Коэффициент полезного действия гребного винта

Гребной винт предназначен для преобразования получаемой им в форме вращения гребного вала мощности двигателя в прямолинейный упор. Это преобразование сопровождается потерями. Если к гребному винту подается мощность l00pSo и превращается им в мощность, равную 50ESa (имеется в виду эффективная буксировочная мощность), то это значит, что к. п. д. винта равен 50%. Из 50% потерянной мощности большую часть составляют потери на трение, которое возникает не столько на хорошо отшлифованных лопастях гребного винта, сколько в самой воде. Оно минимально в том случае, когда упор образуется возможно большей массой воды и с возможно меньшим ускорением, т. е. при возможно большом диаметре гребного винта. Испытания серий моделей гребных винтов проводились прежде всего с целью определения оптимально наименьших потерь для каждого возможного сочетания частоты вращения, мощности и скорости. Результаты представлены на многочисленных диаграммах, основой которых служит коэффициент мощности (коэффициент нагрузки) Сь: где pSa — мощность двигателя, отданная гребному винту, л. е.: ns — частота вращения гребного винта, об/с; va — поступательная скорость гребного винта в попутном потоке, м/с.
Определение величины v2a'5 может показаться затруднительным. Но поскольку необходимо лишь оценить к. п. д., то не следует придавать большое значение попутному потоку. Для быстроходных катеров его не учитывают, для тихоходных в зависимости от положения винта его скорость вычитают из действительной скорости катера (5—10%). У очень тяжелых катеров с большой осадкой скорость попутного потока иногда достигает 30%.
Дробную степень 2,5 можно вычислить с помощью логарифмической линейки. Она равна yva-v. При Сь, несколько меньшем 0,5, к. п. д. достигает максимального значения (почти 75%) и затем довольно быстро падает. При Сь = 1 получается хороший к. п. д. (68%); при Сь — 10 сохраняется лишь 40% использованной мощности двигателя, а 60% составляют потери. Большинство гребных винтов работаете коэффициентами нагрузки между 1 и 10.
Знать к. п. д. гребного винта необходимо, если требуется произвести строгий расчет скорости.
Составной частью коэффициента нагрузки Сь является частота вращения, которая с математической точки зрения более важна, чем мощность двигателя, от которой в Сь входит лишь квадратный корень. Однако частота вращения при помощи соответствующего редуктора может быть выбрана произвольно в сравнительно широких пределах. Для решения вопроса о том, чему отдать предпочтение при покупке катерного двигателя — прямой передаче или редуктору, необходимо подсчитать коэффициент нагрузки и определить выигрыш или потерю в к. п. д. гребного винта для каждой частоты вращения.
Если найден приемлемый к. п. д. или подходящий редуктор, то необходимо проверить по диаграмме для диаметров гребного винта, позволяет ли место под судном и допустимая осадка применить гребной винт с увеличенным диаметром. Было бы бессмысленно выбирать эффективный редуктор, если впоследствии нельзя будет установить гребной винт с необходимым диаметром.
К сожалению, часто бывает, что невозможно установить необходимый диаметр гребного винта. В пределах жестких границ уменьшенный диаметр можно компенсировать увеличенным шагом винта, причем возникает лишь минимальная потеря к. п. д. При слишком уменьшенном диаметре компенсация при помощи увеличенного шага винта невозможна и потеря к. п. д. возрастает до такой степени, что нельзя использовать движительный комплекс. Приведем соответствующие данные.
На примере большой моторной яхты, для которой ранее были определены три диаметра гребных винтов, покажем, как пользоваться кривой к. п. д. Каждый из двух двигателей имеет мощность 180 л. с, причем на гребной винт дается мощность pSa = 160. Скорость равна 25 км/ч = 5,55 м/с, однако с учетом попутного потока поступательная скорость гребного винта va — 5,3 м/с. Величина р2.5 составляет  64,5. Час- тоту вращения двигателя, равную 2400 об/мин, можно при помощи различных редукторов уменьшить до 1200, 800 или 600 об/мин, что соответствует40, 20, 13, 3 и 10 об/с. По кривой к. п. д. можно составить следующую таблицу. Как видно из таблицы, коэффициент полезного действия тем выше, чем меньше частота вращения гребного винта. Если использовать двигатель без редуктора (2400 об/мин на гребном винте), то достигается лишь очень низкий к. п. д. (43%). Такой маленький высокооборотный гребной винт на тихоходном катере метко прозвали пеносбивалкой. С редукцией 2 : 1 уже получают к. п. д. равным 51%, ас уменьшением частоты вращения гребного винта в соотношении 3 : 1 достигается к. п. д., равный 57%. Даже высокая степень редукции 4:1, дающая 60%, еще далеко не обеспечивает оптимального к. п. д.
Поскольку к. п. д. может превышать 70%, установим соответствующую частоту вращения. Согласно диаграмме для этого необходим коэффициент нагрузки Сь = 0,7 или еще меньший, получаемый при очень низкой частоте вращения гребного винта, равной 3,57 об/с = 215 об/мин. Частоту вращения двигателя пришлось бы поэтому понизить, по крайней мере, в соотношении 1:11. Таких редукторов на практике нет. Кроме того, потребовался бы гребной винт недопустимо большого диаметра.
Структура коэффициента нагрузки показывает, что небольшая мощность двигателя, низкая частота вращения и высокая скорость приводят к высокому к. п. д. гребного винта. На практике приходится довольствоваться к. п. д., равным 60%. Если пренебречь влиянием частоты вращения, то к. п. д. может снизиться до 40%.