Гребной винт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Гребной винт

Гребно́й винт  — наиболее распространённый современный движитель судов, а также конструктивная основа движителей других типов.

Любой современный гребной винт — лопастной, и состоит из ступицы и лопастей, установленных на ступице радиально на одинаковом расстоянии друг от друга и повёрнутых на одинаковый угол относительно плоскости вращения, и представляющих собой крылья среднего или малого удлинения. Гребной винт насаживается на гребной вал, приводимый во вращение судовым двигателем. При вращении гребного винта каждая лопасть захватывает массу воды и отбрасывает её назад, сообщая ей заданный момент импульса, — сила реакции этой отбрасываемой воды передаёт импульс лопастям винта, лопасти, в свою очередь, — гребному валу посредством ступицы, и гребной вал, далее, — корпусу судна посредством главного упорного подшипника.

Разновидности винтов[править | править вики-текст]

В зависимости от наличия/отсутствия механизма управления углом атаки лопастей винта винты разделяют на винты «с регулируемым шагом» и винты «с фиксированным шагом» соответственно. Винты с фиксированным шагом применяются на любительских, маломерных судах, а также морских судах, которые редко меняют режим движения во время плавания, и на судах, требующих повышенной прочности гребного винта (в частности на ледоколах). Винты с регулируемым шагом применяются на судах часто меняющих режим движения: буксирах, траулерах, многих речных судах.

В зависимости от направления вращения гребные винты бывают правого и левого вращения. Если смотреть с кормы, то винт, вращающийся по часовой стрелке и, соответственно, называется «винтом правого вращения», вращающийся против часовой — соответственно «винтом левого вращения». В простейшем случае используется одиночный винт правого вращения, установленный вдоль горизонтальной оси симметрии судна. На больших судах для улучшения манёвренности и надёжности применяются два, три или даже четыре винта взаимно противоположного вращения.

Винты с кольцевым крылом вращаются в открытом полом цилиндре (такие винты также известны как импеллеры), что при малой частоте вращения гребного винта обеспечивает прирост упора до 6 %[1]. Такая насадка применяется для дополнительной защиты от попадания посторонних предметов в рабочую область и повышения эффективности работы винта. Часто применяются на судах, ходящих по мелководью.

Суперкавитирующие винты со специальным покрытием и особой формой лопастей предназначены для постоянной работы в условиях кавитации. (Применяются на быстроходных судах.)

Гребные винты различаются по:

  • шагу — расстоянию, которое проходит винт за один оборот без учёта скольжения;
  • диаметру — окружности, описываемой наиболее удалёнными от центра концами лопастей;
  • дисковому отношению — отношению суммарной площади лопастей к площади круга с радиусом равным радиусу винта;
  • количеству лопастей — от 2-х до 7-ми (изредка больше, но наиболее часто 3—4 лопасти);
  • конструкционному материалу — углеродистая или легированная (напр. нержавеющая) сталь, алюминиевые сплавы, пластики, бронзы, титановые сплавы;
  • конструкции ступицы (резиновый демпфер, сменная втулка, сменные лопасти;
  • прохождению выхлопа — выхлоп через ступицу или под антикавитационной плитой;
  • диаметру ступицы;
  • количеству шлицов втулки.

Преимущества и недостатки[править | править вики-текст]

Работает как движитель только при непрерывной или возрастающей скорости вращения, в остальных случаях — как активный тормоз.

КПД винта ~30-50 % (максимально достижимый — 75 %). «Идеальный» винт невозможно сделать из-за постоянного изменения условий его работы — условий рабочей среды.

Гребной винт все же проигрывает веслу (КПД ~60-65 %) по КПД.[2]

В сравнении с гребным колесом у гребного винта выше КПД и гребной винт очень компактен и легок. Но поврежденное гребное колесо может быть легко отремонтировано, гребные винты же чаще всего неремонтопригодны, и повреждённый гребной винт заменяют новым. Также, гребной винт наиболее уязвимый в сравнению с другими судовыми движителями и наиболее опасный для морской фауны и упавших за борт людей. Вместе с тем, гребные колеса обеспечивают бо́льшую тягу с места (что удобно для буксиров, а также позволяло им иметь меньшую осадку). Однако при волнении они очень быстро оголяются (колёса одного борта вхолостую вертится в воздухе, тогда как колеса противоположного полностью погружались под воду, до предела нагружая ведущую тяговую машину), что делает их практически непригодными для мореходных кораблей (вплоть до конца третьей четверти XIX веке их использовали на них по большому счёту лишь ввиду отсутствия альтернативы, а также вспомогательной роли парового двигателя на парусно-паровых кораблях тех лет).

Особенно преимущества винтового движителя перед колесным несомненны для военных кораблей — снималась проблема расположения артиллерии: батарея вновь могла занимать все пространство борта. Также исчезала и очень уязвимая цель для неприятельского огня, — гребной винт находится под водой.

История[править | править вики-текст]

Водоподъемный винт, изобретение которого приписывается Архимеду, вполне подходил и для обратной работы — отталкивания самого винта от водяной массы. Идея применения гребного винта как движителя была высказана ещё в 1752 году Даниилом Бернулли и, позднее, Джеймсом Уаттом. Тем не менее, всеобщее признание гребной винт снискал не сразу. Хотя сам принцип действия гребного винта никогда не был секретом, но только в 1836 году английский изобретатель Френсис Смит (англ. Francis Pettit Smith) сделал решающий шаг, оставив от длинной спирали Архимедова винта только один виток. (Бытует история о том, что «модернизация» произошла случайно: на паровом катере Смита у деревянного винта отломилась часть, оставив единственный виток, после чего катер заметно прибавил в скорости хода.) Смит установил гребной винт на небольшой пароход водоизмещением 6 тонн. Удачные опыты Смита привели к образованию компании, на средства которой был построен винтовой пароход «Архимед». При водоизмещении всего в 240 т «Архимед» был оснащен двумя ходовыми паровыми машинами мощностью по 45 л. с. каждая и единственным винтом диаметром чуть более 2 метров. (Первоначальный винт Смита представлял собой часть винтовой поверхности прямоугольного образования, соответствующую одному целому шагу.)

Одновременно со Смитом и независимо от него разрабатывал применение гребного винта как движителя известный изобретатель и кораблестроитель швед Джон Эрикссон. В том же 1836 году он предложил другую форму гребного винта, представлявшую собой гребное колесо с лопастями, поставленными под углом. Он построил винтовой пароход «Стоктон» (мощности ходовых паровых машин — 70 л. с), сделал на нём переход в Америку, где его идея была встречена настолько заинтересованно, что уже в начале 40-х годов был спущен первый винтовой фрегат США USS Princeton (водоизмещение 900 т, мощность машин 400 л. с., дававших ему ход до 14 узлов) с винтом конструкции Эриксона. На испытаниях корабль развил ранее невиданную 14-узловую скорость. А при попытке «стравить» его с колесным «Грейт Уэстерн» теперь уже винтовой фрегат потащил своего соперника. Кстати, «Принстон» отметился в истории кораблестроения тем, что нес самые крупнокалиберные орудия для своего времени, — на поворотных платформах на нём впервые установили 12-дюймовые орудия.

В середине XIX века началась массовая переделка парусников в винтовые корабли. В отличие от колесных пароходов, переделка в которые требовала очень объемных и продолжительных работ, модернизация парусников в винтовые пароходы оказалась значительно более простой. Деревянный корпус разрезали примерно пополам и делали деревянную же вставку с машинным отделением, мощность которого для крупных фрегатов составляла 400—800 л. с. При этом весовая нагрузка только улучшалась, — тяжелые котлы и машины располагались в основном под ватерлинией и исчезала необходимость в приеме балласта, количество которого на парусниках иногда достигало сотен тонн. Винт размещали в специальном колодце в корме и снабжали его подъемным механизмом, поскольку при ходе под парусами он только мешал движению, создавая дополнительное сопротивление. Аналогично поступали и с дымовой трубой, — чтобы она не мешала оперировать парусами, её делали телескопической (по типу подзорной трубы). Проблем с вооружением практически не возникало, — оно оставалось на своем месте.

Конструкция[править | править вики-текст]

14-тонный гребной винт советского крейсера «Ворошилов» (серии «Киров») в Музее на Сапун-горе, Севастополь

Диаметр винта — диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта — современных винтов колеблется от десятков сантиметров до 5 м. (Такие крупные винты характерны для крупных океанских судов.)

Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трёхлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить достаточную прочность лопастей двухлопастного винта. Поэтому наиболее распространены на малых судах трёхлопастные винты. Двухлопастные винты применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно-моторных яхтах, где гребной винт — вспомогательный движитель[3]. Четырёх- и пятилопастные винты применяют сравнительно редко, — в основном на крупных моторных яхтах и крупных океанских судах для уменьшения шума и вибрации корпуса.

Интерцептор — загнутая исходящая кромка — на гребных винтах способствует увеличению способности винта к захвату воды (особенно это важно на лодках с высоко установленным мотором и большими углами ходового дифферента). Интерцептор также обеспечивает дополнительный подъём носа катера в случае установки на линиях угла наклона лопасти. Применение интерцептора на исходящей и внешней кромках лопасти увеличивает шаг. Применение стандартного интерцептора обычно выражается в снижении оборотов на 200—400 об./мин. (это означает, что в случае замены обычного винта на винт с интерцептором потребуется снижение шага на 1-2 дюйма).[4]

Скорость вращения гребного винта выгодно выбирать в пределах 200—300 об/мин или ниже — на крупных судах. Кроме того, при низкой скорости вращения существенно ниже механический износ нагруженных деталей двигателя, что весьма существенно при их больших габаритах и высокой стоимости.

Гребной винт лучше всего работает, когда его ось вращения расположена горизонтально. У винта, установленного с наклоном и в связи с этим обтекаемого «косым» потоком, коэффициент полезного действия всегда будет ниже, — это падение КПД сказывается при угле наклона гребного вала к горизонту большем чем 10°.

Ось гребного винта на глиссерах расположена сравнительно близко к поверхности воды, поэтому нередки случаи засасывания воздуха к лопастям винта (поверхностная аэрация) или оголения всего винта при ходе на волне. В этих случаях упор винта резко падает, а частота вращения двигателя может превысить допустимый максимум. Для уменьшения влияния аэрации шаг винта делается переменным по радиусу — начиная от сечения лопасти на r = (0,63—0,7) R по направлению к ступице шаг уменьшается на 15~20 %.

Для передачи большой мощности часто применяют двух- и трехвальные установки, а некоторые большие корабли (например авианосцы, супертанкеры, атомные ледоколы) оснащаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами.

Гребные винты морских ледоколов актрического класса всегда имеют повышенную прочность, так как их вторая функция — дробление льда при движении ледокола задним ходом.

Изготовление[править | править вики-текст]

Самые большие гребные винты достигают высоты трехэтажного здания, а их изготовление требует уникальных навыков. Во времена, когда был создан винтовой пароход «Great Britain» на изготовление форм гребного винта уходило до 10 дней. Сегодня благодаря наличию компьютерных технологий роботизированный манипулятор делает это за пару часов. Форма винта вводится в компьютер, далее алмазное сверло на конце манипулятора вырезает из огромных пенопластовых блоков идеальную копию лопасти с точностью до 1 мм. Затем готовую модель помещают в смесь песка и цемента, чтобы получить точный оттиск. После того как бетон остынет, форму, состоящую из двух половинок, соединяют вместе и заливают расплавленный металл.

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 латунь, бронза, сталь, также специальные сплавы, например сплав куниаль — 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 добавляется 5 % никеля, 5 % алюминия и 10 % других металлов; переплавка осуществляется при температуре 1183 градусов.[5]

В последние годы для этих целей стали применять и пластмассы.[6]

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

При написании этой статьи использовался материал из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907).

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Движители кораблей и судов // korabley.net, 6.04.2010
  2. ПРОПУЛЬСИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГРЕБЛИ
  3. В последнем случае имеет значение возможность устанавливать винт в вертикальном положении в гидродинамическом следе ахтерштевня для уменьшения его сопротивления при плавании под парусами.
  4. Выбор гребного винта // vlboat.ru
  5. д/ф Гигантские гребные винтыКак это делается?», Discovery Channel)
  6. Материал для изготовления винта // vlboat.ru