращается по часовой стрелке, то гребной винт называют правым или винтом правого вращения. Если образующая в тех же условиях вращается против часовой стрелки — гребной винт будет левым.

Для быстрого определения направления вращения снятого с вала гребного винта существуют следующие правила: если ось гребного винта горизонтальна, то нужно представить себе винт надетым на вал с одной из лопастей в крайнем верхнем положении и посмотреть на него вдоль оси; если при этом пра­вая кромка верхней лопасти будет дальше от наблюдателя, чем левая, то мы имеем винт правого вращения. Если ось гребного винта вертикальна (винт снят с вала), то при правой кромке лопасти, расположенной выше левой, гребной винт будет пра­вого вращения (смотря в плоскости диска).

Винтовая поверхность имеет двоякую кривизну и не может быть точно развернута на плоскость. Поэтому для приближен­ной характеристики площади ло­пасти гребного винта вводят по­нятия проектированной, развер­нутой и спрямленной площадей.

Проектированной площадью лопасти называют площадь кри­вой А₁'\С5А₁"х, ограничивающей нормальный контур лопасти, т. е. контур проекции лопасти на пло­скость, перпендикулярную к оси вращения винта (рис. 3.15).

Рассекая нагнетательную по­верхность лопасти гребного вин­та соосными с ним цилиндрами радиусами r₁ ,..., г₄, получаем отрезки винтовых линий в виде дуг окружностей А₁'СА₁", ..., A₄'CA₄". Совместив концы этих дуг с плоскостью чертежа путем поворота на шаговый угол во­круг оси 0—0 и соединив полученные точки В₁, ..., В₄, ..., В'₄, ..., В"₁ плавной кривой, получим контур развернутой по­верхности лопасти. Заметим, что найденная развернутая поверх­ность не будет плоской, так как развернутые винтовые линии, так называемые некруговые дуги B'1C1B"1, ..., В4С4В'4, не ле­жат в плоскости чертежа всеми своими точками.

Спрямив некруговые дуги В1С1В'1, ..., В4С4В4 на касатель­ные к ним в точках С₁, С₄ и соединив полученные точки Е'₁, ..., Е₄, Е'₄, ..., E"₁ плавной кривой, получим контур спрям­ленной поверхности лопасти, площадь которой приближенно равна истинной площади нагнетающей поверхности лопасти.

Отношение суммарной спрямленной площади всех лопастей гребного винта F к площади диска винта F_p = ПD²/4 называется дисковым отношением Q — F/F_p. У транспортных судов дисковое отношение лежит обычно в пределах 0,3—1,0.

Таким образом, основными геометрическими характеристи­ками гребного винта являются: диаметр гребного винта D, м (D = 0,5-9,0 м); шаговое отношение H/D = 0,5-2,0); шаг

винтовой поверхности, положенный в основу нагнетательной по­верхности гребного вала, Н, м; дисковое отношение ; площадь спрямленной поверхности лопастей F, м²; число лопастей z(z = 2-f-8); относительный диаметр ступицы d_CT/D(d_CT/D = 0,14-0,35)

§ 20. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

По конструкции гребные винты, как указывалось, классифи­цируют на винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регу­лируемого шага (ВРШ). В свою очередь ВФШ делятся на цельные гребные винты, у которых лопасти изготовляются как единое целое со ступицей, и сборные гребные винты, у которых лопасти крепятся к ступице с помощью шпилечного, болтового или любого другого соединения.

В основном на морских судах устанавливаются цельнолитые гребные винты фиксированного шага. Обладая малым значе­нием dci/D(0,14-0,2) они имеют наибольший КПД и наименее трудоемки в изготовлении. Конструктивным недостатком их является то, что при поломке хотя бы одной лопасти дорого­стоящий гребной винт полностью выходит из строя.

Учитывая специфику эксплуатации отечественных судов морского флота во льдах, их оборудуют сборными гребными винтами. Эти винты обладают следующими преимуществами перед цельными: при поломке одной или нескольких лопастей они могут быть заменены запасными, даже на плаву; отсутст­вуют ограничения по габаритным размерам при изготовлении и транспортировке, имеется возможность корректировки шага в процессе изготовления и эксплуатации, при стоянке судов в доке, за счет разворота лопастей относительно их осей. Не­достатки сборных гребных винтов заключаются в следующем: неизбежное увеличение d_CT/D до значений 0,25—0,3 и, следо­вательно, уменьшение КПД гребного винта, более высокие трудоемкость и стоимость изготовления вследствие увеличения объема станочной обработки, увеличение массы и момента инер­ции винта.

На рис. 3. 16 приведен пример конструкции сборного гребно­го винта со шпилечным соединением. Лопасть 1 устанавливается в гнездо ступицы 4. В ступицу ввернуты шпильки 2. Отверстия в лопасти под шпильки эллиптические, поэтому между телом лопасти и шпилькой ставят сухари 5, препятствующие вра­щению лопасти. Лопасти прижимаются к ступице гайками 3, имеющими стопоры 6. На рис. 3.17 представлена конструкция сборного гребного винта с холоднопрессованным соединением лопастей со ступицей, предложенная Н. С. Высокородовым. Ко­мель лопасти у этих гребных винтов охлаждается в среде жид­кого гелия при температуре приблизительно минус 170° С, и лопасть устанавливается в гнездо ступицы с гарантированным натягом. Эти гребные винты имеют относительный диаметр сту­пицы 0,22, близкий к таковому у цельнолитых винтов.

В настоящее время, с развитием нереверсивных среднеобо­ротных двигателей внутреннего сгорания, на транспортных судах и особенно на буксирных и рыбопромысловых судах широкое применение получили гребные винты регулируемого шага (ВРШ). У таких винтов лопасти могут поворачиваться вокруг

осей своих фланцев, изменяя таким образом шаг винта. Поворот лопастей осуществляется управляемым дистанционно с мостика гидравлическим механизмом, расположенным главным образом внутри полого вала и ступицы гребного винта. В зависимости от изменения нагрузки на гребной винт, вызванной изменением сопротивления воды при буксировке воза или трала, измене­нием осадки или ветроволновых условий, можно путем уста­новки лопастей на соответствующий шаг в самом широком диа­пазоне режимов движения судна обеспечить постоянство мощ­ности и частоты вращения главных двигателей. Изменяя шаг лопастей, можно плавно изменять ход судна от самого малого до полного, не управляя режимом работы двигателей. ВРШ позволяют также обеспечить реверс судна, не изменяя направ­ления вращения двигателя, и, следовательно, использовать на судах высокооборотные нереверсивные двигатели. При использовании ВФШ экономические режимы движения могут быть реализованы только путем снижения частоты вра­щения двигателя, но при этом гребной винт, выбранный из условий обеспечения полного хода судна, становится неоптн-мальным. При установке ВРШ соответствующая блокировка систем управления двигателем и перекладки лопастей по задан­ной программе обеспечивает оптимальное сочетание шага и час­тоты вращения. Снижение скорости судна, оборудованного ВРШ, достигается уменьшением шага, реверс — путем уста­новки лопастей на отрицательный шаг. Установка лопастей

на нулевой шаг позволяет ос­тановить судно без остановки двигателя (для высадки или приема лоцмана, пассажиров, портовых властей).

Перечисленные выше и другие преимущества ВРШ объясняют их широкое распро­странение на судах с перемен­ными режимами движения. Конструктивные особенности современных контейнеровозов и лихтеровозов с малогабарит­ными среднеоборотными дви­гателями внутреннего сгора­ния, широкое внедрение в СЭУ систем автоматики, приме­нение газотурбинных уста­новок обусловили все более широкое распространение ВРШ на судах морского флота.

Наряду с положительными свойствами ВРШ обладают так­же и рядом недостатков. Повышенный диаметр ступицы, не­избежный ввиду необходимости размещения в ней подшипников заделки лопастей и механизма их поворота, приводит к сниже­нию КПД ВРШ по сравнению с ВФШ в расчетном режиме на 3—4%. Суда с ВРШ обладают повышенной маневренностью, меньшим выбегом при реверсе, чем суда с ВФШ. Однако бы­строе изменение нагрузки на гребном валу часто сопровожда­ется изменением знака крутящего момента, что предъявляет осо­бые требования к защите двигателя от перегрузок. ВРШ — сложный механизм, насыщенный оборудованием, трубопрово­дами, приборами, и это, естественно, увеличивает трудоемкость его обслуживания и ремонта.

Винт регулируемого шага состоит из следующих основных конструктивных элементов: лопастей, ступицы, валопровода, механизма изменения шага (МИШ), силовой части системы

управления, дистанционной части системы управления. В сту­пице расположены механизм поворота и (в современных ВРШ) механизм изменения шага. В комплект ВРШ входит также по­лый гребной вал с системой трубопроводов.

МИШ состоит из сервомотора, который создает усилие, тре­буемое для поворота лопастей, устройства для подвода энергии к сервомотору и устройства, позволяющего управлять положе­нием лопастей.

Силовая часть системы управления служит для подведения энергии к сервомотору и включает маслонасосы с приводами, распределительные золотники, масляные баки, арматуру и пр.

Дистанционная часть управления — регулирующий элемент силовой части. Пост управления ею выносится на мостик.

Лопасти ВРШ крепят болтами к упорному кольцу — одному из элементов подшипника, в котором осуществляется поворот лопасти. Усилие для поворота или удержания лопасти переда­ется от МИШ через кривошипный механизм, жестко связанный с лопастью, и через опорное кольцо или другие конструктивные элементы заделки лопасти. Если в результате аварии наруша­ется гидравлическая связь между органами управления и МИШ, то по правилам всех классификационных обществ в кон­струкции ВРШ должно быть предусмотрено устройство, позво­ляющее переложить лопасти из любого положения на шаг, соответствующий полному переднему ходу судна. Это обеспе­чивается установкой специальных аварийных пружин в ступице или подачей масла ручными насосами в предусмотренную в ступице полость аварийной перекладки лопастей.

На рис. 3.18 представлена конструктивная схема одного из современных ВРШ, которыми оборудуются суда со среднеобо­ротными главными двигателями. ВРШ данного типа голланд­ской фирмы ЛИПС установлен на отечественных ролкерах В ступице 3 располагается сервоцилиндр 6 и две полости уста­новки лопастей — переднего А и заднего В хода. Масло высо­кого давления из расходного бака 23 насосом 25 через фильтры 24 (всасывание) и 26 (нагнетание) и невозвратный клапан 27 подается в нагнетательный трубопровод высокого давления, соединенный с маслораспределительным механизмом 20. Золот­ник 30 подает масло по зазору между концентрическими тру­бами и в полость установки лопастей на передний ход (Л) или через сверление во внутренней трубе в полость установки ло­пастей на задний ход (В). Лопасти устанавливаются в зависи­мости от того, в какую полость подается масло. Одна из полос­тей при этом работает на слив в бак 23. Перекладка лопастей осуществляется с помощью сервоцилиндра б, движущегося под давлением масла из полостей переднего или заднего хода. Сервоцилиндр воздействует на палец кривошипа // через опор­ную шайбу, разворачивая лопасть на заданный с мостика шаг. Для этого с дистанционного пульта 35 воздействуют на управ-

ляющий золотник 30. В случае аварии гидрав­лической системы сервоцилиндр посредством поршня аварийной установки смещается в по­лость переднего хода, перекладывая лопасти в положение полного переднего хода. Обрат­ная связь 32 с указателем установки шага и с системой управления двигателем осущест­вляется через внутреннюю телескопическую трубу в гребном валу. Смазка деталей ВРШ осуществляется под гидростатическим напо­ром из расходного бака.

Рис. 3.19. ВРШ «тандем;

Из числа перспективных следует отметить также соосные гребные винты (см. рис. 3.2), принцип действия которых изложен в § 34.

У гребных винтов «тандем» лопасти, из­готовленные вместе со ступицей, располага­ются на ней в двух взаимно параллельных плоскостях. Эти винты очень сложны в изго­товлении и поэтому получили лишь ограни­ченное распространение в судостроении. Ис­ключение составляют ВРШ «тандем», постав­ляемые голландской фирмой ЛИПС (рис. 3.19).