ГРЕБНОЙ ВИНТ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к судовым движителям и может быть использована на моторных лодках, катерах, яхтах, пассажирских кораблях и прочих судах, в том числе и на подводных лодках.
Для того чтобы судну преодолеть горб сопротивления при выходе на расчетный режим движения и развить полные обороты и мощность, гребной винт должен быть легким, иметь небольшой шаг. К таким винтам относится, например, двухлопастной гребной винт фирмы «Ямаха» (журнал «Катера и яхты», №3, 1991, с.28). Он содержит ступицу с равномерно установленными по ее окружности двумя лопастями. Минимальное количество лопастей этого известного гребного винта обеспечивает минимальные потери мощности на трение лопастей о воду, что положительно сказывается на коэффициенте полезного действия (КПД) винта. Известный винт имеет хорошую силу тяги. Но скорость движения судна падает из-за малого шага винта. К тому же для подобных винтов высока вероятность кавитации, которая снижает эффективность гребного винта. Поэтому КПД легких, с малым шагом гребных винтов сначала высок, а потом падает. К тому же для такого винта характерна вибрация, поскольку силу тяги создают вершины лопастей, а их основания тормозят.
Для обеспечения наивысшей скорости плавучему средству и повышения КПД применяют гребные винты с регулируемым шагом. Известен гребной винт регулируемого шага по авт. св. СССР №981097, опубл. 15.12.1982, Бюл. №46. Для этого гребного винта (как и для прочих винтов с регулируемым шагом) характерно наличие механизма поворота лопастей, размещенного в ступице винта. Выбором оптимального шага винта можно добиться наивысшей скорости плавучего средства и повысить КПД. Однако ступица известного винта тяжелая, и ее гидродинамическое сопротивление снижает упор лопастей о воду. А это отрицательно сказывается на КПД гребного винта. К тому же, чем сложнее устройство, тем ниже его надежность.
Повышения КПД можно добиться путем предотвращения кавитации, при возникновении которой упор винта о воду резко падает, и соответственно за счет этого снижается КПД. Известен суперкавитирующий восьмилопастной винт для катеров швейцарской фирмы «Ролла СП Пропеллере» (журнал «Катера и яхты», №4, 1990, с.60). Лопасти этого винта имеют сложный выпукло-вогнутый профиль с уменьшенной толщиной сечения и радиально-переменный шаг. Лопасти расположены с небольшим наклоном от вертикали назад. Достаточная прочность лопастей при относительно
тонком профиле обеспечена тем, что лопасти выполнены методом точного литья из прочных нержавеющих сталей. Однако у суперкавитирующих винтов высокий КПД имеет место при высоких скоростях движения, а на малых скоростях КПД низкий. Это существенный недостаток суперкавитирующих винтов, поскольку именно на малых скоростях движителю необходимо преодолеть горб гидродинамического сопротивления, развить необходимую мощность, особенно в условиях волн и перегрузок судна. К тому же область применения известного восьмилопастного винта ограничена, поскольку он предназначен исключительно для работы в частично погруженном режиме.
Известен гребной винт по свидетельству РФ на полезную модель №12677, опубл. 27.01.2000. Бюл. №3(11 ч.). Этот гребной винт с малыми потерями мощности развивает высокую силу тяги и имеет высокий КПД. По технической сути и решаемой задаче он является наиболее близким к заявляемой полезной модели и выбран за прототип для обоих вариантов выполнения гребного винта. Гребной винт по свидетельству №12677 содержит ступицу, по окружности которой равномерно в один ряд установлены основные и вспомогательные лопасти. Все лопасти имеют одинаковый шаг. Вспомогательные лопасти расположены между основными лопастями, которые имеют равную высоту. Количество вспомогательных лопастей равно количеству основных лопастей или превышает его, а высота каждой вспомогательной лопасти не превышает 2/3 высоты основной лопасти. Во-первых, с увеличением количества лопастей нагрузка распределилась на все лопасти, тем самым уменьшилось гидродинамическое давление на них, снизилась вибрация. Следовательно на малых скоростях сопротивление преодолевается с меньшими потерями мощности, то есть повышается КПД. Во-вторых, вспомогательные лопасти, расположенные в один ряд с основными и по высоте не превышающие 2/3 их высоты, нейтрализуют зону торможения винта, которая приходится на нижнюю часть основных лопастей, и не препятствуют достижению полных скоростей, поскольку силу тяги создают части основных лопастей, прилегающие к их вершинам. Вспомогательные лопасти, работая как осевой насос, отбрасывают воду перед гребным винтом назад, создавая дополнительную тягу для основных лопастей.
Недостатком гребного винта по прототипу является то, что омывающая вода при вращении винта смещается не только вдоль вращения винта, но и устремляется за счет центробежной силы в радиальном направлении вдоль лопастей, срывается с них в виде концевых вихрей, вдавливаясь в окружающую винт неподвижную массу
воды, передавая ей часть кинетической энергии. Происходят потери кинетической энергии массы воды, и тем самым снижается КПД работы винта. За счет этого отрицательного воздействия центробежной силы не удается увеличить силу тяги гребного винта при определенной нагрузке и числе оборотов мотора винта.
Задача полезной модели состоит в том, чтобы увеличить силу тяги гребного винта, повысить его КПД при том же количестве оборотов и отсутствии вибрации как упрототипа.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель для решения поставленной задачи, заключается в исключении вредного влияния центробежной силы, направлении перемещаемой центробежной силой массы воды вдоль оси винта и использовании ее кинетической энергии как дополнительной для увеличения силы тяги винта.
Для достижения этого технического результата и решения тем самым поставленной задачи заявляемый в качестве полезной модели гребной винт по первому варианту имеет общее с прототипом то, что он содержит ступицу, выполненные с одинаковым шагом основные лопасти, равные по высоте и равномерно установленные по окружности ступицы, и установленные на ступице между основными лопастями и в одном ряду с ними вспомогательные лопасти, высота каждой из которых не превышает 2/3 высоты основной лопасти. В отличие от прототипа каждая основная лопасть заявляемого гребного винта по первому варианту снабжена концевой пластиной, которая жестко закреплена на торце этой лопасти под углом 90° к ее поверхности. При этом края концевой пластины выступают за торец лопасти с обеих ее сторон. Возможно и другое исполнение, когда концевая пластина одним концом жестко закреплена на торце лопасти, а другой ее конец направлен в сторону рабочей поверхности гребного винта.
Гребной винт по второму варианту как и в прототипе содержит ступицу, выполненные с одинаковым шагом основные лопасти, равные по высоте и равномерно установленные по окружности ступицы, и вспомогательные лопасти, установленные на ступице между основными лопастями и в одном ряду с ними. Отличием гребного винта от прототипа по второму варианту является то, что торец каждой основной лопасти загнут под углом 90° в сторону рабочей поверхности гребного винта, а высота вспомогательной лопасти не превышает 2/3 расстояния от окружности ступицы до линии сгиба торца основной лопасти.
Кроме этого гребной винт по обоим вариантам содержит количество вспомогательных лопастей не менее количества основных лопастей, оно равно или превышает количество основных лопастей. При этом в промежутках между основными лопастями установлено одинаковое количество вспомогательных лопастей.
При вращении гребного винта вода, перемещаемая центробежной силой вдоль основных лопастей к их торцам, ударяясь о концевую пластину (первый вариант) или загнутый в сторону рабочей поверхности торец (второй вариант) меняет свое направление на угол 90° и движется вдоль оси винта. Поскольку вода, перемещаемая центробежной силой, несет в себе кинетическую энергию, то, меняя свое направление, двигаясь вдоль оси предлагаемого винта, передает ему эту дополнительную кинетическую энергию и тем самым увеличивает его тягу в сравнении с прототипом при тех же оборотах. В том случае, когда концевая пластина выступает с обеих сторон лопасти, с противоположной стороны винта, то есть за его рабочей поверхностью, давление воды под выступающей частью концевой пластины понижается, что также положительно сказывается на увеличении силы тяги. Так как снижены потери мощности на создание сбегающих с лопастей концевых вихрей и кинетическая энергия перемещаемой вдоль основных лопастей воды направлена на увеличение силы тяги заявляемого гребного винта, КПД его выше, чем у прототипа.
Оба варианта полезной модели объединены единым творческим замыслом, поскольку они направлены на достижение одного и того же технического результата и решают одну и ту же поставленную задачу.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид гребного винта по первому варианту с равным количеством основных и вспомогательных лопастей.
Нафиг.2 показана основная лопасть винта по второму варианту.
На фиг.3 - основная лопасть винта по первому варианту.
На фиг.4 - общий вид гребного винта с превышающим количеством вспомогательных лопастей.
Гребной винт содержит ступицу 1. На ступице 1 жестко закреплены, например с помощью сварки, основные лопасти 2 (фиг.1, 4). Между основными лопастями 2 равномерно в одном ряду с ними на ступице 1 установлены и тоже жестко закреплены вспомогательные лопасти 3. Лопасти 2 и лопасти 3 выполнены с одинаковым шагом. Ступица 1 с лопастями 2 и 3 может быть выполнена и монолитной литьем из легкого сплава, например дюралюминия. При равном количестве вспомогательных 3
и основных 2 лопастей лопасти 3 расположены равномерно по одной в промежутках между основными лопастями (фиг.1). Если количество вспомогательных лопастей 3 превышает количество основных лопастей 2, то они располагаются равномерно парами (фиг.4) или по три между основными лопастями (на чертеже не показано). На торцах основных лопастей 2 под углом 90° закреплены жестко с помощью сварки или заклепок концевые пластины 4 (фиг.3). По второму варианту торцы основных лопастей 2 загнуты под углом 90° (фиг.2). Загнутый торец 5 направлен в сторону рабочей поверхности винта. Высота каждой из вспомогательных лопастей 3 не превышает 2/3 высоты основной лопасти 2 по первому варианту или 2/3 расстояния от ступицы 1 до линий сгиба торца основой лопасти 2 по второму варианту. Высотой лопасти считается расстояние от входящей в ступицу кромки лопасти до ее вершины.
Работа гребного винта заключается в следующем.
При включении мотора гребной винт начинает свое вращение. При вращении винта вода начинает перемещаться рабочими поверхностями лопастей назад вдоль оси винта. Благодаря тому, что высота вспомогательных лопастей 3 не превышает 2/3 высоты основных лопастей 2, они препятствуют торможению основных лопастей в той части, где оно возникает, то есть у основания. Основная сила тяги создается частью лопасти у ее вершины. Эта часть основных лопастей 2 и выступает над вспомогательными лопастями 3. Вспомогательные лопасти 3 работают как осевые насосы, они нагнетают воду перед основными лопастями 2 и отбрасывают ее назад. Вспомогательные лопасти 3 создают дополнительную тягу и уменьшают нагрузку на основные лопасти 2, тем самым позволяют основным лопастям 2 с наименьшими потерями мощности преодолеть сопротивление воды. Гребной винт набирает полные обороты. При быстром вращении винта омывающая его вода под действием центробежной силы перемещается и в радиальном направлении вдоль лопастей, где она, ударяясь о концевую пластину 4 или загнутый торец 5, меняет свое направление и начинает движение вдоль оси винта. Перемещаемая центробежной силой вода несет в себе большую величину кинетической энергии. Эта дополнительная кинетическая энергия увеличивает тягу винта при тех же оборотах. Значит более эффективно используется мощность мотора, а следовательно повышается КПД гребного винта. Поскольку пространство между лопастями мало разрежено, явление кавитации при применении такого винта, как и в прототипе, незначительно. Наличие вспомогательных
лопастей позволяет основным лопастям претерпевая меньшее сопротивление воды лучше скользить по воде и меньше испытывать вибрацию.