Гребной винт

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

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

Гребной винт 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 из набегающего потока и отбрасывает её назад, сообщая ей дополнительный момент импульса; сила реакции этой отбрасываемой воды передаёт импульс лопастям, лопасти — гребному валу посредством ступицы, гребной вал — корпусу судна посредством опорного подшипника.

Разновидности винтов[править | править вики-текст]

В зависимости от наличия или отсутствия механизма управления углом атаки лопастей винты называют «с регулируемым шагом» или «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. Винты с регулируемым шагом применяются на судах с часто меняющимся режимом движения — буксирах, траулерах, многих речных судах.

В зависимости от направления вращения винты бывают правого и левого вращения. Если смотреть с кормы, то винт, вращающийся по часовой стрелке, называется винтом правого вращения, против часовой — соответственно левого. В простейшем случае используется одиночный винт правого вращения; на больших судах для улучшения манёвренности и надёжности применяются два или даже четыре винта противоположного вращения.

Винты с кольцевым крылом вращаются в открытом полом цилиндре (импеллер[уточнить]), 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 точками лопастей);
  • дисковому отношению (отношению суммарной площади лопастей к площади круга с диаметром, равным диаметру винта);
  • количеству лопастей (от двух до семи, изредка больше; чаще 3);
  • материалу (сталь углеродистая и нержавеющая, алюминиевые сплавы, пластик, бронзы, титановые сплавы);
  • конструкции ступицы (резиновый демпфер, сменная втулка, сменные лопасти);
  • конструкции ступицы (выхлоп через ступицу или под антикавитационной плитой);
  • диаметру ступицы;
  • количеству шлицов втулки.

Преимущества и недостатки[править | править вики-текст]

Работает как движитель только при непрерывном или возрастающем темпе вращения, в остальных случаях — как тормоз.
КПД винта ~30-50 % (максимально достижимый — 75 %); невозможность сделать «идеальный» винт, ввиду постоянного изменения условий его работы.

По сравнению с веслом (КПД ~60-65 %) гребной винт имеет более низкий КПД.[2]

По сравнению с гребным колесом у винта выше КПД и меньше масса. Но гребное колесо в случае повреждения может быть легко отремонтировано, винты же чаще всего неремонтопригодны, в случае повреждения их заменяют. Также, гребной винт — наиболее уязвимый по сравнению с другими судовыми движителями и наиболее опасен для морской фауны. 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 бесполезно молотили воздух, тогда как колеса противоположного полностью погружались под воду, до предела напрягая машину), что делает их практически непригодными для мореходных кораблей (в 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 — ведь по самой своей идее винт находился под водой.

История[править | править вики-текст]

Изобретение для подъёма воды, приписываемое Архимеду, вполне подходило и для обратной работы — отталкивания самого винта от водяной массы. Идея употребления гребного винта как движителя была высказана ещё в 1752 году Даниилом Бернулли, затем позднее Джеймс Уатт повторил её. Тем не менее, всеобщее признание винта произошло не сразу. Хотя сам принцип никогда не являлся секретом, 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 ход), установив гребной винт на небольшой парохода водоизмещением 6 тонн. Удачные опыты Смита привели к образованию компании, на средства которой был построен винтовой пароход в 237 тонн, названный «Архимед». Он имел водоизмещение всего в 240 т, был оснащен двумя паровыми машинами мощностью по 45 л. с. 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 этого движителя, представлявшую собой гребное колесо с лопастями, поставленными под углом. Он построил винтовой пароход в 70 л. с. «Стоктон», сделал на нем переход в Америку, где его идея была встречена весьма сочувственно, так что уже в начале 40-х годов был спущен первый винтовой фрегат USS Princeton (900 т, машина мощностью 400 л. с., дававшей ему ход до 14 узлов) с винтом своей конструкции. На испытаниях корабль развил 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 нем впервые установили 12-дюймовые орудия.

В середине XIX века началась массовая переделка парусников в винтовые корабли. В отличие от колесных кораблей, переделка в которые требовала очень объемных и продолжительных работ, модернизация парусников в винтовые оказалась значительно более простой. Деревянный корпус разрезали примерно пополам и делали деревянную же вставку с механической установкой, мощность которой 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 манипуляциям с парусами, её делали складной — 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.[уточнить]

Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трёхлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить необходимую прочность лопасти такого винта. Поэтому наибольшее распространение на малых судах получили трёхлопастные винты. Винты с двумя лопастями применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно-моторных яхтах, где двигатель играет вспомогательную роль[3]. Четырёх- и пятилопастные винты применяют очень редко, в основном на крупных моторных яхтах для уменьшения шума и вибрации корпуса.

Интерцептор (загнутая исходящая кромка) на гребных винтах способствует увеличению способности винта к «захвату» воды, особенно 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 крупногабаритных 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 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 больше 10°.

Ось гребного винта на глиссирующем катере 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 максимально допустимую. 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 на некоторые большие корабли, например авианосцы, оснащены четырьмя симметрично расположенными гребными винтами.

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