Защита гребного винта туннелем

Впервые туннельные образования днища начали применять на мелкосидящих речных пароходах: увеличение размеров судов и рост мощностей двигателей привели к необходимости применения гребных винтов большого диаметра, поэтому для сохранения минимальной габаритной осадки потребовалось поместить винт в специальное углубление (туннель) в днище. Прежде чем говорить об особенностях применения туннеля как средства защиты гребного винта на катерах, приведем некоторые общие рекомендации, выработанные опытом эксплуатации туннельных судов на речном транспорте.

Обычно верхний край диска работающего в туннеле гребного винта оказывается вблизи или даже несколько выше ватерлинии, однако при вращении винта перед ним создается разрежение, благодаря которому вода, поднимаясь, заполняет все пространство туннеля (этому способствует также уменьшение давления в туннеле при движении судна).

«Поднимая» ось винта, надо иметь в виду два обстоятельства. Во-первых, чтобы исключить возможность прорыва воздуха к винту на заднем ходу, кормовая кромка свода туннеля должна быть расположена ниже грузовой ватерлинии. Во-вторых, не следует забывать, что с подъемом оси винта к. п. д. всего движительного комплекса будет падать, так как потребуется дополнительная затрата энергии на подъем воды.

Когда зазор между кромкой винта и сводом тоннеля делается небольшим— менее 0,06 диаметра винта, к. п. д. собственно гребного винта повышается из-за уменьшения концевых потерь на лопастях, проходящих под сводом. Но, с другой стороны, уменьшение этого зазора приводит к возникновению дополнительной вибрации вследствие разности сил на лопастях, находящихся наверху — у свода и внизу. На относительно тихоходных судах с этим явлением борются, устанавливая «полунасадку» — профилированное полукольцо, охватывающее гребной винт снизу. На глиссирующих катерах и катерах, движущихся в переходном режиме, зазор между винтом и сводом туннеля приходится делать даже больше оптимального с точки зрения повышения к. п. д. движителя (Δ = 0,15÷0,20 D_B), так как при высоком числе оборотов винта, обычном на таких судах, вибрация представляет особенно большую опасность, а установка полунасадки, оказывающей большое сопротивление движению, нецелесообразна, так как сводит на нет весь возможный выигрыш в к. п. д.


Расположение гребного винта в туннеле можно рассматривать как промежуточное между «классическим» открытым вариантом и полностью защищенным рабочим колесом водометного движителя. По сравнению с водометными, туннельные катера имеют ряд преимуществ. Прежде всего, к. п. д. гребного винта, работающего в туннеле, выше, чем колеса водомета, на 10—20%. Туннель на днище сделать проще, чем изготовить и смонтировать водозаборник и трубу водомета. Задний ход на туннельном катере обеспечивается установкой стандартного реверс-редуктора, а для водомета приходится изготавливать специальное гидрореверсивное устройство. Гребной винт большого диаметра (а такие винты ставятся на относительно тихоходных катерах, для которых особенно важна величина упора) легче разместить в туннеле, чем в трубе водомета.

По сравнению с открытым расположением гребного винта, применение туннеля позволяет уменьшить габаритную осадку, т. е. повысить проходимость катера, и обеспечить более надежную защиту винта корпусом судна. Гребной вал может быть установлен с меньшим углом наклона по отношению к основной плоскости, что несколько улучшает условия работы винта. На глиссирующих катерах отгиб свода туннеля вниз у транца, создающий гидродинамический дифферентующий момент на нос, позволяет применять более кормовую центровку. Однако скорость туннельного катера всегда будет несколько ниже, чем аналогичного катера с открытым винтом. Дело в том, что сопротивление движению у катера с туннелем обычно на 10—15% больше, чем катера без туннеля. Почему это происходит? В районе туннеля увеличивается скорость и изменяется направление потока воды, обтекающего корпус; при этом давление в корме понижается, и в результате появляется дополнительная сила сопротивления воды (сопротивление формы туннеля). Кроме того, смоченная поверхность туннеля всегда больше, чем плоского днища на этом же участке, что приводит к неизбежному увеличению сопротивления трения.


На глиссирующих катерах добавляется действие еще одного фактора: площадь проекции туннеля на днище как бы исключается из площади несущей — глиссирующей пластины (это может существенно снизить гидродинамическое качество казалось бы оптимально спроектированного катера).

Следует также учитывать, что из-за большей крутизны обводов (по ба-токсам) перед гребным винтом в туннеле возникает дополнительное разрежение — сила засасывания, на преодоление которой тратится дополнительная часть упора гребного винта (для рекомендуемых в этой статье туннелей — около 3% упора). Наконец, изготовить туннельное днище труднее, чем плоское.

И, тем не менее, туннельные обводы находят применение, и при этом не только при проектировании катеров с малой габаритной осадкой. Например, благодаря возможности сдвинуть двигатель на туннельном катере ближе к корме (учитывая малый наклон гребного вала и положение его по высоте) удается лучше использовать полезные объемы внутренних помещений, снизить шумность в носовой рубке. Примером применения рассматриваемой схемы может служить водометный катер «Аист» (см. №30 сборника).

Обводы туннеля катера определяются следующими главными факторами: расположением двигателя относительно туннеля; местом расположения гребного винта и его диаметром; лимитированной осадкой катера; наличием, расположением и формой рулей, насадок или полунасадок; относительной скоростью катера.

Чем дальше от транца расположен двигатель, тем более плавным можно сделать подток воды к гребному винту, что положительно сказывается на работе винта и уменьшает сопротивление воды движению. Если двигатель расположен слишком близко к транцу, подъем батоксов становится очень крутым, что крайне нежелательно. В случае конструктивной необходимости такого расположения двигателя для уменьшения потерь туннель рекомендуется выполнять как бы получающимся при соединении двух сходящихся к ДП «носовых» туннелей (пример такой довольно сложной профилировки днища показан на одном из приводимых эскизов). При относительно небольшой, по сравнению с D_B, ширине корпуса на тихоходных катерах может быть сделана плоская кормовая часть днища со скругленными отгибами скул, опущенных ниже КВЛ.

Положение гребного винта по длине катера определяет обводы туннеля в сечении по ДП; высота туннеля жестко обусловлена заданными осадкой катера и диаметром гребного винта.


Кормовая часть корпуса должна иметь форму, предохраняющую винт от просасывания воздуха (нижние кромки бортов обязательно должны пересекать поверхность воды).

Ширина туннеля зависит в основном от наличия в кем рулей, насадок или полунасадок. Широкий туннель необходим, если, например, за гребным винтом расположены параллельно два руля; его можно сделать с наклоненными к ДП боковыми стенками, которые наверху плавно переходят в свод. При применении полунасадки ширина туннеля практически становится равной диаметру винта. При размещении одного руля прямо за гребным винтом ширина туннеля составляет 1,3—1,4 D_B. В случае применения поворотной насадки (которая на тихоходном катере дает повышение к. п. д. гребного винта) можно принимать среднюю ширину туннеля в пределах 1,6—1,8 D_B; такое широкое сечение улучшает подток воды к насадке и обеспечивает возможность ее поворота.

Относительная скорость катера сказывается на характере обтекания кормовой части его днища. При меньших скоростях допустимо проектировать туннель коротким и с более крутыми батоксами; у быстроходных глиссирующих катеров в таком коротком туннеле будут наблюдаться срыв потока и недостаточное заполнение туннеля водой.

Несколько рекомендаций по построению теоретического чертежа.

Обратимся к схеме основных параметров туннеля. Самая верхняя точка туннеля A располагается в месте установки гребного винта; она может возвышаться над КВЛ не более, чем на 5—10% осадки катера. Точку пересечения линии свода туннеля в ДП с килевой линией (на схеме точка В) желательно отнести вперед от диска винта; на 5 высот туннеля Н_Т. Точка пересечения линии свода туннеля в ДП с транцем (точка С) обычно располагается ниже КВЛ на 3—5% осадки катера. По этим трем точкам плавно проводите кривую, избегая резких перегибов и сломов. При этом касательная, проведенная в верхней точке свода туннеля (над лопастью винта), должна быть параллельна линии вала. Сопряжение кривой с линией киля делается по достаточно большому радиусу, чтобы получился плавный вход потока в туннель. Величину радиуса R следует принимать в пределах 0,8—1,0 L_T.

Поперечная форма туннеля задается прежде всего сечением в плоскости расположения гребного винта. При наиболее распространенном варианте, когда за гребным винтом глиссирующего катера или катера, рассчитанного на движение в переходном режиме, расположен один руль в ДП, целесообразно цилиндрическое поперечное сечение с зазором между сводом туннеля и краем лопасти в пределах 0,15—0,20 D_B. При этом необходимо убедиться, что форма и положение руля позволяют перекладывать его на борт в пределах поперечного габарита туннеля. 3 случае применения полунасадки зазор между поверхностью туннеля и лопастью винта может быть уменьшен до 0,02—0,06 D_B.


На теоретическом чертеже туннельного катера характерной является линия пересечения поверхности туннеля с обшивкой корпуса (линия D). Эту линию следует рассматривать как теоретическую, так как острые кромки здесь недопустимы. Скругление необходимо выполнять по радиусу, изменяющемуся от 0,8÷1,0 В_T в носовой части туннеля до 0,02÷0,04 В_T на транце.

В плане линии D должны идти параллельно ДП или расходиться к носу на величину не более 5% своей длины.

Туннель может быть выполнен совместно с корпусом или в виде отдельного конструктивного элемента с последующим его монтажом на корпусе. На металлических катерах обшивку туннеля обычно штампуют вхолодную или выколачивают на пуансоне (болване) в горячем состоянии. На катерах с реечной или фанерной обшивкой туннель легче всего изготовить отдельно и из другого материала — стеклопластика. Пуансон для формования туннеля из стеклопластика можно изготовить, например, из пенопласта. В нем надо предусмотреть высадки для лапы кронштейна гребного вала и фланец руля. Туннель крепится к обшивке корпуса болтами или шурупами через фланец.

Туннельные образования стеклопластиковых, стеклоцементных и армоцементных катеров получаются в процессе формования корпуса.