Гребний вал: опис, характеристики, призначення. Вал гребного гвинта

Гребним валом оснащується більшість гоночних, спортивних і навчальних моторних човнів. Призначення механізму полягає в створенні певної потужності за рахунок енергії, одержуваної від двигуна. Зусилля направляється на проекцію наполегливої тиску, що дозволяє долати Водний опір руху судна.

Історія створення

Створення розглянутого елемента приписують Архімеду. В якості рушія водопід`ємний гвинт було запропоновано використовувати Бернуллі в 1752 році. Незважаючи на це, визнання до агрегату прийшло не відразу. Лише в 1836 році винахідник з Британії Ф. Сміт вкоротив» Архімедову " спіраль до одного витка.

Конструкцію встановили на пароплав водотоннажністю 6 тонн. Дослідні випробування пройшли успішно, після чого Сміт відкрив компанію, яка побудувала корабель водотоннажністю 240 тонн. Пароплав обладнали парою ходових машин (сумарною потужністю 90 кінських сил). Єдиний гвинт мав в діаметрі два метри.

Конструкційні особливості

Гребний вал по суті - це рушій реактивного типу, що розвиває упор, спрямований на маси води, відкидаються лопатями в напрямку, протилежному переміщенню плавального засобу.

У конструкцію вузла входить маточина з розміщеними на ній лопатями пропелерного типу. З`єднувальний відсік іменується коренем лопаті. Поверхня, звернена в бік човна-засмоктує, зворотна частина-нагнітає. Точка сполучення двох зазначених поверхонь є кромкою лопаті, проходить по її контуру. Частина, що дивиться в бік руху лопаті, називається входить кромкою, протилежна-виходить. Поверхні пропелера являють собою елементи складної конфігурації.

Основні геометричні параметри

Нижче наведені основні геометричні характеристики човнових гвинтів:

1. Діаметр елемента (розмір кола, описуваної найбільш віддаленими від осі обертання крайками лопатей).
2. Крок (дистанція ймовірного просування пристосування в жорсткій гайці, а не в воді).
3. Кількість і ширина лопатей.
4. Сторонность обертання.
5. Площа пропелера.
6. Товщина і конфігурація лопатей.
7. Розмір маточини по діаметру.

Гребні вали володіють різним кроком в різних частинах лопаті. В цьому випадку основним показником вважають усереднений параметр, вимірюваний на ділянці, де радіус становить приблизно 0,7 від загального розміру. Кількість лопатей-дві, три або чотири штуки. Важливо відзначити, що за напрямком обертання гвинти поділяються на ліво - і правосторонні.

Інші розміри

Лопаті по ширині міряються від вхідної і виходить кромки на однаковому радіусі (найчастіше в точці, де параметр становить 0,7 від загальної величини). Підсумкову характеристику і роботу гребного валу визначає дискове співвідношення (площі всіх гвинтових лопатей до площини, перпендикулярної осі обертання).

Перетину лопатей можуть володіти круговою конфігурацією, формою авіаційного крила або клиноподібним профілем. Останні конструкції експлуатуються на особливо швидкохідних і гоночних судах з спритними моторами. Щоб забезпечувалася необхідна міцність лопатей, найбільша товщина робиться біля кореня, знижуючись до кінця до повного загострення (від 0,2 до 0,05 мм). Розмір маточини в діаметрі знаходиться в діапазоні 1,8-2,0 діаметра гвинта.

ККД гребного валу

Гвинт, створюючи упор, перетворює в корисному напрямку тільки частина енергії, одержуваної від мотора. Це пов`язано з марними витратами на:

• завихрення потоку;
• силу тертя;
• витки, створювані на крайках лопатей, тощо.

В результаті параметр потужності на гребний вал завжди перевищує аналогічний показник, що віддається на рух плавального кошти. Ефективність роботи гвинта по співвідношенню до потужності двигуна і є коефіцієнтом корисної дії (ККД). Навіть у найкращих елементів даний параметр не перевищує 1/3 від потужності силового агрегату.

Розрахунок потужності

На величину ККД човнового гвинта переважно впливає правильний розрахунок при виборі оптимальних взаємозв`язків між потужністю мотора, спритністю пропелера, геометричними параметрами елемента і швидкісними характеристиками судна.

Розрахувати подібні співвідношення досить проблематично. Це пов`язано з тим, що на показники впливають суб`єктивні причини. Серед них:

• Водний опір переміщенню плавального засобу;
• особливості корпусу судна;
• величина потоку, що набігає на лопаті.

Облаштування або будівництво човнів з моторами спортивного і гоночного призначення силами спортсменів або окремих команд ведеться за спрощеними розрахунками. Це пов`язано з тим, що вирахувати оптимальні співвідношення, зазначені вище, самостійно практично неможливо.

Спритність

На катерах туристичного призначення, швидкість яких не перевищує 20 км / год, хороші результати показують гвинти з оборотами від 600 до 1200 обертань в хвилину. Відповідно, чим більше швидкість і потужність плавального кошти, тим більша спритність лопатей потрібно.

Для середніх спортивних суден знадобиться більший розмір гребного валу. При потужності човна 30-75 л.з. і швидкості до 50 км/год оптимальним числом гвинта вважається 2-3 тисячі оборотів в хвилину. При цьому діапазон найвигідніших чисел обертань зменшується зі зниженням швидкісного режиму і підвищенням показників потужності. Для швидкохідних гоночних плавзасобів, швидкість яких перевищує 70 км / год, будуть потрібні гребні вали на підшипниках з інтенсивністю обертання 4-5 тисяч оборотів в хвилину.

Кавітація

Спритні гвинти гоночних і самих швидкохідних човнів або катерів функціонують в особливих умовах. Вони характеризуються наявністю закипання води на фронтальній засмоктує частини лопатей. Зазначене явище називається кавітацією. Рідина при цьому відривається від поверхні пропелера, утворюючи своєрідні пухирчасті порожнечі (каверни). Вони помітно погіршують роботу гвинта, часто руйнують лопаті, призводять до ерозійного зносу сальника гребного валу. Щоб мінімізувати негативні наслідки від кавітації, використовують клиновидні елементи.

Якщо припустити, що гвинт працює не в воді, а за типом болта в гайці, логічно уявити його переміщення на один виток гвинта за один оборот. На практиці особливості рідкого середовища вносять свої корективи, забезпечуючи менше переміщення (ХОДА).

Матеріал виготовлення

На спортивних моторизованих катерах і човнах невеликої потужності, а також підвісних моторах нерідко монтують алюмінієві гвинти гребних валів. В цьому випадку перетин лопаті біля кореня роблять товщі, ніж у латунних аналогів. Модифікації з алюмінію прості у відливанні, легко піддаються обробці.

Литі гвинти зі сталі на мотосудах зазначеного типу не застосовуються через складність їх виготовлення. Іноді використовують зварні сталеві версії, маточини яких виконані методом поковки. Лопатеві елементи вирізають з листової сталі, кромки загострюють, деталь згинають за спеціальними шаблонами. Отримані заготовки приварюють до маточин, потім обробляють і вивіряють.

Для встановлення характеристик гвинта, перевірки кроку лопатей, усунення люфту гребного валу і вивірки інших параметрів потрібно обмір виготовленого елемента. Це роблять наступним чином:

1. Підготовлений гвинт поміщають на рівну площину (фанерний лист або креслярську дошку) строго горизонтально.
2. Маточина повинна чітко збігатися з центром кола, попередньо нанесеної на дошку, яка має діаметр близько 0,7 частини аналогічного повного показника гребного гвинта.
3. За допомогою косинців заміряють висоти кромок, що лежать строго над накресленою окружністю.
4. Там же відзначають дві точки, від яких вимірювалися зазначені відстані.

Гвинти регульованого кроку (ВРШ)

На сучасних човнах з мотором врш використовуються досить рідко, хоча перспективи їх подальшого поширення, безсумнівно, є. Це пов`язано з тим, що можливість зміни положення лопатей дозволяє встановлювати передній, задній хід або зупинку без необхідності реверсу двигуна. При цьому трансформація величини кроку забезпечує оптимальні умови роботи гвинта з урахуванням величини навантаження, швидкісного режиму та інших факторів.

Конструкція ВРШ досить проста:

• механізм для передачі зусилля від контрольного маховика на блок управління;
• маточина;
• лопать;
• поворотна штанга;
• порожнистий вал.

Найпростіша конструкція може використовуватися на середніх плавальних засобах з двигунами потужністю 70-100 кінських сил зі швидкісним порогом до 25-30 км/год.

Вдосконалені ВРШ мають гідравлічний або механічний привід для повороту лопатей. Управління механізмом суднового валопровода здійснюється за допомогою електромотора або за допомогою відбору потужності від валу. Такі моделі можуть експлуатуватися на всіх типах катерів і човнів, за винятком гоночних суден. В останньому випадку це не має сенсу, оскільки збільшений розмір маточини трохи знижує ККД в порівнянні зі звичайними версіями, розрахованими на один граничний швидкісний режим.

Переваги та недоліки

Гвинтовий рушій функціонує за призначенням тільки при зростаючій або безперервної швидкості обертання — в інших випадках-виконує функцію активного гальма. Це не особливо зручно, особливо на спортивних змаганнях. ККД гвинта тільки в теорії становить близько 75%. Насправді цей параметр не перевищує 35%. До відома, у весла аналогічний показник досягає 60%.

Якщо порівняти гребне колесо і гвинт, останній елемент по корисності виграє за рахунок компактності і легкості. При цьому пошкоджений колісний механізм легко відремонтувати, а при деформації гвинта буде потрібно заміна гребного валу. Ще один недолік-висока небезпека для морської флори і фауни, а також уразливість (в порівнянні з іншими рушіями).

При цьому колісні елементи гарантують більший параметр тяги з місця, що зручно для буксирів. Але при сильному хвилюванні вони швидко оголюють робочі частини, що сприяє нерівномірності занурення елементів (один з них повністю виявляється у воді, а другий-працює вхолосту). Така ситуація надмірно перевантажує тяговий агрегат. Це робить колісний рушій непридатним для морехідних суден. Раніше вони використовувалися тільки через відсутність альтернативи. Гвинтова установка має велику перевагу при облаштуванні військових кораблів. Це пов`язано з тим, що нівелюється проблема розміщення артилерійських знарядь. Батарею можна встановлювати по всій площі борту. Крім того, маскується мета для ворога, гвинт повністю знаходиться під водою.

На завершення

Найбільші гребні вали з гвинтами можуть досягати висоти триповерхового будинку, їх виробництво вимагає спеціального обладнання та відповідних навичок. Наприклад, за часів зведення пароплавів типу "Велика Британія" на виготовлення заготовки йшло більше тижня. Сучасні технології дозволяють зробити це за кілька годин (за умови застосування роботизованого маніпулятора). Конфігурація гвинта вводиться в програму комп`ютера, після чого Алмазний інструмент на кінці маніпулятора готує ідеальну пенопластовую копію. Потім готову модель поміщають в пісочно-Цементний розчин для отримання максимально точного відбитка. Коли бетон остигає, половинки форми з`єднують між собою і заливають в них розплавлений метал.

Гребний гвинт повинен володіти високим показником міцності, щоб витримувати величезний тиск і навантаження, а також протистояти корозійним процесам в морській воді. Гребні вали роблять з бронзи, латуні, сталевих сплавів, куніаля. Не так давно для цих цілей стали використовувати надміцні полімери.