Гребной винт: а что завтра?

Моторы и приводы
Следующая статья

Рим? Hotel de la Ville!

Предыдущая статья

Тоскана: Андрей Зайцев, яхтсмен, рыбак и ресторатор, о главном гастрономическом достоянии региона

Инженерная мысль находится в неустанном поиске идеальной геометрии гребного винта, новых материалов и технологий для его изготовления.

В течение многих лет гребной винт судов постоянно совершенствовали для повышения скорости, экономичности и снижения уровня шума, что особенно важно для боевых кораблей некоторых типов. Менялись форма и профилировка лопастей, росло их число, появились винты изменяемого шага, складные (для парусных яхт), соосные противоположного вращения, частично погруженные, но принципиальная конструкция гребного винта, призванная обеспечивать максимальный КПД, оставалась прежней: система лопастей, преимущественно из металла, закрепленных на ступице и развернутых под определенным углом к продольной оси.

Факторы эффективности гребного винта

Ключевые параметры этой устоявшейся конструкции (число, площадь и геометрия лопастей, а также шаговое отношение и пр.) определяются по результатам испытаний серий моделей винтов, на основании которых с учетом характеристик судна (режим движения, обводы и центровка, водоизмещение, обороты и мощность силовой установки) выбираются геометрические характеристики винтов с требуемым упором. При этом учитываются неравномерность реального потока и степень кавитационной опасности.

Проектирование винта начинается после выбора критериев — совокупности факторов, которые служат граничными условиями для его конструкции. Один из таких — форма корпуса, ограничивающая диаметр винта. Для быстроходных прогулочных судов с валами важным является угол наклона вала: чем он меньше, тем выше полезная составляющая упора. С этой целью двигатель относят как можно дальше в нос, и нередко моторный отсек оказывается под пайолом салона, что требует усиленной шумо- и виброизоляции отсека. Другой вариант — угловая передача, позволяющая разместить двигатель в корме наподобие силового агрегата транцевой колонки или IPS. Помимо прочего, это высвобождает полезный объем в средней части судна.

Рихтовка загнутой кромки обычного гребного винта вполне допустима, но ремонтопригодность такой конструкции вызывает вопросы

Нередко граничные условия вступают в противоречия. Например, для низкооборотных двигателей требуется больший диаметр винта, и тогда для его размещения под корпусом предусматривают подъем днища в кормовой части или даже тоннельные образования. Или форма лопасти: КПД винта увеличивается при уменьшении площади лопастей (влияние трения), что создает угрозу их прочности. Или угол атаки (шаг лопасти): чем он выше, тем выше упор, но до определенного момента, пока не начнется кавитация второй стадии.

Для относительно тихоходных судов нередко используют кольцевые насадки — профилированные, создающие дополнительную тягу, или простые, служащие преимущественно для защиты винтов при контакте с подводными объектами.

В последние годы индустрия обогатилась интересными пропульсивными системами: транцевыми колонками с винтами-тандем, тянущими и толкающими, а также днищевыми колонками, также с тянущими или толкающими винтами — частично или полноповоротными, заменяющими судовые рули. Время от времени появляются и весьма оригинальные конструкции гребных винтов…

Прорыв?!

Основанная в 2012 году компания Sharrow Engineering (США) занялась исследованиями и разработками в области проектирования гребных винтов, что привело к появлению новых революционных теорий, специальных инструментов анализа и программного обеспечения на основе CAD и CFD для параметрического проектирования геометрии движителей. Проана-лизировав обширные данные испытаний, собранные в лаборатории гидродинамики Мичиган-ского университета, выполнив скрупулезную программу испытаний с использованием пилотируемых судов на различных акваториях, Sharrow Engineering разработала необычную концепцию гребного винта, которую называет первым серьезным прорывом в этой области с 1930-х годов.

1%

Повышение КПД гребных винтов даже на столь «незначительную» величину даст заметный экономический эффект, особенно в коммерческом флоте, для которого крайне важны вступающие в силу в 2020 г. новые Правила IMO по ограничению уровня оксида серы (SOx) в выхлопных газах, влекущие за собой увеличение расходов на топливо

По мнению создателей, «вертикальные» участки каждой петли можно рассматривать как самостоятельные лопасти. В таком контексте 3-лопастный винт сопоставим с 6-лопастным, что объясняет снижение вибрационных характеристик

Как видно на снимках, американские инженеры отказались от привычных лопастей, заменив их профилированными полосами в форме петли, также закрепленными на ступице под углом к оси вала — три, четыре, пять или более изогнутых полос металла. Изобретатели утверждают, что это в значительной степени устранило проблему с образованием вихрей на кромках лопастей, увеличиващих сопротивление и расход топлива, создающих шум, вибрацию и провоцирующих возникновение первой и второй стадий кавитации.

Для создания винтов Sharrow Engineering использованы две современные технологии: компьютерное моделирование и 3D-печать, когда материал (обычно — высококачественный алюминиевый сплав) наносится слоями для создания точных форм перед фрезерованием и полировкой. По заявлению авторов изобретения, можно изготовить винт Sharrow любого диаметра с любым числом «лопастей» из всех традиционных сплавов и материалов (в частности, применяется метод выплавляемых моделей); технология производства позволяет получить винты, по цене сопоставимые со стандартными.

Проводя исследования, Sharrow Engineering изготовила специальный динамометр: этот инструмент позволил сравнивать характеристики винтов-прототипов Sharrow Engineering с лопастями различной конфигурации и стандартных винтов. Также была разработана 12-поточная система с впрыском красителя и скоростной (750 кадров/с) видеокамерой для визуального мониторинга работы винта во время тестов.

Схематичное изображение гребного винта Sharrow Engineering (патент N US207/0267323 A1). Цифрами обозначены зоны лопастей и ступицы, для которых в описании изобретения указаны особенности происходящих в них процессов

Проведенные после этого испытания на открытой воде также дали, по словам изобретателей, многообещающие результаты: ожидается заметное снижение расхода топлива (9−15%), повышение скорости судна, снижение вибрации и шума.

«В отрасли, где повышение КПД на 1% считается существенным, характеристики Sharrow меняют правила игры, — сказал Грег Шарроу, генеральный директор Sharrow Engineering. — Мы также зафиксировали снижение крутящего момента на 17% при разгоне судна, что уменьшает нагрузку на трансмиссию».

Такая конструкция, снижая крутящий момент, не затрагивает упор, что означает более ранний выход лодки на глиссирование или увеличение полезной нагрузки.

Концепция Sharrow Propeller одобрена IMO и защищена двумя десятками патентов в ряде морских стран. Компания завершила финальную фазу испытаний базовых конструкций винта и сейчас ищет партнеров, которые смогут применить эту оригинальную идею на серийных судах. Планируется, что первые винты Sharrow должны поступить в производство уже в этом году.

Комментарий MBY

Независимые эксперты BoatTEST (США) провели сравнительные испытания двух гребных винтов: из нержавейки обычной конструкции и винта Sharrow Engineering (модель MX-1) из легкого сплава 15×15″. Тестовая лодка — глиссирующий боурайдер (длина 6,2 м, вес 1600 кг) с 4-тактным подвесным Mercury мощностью 150 л.с. (3 л). Во время тестов тщательно контролировались условия: загрузка лодки, ее центровка и др.

Тесты показали:

  • ускоренный выход на глиссирование лодки с винтом MX-1;
  • небольшое преимущество в скорости на полных оборотах (1 узел при максимуме 42 узла);
  • увеличение скорости на парциальных режимах (4 узла при 4000 об/мин);
  • снижение удельного расхода топлива в широком диапазоне оборотов (не менее 6%);
  • отличную маневренность и управляемость;
  • практически полное отсутствие вибрации;
  • снижение уровня шума на 3−4 дБ (A) на максимуме.

За этим тестом наверняка последуют другие: возможно, вскоре мы узнаем еще много интересного.

А внизу на фото начала XX в., опубликованном на сайте форума владельцев яхт Jeanneau, — гребной винт грузового судна. Как известно, новое — это хорошо забытое старое…

Мишель Дзанки, компания Eliche Radice (Италия)

Рынок гребных винтов постоянно развивается. Сейчас уже изготавливают винты с использованием 3D-печати, встречаются конструкции с полыми лопастями, сменной кромкой и вообще странных форм. Но всегда следует помнить, что лучший винт для конкретной лодки, обладающий наивысшим КПД, требует тщательного проектирования. Здесь нет никакого волшебства — только точные вычисления, подходящие материалы и безупречные технологии изготовления. Мы делаем винты из сплавов на основе бронзы или алюминия, с фиксированными и складными лопастями (для парусных лодок). Если говорить о реальном применении винтов — на грузовых судах, прогулочных или спортивных лодках и т.  д., эти материалы, а также сталь будут использовать еще длительное время, хотя известны случаи применения и других материалов. Самый крупный из числа созданных нами винтов имел диаметр 4,2 м, самый маленький — несколько дюймов; его приводил во вращение электромотор. Среди нашей продукции, которую мы поставляем также в Россию, есть винты полностью или частично погруженные. Первые используют для коммерческих и прогулочных судов, вторые — для быстроходных и спортивных корпусов: у них особенная геометрия, позволяющая использовать преимущества режима суперкавитации. Так, офшорные гоночные лодки с нашими винтами нередко становятся победителями соревнований. Проектирование гребного винта прогулочной лодки — сложный процесс, в котором требуется учитывать назначение судна, характеристики корпуса (водоизмещение, обводы, центровку), двигателя (мощность, обороты) и пр. Среди обилия характеристик, которые определяются при проектировании винта: диаметр, шаг, форма, площадь лопасти и ее откидка, форма ступицы и обтекателя, — одной из главных является число лопастей. Их может быть две, три и больше, и это наиболее «видимый» аспект. Нередко владельцы просят нас улучшить рабочие характеристики их судов, предлагая заменить старый винт новым, просто добавив еще одну лопасть, что не приводит к достижению цели. Каждый раз, когда мы разрабатываем новый гребной винт, мы оцениваем вероятность возникновения кавитации. При проектировании винтов мы используем программное обеспечение (симулятор), просматриваем базы данных прототипов и проводим испытания в кавитационной трубе. Конструкция винта имеет основополагающее значение для получения высокого КПД, но верно и то, что требуется точное соответствие конечного продукта чертежам, а материал должен быть безупречным. Проще говоря, практика должна соответствовать теории. Качественное литье — это уже полдела, чтобы получить гребной винт, который даже после многих лет эксплуатации будет эффективно работать. Для Eliche Radice 2019 год особенный: мы отмечаем 100-летие деятельности и приобрели новый литейный завод для своей продукции. Таким образом, мы можем управлять всем производственным процессом — от проектирования и литья до получения готового винта, контролировать соответствие стандартам качества, время изготовления и стоимость продукции.

Дата:

10.11.2019

Текст

Петр Шестаков

Следующая статья

Рим? Hotel de la Ville!

Предыдущая статья

Тоскана: Андрей Зайцев, яхтсмен, рыбак и ресторатор, о главном гастрономическом достоянии региона

Новые материалы
Похожие статьи