Пожалуй, в большей степени, чем от двигателя, скорость катера зависит
от правильно подобранного и установленного гребного винта. Более того,
эффективная работа гребного винта является необходимым условием для
обеспечения нормальной эксплуатации двигателя и полной отдачи его
мощности.
Сказанное в значительной мере относится и к подвесным моторам, которые
хотя и выпускаются с винтами, специально рассчитанными на мощность их
двигателя, но при установке на судах различного типа не всегда работают
с оптимальной отдачей.
Для выбора элементов гребного винта нужно знать скорость, на
которую"рассчитано судно при работе двигателя на полную мощность. Проще
всего получить эти данные, если есть возможность посмотреть катер
приблизительно тех же размерений и примерно с той же мощностью
двигателя. Тогда можно либо просто скопировать гребной винт, либо
сделать новый с откорректированными элементами. Технология изготовления
модели и самого винта будет рассмотрена ниже. Сейчас ознакомимся с
основными закономерностями, которые определяют эффективность его работы.
Шаг гребного винта, как и шаг обычного резьбового соединения, является
величиной, которая характеризует осевое перемещение его за один полный
оборот. В отличие от шурупа, гребной винт при полном своем обороте
перемещается не на величину шага, а на несколько меньшую величину, так
как он "ввинчивается" не в твердое тело, а в воду. Проскальзывание
гребного винта в определенных пределах - явление не только неизбежное,
но и необходимое, для того чтобы винт выполнял свое основное назначение
- двигал судно вперед. Отсюда понятно, что между числом оборотов винта,
его шагом и скоростью хода судна существует определенная взаимосвязь.
Если, например, на водоизмещающем катере установить подвесной мотор,
который при нормальной мощности дает 4500 об/мин, то ясно, что винт с
большим шагом будет "молотить" воду, и лишь незначительная часть
мощности мотора превратится в полезную энергию, обеспечивающую движение
судна.
Кроме шага, основными элементами винта, определяющими его эффективность,
являются диаметр и дисковое отношение, характеризующее площадь лопастей.
Приведем зависимости, которые определяют эти элементы.
Величина шага рассчитывается по формуле
где h и I - подъем и длина винтовой дуги на радиусе г, равном 0,6/? (R
- наибольший радиус винта).
Диаметр винта представляет собой диаметр круга, который описывают
лопасти при вращении.
Дисковое отношение вычисляется по формуле
Аd=nD*D/4
где А - площадь спрямленной поверхности всех лопастей;
Ad -площадь диска винта.
Для выбора этих элементов существует ряд расчетных методов, описанных,
например, в книге Л. М. Кривоносова "Гребной винт к твоей лодке" (М.,
ДОСААФ, 1970 г.).
На практике любители-судостроители, однако, предпочитают обходиться без
этих расчетов и либо обращаются за помощью к специалистам, либо
эмпирически подбирают элементы винта, сравнивая ходовые качества
собственного судна и судна, близкого по размерениям. Если имеется
близкий прототип, можно просто позаимствовать у его владельца гребной
винт и, используя его в качестве модели, отлить по нему копию.
Гребной винт, выбранный любым из указанных способов (в том числе и
расчетным) нуждается в проверке и доводке. Суть этих операций
заключается в том, чтобы установить согласованность винтомоторного
комплекса и корпуса и, если винт не позволяет снимать с двигателя полную
мощность (является легким), то увеличить его шаг, а если не дает
двигателю возможности развивать номинальные обороты (тяжелый винт), то
уменьшить шаг или диаметр.
Из сказанного уже можно сделать вывод, что доводить проще тяжелый винт,
так как подрезать лопасти чаще бывает проще, чем изменить шаг.
Перед доводкой винта двигатель катера должен быть обкатан и
отрегулирован хорошим специалистом. Необходимо иметь внешнюю
характеристику двигателя - график изменения мощности на различных
оборотах при полностью открытой дроссельной заслонке.
Доводка винта заключается в проведении скоростных испытаний судна, при
которых определяются скорость хода, ходовой дифферент, число оборотов и
количество топлива, расходуемого двигателем. Расход топлива дает
возможность оценить мощность, развиваемую двигателем на различных
режимах работы. Чтобы использовать этот критерий, необходимо иметь в
своем распоряжении универсальную характеристику серийного двигателя,
представляющую собой ряд кривых зависимостей мощности от числа оборотов.
Испытания проводятся на мерном участке, ограниченном створами. Чтобы
исключить влияние внешних условий (ветра, течения), замеры скорости
делаются при прохождении мерного участка в обоих направлениях, а
результат вычисляется как среднее арифметическое. Наилучшее согласование
гребного винта с двигателем достигается в том случае, когда винтовая
характеристика 3 проходит через точку А (рис. 163), соответствующую
номинальному режиму работы двигателя, и пересекается с внешней
характеристикой 1 при максимальных значениях мощности и числа оборотов
(точка А).
При гидродинамически тяжелом гребном винте винтовая характеристика 2
пересечется с внешней характеристикой (точка Б) при числе оборотов,
меньшем номинальных. Наоборот, при легком винте винтовая характеристика
5 вообще не пересечется с внешней характеристикой, так как мощность,
развиваемая винтом,меньше, номинальной.
На практике, однако, при часто изменяющихся нагрузках катера обеспечить
постоянную работу двигателя в номинальном режиме не представляется
возможным. Оптимальный режим, к которому следует стремиться при подборе
винта, должен соответствовать .90-95% располагаемой мощности. Это
исключит недопустимые перегрузки двигателя при некотором возрастании
сопротивления катера в процессе его эксплуатации.
Для выполнения указанных замеров необходимо располагать счетчиком
оборотов для вала двигателя или любым подходящим для этой цели
тахометром. Желательно также оборудовать специальное приспособление для
точного учета расхода топлива с целью определения развиваемой двигателем
мощности. Такое приспособление может, например, состоять из мерных
бачков с точной градуировкой, включаемых в систему подачи топлива.
Исправление элементов гребного винта заключается в изменении шага или
диаметра винта. Еще раз напомним, что это Легче выполнять, если винт
получился тяжелым. Полезно помнить, что винты с одинаковой суммой Н + D
близки по своим характеристикам при колебании этих величин в пределах
10%.
Требующееся изменение шага или диаметра винта достаточно точно можно
определить по следующей приближенной формуле:
в которой Н - исходный шаг винта;
по - число оборотов винта, которые он должен развивать при мощности N;
ni-число оборотов винта, достигнутое на испытаниях при той же мощности
N.
Знак в скобках в формуле принимается минус при тяжелом винте и плюс -
при легком.
Корректировка шага винта с латунными или бронзовыми лопастями
достигается соответствующим поворотом (в горячем состоянии) его
лопастей. Понятно, что работа эта требует навыка и должна выполняться
достаточно точно (разношаговость в соответствующих сечениях лопастей не
должна превышать 1-2% от Я). Чтобы иметь возможность контролировать
величину шага в процессе работы, необходимо изготовить для нагнетающей
поверхности лопасти новые шаговые .угольники (подробнее об этом будет
сказано дальше).
Технологически проще производить корректировку винта подрезкой лопастей
(имеется в виду тяжелый винт). Однако и эту операцию нужно выполнять
очень аккуратно, так как в результате утолщения концевых сечений может
возникнуть кавитация. Новый контур лопасти должен плавно сопрягаться со
старым. Следует по возможности избегать изменения дискового отношения
винта.
Рекомендуется обрезку лопастей производить за два, а то и за три раза,
проверяя каждый раз полученные результаты на повторных скоростных
испытаниях судна. Корректировка не должна нарушать статической
балансировки винта. Откорректированным винтом можно пользоваться в
дальнейшем как эталоном, помня, что его можно заменить другим с разницей
по шагу Н или по диаметру D в пределах 10% при условии, что сумма Н + D
останется неизменной. С обрезанными лопастями винта при увеличении
оборотов можно попасть в зону кавитации. Винт в этом случае как бы
внезапно становится легким: обороты резко возрастают, а мощность и тяга
падают, в результате судно теряет скорость. Обнаружив появление
кавитации, винт нужно заменить на новый-с меньшей толщиной лопастей или
с большим дисковым отношением.
Теперь непосредственно об изготовлении гребного винта. Проще всего его
отлить из силумина. В качестве исходного материала можно использовать,
например, отслужившие свой срок головки блоков цилиндров двигателей.
Моделью для отливки может служить готовый винт, элементы которого близки
к элементам, полученным расчетом или подбором с последующей доводкой. В
более общем случае придется изготовить специальную модель винта, точнее
его лопасти.
Модель для литья выполняют из дерева, стеклопластика, цемента,
органического стекла. Каждый из этих материалов имеет свои достоинства и
недостатки. Для деревянной модели лучше всего взять липу, но можно
обойтись и сосновой или ольховой доской; важно, чтобы она была без
сучков и каких-либо других дефектов. Готовую модель нужно пропитать
горячей смолой и покрасить. Изготовить деревянную модель винта
представляется, однако, делом не простым. Поэтому, чтобы упростить
задачу, рассмотрим сначала, как делается модель из пластических
материалов, в частности из цемента.
Прежде всего надо изготовить основание приспособления (рис. 164). Оно
состоит из квадратной доски 1 размером на 50-100 мм больше длины
лопасти. В краю доски сверлится отверстие диаметром 20-30 мм, в котором
строго перпендикулярно к поверхности доски крепится на клею гладкий
центрирующий стержень 2 (лучше металлический) высотой 2/3
H. На стержень насаживается формовочный шаблон
3.
Рис. 164. Изготовление цементной модели лопасти
гребного винта.1 - доска-основание; 2 -
центрирующий стержень по оси ступицы винта; 3 - вращающийся вокруг
стержня деревянный формовочный шаблон с острой кромкой; 4 - шаговый
угольник; 5 - шаблон профиля; 6 - цементная модель лопасти.
Из миллиметровой фанеры или тонкого железа вырезается шаговый
угольник 4, острый угол которого а вычисляется по формуле
где Н - шаг винта; R - радиус установки
шагового угольника: R=1.1Rmax
Для установки шагового угольника 4 нужно прочертить на основании дугу
радиусом установки /? и набить вдоль нее два ряда мелких гвоздей, между
которыми и зажимается угольник 4. Пространство между стержнем 2 и
шаговым угольником 4 заполняется густым раствором цемента 6. Перемещая
деревянный формовочный шаблон 3 относительно стержня 2, образуют
поверхность А, которая будет соответствовать нагнетающей поверхности
винта. Когда цемент застынет, на его поверхности из центра стержня 2
прочерчивают несколько дуг (радиусами 0,25/?, 0,5/?, 0,75/?).
Из жести вырезают шаблоны засасывающей поверхности винта на выбранных
радиусах. Шаблоны изгибают так, чтобы они совпадали с прочерченными на
поверхности А дугами. Наносят на поверхность А слой разделительной
смазки, например солидола, а сверху накладывают слой цемента. Для
придания модели необходимой прочности лучше заформовать в цемент
арматуру в виде металлической сетки. В месте перехода лопасти в комель
заформовывается винт Мб или М8 так, чтобы наружу выходила нарезная часть
длиной 40-50 мм.
Лопасть формуют вручную, производя контроль с помощью шаблонов. Для
упрочнения модели в ее наиболее тонких местах по контуру лопасти
делается утолщение в виде валика. На отливке это утолщение легко
снимается напильником.
Модель лопасти из стеклопластика может быть изготовлена примерно таким
же способом. Дело несколько упростится, если пространство между
центральным стержнем и шаговым угольником заполнять не цементом, а
воском или парафином, которые легко поддаются обработке и не трескаются
при застывании. На шаблоне 3 профиля следует сделать пропилы на
расстояниях, соответствующих контрольным радиусам; при формовании
поверхности А они оставят риски, которые будут служить основой для
разметки лопасти.
Более высокая точность может быть достигнута при изготовлении модели
винта из термопластичного материала, например из органического стекла.
Работы выполняются в следующем порядке.
По чертежам винта, из какого-нибудь легко обрабатываемого материала,
например из пенопласта, вырезается шаблон спрямленной лопасти. На
корневой части шаблона делается шип на всю ширину лопасти для установки
ее в ступице.
По шаблону методом точного литья или на копировальном станке
изготовляются заготовки модели лопасти из органического стекла. Можно
упростить перечисленные операции и изготовлять заготовки из
органического стекла вручную по шаблонам, снятым с чертежа, но точность
в этом случае будет, безусловно, ниже.
Из органического стекла вытачивается также модель ступицы, в которой
профрезеровываются пазы под шипы лопастей. Угол наклона паза к оси
ступицы определяется выражением
где Я - шаг винта;
d - диаметр ступицы.
Заготовки лопастей устанавливаются в модель ступицы на клею по шаблону,
обеспечивающему идентичность их положения.
Заготовкам лопастей, изготовленным вышеописанным способом из бетона, по
винтовой поверхности придается окончательная форма (рис. 165). Для этого
заготовку из органического стекла нужно разогреть до пластического
состояния (например, в масляной ванне) и, приложив к винтовой
поверхности 3, прижать сверху мешочком с песком. Таким же образом
изгибают и остальные лопасти.
При окончательной отделке модели винта необходимо зашпаклевать место
соединения лопастей со ступицей, а саму модель покрасить.
Отливку винта по изготовленной модели производят в следующем порядке
(рис. 166). Сначала .делают опоку из трех кусков стальной полосы
толщиной миллиметров пять и шириной чуть больше длины ступицы винта. Из
этой полосы собирают сектор с внутренним углом 180° для двухлопастного
винта, 120°-для трехлопастного и 90°-для четырехлопастного. Величина
внутреннего угла должна быть выдержана с возможно большей точностью:
чтобы при дальнейшей работе она не изменялась, радиальные стенки опоки
прихватывают накладками. Наружная. изогнутая по окружности стенка
делается съемной (лучше откидной на шарнирах), что обеспечивает выем
готовой формы из опоки.
Рис. 165. Формование модели лопасти винта из
органического стекла. 1 - центрирующий стержень; 2 - готовая модель
лопасти; 3 - винтовая поверхность; 4 - основание.
Модель гребного винта устанавливают в опоку и крепят к ней винтом,
заделанным в комель модели. Прежде чем набивать опоку формовочной
смесью, ее поверхность, а также модель смазывают керосином или соляркой.
Опоку с моделью устанавливают на ровную доску или на стальной лист.
В качестве формовочной смеси при отливке гребного винта из силумина,
температура плавления которого невелика, может быть использован
практически любой песок. Лучше всего для этой цели подойдет кремнезем -
мягкая земля темно-коричневого цвета. В такой земле на берегах
устраивают гнезда стрижи. Конечно, земля должна быть тщательно просеяна,
очищена от посторонних примесей, прежде всего от корешков. Для получения
хорошей газопроводности смеси и хорошей чистоты отливки, и песка с
помощью сита с ячейкой около 1 мг нужно удалить слишком крупные частицы
а затем изъять слишком мелкие на сите с ячей кой 0,3-0,55 мм. Сухой
песок смешивают с 3- 5% жидкого стекла. Смесь после этого тщательно
растирают руками до получения одно родного состава.
Рис. 166. Отливка гребного винта по модели: а -
модель лопасти, закрепленная в опоке; б - нижняя часть формы; в - форма,
подготовленная к заливке.
Опоку набивают землей примерно до верх них кромок лопасти, так чтобы
получить оттиск нижней части модели. Землю вокруг модели утрамбовывают,
а затем тщательно заглаживают мастерком. Полученную поверхность
(плоскость разъема) покрывают тонким слоем графита, талька или просто
толченого древесного угля. Излишек присыпки сдувают.
Когда форма нижней части лопасти будет закончена, ее можно будет вынуть
из опоки, предварительно удалив оттуда модель и сняв откидную стенку. В
таком же порядке изготовляют формы и остальных лопастей, после чего их в
течение 15-20 час сушат на воздухе. Процесс сушки может быть ускорен,
если, например, обдувать формы отработавшими газами двигателя. В этом
случае для полного высыхания формовочной земли достаточно 20 мин.
Высушенную нижнюю часть формы вновь укладывают в опоку. Устанавливают
на свое место и модель (крепить ее к опоке болтом на этот раз не нужно),
заполняют верхнюю часть опоки землей и накрывают ее сверху доской. Далее
опоку переворачивают верхней частью вниз, снимают с формы, затем снимают
высушенную часть формы, а оставшуюся часть отправляют на просушку.
После изготовления формы приступают к литью. Для этого на ровной плите
собирают сначала нижние части формы, а затем устанавливают на них
верхние части. Чтобы при заливке расплавленный металл не вытекал через
разъемы формы, все стыки нужно замыть глиной или цементом.
Металл заливают сверху через отверстие, диаметр которого должен быть
чуть больше диаметра ступицы. Этот припуск обеспечивает хорошую
плотность отливки, так как усадочная раковина выводится в прибыль,
которая впоследствии при механической обработке винта срезается.
Силумин можно плавить в любом металлическом сосуде, важно только, чтобы
стенки его были достаточно толстыми и сохраняли температуру
расплавленного металла необходимое время. Плавить силумин лучше с
перегревом - для повышения его текучести. На глаз готовность металла
можно определить при помешивании: он не должен прилипать к металлической
мешалке. Прежде чем заливать металл в форму, нужно снять образовавшийся
на его поверхности шлак.
Готовую отливку после извлечения из формы подвергают закаливанию.
Закаливание можно для простоты заменить естественным старением, которое
заключается в том, что горячую деталь оставляют на воздухе на 5 дней.
Далее производят механическую обработку и статическую балансировку винта
и затем ставят его на катер.
Маленький совет: если предполагается использовать формовочную землю
повторно, ее в горячем виде выколачивают в ящик, где хранится
неиспользованная еще земля, которую предварительно смачивают водой.
Содержимое ящика хорошо перемешивают, после чего его плотно закрывают.
Пригодность земли в дальнейшем определяют так: сжимают в кулаке горсть
земли: если комок потом не рассыпается, значит, все в порядке, можно
приступать к изготовлению новой формы.
