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.

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

Важна максимальная скорость, уверенный и быстрый выход на глиссер с наибольшей нагрузкой? Или хотите просто подходящую скорость для троллинга?

Часто у владельца катера или моторной лодки возникает вопрос выбора наиболее подходящего гребного винта. Гребной винт - это движитель вашего катера и моторной лодки. Преобразуя вращения вала двигателя в упор (силу, которая толкает судно) гребной винт приводит в движение катер или мотолодку. И от того, какого он вида, из какого материала сделан, и какими характеристиками обладает - зависит то, как будет плыть судно. Рассмотрим возможные варианты и характеристики.

3 или 4 лопасти

3-х лопастной гребной винт обладает меньшим сопротивлением, у него выше коэффициент полезного действия, однако на 3-х лопастных винтах раньше возникает кавитация - это когда при высоких скоростях возле лопастей происходит парообразование и последующая конденсация пузырьков пара в потоке жидкости. Такие газовые мешочки из пара и воздуха уменьшают осевой упор и вращающий момент, а так же разрушают поверхность гребного винта. 4-х лопастной гребной винт при том же диаметре позволяет переработать большую мощность и снизить вибрацию.

4-х лопастной винт уменьшает время выхода на глиссирование, может экономить топливо при движении на крейсерском ходе. Но максимально достигаемая скорость судна с 4-х лопастным винтом меньше по сравнению с 3-х лопастным винтом того же диаметра и шага.

Шаг и диаметр

Диаметр гребного винта - это диаметр окружности, охватывающей все лопасти винта. Как правило, чем меньше обороты гребного вала, тем больше должен быть диаметр. Для относительно тихоходных судов рекомендован винт с большим диаметром, соответственно для скоростных судов - с меньшим.

Шаг гребного винта - вторая важнейшая техническая характеристика. Шаг винта соответствует расстоянию, на которое винт переместится за один полный оборот в плотной среде (не воде) без проскальзывания. Шаг определяется как угол наклона лопасти к горизонтальной оси крыльчатки и измеряется в дюймах. Чем больше угол наклона лопасти, тем больший упор создает винт при вращении. Поэтому шаг винта напрямую влияет на максимальные обороты мотора. Чем меньше шаг, тем большие обороты может развить двигатель. Маленький шаг винта имеет худшие показатели по скорости, но лучшие по осиливаемой массе. Важно подобрать шаг винта так, чтобы при максимально открытой дроссельной заслонке обороты двигателя были в рабочем диапазоне рекомендованным производителем мотора. Тогда получим хороший выход на глиссирование, приличную максимальную скорость и главное - это правильную работу двигателя, без лишнего износа.

Материал изготовления

Обладает лучшим КПД по сравнению с алюминиевым аналогом, за счет меньшей толщины лопасти, сложной модели крыльчатки и хорошей зеркальности поверхности. Данный винт меньше подвержен кавитации, как следствие он имеет высокие скоростные характеристики. Высокая прочность стального винта позволяет не стираться о песчаное дно и препятствует образованию на нем выщерблен, не коррозирует в соленой воде. Такой винт может без изменения геометрии лопастей справиться с небольшим ударом о топляк или дно.

Стоимость стального винта выше, чем алюминиевого. В случае удара о камень стальной винт окажет сопротивление, и значительная часть разрушительной энергии удара перейдет на редуктор и вал. Как следствие может быть деформация частей редуктора, что намного хуже повреждения самого винта.

Это в первую очередь относительно недорогая цена. Высокая ремонтопригодность, и в случае жесткого столкновения о камень или топляк - минимальный ущерб для дорогостоящих деталей редуктора двигателя, винт погасит часть энергии удара.

Мягкий алюминиевый винт стирается о песчаное дно, образующиеся на его лопастях выщерблены (от песка, поднимаемого винтом при движении по мелководью) создают дополнительную турбулентность и уменьшают КПД. Геометрия лопастей может меняться при столкновении с незначительными препятствиями, такими как затопленные коряги или бутылки.

Выбор гребного винта - это индивидуальное дело, главное точно определить задачи для своего катера и моторной лодки. Если на вашем судне установлено два двигателя, то не забудьте выставить гребные винты противоположного вращения (как правило от правого борта - правосторонний, левого борта - левосторонний). Не забывайте про такие технические решения как укол откидки (угол наклона лопасти гребного винта по отношению к оси ступицы). Положительный наклон чуть увеличивает КПД и позволяет использовать винт большего диаметра, отрицательный в свою очередь обеспечивает дополнительную прочность лопасти при работе на очень высоких скоростях. Для сильно нагруженных гребных винтов лопасти наклона обычно не имеют, они перпендикулярны ступице.

Для подбора гребного винта максимально соответствующего вашим задачам, конструкции катера и показателям двигателя вы можете получить более подробную профессиональную консультацию в наших магазинах.

С учетом особенностей производства и эксплуатации греб­ных винтов материалы для их изготовления должны обладать следующими общими свойствами:

высокими механическими качествами, т. с. прочностью и пластичностью, обеспечивающими возможность противостоять усталостным нагрузкам, воспринимаемым лопастями;

повышенной коррозионной и эрозионной стойкостью и спо­собностью сохранять первоначальную чистоту поверхности про­должительное время;

высокими технологическими качествами, т. е. хорошими ли­тейными свойствами и легкостью обработки режущим инстру­ментом;

ремонтопригодностью - способностью легко подвергаться правке, заварке, наплавке и т. д.

Материалами для изготовления гребных винтов служат цветные сплавы и нержавеющие стали. Учитывая дефицитность цветных сплавов и высокую стоимость нержавеющей стали, вопреки требованиям эксплуатации, гребные винты изготовляют пока и из углеродистой стали. В качестве опытных материалов применяют пластмассы и титан.

Углеродистая сталь марок 25Л, ЗОЛ и 35Л обладает крайне низкими коррозионными свойствами. Винты, изготовленные из нее, выходят из строя вследствие коррозионного износа через 6-18 мес. Применение этого материала целесообразно лишь на судах, эксплуатирующихся в тяжелых ледовых условиях или подлежащих списанию в ближайшие годы. В целях повы­шения коррозионной стойкости и усталостной прочности греб­ных винтов из углеродистой стали в настоящее время осуще­ствляется внедрение электролитических покрытий из специаль­ных сплавов, наносимых на лопасти по методу инж. М. И. Дворкина.

В соответствии с классификацией Международной ассоциа­ции классификационных обществ (МАКО) цветные сплавы для изготовления гребных винтов разделяют на четыре категории с различным нижним уровнем механических свойств (табл. 3.3).

Из латуней в отечественной практике наиболее распростра­нена марганцовисто-железистая латунь марки ЛМцЖ55-3-1, химический состав и механические свойства которой приведены и табл. 3.5. Эта латунь обладает хорошими литейными, но низ­кими коррозионно-усталостными свойствами; ее условный пре­дел коррозионной выносливости в морской воде a σ -1 =(8.5-10) кгс/мм 2 = 80- 100 на базе 10 6 . Наиболее серьезными недостатками этой латуни являются следующие:

обесцинкование, т. е. выделение цинка из сплава при отсут­ствии протекторной защиты. Следствием обесцинкования явля­ются трещины и разрушения поверхности лопасти;

склонность к коррозионному растрескиванию, т. е. к разру­шению, вызванному перенапряжением материала при совмест­ном действии внутренних растягивающих напряжений и корро­зионной среды (морской воды).

Внутренние растягивающие напряжения возникают в ре­зультате нагрева и последующего охлаждения металла при сварке или правке. Они достигают значительной величины и могут быть ориентировочно оценены по формуле

где / - температура нагрева.

В лопастях из материалов, склонных к коррозионному рас­трескиванию, возникают трещины через 10 недель и более после нагрева, даже без приложения рабочих нагрузок. Склон­ность к коррозионному растрескиванию приводит к разруше­нию лопастей, если своевременно не снять внутренние напря­жения термической обработкой.

Недостаточный учет при проектировании и изготовлении гребных винтов низких коррозионно-усталостных свойств ла­туни ЛМцЖ55-3-1 и ее склонности к коррозионному растрески­ванию послужил причиной большого числа аварий гребных винтов на отечественных судах (рис. 3.51). Латунь ЛМцЖ55-3-1 при условии учета этих факторов целесообразно применять для изготовления гребных винтов средних размеров.

Взамен недостаточно коррозионно-стойкой углеродистой стали разработана и широко применяется отечественная не­ржавеющая сталь марки 1Х14НДЛ (табл. 3.4). Этот сплав обладает сравнительно высокими коррозионно-усталостными свойствами {предел коррозионной выносливости 0_i~ - 15 кгс/мм 2 на базе 10 6 циклов} при условии хо­рошей обработки поверхности лопастей. Учитывая технологи­ческие трудности при выполнении такой обработки, поверх­ность лопастей из этого сплава обычно только зачищают абра­зивами. Очень чувствительная к надрезам нержавеющая сталь 1Х14НДЛ в изделии фактически обладает o_i = 7,5-f-8 кгс/мм 2 на базе 10 6 . Это ее свойство также явилось при­чиной разрушений лопастей гребных винтов вследствие израс­ходования ресурса циклической прочности на ряде отечествен­ных судов («Ленинский комсомол», «Мелитополь» и др.).

Наиболее перспективными и качественными материалами для изготовления гребных винтов являются специальные сплавы, в том числе никель-алюминиевые, и в еще большей степени марганцовисто-алюминиевые бронзы. Промышленностью освоено производство гребных винтов из следующих отечественных сплавов:

никель-алюминиевая бронза БрАЖН9-4-4;

марганцовисто-алюминиевые бронзы «Нева-60» и «Нева-70». Состав и физические свойства этих сплавов приведены в табл. 3.5.

Эти сплавы обладают значительно более высокой, по срав­нению с латунью, стойкостью против коррозионных и эрозион­ных разрушений и существенно большей коррозионно-усталост-ной выносливостью.

Никель-алюминиевые бронзы не склонны к коррозионному растрескиванию, т. е. после нагрева не требуют термообра­ботки; однако они становятся хрупкими при нагреве от 200 до 500°. Если лопасть гребного винта из такой бронзы нагреть в пределах этого диапазона температур, то она теряет свои пластические свойства (рис.3.52) и при приложении на­грузки (например, при правке) может сломаться. По­сле увеличения температуры нагрева до 700° С и выше пла­стические свойства этого ма­териала повышаются.

Марганцовисто-алюминие-вые бронзы не склонны к ох-рупчиванию при нагреве (см. рис. 3.52), но значительно в меньшей степени, чем ла­туни, они подвержены корро­зионному растрескиванию.

Высокие требования, предъ­являемые к материалам и к точности изготовления греб­ных винтов, явились причиной

покупки лицензии на материалы и технологию изготовления гребных винтов английской специализированной фирмы «Стоун».

Лицензионные сплавы аналогичны по свойствам соответст­вующим отечественным материалам. Они носят названия: ни­кель-алюминиевая бронза - «Никалиум»; марганцовисто-алюмипиевые бронзы - «Новостон» и «Суперстон-70».

На отечественных морских судах зарубежной постройки установлены гребные винты, изготовленные на специализиро­ванных заводах фирм ЛИПС (Голландия), «Теодор Цайзе» (ФРГ), «Стоун» (Англия), «Ансальдо» (Италия), «Мицубиси» (Япония), «Сосьсте Нантез де Фонтье» (Франция) и др.

Наиболее распространенные сплавы, применяемые этими фирмами, имеют следующие названия или обозначения:

никель-алюминиевые бронзы «Куниал» (фирма ЛИПС), «Алькуник» (фирма «Теодор Цайзе»), «Мицуби» (компания «Мицубиси»), «Ниальма» («Ансальдо»), «Нантиал» («Сосьсте Нантез де Фонтье»);

марганцовисто-алюминиевые бронзы «Линдрунел» (ЛИПС); AI-MnBzl3 («Теодор Цайзе»); «Мангал-99» («Сосьете Нан­тез») .

Изготовленные из зарубежных нержавеющих сталей греб ные винты установлены в основном только на судах, построен ных в Финляндии. Эти винты из стали «Кархула 15С130» обладающей более низкими, чем стали 1Х14НДЛ, коррозионно усталостными свойствами, и из еще менее качественной мало углеродистой легированной стали, содержащей 3% Ni.

§ 13. Судовые движители

На судах в качестве движителей применяются: гребные винты, крыльчатые движители и водометные движители. Находят применение также паруса, гребные колеса и другие движители.

По принципу действия движители разделяют на активные, к которым относят паруса, непосредственно преобразующие энергию ветра в поступательное движение судна, и реактивные - все остальные, так как создаваемое ими упорное давление получается в результате реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению судна.

Наиболее распространенными благодаря простоте устройства и работы, компактности, надежности в эксплуатации и наибольшему коэффициенту полезного действия являются гребные винты. В зависимости от конструкции их подразделяют на два типа: цельные винты (ступица с лопастями изготовляется совместно) и винты со съемными лопастями , применяемые на судах, плавающих во льдах. Такие винты называются винтами фиксированного шага, а винты, имеющие механизмы, поворачивающие лопасти в ступице и изменяющие шаг винта, называются винтами регулируемого шага.

Шагом винта называется путь в направлении оси, который проходит любая точка поверхности винта за один его оборот.

Гребные винты фиксированного шага - ВФШ (рис. 27) изготовляют цельными (одной деталью), литыми, сварными или штампованными, и они состоят из следующих основных элементов: ступицы , представляющей собой втулку, наеаживаемую на конус шейки гребного вала, и лопастей (от 3 до 6), радиально расположенных на ступице. Нижняя часть лопасти, соединяющая ее со ступицей, называется корнем лопасти; верхняя часть - вершиной или концом; поверхность лопасти, обращенная в сторону корпуса судна, носит название засасывающей поверхности, обратная поверхность - нагнетающей, которая в большинстве случаев представляет собой правильную винтовую поверхность. Пересечение этих двух поверхностей образует кромки лопастей.

Рис. 27. Гребной винт фиксированного шага (ВФШ) и схема создания упорного давления элементарной площадкой лопасти винта.

Применяют гребные винты правого и левого вращения, их различают по общим правилам: если винт завинчивается вращением по часовой стрелке, то он называется винтом правого вращения, а если против часовой стрелки - винтом левого вращения.

При вращении винта его лопасти отбрасывают массы воды в одну из сторон. Реакция этой воды воспринимается нагнетающей поверхностью лопасти, создающей упор винта, который через ступицу и гребной вал передается на упорный подшипник, преобразуясь в силу, движущую судно.

Чтобы понять, как возникает упорное движение при вращении винта (рис. 27), рассмотрим те силы, которые действуют при этом на элементарной площадке его лопасти, двигающейся по окружности со скоростью v 0 И одновременно перемещающейся вместе с судном со скоростью v 1 . Угол а, образовавшийся между результирующей этих сил v и хордой рассматриваемой элементарной площади лопасти, будет углом атаки, создающим на ней подъемную силу R. Если разложить эту силу на составляющие, то одна составляющая -сила Р, действующая по направлению движения судна, и будет силой-упора, а вторая-сила T, действующая по окружности в сторону, обратную вращению винта, создает момент относительно его оси, который преодолевается судовым двигателем.

Рис. 28. Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) с поворотношатунным механизмом изменения шага. 1 - лопасти винта; 2- ступица; 3- гребной вал; 4 - ползун со штангой; 5 - палец шатуна; 6 -подшипник лопастной заделки; 7 - обтекатель винта.

Использование винтов регулируемого шага допускает применение на судах нереверсивных главных машин с упрощенной системой обслуживания, что сокращает износ их цилиндров примерно на 30-40% (возникающий у реверсивных машин от частого изменения режима работы и направления вращения), позволяет полнее использовать мощность машин и поддерживать высокое значение к. п. д. винта.

Рис. 29. Крыльчатый движитель: а - конструктивная схема; б - размещение движителя на судне. 1 - несущий диск; 2 - поворотные лопасти; 3 - ведомая шестерня, приводящая во вращение диск; 4 - гидравлическое устройство управления маятниковым рычагом; 5 - маятниковый рычаг, изменяющий положение лопастей вокруг своей оси; 6 - гребной вал с ведущей конической шестерней.

Крыльчатый движитель (рис. 29) представляет собою конструктивное устройство, состоящее из горизонтально вращающегося цилиндра с вертикально расположенными на нем 6-8 лопастями мечевидной, обтекаемой формы, поворачивающимися вокруг своих осей маятниковым рычагом, управляемым из рулевой рубки.

При вращении диска на лопастях, как на крыле, возникает подъемная сила, составляющая которой создает упорное давление. При повороте лопастей изменяется величина упора и его направление, что дает возможность варьировать направление движения судна без помощи руля (на судне с этим движителем руль не устанавливается), а также величину упора движителя от «Полного вперед» до «Полного назад» или останавливать судно, не изменяя скорости и направления вращения (без реверса) главной силовой установки.

К. п. д. крыльчатого движителя почти равен к. п. д. гребного винта, но крыльчатый движитель значительно сложнее по конструкции. Выступающие лопасти часто ломаются. Однако в последнее время этот движитель находит все более широкое применение, обеспечивая судам хорошую маневренность, позволяющую им свободно работать в узкостях.

Водометный движитель относится к серии водопроточных движителей. Современные водометные движители делают трех типов: с выбросом водяной струи в воду, в атмосферу и с полуподводным выбросом .

Гребной винт работает как насос, засасывающий воду в канал через трубу, проходящую в днище корпуса впереди винта. Для защиты от попадания на винт посторонних предметов в начале канала укрепляется защитная решетка.

Для уменьшения потерь от закручивания гребным винтом водного потока и повышения к. п. д. движителя за винтом устанавливается контрпропеллер. Направление хода судна изменяется перекладкой реверс-руля.

Коэффициент полезного действия такого движителя составляет только 35-45%, а отсутствие всяких выступающих частей в подводной части судна обеспечивает ему большую проходимость на мелководье, в узкостях и на засоренных фарватерах. Для судна с таким движителем не являются препятствием даже плавающие предметы, через которые оно свободно переходит.

Перечисленные преимущества водометного движителя сделали его применение особенно удобным на речных судах, в первую очередь на лесосплаве.

В последние годы водометные движители стали применяться и на быстроходных судах, таких, как суда на подводных крыльях, развивающие скорость хода до 95 км/час.

Использование современных паровых и газовых турбин позволяет успешно применить водометные движители на крупных морских судах, где по расчетам пропульсивный к. п. д. может достичь около 83%, что на 11% выше пропульсивного коэффициента гребного винта, запроектированного для того же судна.

К недостаткам судов с этим движителем следует отнести потери судном грузоподъемности на величину веса прокачиваемой воды и потери объема внутренних помещений, занимаемого каналом.