4. Гідродинамічні характеристики гребних гвинтів

Рисунок 8.

При русі з деякою швидкістю потік води обмиває лопату гребного гвинта, що перебуває під певним кутом атаки α до напрямку руху води. Лопата гребного гвинта розділяє потік води на дві частини: одна частина обходить лопату знизу, інша зверху. Обійшовши лопату одночасно із двох сторін, обидві частини потоку знову з'єднуються в єдиний потік, що небагато змінить свій напрямок. При цьому нижня частина потоку буде гальмуватися, тому тиск у цій зоні буде більше, ніж у потоці перед лопатою, а швидкість зменшуватися (рис. 8). Верхня частина потоку буде небагато прискорюватися, тому тиск у цій зоні буде зменшуватися, а швидкість збільшуватися (Закон Бернуллі).

Закон Д. Бернуллі «Тиск у струмені зменшується, якщо швидкість струменя збільшується, і навпаки, якщо швидкість струменя зменшується, то тиск у струмені збільшується».

Завдяки різниці тисків, що з'явилася на поверхні лопати, виникає сила, під впливом якої лопата почне зрушуватися убік меншого тиску, відхиляючи при цьому потік позад себе убік, протилежний зсуву.

Сила, що з'явилася внаслідок різниці тисків води по обох сторони лопати гребного гвинта при обтіканні її потоком води, називається гідродинамічною силою, що є рівнодіючою двох сил: більша з них спрямована перпендикулярно потоку і називається піднімальною силою, а менша спрямована паралельно потоку і є силою лобового опору лопати. Таким чином, гідродинамічна сила залежить від швидкості потоку, розмірів лопати, кута атаки й форми лопати.

Якщо збільшити різницю тисків по обох сторони лопати, то відповідно можна збільшити гідродинамічну силу і отже піднімальну силу. Тому що в утворенні гідродинамічної сили основну роль грає розрідження у верхній прискореній частині потоку, цього можна досягти за рахунок збільшення швидкості обтікання (зменшення тиску) верхньої частини лопати шляхом додання їй більше опуклої форми - плавний і не занадто великий, щоб вода обтікала її спокійно, без завихрень.

Рисунок 9.

У свою чергу, гідродинамічну силу може бути розкладена на дві сили, одна з яких спрямована по швидкості ходу, а інша паралельно площини обертання гребного гвинта. Складова, що спрямована убік руху корабля є силою тяги (упору) гребного гвинта. Інша складова, що розташована паралельно площини обертання гребного гвинта, називається силою опору обертанню. Сила тяги і опору обертанню всього гребного гвинта утворюється, якщо скласти відповідні сили всіх лопат, з яких складається гребний гвинт.

Таким чином, потужність, що прикладена до гребного гвинта для його обертання, витрачається на створення сили тяги (упору) і сили обертання. Відповідно сила обертання на гребному гвинті створює обертаючий момент.

Таким чином, гідродинамічними характеристиками гребного гвинта є упор гребного гвинта Р и обертаючий момент гребного гвинта М_р і коефіцієнт корисної дії гребного гвинта η_р у вільній воді (тобто при відсутності впливу корпуса корабля і поверхні води).

Для виконання розрахунків гребного гвинта силу упору і обертаючий момент гребного гвинта виражають через безрозмірні коефіцієнти упору К₁ і моменту К₂, які отримані за допомогою загальних формул для гідродинамічних сил і моментів:

;

К.К.Д. гребного гвинта, що працює у вільній воді визначається відношенням корисної потужності до витраченої потужності й пов'язан з безрозмірними коефіцієнтами упору й моменту наступним співвідношенням

Для сучасних надводних кораблів і підводних човнів в основному ходовому режимі величина К.К.Д. гребного гвинта у вільній воді становить η_р = 0,5 ÷ 0,7.

Висновки:

1. Основні геометричні характеристики: діаметр гвинта D, м; діаметр маточини гвинта d_ст, м; число лопатей z; конструктивний крок гвинта Н, м ; крокове відношення H/D; площа спрямленої поверхні лопат A, м²; дискове відношення А/А_d; форма контуру спрямленої поверхні – симетрична або шаблеподібна; форма профілів перетинів – сегментна, авіаційна; напрямок обертання гвинта - праве, ліве.

2. Основні кінематичні характеристики: геометричний крок та відносна хода.

3. Основні гідродинамічні характеристики: коефіцієнти упора та моменту.