Сега мисля да говоря за профила на сечението на лопатката, за неговото влияние върху поведението на гребния винт, за Приплъзването (Slip) и за ъгъла на атака, което неизбежно ще доведе до споменаването на няколко думи за ефекта Кавитация. Паралелно с това мисля да продължа с геометричните построения направени досега и да онагледя обясненията за профила на сечението, като придам обемна форма на нашия простичък оранжев винт, построявайки задната му повърхнина. Накрая ще спомена с няколко думи за влиянието на Наклона (Rake) и изкривяването (Skew) на лопатките, върху ефективността на корабния винт.
Отново привиквам на помощ 3D-модела, който в предишната публикация започна леко вече да наподобява корабен винт. Сега мисля да го пресека с един цилиндър с произволен диаметър. Както може би се досещате, пресечните линии между въпросния цилиндър и трите лопатки на нашия стилизиран винт са части от три еднакви винтови линии, чиято стъпка е равна на стъпката на винта. Взимам една от тях и я продължавам, докато направи цял оборот. После свързвам началната и крайната й точки с линия, перпендикулярно на която начертавам окръжност с център, лежащ на оста на винтовата линия. Какво се получи – отново свит правоъгълен триъгълник:
Още в самото начало писах, че по-късно ще ми се наложи отново да прибегна до примера с триъгълника. Този момент най-после настъпи, защото сега мисля да използвам хипотенузата на триъгълника, за да начертая върху нея едно произволно сечение на лопатка от корабен винт. Нашият примерен винт няма дебелина, защото лопатката му е построена само от една винтова повърхнина и нищо повече, затова сечението му е една винтова линия, която ще разгледам като права отсечка, лежаща върху хипотенузата на неколкократно споменатия правоъгълен триъгълник. Използвайки тази отсечка, ще нарисувам как би изглеждало сечението на един винт, чиято дебелина не е равна на 0, каквито, между другото, са всички действащи корабни винтове. Ето какво имам предвид:
Всичко това с триъгълника и разгъвките, го направих единствено за опростяване на задачата, за да мога да я разгледам в една равнина. Сега можем да кажем, че нашето сечение не се движи по винтова линия, а просто се „катери” по някакъв наклон. Какъв обаче е този наклон? Да предположим, че това е наклонът на хипотенузата. Това би означавало, че нашият винт се премества за един оборот точно толкова, колкото е неговата стъпка, т.е. без приплъзване. Кое обаче би го накарало да се движи във водата без приплъзване? Водата не е дървена дъска, в която навиваме винт с отвертката. Водата е флуид, затова и сечението на лопатката е изпъкнало от едната страна и леко наподобява крило на самолет, точно защото е предвидено да се движи във флуид а не в твърдо тяло. Ако продължа да твърдя, че профилът от горната картинка се движи по линията на хипотенузата, това би означавало, че водата го обтича под ъгъл на атака равен на 0, а когато ъгълът на обтичане на криловиден профил е равен на 0, то неговата подемна сила също би била равна на 0. Е, кое тогава кара винта да напредва във водата? Отговорът е в приплъзването. Ето една картинка, на която графично е изобразено, как влияе приплъзването на ъгъла на атака и на силата на тягата:
След като изяснихме влиянието на приплъзването, можем да се спрем по-подробно на видовете профили. Този горе е т.нар. криловиден профил (airfoil shape). За неговата форма има утвърден стандарт и може да бъде построен много прецизно използвайки формулите за т.нар. NACA airfoils. При корабните винтове се среща също така и симетрично изпъкнал профил (ogival shape), а може би най-често срещаните винтове са с комбиниран профил, т.е от основата си, до към 40% от радиуса лопатката има криловидно сечение, чиято максимална дебелина е на около една трета от дължината на сечението, измерено откъм атакуващия ръб, а в останалата част профилът е симетричен, с максимална дебелина точно по средата на сечението. Криловидният профил, като цяло е по-ефективен, но при него се получава един рязко изразен пик на подналягането откъм задната страна, в зоната малко след атакуващия ръб, което би могло да доведе до кавитация и съответно до интензивно износване на винта в споменатата зона. Като цяло стремежът, при конструирането на бавнооборотни винтове за водоизместващи плавателни съдове е ефектът кавитация да бъде избегнат или поне минимизиран. Що е то Кавитация? При достигане на критично ниско за даден флуид налягане, разтворените в него газове започват да се освобождават във вид на балончета, които хаотично се блъскат в задната повърхнина на винта и буквално я изгризват. Освен до износване, кавитацията води и до увеличаване на шума и вибрациите на винта.
В духа на горенаписаното мисля, че дойде време да обърна внимание и на формата на контура на лопатката. Тук влияние оказват параметрите Изкривяване (Skew) и Площ на лопатките (Blade Area). Последното се среща по-често като дисково отношение (Disc Area Ratio - DAR), което представлява общата площ на работните повърхнини на лопатките, отнесена към площта на кръгъл диск с диаметър равен на диаметъра на гребния винт. Теоритично тягата на даден гребен винт не зависи от площта на неговите лопатки, следователно колкото по-малка площ имат лопатките, толкова по-голямо е диференциалното налягане, което формира силата на тягата. Оттук следва, че и подналягането от задната страна на винта е по-голямо, което би могло в даден момент да доведе до появяване на кавитация. Тягата не зависи от площта, но ефективността се влияе от нея. Поприцип, колкото по тясна е лопатката, толкова по ефективна е тя, но съответно трябва да понесе много по-големи разлики в налягането, затова стремежът е лопатките да се правят доволно широки, освен ако няма някакви конкретни причини да бъдат тесни. Например стационарните винтове за ветроходни лодки е много по-добре да бъдат тесни, за да имат по-малко съпротивление, когато лодката се движи под ветрила. По-горе писах, че обикновено профилът на винта в основата на лопатките му е криловиден, а по-периферията – симетричен, което се прави за да се избегне появяването на кавитация. Всъщност, колкото по-далеч от центъра на винта се намира дадено сечение на лопатката, толкова по-ефективно е то, защото периферната му скорост се увеличава, пък и водната струя е „по-чиста”, т.е. не е повлияна от обтичането на гребния вал и главината на винта. Именно затова с отдалечаването от центъра се повишава и възможността за поява на кавитация, ето защо там сечението обикновено е симетрично, за да се избегнат големи пикове на подналягането. Един средностатистически 3-лопатков винт има коефициент на запълване (DAR) около 50% от площта на кръг със същия диаметър, а максималната широчина на лопатките му е на около 60% от радиуса. Атакуващият ръб на лопатките на въпросния средностатистически винт е с елиптична форма и е съвсем симетричен на изходящия ръб, което ще рече че контурът няма изкривяване (Skew). Изкривяването не повишава ефективността на винта, но спомага за намаляване на вибрациите и въобще на общия шум създаван от въртящия се винт. Винтове с изкривяване са за предпочитане при лодки, чиито гребни валове са разположени в ясно изразени, масивни скегове, които нарушават струята на водата в горната част, пред гребния винт. В този случай отделните сечения на лопатката навлизат последователно в деформираната от скега водна струя и я преодоляват по-плавно, докато лопатка без изкривяване би навлязла във въпросната струя много по-рязко.
За да направя оранжевия винт още по-красив, мисля да му построя задни повърхнини на лопатките и по този начин да му придам повече обем, както се казваше в една реклама за шампоан. Въпреки, че моят винт не страда от пърхот, мисля да спазя девиза от рекламата и да го „напълня с обем”, като направя няколко сечения подобни на това с което започнах тази статия и да начертая в тях съответните профили на задната повърхнина. Както писах по-горе, профилът в основата ще бъде криловиден, а към 30-40% процента от радиуса ще премине в симетричен. Колко дебели да бъдат лопатките? Лопатката е най-дебела в основата си и до върха равномерно изтънява. В общия случай максималната дебелина на лопатката е равна на около 4-5% от диаметъра на винта, но що се отнася до сгъваемите винтове, това не е така, по ред причини. По късно ще говоря, за определянето на дебелината на лопатката на сгъваем винт, а сега ще си довърша стилизирания винт, като го направя толкова дебел в основата, колкото намеря за добре. Резултатът не е убийствено добър, но все пак изглежда симпатичен, още повече след като му „придадох” обем и на главината:
Като се замисля, винтът от картинката си е направо чудесен и доста прилича на средностатистическия – максималната широчина на лопатките му е на 50% от радиуса, контурите на атакуващия и изходящия ръбове са симетрични и имат елиптична форма, сечението му преминава от криловидно в основата, към симетрично на върха, а коефициентът на запълване му е около 40%. Това, за което остана да пиша в тази публикация, е наклонът на лопатките (Rake) – средностатистическият винт няма наклон, а и нашият оранжев винт също няма. Има обаче случаи, когато лопатките на даден винт са наклонени напред или назад. Когато наклонът е назад, т.е. към кърмата на лодката, той се нарича положителен, а когато е напред, т.е. към носа, се нарича отрицателен. Отрицателен наклон имат някои много високоскоростни винтове или такива подложени на много големи натоварвания, а наклонът напред спомага за повишаване здравината на лопатките. Положителният наклон е по-често срещан от отрицателния, той обикновено се прави с цел повишаване площта на лопатките, без увеличаване на тяхната широчина или диаметър, а също така, накланяйки лопатката назад, нейния връх се отдалечава от корпуса на лодката, чиито обводи в кърмовата част обикновено вървят все по-нагоре. Винтове с положителен наклон се монтират също и на лодки, чиито гребен вал е разположен прекалено близо до повърхността, тогава наклонената назад лопатка има по-малка склонност да загребва въздух от правата.
