Кольцевая профилированная насадка

На тяжелом водоизмещающем катере трудно получить высокий КПД гребного винта, если он приводится от высокооборотного автомобильного двигателя или подвесного мотора. Винт в этих случаях работает с большим скольжением н не развивает необходимый упор. Особенно велики потери мощности на винте, если он имеет недостаточный диаметр и шаговое отношение менее H/D=0.5.

Кроме снижения частоты вращения гребного винта, заметный эффект в таких случаях дает применение кольцевой направляющей насадки (рисунок 15), представляющей собой замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем. Площадь входного отверстия насадки больше, чем выходного; винт устанавливается в наиболее узком сечении и с минимальным зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки; обычно зазор не превышает 0.01 D винта. При работе винта засасываемый им поток вследствие уменьшения проходного сечения насадки увеличивает скорость, которая в диске винта получает максимальное значение. Благодаря этому уменьшается скольжение винта, повышается его поступь. Вследствие малого зазора между краем лопасти и насадкой уменьшается перетекание воды через край, что также повышает КПД винта.

Рис.23

Кольцевая профилированная насадка: а - расположение гребного винта; б - размеры и профиль насадки.

Небольшой дополнительный упор создается и на самой насадке, которая обтекается потоком воды подобно крылу. На каждом элементе насадки возникает подъемная сила, которая дает горизонтальную составляющую, направленную вперед. Сумма этих составляющих и образует дополнительный упор.

Очевидно, что применение комплекса винт-насадка сопровождается повышением пропульсивных качеств аппарата до тех пор, пока потери мощности на преодоление сопротивления насадки не превысят увеличение упора винта, достигнутое с ее помощью. Для оценки эффективности насадки можно воспользоваться диаграммой, представленной на рисунке 24. По ней можно установить, на сколько повысится η_н-КПД комплекса винт-насадка по сравнению с КПД η открытого винта. Кривые построены для оптимального диаметра винта в зависимости от коэффициента K'_n, вычисляемого по заданным значениям скорости, частоты вращения винта и мощности, подводимой к винту:

где v_a - скорость воды в диске винта с учетом попутного потока, м/с; n - частота вращения винта, об/с; p - массовая плотность воды (102 кгс²/м⁴); N_e - мощность, подводимая к винту, с учетом потерь в редукторе и валопроводе, л.с.).

Применение насадки становится выгодным при К'_n<2.9.

Рис.24

Увеличение КПД и изменение элементов гребного винта при установке насадки в зависимости от величины коэффициента K'_n

Подсчитав значение К'_n, можно по графику, представленному на рисунке 24, найти относительную поступь λ. и шаговое отношение винта H/D, а затем определить диаметр винта

и шаг для винта без насадки и с насадкой. Если речь идет об уже эксплуатируемом катере, то с помощью этого графика можно сравнить существующий винт с элементами винта, имеющего оптимальный диаметр.

Благодаря применению насадки удается повысить скорость аппарата на 5-8% (и даже до 25% с двигателем, имеющим большую частоту вращения). При скоростях около 20 км/ч установка насадки нецелесообразна.

Насадка является хорошей защитой гребного винта от повреждений, благодаря постоянному заполнению водой она не позволяет ему обнажаться при килевой качке. Иногда направляющие насадки выполняют поворачивающимися относительно вертикальной оси, в результате отпадает необходимость устанавливать руль.

Рекомендуемые размеры насадки и ее профили показаны на рисунке 15. Длина насадки принимается обычно в пределах L_н (0.50÷0.70) D диаметра винта. Минимальный диаметр насадки (место, где устанавливается гребной винт) располагается на расстоянии А=(0.35÷0.40) D от входящей кромки насадки. Наибольшая толщина профиля δ=(0.10÷0.15) L_н.

Насадку можно выточить из предварительно согнутой в обечайку толстой алюминиевой полосы или выклеить ее из стеклопластика на болване. Все поверхности насадки следует тщательно отполировать для снижения потерь тяги на трение в воде.

3.7. Подготовка исходных данных для расчёта.

При расчёте оптимальных параметров средств движения мною использовалась номограмма для насадок с винтами.

Коэффициенты l_1, l₂, К_к0, К₂₀ для этой серии имеют следующие значения в зависимости от шагового отношения:

Для расчёта вертикальных движителей Таблица №2

H/D	a1	b2	Кк0	К20
0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5	0.36 0.42 0.43 0.46 0.5 0.53 0.57 0.58 0.59 0.595	0.026 0.030 0.0325 0.035 0.043 0.046 0.054 0.056 0.057 0.06	0.22 0.27 0.325 0.39 0.455 0.525 0.6 0.66 0.74 0.81	0.017 0.02 0.0245 0.0305 0.0385 0.0475 0.0585 0.0705 0.0825 0.0975

Для расчёта маршевых движителей Таблица №3

H/D	a1	b2	Кк0	К20
0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5	0.38 0.42 0.46 0.5 0.53 0.56 0.59 0.61 0.63 0.645	0.026 0.030 0.0325 0.035 0.043 0.046 0.054 0.056 0.057 0.06	0.22 0.27 0.325 0.39 0.455 0.525 0.6 0.66 0.74 0.81	0.017 0.02 0.0245 0.0305 0.0385 0.0475 0.0585 0.0705 0.0825 0.0975

Следует отметить, что для вертикальных и маршевых движителей использовались разные коэффициенты, характеризующие наклон линеаризованных кривых действия движителя по упору (a₁). Это сделано специально для сведения к минимуму погрешностей расчётов при работе программы, поскольку для вертикального движителя значения относительной поступи лежат в пределах < 0.3, а для маршевых < 1.

График.1Уравнения линеаризованных кривых Кк для вертикального ВМА

График.2Уравнения линеаризованных кривых Кк для маршевого ВМА

График.3Уравнения линеаризованных кривых К2

При работе программы будут варьировались основные конструктивные характеристики, такие как диаметр винта D, шаговое отношение H/D, рабочий объем гидромотора V_0, давление нагнетания гидропривода Р_н и паспортный расход распределительного устройства Q_хх. Определение оптимального сочетания этих параметров и является целью предварительного расчета средства движения.