SFW - приколы, юмор, девки, дтп, машины, фото знаменитостей и многое другое. Что нужно знать о гребном винте Винтовые корабли

Выбор геометрических характеристик, числа винтов и направления их вращения. Для морских транспортных судов обычно КПД винта увеличивается с ростом его диаметра. Это объясняется снижением коэффициента нагрузки при фиксированных значениях упора и скорости движения. Поэтому диаметр винта выбирают максимально возможным из условия его размещения в кормовой оконечности судна. В первом приближении для винта в ДП судна можно принимать D = (0,680,75)Т, для бортового, при двухвальной установке, D = (0,62 0,70) Т, где Т -- осадка судна.

При выборе числа лопастей гребного винта руководствуются соображениями, чтобы лопастная и удвоенная лопастная частоты не совпадали с собственными частотами первых трех тонов колебаний корпуса и основных его конструкций. В этом, случае удается избежать интенсивной вибрации корпуса, вызываемой работой гребного винта. Если информация об указанных частотах отсутствует, для винтов в ДП принимают Z p 4, а для бортовых в зависимости от нагрузки: при K dt >2 (или K nt >1), что соответствует слабонагруженным винтам, берут Z p = 3, для меньших значений этих коэффициентов

Zp = 4. Необоснованное увеличение Zp нерационально по двум причинам: возрастает трудоемкость изготовления винта и несколько снижается его КПД. Последнее обстоятельство имеет место в связи с тем, что для обеспечения равного запаса на кавитацию увеличение числа лопастей влечет за собой и увеличение дискового отношения.

Относительная толщина лопасти в самом широком месте (г = 0,6 - 0,7) не должна превышать предельного значения б mах, до которого КПД еще имеет приемлемое значение. При соблюдении этого условия минимальное дисковое отношение обеспечивающее прочность винт

где d H , D -- диаметр ступицы и винта соответственно, м; бmах =0,080,09; m-коэффициент, учитывающий условия работы винта (m=-1,15 для транспортных судов; m=1,5 для буксиров, m = 1,75 для судов ледового плавания, m = 2,0 для ледоколов); Т -- упор винта, кН; [у] --допускаемые напряжения, для винтов транспортных судов можно принимать [у] =6·10 4 кПа.

Увеличение дискового отношения приводит к падению КПД. Поэтому его выбирают так, чтобы выполнить требования обеспечения прочности (20.1) и отсутствия вредных последствий кавитации (19.24). Как правило, у гребных винтов транспортных судов определяющим является последнее.

Пропульсивный коэффициент винта в ДП обычно больше, чем при бортовом расположении. В связи с этим одновальной установке следует отдать предпочтение перед многовальной. В пользу последней, однако, говорит повышенные живучесть и маневренность, возможность осуществления парциальных режимов.

При выборе количества винтов определяющими могут стать и следующие обстоятельства: наличие подходящих двигателей, возможность их рационального размещения в корпусе, первоначальная стоимость установки и ее эксплуатации.

Что касается морских транспортных судов, то тут превалируют соображения экономического характера, поэтому большинство из них -- одновальные. Исключение составляют крупные быстроходные суда: пассажирские и грузовые лайнеры и др. Необходимая мощность может оказаться слишком велика, чтобы ее можно было получить в одном агрегате либо эффективно переработать одним винтом.

Направление вращения гребного винта не сказывается на его эффективности. Для одновинтовых судов оно определяется устанавливаемым двигателем. Бортовые винты должны вращаться в противоположные стороны во избежание уваливания судна с прямого курса. При этом считается, что во избежание попадания плавающих предметов между корпусом и винтами вращение последних должно быть наружным, т. е. лопасти в верхнем положении должны двигаться от корпуса.

Подбор гребных винтов по диаграммам. Проектирование гребных винтов транспортных судов, как правило, сводится к выбору оптимального винта. При этом он должен обладать необходимой прочностью и удовлетворять условию отсутствия негативных последствий кавитации. В случае, когда требуется обеспечить судну заданную скорость, оптимальность винта означает минимальную мощность механической установки. Если заданы характеристики двигателя, оптимальный винт позволяет судну двигаться с наибольшей скоростью.

Все задачи, связанные с проектированием гребного винта, в том числе и оптимального, эффективно могут решаться с помощью диаграмм для расчета гребных винтов. Исходной информацией при этом являются известные геометрические элементы гребного винта: D max , Z p , A e /A q и характеристики взаимодействия W T , t, i Q . Практически все многообразие заданий на проектирование гребных винтов можно свести к четырем основным типам, для каждого из которых используется своя расчетная схема.

Схема I. Заданы: скорость судна и; расчетное сопротивление R, диаметр винта D. Оптимальный гребной винт находится с помощью коэффициента задания K dt (см. (18.8)), вычисляемого с учетом того, что винт работает за корпусом судна:

На диаграмме, соответствующей элементам задания А е /А 0 , Z p на линии K bt opt находят точку, отвечающую рассчитанному значению (20.2) этого коэффициента, снимают величины P/D, J, Кт, з 0 . Искомые значения оптимальной частоты вращения двигателя и его мощности P S находятся по очевидным формулам:

где з D =з н з 0 -- пропульсивный коэффициент; з s - КПД передачи мощности.

Потери энергии в валопроводе зависят от его длины (МО в середине, в корме, промежуточное положение) и составляют (1-3) %. Соответственно при прямой передаче мощности: двигатель--вал--движитель з s - 0,99 - 0,97. Наличие дополнительного звена -- механического редуктора либо гидромуфты -- увеличивает потери мощности, при этом з s= 0,940,96. Еще меньшие значения КПД имеют место при электрической (дизель-генератор--электродвигатель--вал--винт) передаче мощности: з s = 0,880,90.

Использование коэффициента K dt фактически означает задание коэффициента нагрузки, а вместе с ним и предела коэффициента полезного действия з 0 , что ограничивает возможности оптимизации винта. Поэтому часто ту же задачу решают с помощью коэффициента задания K nt .

Схема 2. Исходные величины те же, что и в схеме 1. Задавая ряд значений частоты вращения винта п, для каждой из них с учетом взаимодействия винта и корпуса определяют

находят на линии K nt opt диаграммы соответствующую точку, снимают относительную поступь J, а затем ее корректируют:

Указанная корректировка необходима для учета влияния корпуса: в связи с тем, что t(J) максимумы функций з 0 (J) и з D (J) не совпадают, т. е. диаметр оптимального винта в свободной воде и за корпусом не одинаковы. Корректировка поступи фактически означает корректировку оптимального диаметра.

Для гребных винтов в ДП б =1,05, для бортовых винтов, где влияние корпуса слабее, б=1,03. Последовательность дальнейших расчетов: J" Dopt Кт P/D з 0 P s ; их удобнее выполнять в табличной форме.

По результатам расчетов строят графические зависимости Ps(n) и Dopt(n), а затем выбирают гребной винт, обеспечивающий P s min. Очевидно, что практический интерес представляют только те варианты, при которых Dopt < Dmax. Для винтов транспортных судов обычно искомый вариант P S min соответствует максимальной величине диаметра.

Пример реализации указанной схемы расчета оптимального гребного винта -- см. в таблицу 22.2. Схема 3. Заданы R, v, D и n. Находят значения К т и J (с учетом взаимодействия), которые однозначно определяют координаты точки, соответствующей искомому винту. С диаграммы снимаются величины P/D, з 0 затем рассчитывают мощность механической установки P s .

Рассматриваемая схема исключает любые вариации, полученный гребной винт не является оптимальным.

В приведенных выше схемах заданы характеристики корпуса -- скорость и сопротивление, а искомой является мощность двигателя. Для решения таких задач и предназначены корпусные диаграммы.

В том случае, когда задаются характеристики двигателя, логичнее было бы использовать машинные диаграммы. Однако и эти задачи могут столь же эффективно решаться с помощью корпусных диаграмм.

Схема 4. Исходные данные: зависимость сопротивления судна от скорости R(v) и характеристики главной механической установки Ps, n.

В районе предполагаемой скорости задаются несколькими ее значениями и для каждого из них рассчитывают коэффициент задания Кот. Дальнейший расчет идентичен таковому в схеме 2. Построив по его данным зависимости Ps (v), D(v) и P/D = f(v), находят искомые характеристики винта в точке, где мощность равна заданной P s (v) =Р s зад. В этом варианте предполагается, что диаметр винта не ограничен. В наиболее интересном с практической точки зрения случае диаметр винта всегда имеет верхний предел D max . Тогда для скоростей, при которых Dopt Dmax, расчет ведется по схеме 2, а при Dopt > Dmax -- по схеме 3. В последнем случае принимают D = D max и выбранный винт, строго говоря, уже не будет оптимальным.

Пример такого расчета -- см. в таблице 22.3, в первых четырех столбцах которой Dopt < Dmax и принимается D = Dopt, а в пятом Dopt > Dmax, в связи с чем принято D=Dmax. В последнем случае КПД винта мало отличается от з 0max , поскольку невелики и различия в Dopt и Dmax. Однако, если ограничение диаметра винта при заданных характеристиках двигателя (P s , n) приводит к существенному снижению пропульсивного коэффициента, то решается вопрос о редукции частоты вращения. Такая ситуация возможна, когда по каким-либо причинам не удается подобрать подходящий двигатель. В этом случае расчет винта можно вести по схеме I для нескольких скоростей движения.

Обычно проектирование гребного винта выполняется в несколько этапов. На первом определяются основные геометрические параметры (D, A E /A 0 , Z p) и коэффициенты взаимодействия винтаи корпуса (Wt, t, i q). Далее рассчитывают гребной винт, обеспечивающий заданному судну заданную скорость (схемы 1 или 2) и находят необходимые для этого характеристики (P s , n) главной механической установки. Затем выбирают двигатель, мощность и частота вращения которого в наибольшей степени отвечают требуемым. На заключительном этапе рассчитывают гребной винт, обеспечивающий проектируемому судну с выбранным двигателем максимальную достижимую скорость.

Для подбора двигателя можно пользоваться каталогами отечественных и зарубежных фирм, а также таблица 20.1, где приведены основные характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей, выпускаемых консорциумом «МАН-Бурмейстер и Вайн». ДВС этой фирмы широко применяют на отечественных судах.

Расчет гребного винта с использованием вихревой теории. Проектирование гребных винтов с помощью диаграмм имеет и недостатки: выбирается оптимальный винт в пределах рассматриваемой серии, не учитывается неравномерность поля скоростей за корпусом судна. В связи с первым обстоятельством не гарантировано получение максимально возможного КПД, второе может привести к повышенной виброактивности гребного винта и его неудовлетворительным кави-тационным качествам. Последнее особенно важно для винтов быстроходных судов. Указанных недостатков можно избежать, используя вихревую теорию гребного винта. В ее основе -- вихревая теория крыла, в которой воздействие крыла на окружающую жидкость заменяется воздействием эквивалентного вихря. Из курса гидромеханики известно, что крыло бесконечного размаха с неизменной хордой может быть заменено присоединенным вихрем, имеющим такую же циркуляцию. Крыло конечного размаха заменяется П-образным вихрем постоянной циркуляции, состоящим, из присоединенного (в пределах крыла) вихря и двух свободных, распространяющихся в бесконечность по направлению скорости набегающего потока. Если хорда не постоянна по размаху крыла, оно заменяется присоединенным вихрем переменной циркуляции, а сбегающие с каждой его точки свободные вихри образуют вихревую пелену. И, наконец, крыло можно заменить системой присоединенных вихрей переменной циркуляции. Последняя схема в наибольшей степени подходит для широких крыльев сложной формы.

Указанные операции преследуют одну цель -- с помощью теоремы Био-Савара определить вызванные свободными вихрями скорости в любой точке потока. Эти скорости направлены по нормали к скорости набегающего потока. Они приводят к уменьшению угла атаки -- скосу потока, что влечет за собой снижение подъемной силы крыла и увеличение его сопротивления. Таким образом, задача определения сил, действующих на крыло конечного размаха, практически сводится к нахождению вызванных свободными вихрями скоростей. Лопасти те же крылья малого удлинения, следовательно, вихревая теория может с успехом применяться и для расчета гребного винта. Впервые эта идея была высказана в начале нашего века Н. Е. Жуковским, который считается родоначальником вихревой теории гребного винта. С ее помощью решаются обе задачи: прямая -- поверочный и обратная -- проектировочный расчет гребного винта. В обоих случаях учитываются индивидуальные особенности поля скоростей за корпусом судна.

Таблица 20.1 Характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей (МОД)

Примечания: 1. Двигатели типа ДКРН -- двухтактные крейцкопфные, с газотурбонаддувом, цифры за буквенным обозначением означают диаметр цилиндра и ход поршня, см.

• 2. В таблице приведены номинальные значения мощности Р зи и частоты вращения п н.
• 3. Пример записи характеристик 12-цилиндрового двигателя: 12 ДКРН 90/292, P SH =34 900 кВт, п н =58 об/мин.

Условие оптимальности винта при его проектировочном расчете-- достижение наивысшего пропульсивного коэффициента при выполнении требований задания и отсутствии вредных последствий кавитации. Другими словами, проектируется гребной винт, приспособленный к заданному попутному потоку. В результате такого расчета получают геометрические характеристики гребного винта -- распределение относительной кривизны профиля лопасти и шагового отношения по радиусу: и

Результатом поверочного расчета является распределение нагрузки по радиусу винта заданной геометрии в функции от его режима работы, относительной поступи:

В свою очередь эти зависимости позволяют найти силы, действующие на отдельные лопасти:

и на винт в целом:

Выражение (20.6) учитывает, что в общем случае при работе в неравномерном поле скоростей упоры и моменты, создаваемые отдельными лопастями, не одинаковы.

Рассчитав упор и момент для различных фиксированных значений относительной поступи винта, можно получить его ГДХ в свободной воде.

Поверочный расчет гребного винта широко используется при анализе его прочности, проверке на кавитацию, при изучении периодических усилий, возникающих на лопастях в неравномерном поле скоростей.

Ледовые гребные винты и их особенности. К гребным винтам ледоколов и судов активного ледового плавания предъявляются следующие специфические требования: высокая прочность, обеспечивающая работу в ледовых условиях, достаточная эффективность при движении передним и задним ходом с малыми скоростями, т. е. на режимах, близких к швартовному. Желательно, чтобы винты имели съемные лопасти, замена которых в случае поломки могла осуществляться судовыми средствами. В отечественной практике широкое применение находят ледовые гребные винты, разработанные М. А. Игнатьевым. Эти винты имеют четыре лопасти -- поломка одной изкрупные льдины. Контур спрямленной поверхности имеет симметричную форму, профиль сечения лопасти двояковыпуклый, обеспечивающий прочность и достаточную эффективность на заднем ходу. Увеличенный диаметр ступицы dн = 0,28 позволяет устанавливать съемные лопасти. На основании испытания серии моделей М. А. Игнатьевым были созданы расчетные диаграммы для проектирования гребных винтов ледоколов (Z p = 4; А е /А 0 =0,5; P/D = 0,41,2), которые можно найти в специальной литературе.

При проектировании гребных винтов ледоколов их элементы выбирают таким образом, чтобы в расчетном режиме можно было обеспечить максимальный упор на единицу мощности главной механической установки. В качестве расчетного обычно принимают режим движения в тяжелых либо предельных льдах с малой скоростью.

При заданных мощности двигателя и диаметре гребного винта максимальный удельный упор достигается при условии

Тогда выбор ледового винта сводится к построению по данным диаграммы зависимости q = f(P/D) при расчетном значении относительной поступи. Максимум этой функции будет соответствовать оптимальному с указанных позиций шаговому отношению. Для ледовых винтов расчетная поступь лежит в пределах J = 00,2, оптимальное шаговое отношение при этом составляет P/D = 0,700,80.

Диаметр винта ледокола выбирают максимально возможным, при этом максимален должен быть и удельный упор. Однако практика позволила выработать рекомендации: чтобы уменьшить вероятность взаимодействия гребного винта с плавающими на поверхности воды крупными льдинами, его ось должна быть достаточно заглублена, что возможно при условии, когда диаметр не превышает (55--60) % осадки.

Большая подводимая к ледовому винту мощность, повышенная толщина лопасти, малые значения относительной поступи на рабочих режимах -- все это способствует возникновению кавитации. Основной способ ее отделения -- увеличение дискового отношения.

При работе во льдах существенно изменяются ГДХ гребного винта: упор падает, момент возрастает, заметно снижается КПД. Достоверная оценка этих изменений -- одна из проблем, возникающих при расчете ледовых гребных винтов. Проектирование осложняет и то обстоятельство, что практически не существует систематических данных о взаимодействии гребного винта и корпуса в водно-ледяном потоке.

Гребные винты для судов активного ледового плавания занимают промежуточное положение между винтами транспортных судов и ледоколов.

Сегодня на ледоколах в основном используются винты фиксированного шага (ВФШ). Лучшим приводом в этом случае является гребной электродвигатель, обеспечивающий значительное повышение момента на валу при взаимодействии винта со льдом и тем самым снижающий вероятность заклинки винта. Кроме того, электродвигатель уменьшает время реверса, повышает маневренность судна. Поэтому, даже несмотря на довольно высокие потери мощности в передаче, электродвижение находит широкое распространение на ледоколах и судах активного ледового плавания.

В последнее время наблюдается тенденция использования на этих судах ВРШ, в том числе и в насадках. Применение таких винтов в сочетании с двигателем внутреннего сгорания или турбиной снизит потери энергии в передаче. Насадка обеспечивает повышение упора на швартовах, управление лопастями-- достаточную маневренность. Однако подобная пропульсивная установка имеет и ряд существенных недостатков: обломки льда, попадая в насадку, приводят к резкому усилению вибрации кормовой оконечности; начальная стоимость, эксплуатация и ремонт в случае поломки ВРШ существенно выше, чем у ВФШ,

Прочность гребных винтов. Лопасть представляет собой винтообразной формы оболочку, имеющую переменную вдоль радиуса ширину, толщину и кривизну. Ее можно рассматривать как консольную балку, жестко заделанную в корневом сечении. Под действием внешних нагрузок: упора, сопротивления вращению, центробежных сил -- лопасть подвергается кручению, изгибу, растяжению, т. е. испытывает сложное напряженное состояние. них представляет не слишком большую опасность, а в межлопастное пространство не могут попасть

Расчет прочности лопасти, как обычно, включает три задачи: определение внешних сил и внутренних напряжений, назначение обоснованного запаса прочности.

Внешние силы обычно разделяют на две категории: стационарные и периодические, возникающие в основном вследствие неравномерности поля скоростей.

На сегодняшний день проблему определения внешних сил можно считать практически решенной. Для гребного винта заданной геометрии, работающего в заданном поле скоростей, поверочный расчет позволяет определить как средние, так и амплитудные значениях всех перечисленных выше видов нагрузок, действующих на лопасть.

Несколько сложнее обстоит дело с определением сил внутренних, однако для винтов с не слишком большим дисковым отношением существуют достаточно надежные способы расчета этих напряжений.

Расчеты, выполненные для гребных винтов транспортных судов, показыва...

В заключение отметим, что точное определение напряжений в лопастях в различных условиях эксплуатации (реверс, движение на волнении и др.) пока еще не всегда возможно. Это компенсируется значительными запасами прочности, вводимыми при назначении допускаемых напряжений.

На предварительных стадиях расчета винта для оценки его прочности можно использовать выражение (20.1).

Движители совершенствовались одновременно с появлением новых типов судов и кораблей.

весло

С появлением первых небольших лодок человек понял, что понадобиться средство, которое будет толкать его судно. Первоначально это были весла, которые посредством погружения их в воду и перемещения производили нужный эффект - лодка двигалась. Необходимость в скорости заставила древних кораблестроителей увеличить количество весел и гребцов. Яркий тому пример весельного судна - галера, имеющая длину до 12 метров, на каждом из 96 весел располагалось до шести гребцов из числа рабов или каботажников.

кочет

Весла бывают вальковые, парные и двухлопатковые. Их применяют на лодках, шлюпках и других плавательных средствах, как крайнее средство для движения. Во время гребли средняя часть весла вставляется в отверстие - кочет, где фиксируется и создает упор.

АКТИВНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

парус

Мы знаем, что на протяжении тысячелетий морякам был известен еще один тип движителя - парус. Это также древний и популярный вид движителя, который использует силу ветра. В основном паруса бывают двух типов: прямые - трапециевидной формы, расположенные симметрично относительно мачты, и косые - треугольной или трапециевидной формы, которые крепятся с одной стороны мачты.

Прямым называют вооружение, у которого прямые паруса главные (барк, баркентина).

Суда с косым вооружением называют те, у которых основными являются косые паруса (шхуна, иола, кеч и др.).

Яхты чаще всего оснащаются треугольными парусами, которые получили название «бермудские» паруса.

яхта с «бермудскими» парусами

Также существуют смешанное парусное оснащение, при котором используются паруса всех выше перечисленных типов.

судно со смешанным парусным вооружением

Еще одной разновидностью парусов, которые получили распространение в наше время, можно считать - воздушный змей. По сути это тоже парус, но несколько другой формы. В судоходной компании «Beluga Projects » такой тип движителя уже экономит их расходы на топливо коммерческих судов.

грузовое судно компании «Beluga Projects»

Вынужденные в поисках ветра постоянно посещать участки океана с развитыми штормовыми условиями, часто попадали в жестокие штормы и бури. Со временем техническое несовершенство сыграло свою роль, и дальнейшее увеличение размеров торговых судов уже не могло быть поддержано парусниками - они достигли своего максимума. На смену пришли другие технически более совершенные корабли, отвечающие запросам того времени, а стали кораблями-музеями.

РЕАКТИВНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

гребное колесо

колесный пароход, Ванкувер, Канада

На первых пароходах в качестве основного движителя кораблестроители начали использовать гребное колесо. Но это, пожалуй, самый неудачный из всех движителей. Из-за многочисленных недостатков гребного колеса, которыми были частые поломки, и низкая эффективность по причине «выскакивания» из воды при бортовой качке гребные колеса недобросовестно выполняли свои функции и заняли последнее место среди других типов движителей.

появление гребного винта

Идея создания совершенного и универсального движителя , как всегда была не нова, просто нужно было оказаться в нужном месте и нужное время. Таким человеком оказался Изамбард Брунель, которому, по моему мнению, судостроители обязаны, по сей день. Сквозь многочисленные мнения скептиков он, подробно изучив работу изобретения древнегреческого ученого Архимеда, создал гребной винт, работу которого продемонстрировал на пароходе «SS Great Britain ».

С той поры этот движитель получил самое большое распространение. Изготовленный из различных материалов, меняя количество и угол наклона лопастей, гребной винт совершенствовался и занял лидирующую позицию среди прочих движителей.

Итак, движителем называют устройство, преобразующее мощность от двигателя (источника энергии) в работу поступательного движения корабля или судна.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ ДЛЯ КОРАБЛЕЙ И СУДОВ

Различают движители активные : паруса, обеспечивающие движение судна за счет непосредственного воздействия силы, создаваемой источником энергии - ветра, и реактивные , создающие движущее усилие путем отбрасывания масс воды в сторону, противоположную перемещению корабля.

Последние подразделяются на лопастные (колесный, винтовой, плавниковый, крыльчатый ) и водопроточные (водометные и гидрореактивные ).

ЛОПАСТНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

Типичный гребной винт состоит из ступицы с расположенными на ней лопастями. В основе его работы лежит гидродинамическая сила, создаваемая разностью давлений на сторонах лопастей. Любое концентрическое сечение лопастей представляет собой элемент несущего крыла самолета. Поэтому при вращении винта на каждом элементе возникают такие же силы, как и на крыле.

принцип действия гребного винта

Поток, обтекающий выпуклую сторону лопасти (засасывающая сторона), слегка поджимается, и вследствие этого движение его ускоряется. Поток, обтекающий вогнутую сторону лопасти (нагнетающая сторона), встречая на своем пути препятствие, несколько замедляет скорость. В соответствии с законом Бернулли, на засасывающей стороне лопасти давление потока падает и возникает зона разрежения. В то же время на нагнетающей стороне лопасти, напротив, возникает зона увеличенного давления. В результате разности давлений на стороны лопасти образуется гидродинамическая сила. Вследствие длительных исследований было установлено, что основная часть гидродинамической силы около 70 процентов создается за счет разрежения на засасывающей стороне лопастей винта и только 30 процентов за счет давления на нагнетающей стороне лопастей. Проекция гидродинамической силы на ось гребного винта представляет собой упор винта. Эта сила воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее кораблю или судну.

Поскольку лопасти имеют винтообразную поверхность, при вращении винта вода не только отбрасывается назад, но и закручивается в сторону вращения лопастей. Между тем задача движителя - только отбрасывать воду, не вращая ее, создавая реактивный импульс - силу тяги. На закручивание потока и на преодоление сопротивления вращения винта в воде затрачивается значительная доля мощности, подводимой ему от двигателя. Поэтому коэффициент полезного действия гребного винта, равный отношению мощности, затраченной на создание тяги винта (полезная мощность), ко всей мощности, затраченной на вращение винта, всегда будет меньше единицы.

КПД гребных винтов колеблется в диапазоне 0,5 - 0,7. Верхний предел считается очень высоким и достижимым на малооборотных гребных винтах большого диаметра. Для высокооборотистых винтов небольшого диаметра КПД редко превышает 0,5.

Гребной винт всегда согласован с двигателем, в противном случае будет происходить бесцельная потеря мощности. Кроме того, встречаются нереверсивные двигатели, которые не способны изменять сторону вращения вала. В таких случаях существует гребной винт регулируемого шага . В его ступице располагается механизм, поворачивающий лопасти на заданный угол и удерживает их в таком положении. Поворот лопастей позволяет изменять тяговое усилие при постоянной частоте вращения гребного вала и наоборот, сохранять постоянное тяговое усилие при разных частотах вращения вала, а также вообще изменить направление упора (реверс) при неизменном направлении вращения гребного вала.

Для передачи большой мощности часто применяют двух- и трехвальные установки, а на некоторые большие корабли, например авианосцы, оснащены четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. Иногда применяются направляющие насадки, что при малой частоте вращения гребного винта обеспечивает прирост упора до шести процентов.

а) - гребной винт с неподвижными лопастями; б) - винт регулируемого шага; в) - гребной винт в насадке; г) - соосные гребные винты противоположного вращения;

азипод

рулевая колонка

Для повышения маневренности некоторых судов получили активное распространение универсальные движители, так называемые активные рули, получившие название «азипод ». Рулевая колонка типа «азипод » включает в себе небольшой гребной винт с собственным электрическим мотором. Вращаясь вокруг своей оси, винт создает упор и увеличивает тем самым вращающий момент, действующий на руль.

движитель типа «Азипод»

К сожалению, дороговизна конструкции ограничивает область применения движителей типа «азипод », но они оправдывают затраченные средства. Используются на ледоколах, современных круизных лайнерах, нефтедобывающих буровых платформах и других типах судов.

плавниковый движитель

плавниковый движитель

Для сохранения устойчивости корабля или судна судостроители оснащают свои «творения» небольшими килевидными стабилизаторами, выступающими с обеих сторон корпуса судна. По образу и подобию они похожи на плавники огромных китов, за что и получили соответствующую классификацию. Каждый из них имеет обтекаемую форму, благодаря которой рассекает волны, не замедляя ход корабля.Принцип действия очень прост - установленные под углом плавниковые движители производят тот же эффект, что и крылья самолета - либо погружают корпус судна глубже, либо поднимают его выше. Когда волны пытаются накренить корабль то в одну, то в другую сторону, килевидные стабилизаторы наклоняют корпус в противоположное направление крену. Это придает судну устойчивость даже при больших волнах.

крыльчатые движители

принцип действия крыльчатого движителя

Крыльчатые движители нашли применение, прежде всего в подруливающих устройствах. Они объединяют в себе функции движителя и руля и представляют собой ротор, установленный на одном уровне с днищем судна, и вращающийся вокруг вертикальной оси, по окружности которого на равных угловых расстояниях располагаются от 3 до 8 перпендикулярных к его поверхности лопастей, выполненных в виде крыльев. Вращаясь вместе с ротором, лопасти периодически поворачиваются вокруг своей собственной оси. Поворот лопастей производится так, что при каждом положении на ней создается сила, имеющая наибольшую проекцию в направлении движения судна. Это, достигается, когда условные перпендикулярные к хордам лопастей пересекаются в одной точке, являющейся центром управления. Перемещение центра управления вдоль оси, перпендикулярной к направлению движения корабля, изменяет величину и знак упора. Таким образом, крыльчатые движители обладают теми же свойствами, что и винт регулируемого шага. При произвольном перемещении центра управления в плоскости, параллельной плоскости ватерлинии, можно изменять направление вектора упора в пределах от 0 до 360 градусов. Для поворота лопастей и перемещения центра управления служит механический привод, расположенный в корпусе движителей и управляемый гидравлической системой.

крыльчатый движитель

По эффективности, а также по сложности и массогабаритным характеристикам крыльчатый движитель уступает гребным винтам, а потому используется в качестве эффективного подруливающего устройства.

Применяются на судах, к маневренности которых предъявляются повышенные требования (буксиры, рыболовные суда, тральщики и др.).

ВОДОПРОТОЧНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

водометный движитель

водометный движитель

Водометный движитель (водомёт) представляет собой рабочее колесо водяного насоса, помещенное в водопроточном канале, через который выбрасывается вода с увеличенной скоростью по оси движителя. К основным преимуществам подобных движителей относятся: хорошая защищённость от механических повреждений и возможность избежать кавитации, защищенность от плавающих на поверхности акватории предметов,меньший гидродинамический шум по сравнению с винтовыми движителями, что очень важно для подводных лодок. располагаются внутри или снаружи корпуса судна. Эффективность водомётного движителя зависит от формы водоводов, места расположения и конструкции водозаборников.

Применяются, как правило, на , работающих на мелководье, или служат в качестве подруливающего устройства для улучшения поворотливости судов.

движители насосного типа

движитель типа «pump-jet»

На субмаринах вообще стали применять новый тип движителя - pump-jet, что значит-движители насосного типа. Существуют две их разновидности:

-движитель насосного типа с предварительной закруткой - статор (основание насадки) расположен перед ротором;

-движитель насосного типа с последующей раскруткой, когда ротор расположен перед статором.

разновидности движителя насосного типа «pump jet»

1) - ротор; 2) - насадка; 3 - статор; 4) - основание насадки; 5) - статор-основание насадки;

Качества обоих типов движителей одинаковы, но движитель насосного типа с предварительной закруткой имеет лучшие кавитационные характеристики, хотя конструктивно более сложен.

гидрореактивный движитель

В гидрореактивном движителе для ускорения потока воды используется энергия сжатого воздуха или продуктов сгорания, подаваемых в водовод через сопло. Характерная особенность таких устройств - отсутствие валопровода и механического рабочего органа. Различают:

тепловые - прямоточные (пароводяная смесь образуется в камере, куда подается пар или горячий газ, создающий движущую силу);

пульсирующие (поршневого типа с пульсирующей газоводяной камерой сгорания, с реактивной газоводяной трубой взрывного типа и др.);

эжекционные и другие, использующие энергию холодного сжатого газа, ускоряющего поток водовоздушной смеси. Применяются в гражданском судостроении.

КАК ИЗГОТАВЛИВАЮТ ГРЕБНЫЕ ВИНТЫ

Самые большие гребные винты достигают высоты трехэтажного здания, а их изготовление требует уникальных навыков. Во времена, когда был создан винтовой пароход «SS Great Britain » на изготовление форм гребного винта уходило до 10 дней. Сегодня благодаря наличию компьютерных технологий автоматизированный манипулятор делает это за пару часов. Форма винта вводится в компьютер, и алмазное сверло на конце манипулятора вырезает из огромных пенопластовых блоков идеальную копию лопасти с точностью до 1 мм. Затем в готовую модель помещают смесь песка и цемента, чтобы получить точный оттиск. После того как бетон остынет, в форму, состоящую из двух половинок, соединяют вместе и заливают расплавленный до 3000 градусов металл.Гребной винт нельзя делать из чего-либо. Винт должен быть достаточно прочен, чтобы выдержать тысячи тонн давления и не подвергаться коррозии в соленой морской воде. Наиболее распространенными материалами для изготовления гребных винтов являются сталь, латунь и бронза. В последние годы для этой же цели стали применять пластмассы.

Сплав из цветных металлов для гребных винтов, получил название «куниал ». Он имеет прочность стали, но гораздо лучше противостоит коррозии. Куниал может находиться в воде десятилетиями, не ржавея при этом. Для придания сплаву предельной точности к 80 % меди необходимо добавить 5 % никеля и 5 % алюминия, а также 10 % других металлов. Переплавка осуществляется при температуре 3200 градусов.

Пройдя контроль качества, «коктейль» из расплавленных металлов заливается в форму. Чтобы избежать попаданий воздуха в структуру металл заливается ровной струей. Спустя два дня форма остывает. Затем лопасти высвобождают из формы.

Эффективность гребного винта зависит от гладкой и обтекаемой формы лопастей. Поверхность отлитой из формы детали неидеальна, и покрыта литейной коркой. Для определения толщины слоя применяется лазерный измеритель. После чего лишний слой удаляется с помощью резака из карбид-вольфрама. Затем гребной винт полируется до идеально гладкой поверхности, пока не будет составлять 1,6 микромиллиметра. В итоге поверхность приобретает гладкость стекла.

Гребной винт - изделие сугубо индивидуальное и для каждого современного судна или корабля должно иметь оптимальную форму, чтобы скользить и захватывать необходимое количество энергии, учитывая условия эксплуатации. Главная проблема всех гребных винтов - кавитация . Все дело в том, что под водой при их вращении на лопастях возникает область пониженного давления, в которой вода в буквальном смысле начинает закипать, даже при низких температурах. Поэтому движители испытывают на специальных стендах, где подбирают оптимальные параметры работы гребного винта, и проверяют правильный угол лопастей.

Как не печально, но невероятной красоты гребные винты обречены на тяжелый труд, скрытый от человеческих глаз под морскими волнами.Таким образом, из всех типов существующих движителей главенствующую роль занимает гребной винт , и пока нет оснований полагать, что в ближайшие годы для него найдется более эффективная замена.

Afrikaans Albanian Arabic Armenian Azerbaijani Basque Belarusian Bulgarian Catalan Chinese (Simplified) Chinese (Traditional) Croatian Czech Danish Detect language Dutch English Estonian Filipino Finnish French Galician Georgian German Greek Haitian Creole Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Irish Italian Japanese Korean Latin Latvian Lithuanian Macedonian Malay Maltese Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swahili Swedish Thai Turkish Ukrainian Urdu Vietnamese Welsh Yiddish ⇄ Afrikaans Albanian Arabic Armenian Azerbaijani Basque Belarusian Bulgarian Catalan Chinese (Simplified) Chinese (Traditional) Croatian Czech Danish Dutch English Estonian Filipino Finnish French Galician Georgian German Greek Haitian Creole Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Irish Italian Japanese Korean Latin Latvian Lithuanian Macedonian Malay Maltese Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swahili Swedish Thai Turkish Ukrainian Urdu Vietnamese Welsh Yiddish

English (auto-detected) » Russian

К важнейшим составным частям судовых энергетических установок относятся элементы передачи мощности. Под этим понимаются все элементы, участвующие в передаче крутящего момента от коленчатого вала или ротора в турбинах к гребному винту. Типовая дизельная энергетическая установка с двумя среднеоборотными дизелями показана на рисунке. Она включает в себя муфты, одноступенчатый редуктор, валопровод и гребной винт. В энергетических установках с малооборотными дизелями редуктор отсутствует, в турбинных и энергетических установках с высокооборотными дизелями ставят двух- и трехступенчатые редукторы. В дизель- и турбоэлектрических энергетических установках предусмотрены электродвигатели.

Дизель-редукторная энергетическая установка со среднеоборотными дизелями

1 - муфте; 2 - редуктор; 3 - валопровод; 4 - гребной винт

Муфта соединяет узлы, выполняющие вращательные движения. Муфта предназначена для передачи крутящего момента от ведущего вала к ведомому, а также для сглаживания незначительных продольных, радиальных, угловых отклонений и крутильных колебаний. В зависимости от конструкции, назначения и принципа действия различают жесткие (глухие), упругие, фрикционные, гидродинамические и электромагнитные муфты. В судовых установках встречаются все виды муфт в зависимости от типа, мощности и конструкции главного двигателя. В установках, не имеющих передаточных механизмов (например, в малооборотных дизелях), чаще всего применяют жесткие муфты (рис. а, b). Фланцы жесткой муфты в разогретом состоянии запрессованы на вал или на конус и дополнительно зафиксированы призматической шпонкой. В энергетических установках с редуктором связь между редуктором и двигателем, а также с валом гребного винта осуществляется со стороны двигателя чаще всего через соединительную муфту, а со стороны гребного винта - через разобщительную. На рис. е показана упругая муфта. Она состоит из двух оснований, соединенных между собой гибкими прокладками, изготовленными из специальной резины. Такие муфты винтами крепятся к фланцам вала. Они могут передавать моменты независимо от направления вращения. За счет гибких вкладышей возможно выравнивание при перекашивании валов относительно друг друга.

Работа гидродинамических муфт основывается на гидравлическом принципе, схематично показанном на рис. с. Это можно представить себе так: насос, приводимый в движение двигателем, отсасывает жидкость из резервуара, и нагнетает ее в турбину. Жидкость под определенным давлением протекает через лопатки турбины, приводя ее в движение, и затем течет обратно в резервуар. При одинаковых размерах роторов насоса и турбины агрегат работает как гидравлическая муфта, при различных - он превращается в гидротрансформаторную передачу, позволяющую изменять частоту вращения ведомого вала. На практике роторы насосов и турбин находятся в специальном корпусе (рис. d). Действие гидродинамической муфты основывается на энергообмене между двумя полумуфтами (рис. d) с помощью рабочей среды и циркуляции жидкости. Эта циркуляция возникает только в том случае, когда первичная сторона и турбина имеют равные частоты вращения. У гидравлических муфт, используемых на судах, это скольжение составляет от 1,5 до 3%.

Судовые муфты

а, b - жесткие (глухие) муфты: 1 - полумуфта; 2 - фланец; 3 - шпоночная канавка со шпонкой. с - схема гидромуфты: 1, 2 - насосы; 3 - цистерна. d - схема гидромуфты (турбо-муфты); е - гибкая муфта. 4 - фланец; 5 - элемент муфты. f - электромагнитная муфта.

В судовых главных двигателях довольно часто применяют также электромагнитные индукционные скользящие муфты. Принцип действия подобной муфты состоит в использовании вращающего момента, возникающего вследствие воздействия вращающегося магнитного поля на индукционные токи. Внутренняя часть муфты расположена на ведущем вале. Обмотки полюсов через щетки и контактные кольца питаются постоянным током. Внешняя часть муфты имеет обмотку в виде беличьей клетки. Когда внешняя часть, приводимая в движение двигателем через вал, начинает вращаться и возбуждается, она вместе с валом, связанным с ней и ведущим, например, к редуктору, попадает в область вращения магнитного поля. За счет этого в обмотке типа беличьей клетки этой части муфты возникают индукционные токи. Эти токи, взаимодействуя с силовыми линиями магнитного поля, обусловливают возникновение момента вращения, вследствие чего внешняя часть муфты начинает вращаться вместе с внутренней. Таким образом вращение, мощность и момент вращения передаются от двигателя к валу редуктора. Часть муфты с обмоткой типа беличьей клетки должна - аналогично гидродинамической и электромагнитной муфте - вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, так как при одинаковой скорости вращения обеих частей не могли бы возникнуть индуктированные токи и передача вращающего момента была бы невозможна. Поэтому и в данном случае имеет место так называемое скольжение муфты. Редуктор главного двигателя должен передавать момент вращения и так изменять его частоту вращения, чтобы она имела оптимальную величину, необходимую для нормальной работы гребного винта. На судах чаще всего применяют механические редукторы, состоящие из зубчатых колес. С введением планетарного редуктора появилась возможность значительно уменьшить размеры и общую массу. В последнее время на новых судах все чаще используют планетарные редукторы в энергетических установках со среднеоборотными дизелями, газовыми или паровыми турбинами.

Механический судовой редуктор

а - суммирующий; b - планетарный. 1 - вал турбины высокого давления; 2 - вал турбины низкого давления; 3, 5, 8, 9 - центральные солнечные шестерни; 4 - водило; 6 - свободный эпицикл; 7 - вал; 10 - тормозной эпицикл; 11 - свободное водило; 12 - полый вал; 13 - зубчатые колеса (3-я ступень); 14 - приводное зубчатое колесо гребного вала; 15 - гребной вал; 16 - гребной винт

Валопровод соединяет приводной двигатель с гребным винтом. Гребной вал, который в зависимости от расположения машинного отделения на судне может состоять из одной или нескольких соединенных через глухие муфты частей, должен передавать момент вращения двигателя на гребной винт. Гребной вал опирается на радиальные подшипники. Концевая часть проходит в уплотнительном сальнике, который предохраняет туннель гребного вала от попадания морской воды. На конусообразной концевой части гребного вала закреплен гребной винт (рис. а). Осевое давление, действующее со стороны гребного винта и передаваемое дальше через вал, воспринимается упорным подшипником. Принцип действия упорного подшипника изображен на рис. d-е. Такой подшипник старого типа состоит из взаимодействующего с опорными поверхностями гребня давления; опорные поверхности залиты металлом. На переднем ходу функционирует одна поверхность гребня давления, на заднем - другая.

Валопровод

а - общий вид; b - полумуфта; с - упорный подшипник; d, e - принцип действия упорного подшипника. 1 - гребной вал; 2 - сальник; 3 - полу- подшипник; 6 - переборочный сальник; 7 - муфта; 4 - промежуточный вал; 5 - опорный упорный подшипник; 8 - упорный вал

Гребной винт в настоящее время является почти единственным типом движителя. Он состоит из нескольких лопастей, радиально укрепленных на ступице. Во время вращения гребного винта вокруг своей оси на лопастях возникает сила давления, которая в конечном итоге обусловливает движение судна. Характерной величиной гребного винта является шаг. Его теоретическое значение, т. е. без учета скольжения, зависит от угла атаки лопасти гребного винта. Для достижения хорошего взаимодействия между главным двигателем и гребным винтом необходимо, чтобы параметры и особенно шаг винта имели определенные значения. Оптимальное взаимодействие будет достигнуто лишь при определенном состоянии нагрузки судна и при определенных погодных условиях (ветер, волнение и т. д.). Если эти значения отклоняются от заданных, то взаимодействие двигателя и гребного винта не приносит результата, заложенного в проекте. На практике это означает, что взаимодействие двигателя и относящегося к нему гребного винта будет наиболее эффективным, например, при полной нагрузке судна и при хорошей погоде. На судах, работающих в изменяющихся условиях, таких как буксиры или рыболовные суда (свободный ход, ход с тралом), движитель должен быть приспособлен к соответствующим условиям работы. Вместе с тем стало бы возможным одновременное использование полной мощности приводного двигателя при различных состояниях его нагрузки.

Судовой движитель

а - гребной винт с неподвижными лопастями; b - винт регулируемого шага; с - гребной винт в насадке; d - соосные гребные винты

Лопасти винта фиксированного шага отлиты вместе со ступицей или прочно привинчены к ней (см. рис. а). Изменять шаг можно на гребных винтах регулируемого шага ВРШ (рис. b). Лопасти гребного винта расположены на криволинейных дисках и укреплены на ступице винта так, что они могут поворачиваться. Применение ВРШ позволяет использовать нереверсивные двигатели в качестве судовых. Они могут работать и при постоянной частоте вращения, так как в этом случае можно осуществлять все маневры путем изменения угла атаки, т. е. от самого большого шага винта на переднем ходу, когда лопасти находятся в таком положении, что несмотря на вращение гребного винта, тяга не появляется (и поэтому судно не движется), до положения лопастей, соответствующего заднему ходу. Вначале ВРШ применяли только на буксирах, рыболовных и специальных судах, и только позднее их начали устанавливать на судах торгового флота. За счет установки ВРШ достигаются большая экономичность энергетических установок, возможность использования полной мощности двигателя при различной нагрузке, а также возможность применения нереверсивных ДВС или паровых турбин без турбин заднего хода. К преимуществам следует также отнести и возможность осуществления заднего хода при полной мощности двигателя.

Иногда на судах (особенно на судах речного флота) гребной винт устанавливают в насадке (см. рис. с). Такая конструкция позволяет улучшить уелввия работы гребного винта и повысить КПД. Диаметр судового движителя может достигать 9 м, а масса - 50 т. Гребные винты регулируемого шага имеют меньший диаметр. Преобладающее число судов имеет только один гребной винт, устанавливаемый в диаметральной плоскости судна. Встречаются также двухвинтовые суда, которые приводятся в движение либо от двух малооборотных, либо от четырех среднеоборотных дизелей, причем в последнем случае один гребной винт приводится в движение двумя двигателями. В редких случаях строятся трехвинтовые суда, например торпедные катера, на которых два бортовых движителя, приводятся в движение от высокооборотных дизелей через редукторную передачу, а средний гребной винт - от газовой турбины. Некоторые большие пассажирские суда и боевые корабли, например авианосцы, снабжаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. В условиях постоянно растущих мощностей главных двигателей требуются гребные винты очень больших диаметров, что приводит к технологическим и производственным трудностям. Чтобы противодействовать этому и улучшить КПД, пытаются «устанавливать движители, вращающиеся в противоположных направлениях (см. рис. d). В этом случае необходимы сложные устройства, такие как полые гребные валы и специальные редукторные передачи. Наряду с гребными винтами в последнее время применяют крыльчатые движители. Они состоят из нескольких вращающихся навесных лопаткообразных лопастей изменяющегося профиля, укрепленных на плоском рабочем колесе. Рабочее колесо приводится в движение главным двигателем через гипоидный зубчатый редуктор. Вращающиеся лопаткообразные лопасти создают силу упора, действующую в направлении, зависящем от угла установки лопастей, как показано на рис. а. Во время работы движителя можно плавно изменять угол атаки лопастей.

Крыльчатый движитель

а - принцип действия; b - движитель Фойта-Шнейдера (вид сбоку); с - движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в носовой части судна; е - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в кормовой части судна

I - «Стоп»; 2 - «Передний ход»; 3 - «Задний ход»; 4 - «Поворот на левый борт»; 5 - «Поворот на левый борт» (на заднем ходу); 6 - «Поворот на правый борт»; 7 - управляющий механизм; 8 - привод; 9 - лопасти; 10 - распределительные рычаги и тяги

Крыльчатый движитель может служить как в качестве пропульсивного движителя, так и в качестве руля. Судно, оснащенное двумя симметрично расположенными движителями, может двигаться в любом направлении. Недостатком является частая повреждаемость лопаткообразных лопастей, выступающих ниже днища судна. Крыльчатый движитель в основном используется на портовых буксирах и лоцманских судах, а также на судах портовой службы. Мощность подобных установок невелика: максимально она составляет 2200 кВт.

Чтобы заставить лодку, как и любое судно, двигаться с постоянной скоростью, надо приложить к ней постоянно действующее усилие (тягу), которое было бы достаточным для преодоления сопротивления воды.

На малых судах для создания тяги наибольшее распространение получил гребной винт - легкий, компактный, высокоэффективный, простой в изготовлении и удобный в эксплуатации движитель. Поговорим о нем поподробнее, разберемся в принципе работы и устройстве гребного винта.

Гребной винт (рис. 1) состоит из втулки - ступицы и нескольких лопастей , отлитых заодно с нею или изготовленных отдельно и закрепленных на ней. Винт обычно располагается в корме судна и приводится во вращение двигателем через гребной вал. Своим названием он обязан тому, что при работе любая точка его лопасти движется по винтовой линии - вращается и одновременно перемещается вперед вместе с судном. В основу теории, объясняющей работу гребного винта, положен принцип гидродинамического крыла . На первый взгляд это кажется странным - причем здесь крыло?, - но не торопитесь с выводом.

Посмотрим на лопасть винта сбоку (рис. 2) и представим направление, в котором она движется в воде (или, применив принцип обратимости движения, направление потока, обтекающего лопасть).

Скорость W потока воды относительно лопасти можно получить геометрическим сложением двух векторов: вызываемой вращением винта окружной скорости V r =2πrn (π=3,14; r - отстояние рассматриваемого сечения лопасти от оси винта; n - число оборотов винта в секунду) и поступательной скорости движения вместе с судном V а. Вектор суммарной скорости W направлен к нижней поверхности лопасти под углом α, называемым в теории крыла углом атаки . При этом на нижней поверхности лопасти (ее называют нагнетающей) создается повышенное давление воды, а на верхней (засасывающей) - разрежение. В результате разности давлений на лопасти, как на крыле, возникает подъемная сила Y. Если разложить ее на составляющие, одна из которых направлена в сторону движения судна, а вторая перпендикулярна ему, то получим соответственно силу Р, создающую упор гребного винта, и силу T, создающую крутящий момент, который и приходится преодолевать двигателю для того, чтобы винт вращался и двигал судно.

Упор гребного винта, создаваемый подъемной силой, зависит не столько от площади лопасти, сколько - в полной аналогии с крылом - от таких ее параметров, как угол атаки, профиль сечения, длина лопасти.

Познакомимся же с этими и другими основными характеристиками гребного винта.

Диаметр винта D определяется по окружности, описываемой наиболее удаленной от оси винта точкой лопасти.

Геометрический шаг гребного винта H - это шаг винтовой поверхности, с которой совпадает нагнетающая сторона лопасти. Если бы винт ввинчивался в воду, как в гайку, то за один его оборот судно прошло бы расстояние, равное шагу винта, а его скорость была бы равна Hn.

Почему лопасть должна иметь винтовую поверхность? Посмотрим на рис. 2. Очевидно, винт даст наибольший упор, если сечения лопасти на любом радиусе r будут расположены под одним и тем же оптимальным углом атаки к набегающему потоку α. Однако вблизи ступицы окружная скорость V r =2πrn будет меньше, чем у конца лопасти, в то время как осевая скорость винта Hn везде одинакова. В результате изменится величина и направление скорости W. Чтобы сохранить угол α неизменным, лопасть у ступицы следует развернуть под большим углом к V r , чем у конца. Это хорошо видно также и из другого рисунка (рис. 3), где показан способ образования и проверки винтовой поверхности лопасти с помощью шаговых угольников.

Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит возможность наиболее полного использования мощности двигателя, и, следовательно, достижения наибольшей скорости хода судна.

Если шаг винта слишком велик для данных скорости и числа оборотов, лопасти будут захватывать и отбрасывать назад слишком большое количество воды, упор винта возрастет, но зато одновременно увеличится крутящий момент на гребном валу и двигателю не хватит мощности, чтобы развить полные обороты. В этом случае говорят, что винт тяжелый .

Наоборот, если шаг мал, двигатель легко будет вращать винт на полном числе оборотов, но упор будет невелик, и судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт считается легким .

Шаг и диаметр рассчитывают с учетом сопротивления воды движению корпуса, заданной скорости хода судна, числа оборотов и мощности устанавливаемого двигателя. Общее правило таково: для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением H/D, для тяжелых и тихоходных - с меньшим. При обычно применяющихся двигателях с числом оборотов 1500-5000 об/мин оптимальное шаговое отношение H/D будет составлять: на гоночных мотолодках и глиссерах 0,9-1,4; легких прогулочных катерах 0,8-1,2; водоизмещающих катерах 0,6-1,0 и очень тяжелых тихоходных катерах 0,55-0,80. Важно иметь в виду, что эти значения справедливы, если гребной вал делает примерно 1000 об мин на каждые 15 км/час скорости лодки. В противных случаях необходимо применять редуктор, соответственно изменяющий число оборотов гребного винта.

Диаметр винта существенно влияет на загрузку двигателя. Например, при увеличении D всего на 5% приходится повышать мощность двигателя почти на 30%, чтобы получить то же число n оборотов винта. Это следует учитывать, если требуется «облегчить» тяжелый винт: иногда бывает достаточно немного подрезать концы лопастей до меньшего диаметра.

За один оборот винт вместе с судном продвигается вперед (рис. 4) не на величину шага Н, а из-за скольжения в воде - на меньшее расстояние, называемое поступью h p . Потеря скорости при этом составит Hn=h p n. Величина скольжения характеризуется отношением:

Скольжение s выражается обычно в процентах.

Поступь и скольжение гребного винта легко определить, зная скорость лодки, шаг винта и число его оборотов, так как:

Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15%) имеют винты легких гоночных мотолодок и скутеров; у винтов глиссирующих катеров скольжение составляет 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%. Чрезмерное скольжение свидетельствует о том, что винт слишком тяжел или судно перегружено, так как с увеличением нагрузки (например, при буксировке мотолодкой воднолыжника) скольжение возрастает.

Для катерных винтов применяются сегментные, авиационные плоско-выпуклые и выпукло-вогнутые профили сечения лопастей. Последние два типа более эффективны, но сложнее в изготовлении и дают меньший упор при реверсировании, т. е. на заднем ходу.

Площадь лопастей , как уже отмечалось, не оказывает существенного влияния на упор винта. Однако чрезмерная площадь приводит к увеличению трения винта о воду и излишним затратам мощности двигателя.

На быстроходных катерах часто приходится сталкиваться с явлением кавитации гребного винта. Известно, что при пониженном давлении (например, высоко в горах) вода закипает при температуре ниже 100° С. У высокооборотных винтов разрежение на засасывающей стороне лопасти достигает такой большой величины, что вода вскипает уже при естественной температуре. Образуются пузырьки и полости, заполненные паром, - это явление и называется кавитацией . Различают две стадии кавитации (рис. 5). На первой стадии полости невелики и на работе винта они практически не сказываются. Однако когда пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления, в результате чего материал лопасти выкрашивается у поверхности. Такие эрозионные разрушения при длительной работе кавитирующего винта могут быть весьма значительными.

При дальнейшем повышении скорости вращения винта наступает вторая стадия кавитации. Образуется сплошная полость (каверна), которая может замыкаться за пределами лопасти. Эрозия прекращается, но развиваемый винтом упор резко падает.

Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от суммарной площади лопастей, толщины и кривизны профиля сечения лопасти, глубины погружения винта под ватерлинией и т. п. Чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньших числах оборотов, т. е. «раньше», наступает кавитация. Отметим, что развитию кавитации способствуют пузыри воздуха и завихрения от находящихся перед винтом кронштейнов, вала, фальшкиля, увеличенный шаг винта и т, п.

Характеристикой площади лопастей винта является его дисковое отношение A/A d , т. е. отношение суммарной площади всех развернутых и спрямленных лопастей A к площади круга A d , описываемого винтом (рис. 6). Для малогабаритных винтов тихоходных судов дисковое отношение обычно составляет 0,35-0,60, для кавитирующих винтов быстроходных катеров 0,80-1,20.

Наибольшее распространение на катерах получили трехлопастные гребные винты, хотя на гоночных судах часто применяют и двухлопастные. Вообще говоря, двухлопастные винты более эффективны. У трехлопастного винта расстояние между кромками соседних лопастей меньше, поэтому в обтекание лопастей вносится большее искажение. Кроме того, крутящий момент у трехлопастного винта несколько больше; соответственно и мощность, потребная для его вращения, выше. Четыре и пять лопастей применяются, главным образом, в тех случаях, когда нужно понизить вибрацию и шум от работы винтов.

В зависимости от направления вращения гребного вала (смотря с кормы) применяют винты правого (по часовой стрелке) и левого вращения.

Конечной оценкой эффективности выбранного гребного винта является его коэффициент полезного действия η p - отношение полезной мощности, затрачиваемой непосредственно на создание упора Р и движение судна со скоростью υ (т. е. Po, 75 л. с.), к мощности двигателя, подводимой к винту.

Потери мощности на гребном винте довольно значительны и достигают 35-50%. Они вызваны затратами на ускорение потока воды за винтом, на закручивание и сужение этого потока, на трение лопастей о воду и др. Получить высокий к. п. д. винта на катерах очень трудно из-за небольшой осадки, ограничивающей диаметр винта, и сложности подбора оптимального числа оборотов.

Винт, расположенный в корме, всегда оказывается в зоне действия попутного потока , увлекаемого корпусом судна, поэтому скорость его встречи с водой меньше, чем скорость судна. У легких глиссирующих судов, на которых винт установлен под плоским днищем, это уменьшение невелико (2-5%), но на тяжелых водоизмещающих катерах, особенно если винт располагается за дейдвудом, оно возрастает до 15- 20%. Очевидно, что попутный поток необходимо учитывать, иначе винт окажется тяжелым.

Винт, засасывая воду как насос, увеличивает скорость обтекания водой кормовой оконечности судна. Вследствие этого здесь образуется зона пониженного давления, которая тормозит движение судна. Для преодоления этой силы засасывания винт должен развить дополнительный упор. Очевидно, чем полнее обводы и больше осадка судна в районе винта, чем больше диаметр винта и меньше скорость хода, тем больше сила засасывания. Например, на глиссирующем катере она составляет не более 4% основного упора, или тяги, необходимой для движения судна, а на спасательной шлюпке достигает 15-30%.

При работе гребного винта за корпусом судна полезная отдача мощности будет уже характеризоваться не к. п. д. винта, а так называемым пропульсивным коэффициентом :

Средние значения пропульсивного коэффициента на современных катерах 0,45-0,55.

Заканчивая это первое знакомство с гребным винтом, советуем: исследуйте гребной винт вашей лодки, замерьте его диаметр и шаг, оцените скорость лодки, скольжение винта, число оборотов вала и загрузку двигателя. Вполне может оказаться, что вы найдете возможность сделать лодку более быстроходной.

О том, как подобрать оптимальный винт, мы расскажем в ближайших выпусках сборника.

Примечания

2. У лопастей с несимметричным профилем, обычно применяющимся Для винтов, упор становится равным нулю при отрицательных углах атаки, т. е. когда поступь несколько превышает геометрический шаг винта. Поступь, при которой упор винта равен нулю, называется гидродинамическим шагом винта или шагом нулевого упора .

3. В некоторых случаях η k может быть больше единицы.

Если скорость первых пароходов не превышала 4-6 уз, то уже через 15-20 лет они могли развивать скорость порядка 12 уз. Закат парусного флота был предрешен, чему способствовало появление движителя принципиально нового типа.

Первые попытки применить гребной винт имели место в XVIII в. Однако, как утверждают историки, в новый движитель поверили лишь в 1836 г., когда им оснастил свой бот англичанин Фрэнсис П. Смит. Изобретателю помог «его величество случай»; рассказ об этом некоторые исследователи относят к области исторических анекдотов.

Винт Смита с двумя витками спирали был изготовлен из дерева. Однажды при очередном испытании бота в канале судно содрогнулось и... прибавило скорости. Оказалось, что при ударе о затонувший предмет винт потерял половину спирали. В дальнейшем Смит изготовлял винты с одновитковой спиралью.

Винт Смита выдержал экзамен, когда бот прошел около 400миль со средней скоростью 8 уз. При этом часть рейса проходила в штормовых условиях, с которыми колесному пароходу трудно было бы справиться.

Рис. 5. Кормовая оконечность «Принстона» с винтом Эриксона

Английское Адмиралтейство, оценив винт Смита, в том же 1836 г. поручило изобретателю построить крупное винтовое судно. Так. появился «Архимед» водоизмещением 237 т, который принято считать первым винтовым пароходом. На винт диаметром 2,1 м работали две паровые машины мощностью по 45л. с. На испытаниях «Архимед» развил скорость 9, 8 уз.

Оригинальным было решение сравнить эффективность колесного и винтового движителей. «Архимед» соединили тросами, корма к корме, с колесным пароходом «Вильям Гунстон». Машины дали ход, и «Вильям Гунстон»... потащил за собой первенца винтового судостроения. Однако спешить с выводами было рано.

Значительным событием в истории развития корабельных движителей явилось изобретение шведом Ионом Эриксоном- в 1836 г. гребного винта, в котором был использован принцип лопастных колес. В отличие от обычных колес, ось вращения которых располагалась поперек судна, колеса Эриксона имели ось вращения, проходящую вдоль судна, и создавали осевой поток отбрасываемых масс воды. Движитель состоял из двух колес, расположенных друг за другом и вращавшихся в противоположные стороны. В дальнейшем Эриксон упростил движитель, ограничившись одним колесом.

Рис. 6. Испытания на перетягивание «Раттлера» и «Алекто»

В 1839г. Эриксон отправился в США и построил там первый американский пароходофрегат «Принстон» водоизмещением 700 т с винтом собственной конструкции (рис. 5). На испытаниях корабль развил 14 уз - скорость по тем временам небывалую.

При перетягивании по описанному выше способу «Принстон» отбуксировал колесный пароход «Грейт Вестерн».

У гребного винта не было недостатка в противниках. Они не желали признать результаты, достигнутые «Принстоном», ссылаясь на то, что водоизмещение сравниваемых судов, их обводы и мощность машин были неодинаковы. Окончательно, однако, точки над «и» были поставлены, когда английское Адмиралтейство организовало сравнительные испытания двух специально построенных в 1843г. одинаковых пароходофрегатов водоизмещением 894т с паровой машиной мощностью 200л. с. - винтового «Раттлер» и колесного «Алекто».

Сначала оба корабля были испытаны под парусами и показали практически одинаковую скорость, что служило подтверждением их геометрического подобия. Затем фрегаты подверглись испытанию перетягиванием. После того как машины развили полную мощность, «Раттлер» начал буксировать «Алекто» со скоростью более 2 уз (рис. 6). Этим испытания не ограничивались. Корабли были проверены на различных режимах, результаты которых сведены в табл. 1. Скептики были посрамлены; «выяснение отношений» между колесными и винтовым движителями закончилось.

Таблица 1 Скорость сравниваемых кораблей на режимах

Гребной винт получил признание благодаря преимуществам, главные из которых -простота конструкции, небольшие размеры и относительно высокий КПД. По мере совершенствования винт приобрел стабильную форму, с небольшими отклонениями сохраняющуюся и поныне.

Рис. 7. Схема создания упора при работе гребного винта

Гребной винт состоит из ступицы с расположенными на ней лопастями (рис. 7). В основе работы гребного винта лежит гидродинамическая сила, создаваемая разностью давлений на сторонах лопастей. Любое концентричное сечение лопасти представляет собой элемент несущего крыла. Поэтому при вращении винта на каждом элементе лопасти возникают такие же силы, как на крыле.

Поток, обтекающий выпуклую сторону лопасти (засасывающая сторона), слегка поджимается и вследствие этого движение его ускоряется. Поток, обтекающий плоскую (иногда слегка вогнутую) сторону лопасти (нагнетающая сторона), встречая на своем пути препятствие, подтормаживается и несколько замедляет скорость. В соответствии с законом Бернулли, на засасывающей стороне лопасти давление потока падает и возникает зона разрежения. В то же время на нагнетающей стороне лопасти, напротив, давление возрастает и возникает зона

давления. Вследствие разности давлений на стороны лопасти образуется гидродинамическая сила. Теорией и экспериментальными исследованиями установлено, что основная часть гидродинамической силы - 70-75% - создается за счет разрежения на засасывающей стороне лопастей винта и только 30-25% - за счет давления на нагнетающей стороне лопастей.

Рис. 8. Винтообразно закрученная струя, отбрасываемая гребным винтом

Проекция гидродинамической силы на ось винта представляет собой упор винта. Эта сила воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее кораблю.

Поскольку лопасти имеют винтообразную поверхность, при вращении винта вода не только отбрасывается назад, но и закручивается в сторону вращения лопастей (рис. 8). Между тем задача движителя - только отбрасывать воду, не вращая ее, создавая реактивный импульс - силу тяги. На закручивание потока и на преодоление сопротивления вращения винта в воде затрачивается значительная доля мощности, подводимой к нему от двигателя.

Поэтому коэффициент полезного действия винта, равный отношению мощности, затраченной на создание тяги винта (полезная мощность), ко всей мощности, затраченной на вращение винта, всегда будет меньше единицы.

КПД гребных винтов колеблется в диапазоне 0,5-0,7. Верхний предел считается очень высоким и достижим на малооборотных винтах большого диаметра. Для быстроходных винтов небольшого диаметра КПД редко превышает 0,5-0,95. Но это в наши дни; в рассматриваемый же период гребные винты подбирались обычно по прототипу или опытным путем и имели значительно меньший КПД.

Если на кораблях гребной винт сравнительно быстро получил признание, то в коммерческом флоте его распространение задержалось. Колесные пароходы зачастую не уступали в скорости винтовым, а построенная в Англии в 1866 г. по заказу турецкого султана Абдула-Азиса, питавшего пристрастие к быстроходным судам, яхта «Махарусса» водоизмещением 3185 т с паровой машиной мощностью 6400 л. с. и бортовыми колесами диаметром 8,5 м на тот период являлась самым быстроходным паровым судном и развивала на полном ходу 18,5 уз.

На трансатлантических линиях вплоть до 1875г. все еще плавали колесные пароходы. Последним из них была «Скотина» - обладательница «Голубой ленты Атлантики» в 1862- 1867 гг.