Установленных на ступице на одинаковом расстоянии друг от друга и представляющих собой крылья среднего или малого удлинения; число лопастей составляет от 2 и более. Гребной винт насаживается на конец гребного вала, приводимого во вращение судовым двигателем. При вращении гребного винта каждая лопасть захватывает массу воды из набегающего потока и отбрасывает её назад, сообщая ей дополнительную осевую и окружную скорость; сила реакции этой отбрасываемой воды заставляет корабль двигаться вперед или назад, в зависимости от направления вращения гребного винта.

История

Идея употребления гребного винта как движителя была высказана ещё в году Даниилом Бернулли , затем позднее Джеймс Уатт повторил её. Но практическое осуществление эта идея получила только в 1836 году, когда английский изобретатель Френсис Смит (англ. Francis Pettit Smith ) воспользовался гребным винтом для небольшого парохода водоизмещением 6 тонн. Удачные опыты Смита привели к образованию компании, на средства которой был построен винтовой пароход в 237 тонн, названный «Архимед ».

Одновременно со Смитом и независимо от него разрабатывал применение гребного винта как движителя Джон Эрикссон (англ. John Ericsson ). 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 (англ. USS Princeton ) с машиной в 400 л.с., дававшей ему ход до 14 узлов.

Первоначальный винт Смита представлял собой часть винтовой поверхности прямоугольного образования, соответствующую одному целому шагу . Образование такой поверхности можно объяснить так: пусть точка А, служащая концом прямой АС, двигается равномерно по другой прямой линии, причём движущаяся прямая вращается равномерно около этой оси, оставаясь все время к ней перпендикулярной, и положим, что в то время, как точка А проходит длину AB, прямая АС совершает полный оборот. Поверхность, описанная этой прямой при таком движении, и есть винтовая; длина AB называется её шагом.

Виды винтов

• винт Смита
• винты Гриффитса
• винты Гирша
• винты Манжена
• винты с прогрессивным шагом
• Кавитирующие и суперкавитирующие винты используются на быстроходных судах, хотя существует эрозия винта, обусловленная кавитацией .

• по количеству лопастей: двух-, трёх-, четырёхлопастные.

Конструкция

Диаметр винта (диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта) современных винтов колеблется от 2 до 5 м. [уточнить ]

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.

Первоначальный винт Смита имел форму, изображенную на этой фигуре, если взять только один полный оборот . Затем Смит стал делать винты двухлопастные (длина винта равнялась только половине шага, и площадь обеих лопастей составляла целый завиток винтовой поверхности). Потом стали делать винты трёхлопастные и четырёхлопастные, разрезая винтовую поверхность на части, сохраняя из них некоторые и сдвигая их на оси так, чтобы длина гребного винта была значительно менее шага винта, из которого взяты отрезки.

При испытаниях в 1843 году первого английского военного винтового парохода «Ратлер» (водоизм. 800 тонн, машина 335 сил) выяснилось, что наивыгоднейшая длина винта должна составлять такую долю шага, чтобы площадь всех лопастей равнялась только 1 / 3 целого завитка винтовой поверхности, так что длина двухлопастного винта должна составлять 1 / 6 шага, трёхлопастного - 1 / 9 и т. д. Винты с тремя и четырьмя лопастями стали устраивать, чтобы работа винта совершалась плавнее, и вначале придавали рабочей поверхности лопастей, то есть той, которая отбрасывает воду при переднем ходе, по-прежнему форму отрезков обыкновенной винтовой поверхности. Но оказалось, что такие В. при работе дают в корме сотрясения почти такой же силы, как и В. двухлопастные. Желая устранить эти сотрясения, стали менять как форму рабочей поверхности, так и лопастей. Было предложено множество разных систем гребных винтов, из которых наиболее распространены в практике следующие: В. - с прогрессивным шагом, В. - Гриффитса, В. - Гирша, В. - Манжена. Образование поверхности этих В. показано на чертежах 11 и 12 (таблица), причём производящая обозначена толстой линией. Устройство этих винтов с надлежащей ясностью может быть объяснено только при помощи чертежей, которые составляются следующим образом: задав элементы винта, то есть его диаметр d (так называется диаметр круга, описываемого крайней точкой лопасти), шаг h, относительную длину kh и число лопастей, а также форму и размер муфты, изображают В. в двух видах сзади и сбоку. Так, фиг. 3 представляет первоначальную форму четырёхлопастных винтов, для которых k = 1/10, то есть длина винта составляет 1/10 шага. Чертим круг диаметра d, и так как длина винта составляет 1/10 шага, то каждая лопасть в проекции на плоскости, перпендикулярной к валу, представится в виде сектора с углом при центре в 36°, муфта и вал - кругами. На боковом виде фиг. 3 (а) вертикально стоящие лопасти изобразятся прямоугольником с основанием = 1/10 h и высотой = d. Чтобы вычертить проекцию горизонтально стоящей лопасти, пересекают поверхность винта рядом цилиндров, каждый из которых пересекает лопасть по винтовой линии; все эти винтовые линии имеют один и тот же шаг h, но разные диаметры, а следовательно, и разные углы наклонения к плоскости вращения. Чтобы построить эти углы, откладывают от О длину О А, равную h/2π, и соединяют точку А с точками а 1, а 2 … углы а 1 АО, а 2 АО… и суть требуемые. Так как для изображения горизонтально стоящей лопасти нужны только малые доли соответственных винтовых линий вблизи точки О, где все они имеют в проекции точку перегиба, в которой касательная составляет с плоскостью вращения углы, равные углу наклонения, то эти части винтовых линий можно с достаточной точностью изобразить прямыми, параллельными Аа 1, Аа 2. Таким образом произошла центральная часть фиг. 3 (а), изображающая боковую проекцию горизонтально стоящей лопасти. Так как лопасть испытывает при вращении винта значительное давление, то, дабы она не изгибалась, ей надо придать надлежащую толщину; на чертеже изображают развернутые сечения лопасти вышеупомянутыми цилиндрами а 1, а 2,…

Пусть ab (см. фигуру) представляет собой развернутое сечение лопасти цилиндром радиуса r; хх есть ось вала. Если винт делает n оборотов в секунду, то линейная скорость вращательного движения элемента ab есть v 1=2n πr и направлена по перпендикуляру к валу; если скорость хода корабля есть v, то абсолютная скорость элемента ab представится диагональю параллелограмма, построенного на v (отложенной по оси хх) и v1, то есть будет V. Если бы скорость корабля v была равна nh, то направление V совпадало бы с направлением ab и переднее ребро лопасти встречало бы воду без удара.

Но оказывается, что за каждый оборот винта корабль подвигается вперед на длину, меньшую шага h, именно только от 9/10h до 8/10h, поэтому, чтобы не происходило удара лопасти о воду при переднем ребре, были предложены винты с прогрессивным шагом, то есть такие, у которых шаг при переднем ребре составляет от 19/10 до 8/10 шага при выходящем ребре, изменяясь постепенно. Нашли также выгодным изменить и форму лопастей, закруглив входящее ребро, и таким образом получился весьма употребительный четырёхлопастный В., изображенный на фиг. 4 (таблицы), который делается иногда и с постоянным шагом. Две лопасти изображены сполна, а другие две (горизонтально стоящие) урезаны. Фиг. 4 (а) представляет тот же В. сбоку; в средней части чертежа изображена в проекции горизонтальная лопасть. Стрелки показывают направление вращения В. при переднем ходе и направление движения корабля.

Гриффитс после долгих опытных изысканий над гребными винтами предложил В., изображенный на фиг. 5 (таблица), с прогрессивным шагом, относительно большего диаметра муфтой и лопастями, имеющими наибольшую ширину посередине; конец лопасти отогнут вперед приблизительно на 1/25 d, так что образующая её рабочей поверхности есть не прямая линия, как у обыкновенного В., а кривая. Работа такого В. оказалась весьма плавной и почти не сопровождается ударами и сотрясениями кормы. Винты Гриффитса были весьма распространены в практике и устанавливались на весьма многих кораблях и судах русского флота. В прилагаемой таблице даются для примера размеры этих винтов.

Название корабля	Число винтов	Число лопастей у каждого винта	Диаметр в футах и дюймах	Средний шаг в футах и дюймах	Число оборотов в минуту	Число индикаторных сил	Скорость в узлах
Клиперы
Опричник, Разбойник, Вестник и пр.	1	2	13΄ 10˝	16΄	95	1528	12,3
Фрегаты
Минин	1	2	19΄= 5,7912 м	27΄	64	5290	14,5
Владимир Мономах	2	4	17΄= 5,1816 м	20΄	86	7200	16
Дмитрий Донской	1	4	20΄ 16˝	21΄ 10˝	85	6016	16,2
Адмирал Нахимов	2	4	17΄= 5,1816 м	21΄	90	8000	16,4
Память Азова	2	4	17΄ 3˝	23΄	86	5750	16,2
Корабли
Пётр Великий	2	4	17΄= 5,1816 м	17΄ 6˝	95	8300	14,5
Император Александр II	2	4	17΄= 5,1816 м	23΄	84	8500	14,6

Лишь в последнее время на коммерческих судах винты Гриффитса уступают место винтам Гирша, изображенным на фиг. 6. Этот винт тоже с прогрессивным шагом, и кроме того, шаг у переднего ребра при основании лопасти меньше, нежели при её конце, средняя линия лопасти и образующая (линия) её рабочей поверхности суть дуги архимедовой спирали. Фиг. 6 изображает винт Гирша сзади, фиг. 6 (а) - сбоку. Стрелка при первом показывает направление вращения при переднем ходе, стрелка при втором - направление движения корабля. Обыкновенный В., в особенности четырёхлопастный, весьма сильно задерживает ход корабля под парусами, поэтому на рангоутных военных судах делали подъемные В. Чтобы уменьшить ширину винтового колодца, Манжен предложил В. с четырьмя лопастями, изображенный на фиг. 7 (таблица). На чертеже В. изображен сзади (а), сбоку (b) и сверху (с). Работа такого В. оказалась не менее выгодной, как и обыкновенного двухлопастного, ширина же его почти вдвое меньше, так что на деревянных судах винт Манжена, если его поставить вертикально, почти скрывался за передним ахтерштевнем. Вместо устройства подъемных винтов Модслей, а затем Бевис предложили В. с поворотными лопастями, так что, когда корабль вступает под паруса, В. ставится вертикально и лопасти поворачиваются параллельно диаметральной плоскости и, будучи даже на железных судах скрыты передним ахтерштевнем, не задерживают хода. На новых французских броненосцах типа «Tonnerre» поставлены В., напоминающие по форме лопастей, если на них смотреть сзади, винты Гирша; отличие же их состоит в том, что поверхность этих В. образуется прямой, наклонной к оси под углом около 120°. Таким образом, и лопасть В., составляющая отрезок поверхности, изображенной на фиг. 9 (таблица), уклонена под этим углом назад. Обыкновенно эти В. делаются с постоянным шагом.

Сперва уподобляли винт как бы штопору, который, ввинчиваясь в воду, двигает корабль вперед; ныне объясняют действие винта реакцией воды, причём одни исчисляют, какое сопротивление испытывает рабочая поверхность лопасти при её вращении и, взяв составляющую этого сопротивления по оси вала, получают ту силу, с которой винт толкает корабль; другие же исчисляют, какое количество движения сообщает винт воде в одну секунду, и по этому количеству движения находят движущую силу винта. Выше было упомянуто, что за каждый оборот винта корабль проходит путь, меньший шага; это явление называют скольжением винта. Скольжение обыкновенно выражается в %, и, зная шаг винта h, число его оборотов в секунду n и скорость хода корабля v, найдем скольжение в % по формуле

Обыкновенно s равно от 10 % до 20-25 %. Для определения размеров винта обыкновенно руководствуются данными, полученными из опытов над судами подобного типа и размеров, или же эмпирическими формулами и таблицами, составленными на основании таких испытаний. Но можно приближенно найти эти размеры таким образом: диаметр d винта определяется углублением корабля - винт надо ставить так, чтобы при вертикальном положении лопасти верхний конец её был погружен на 30-50 сант. при среднем углублении корабля. Выбрав диаметр, берут шаг h при выходящей кромке:

h = 1,50 d, если d не более 2 метров.

h = 1,25 d, если d от 2-4 метров.

h = 1,00 d, если d более 4 метров.

Принимая скольжение в 10 % - 20 %, например 15 %, находят число оборотов В. при желаемой скорости корабля v из условия 0,85Nh = 60 х 0,514v, где v есть скорость корабля в узлах (0,514 метра в секунду), h шаг В. в метрах, N число оборотов в минуту.

Изготовление

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 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.

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

Как работает гребной винт? Гребной винт преобразует вращение вала двигателя в упор - силу, толкающую судно вперед. При вращении винта на поверхностях его лопастей, обращенных вперед - в сторону движения судна (засасывающих), создается разрежение, а на обращенных назад (нагнетающих)- повышенное давление воды. В результате разности давлений на лопастях возникает сила Y (ее называют подъемной) Разложив силу на составляющие - одну, направленную в сторону движения судна, а вторую перпендикулярно к нему, получим силу Р, создающую упор гребного винта, и силу Т, образующую крутящий момент, который преодолевается двигателем.

Упор в большой степени зависит от угла атаки a профиля лопасти. Оптимальное значение для быстроходных катерных винтов 4-8°. Если a больше оптимальной величины, то мощность двигателя непроизводительно затрачивается на преодоление большого крутящего момента, если же угол атаки мал, подъемная сила и, следовательно, упор Р будут невелики, мощность двигателя окажется недоиспользованной.

На схеме, иллюстрирующей характер взаимодействия лопасти и воды, a можно представить как угол между направлением вектора скорости набегающего на лопасть потока W и нагнетающей поверхностью. Вектор скорости потока W образован геометрическим сложением векторов скорости поступательного перемещения Va винта вместе с судном и скорости вращения Vr, т. е. скорости перемещения лопасти в плоскости, перпендикулярной оси винта.

Винтовая поверхность лопасти. На рисунке показаны силы и скорости, действующие в каком-то одном определенном поперечном сечении лопасти, расположенном на каком-то определенном радиусе r гребного винта. Окружная скорость вращения V, зависит от радиуса, на котором сечение расположено (Vr = 2× p × r× n, где n - частота вращения винта, об/с), скорость же поступательного движения винта Va остается постоянной для любого сечения лопасти. Таким образом, чем больше r, т. е. чем ближе расположен рассматриваемый участок к концу лопасти, тем больше окружная скорость Vr, а следовательно, и суммарная скорость W.

Так как сторона Va в треугольнике рассматриваемых скоростей остается постоянной, то по мере удаления сечения лопасти от центра необходимо разворачивать лопасти под большим углом к оси винта, чтобы a сохранял оптимальную величину, т. е. оставался одинаковым для всех сечений. Таким образом, получается винтовая поверхность с постоянным шагом Н. Напомним, что шагом винта называется перемещение любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот винта.

Представить сложную винтовую поверхность лопасти помогает рисунок. Лопасть при работе винта как бы скользит по направляющим угольникам, имеющим на каждом радиусе разную длину основания, но одинаковую высоту - шаг H, и поднимается за один оборот на величину Н. Произведение же шага на частоту вращения (Нn) представляет собой теоретическую скорость перемещения винта вдоль оси.

Скорость судна, скорость винта и скольжение. При движении корпус судна увлекает за собой воду, создавая попутный поток, поэтому действительная скорость встречи винта с водой Va всегда несколько меньше, чем фактическая скорость судна V. У быстроходных глиссирующих мотолодок разница невелика - всего 2 - 5%, так как их корпус скользит по воде и почти не “тянет” ее за собой. У катеров, идущих со средней скоростью хода эта разница составляет 5-8 %, а у тихоходных водоизмещающих глубокосидящих катеров достигает 15-20 %. Сравним теперь теоретическую скорость винта Нn со скоростью его фактического перемещения Va относительно потока воды.

Разность Hn - Va, называемая скольжением, и обуславливает работу по пасти винта под углом атаки a к потоку воды, имеющему скорость W. Отношение скольжения к теоретической скорости винта в процентах называется относительным скольжением:
s = (Hn-Va)/Hn.

Максимальной величины (100 %) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15 %) имеют винты легких гоночных мотолодок на полном ходу; у винтов глиссирующих прогулочных мотолодок и катеров скольжение достигает 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40 %, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50 - 70%.

Легкий или тяжелый гребной винт. Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит степень использования мощности двигателя, а следовательно, и возможность достижения наибольшей скорости хода судна.

Каждый двигатель имеет свою так называемую внешнюю характеристику - зависимость снимаемой с вала мощности от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытом дросселе карбюратора. Такая характеристика для подвесного мотора “Вихрь”, например, показана на рисунке (кривая 1). Максимум мощности в 21,5 л, с. двигатель развивает при 5000 об/мин.

Мощность, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения мотора, показана на этом же рисунке не одной, а тремя кривыми - винтовыми характеристиками 2, 3 и 4, каждая из которых соответствует определенному гребному винту, т. е. винту определенного шага и диаметра.

При увеличении и шага, и диаметра винта выше оптимальных значений лопасти захватывают и отбрасывают назад слишком большое количество воды: упор при этом возрастает, но одновременно увеличивается и потребный крутящий момент на гребном валу. Винтовая характеристика 2 такого винта пересекается с внешней характеристикой двигателя 1 в точке А. Это означает, что двигатель уже достиг предельного - максимального значения крутящего момента и не в состоянии проворачивать гребной винт с большой частотой вращения, т. е. не развивает номинальную частоту вращения и соответствующую ей номинальную мощность. В данном случае положение точки А показывает, что двигатель отдает всего 12 л. с. мощности вместо 22 л. с. Такой гребной винт называется гидродинамически тяжелым.

Наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, поэтому двигатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленвала. Режим его работы будет характеризоваться точкой С. И в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с опасно большим износом деталей. При этом надо подчеркнуть, что поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт называется гидродинамически легким.

Гребной винт, позволяющий для конкретного сочетания судна и двигателя полностью использовать мощность последнего, называется согласованным . Для рассматриваемого примера такой согласованный винт имеет характеристику 3, которая пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке В, соответствующей его максимальной мощности.

Рисунок иллюстрирует важность правильного подбора винта на примере мотолодки "Крым" с подвесным мотором “Вихрь”, При использовании штатного винта мотора с шагом 300 мм мотолодка с 2 чел. на борту развивает скорость 37 км/ч. С полной нагрузкой 4 чел, скорость лодки снижается до 22 км/ч. При замене винта другим с шагом 264 мм скорость с полной нагрузкой повышается до 32 км/ч. Наилучшие же результаты достигаются с гребным винтом, имеющим шаговое отношение H/D = 1,0 (шаг и диаметр равны 240 мм): максимальная скорость повышается до 40-42 км/ч, скорость с полной нагрузкой - до 38 км/ч. Несложно сделать вывод и о существенной экономии горючего, которую можно получить с винтом уменьшенного шага Если со штатным винтом при нагрузке 400 кг расходуется 400 г горючего на каждый пройденный километр пути, то при установке винта с шагом 240 мм расход горючего составит 237 г/км.

Следует заметить, что согласованных винтов для конкретного сочетания судна и мотора существует бесконечное множество. В самом деле, винт с несколько большим диаметром, но несколько меньшим шагом нагрузит двигатель так же, как и винт с меньшим диаметром и большим шагом. Существует правило: при замене согласованного с корпусом и двигателем гребного винта другим, с близкими величинами D и H (расхождение допустимо не более 10%), требуется, чтобы сумма этих величин для старого и нового винтов была равна.

Однако из этого множества согласованных винтов только один винт, с конкретными значениями D и H, будет обладать наибольшим КПД. Такой винт называется оптимальным . Целью расчёта гребного винта как раз и является нахождение оптимальных величин диаметра и шага.

Коэффициент полезного действия. Эффективность работы гребного винта оценивается величиной его КПД, т. е. отношения полезно используемой мощности к затрачиваемой мощности двигателя.

Не вдаваясь в подробности, отметим, что главным образом КПД некавитирующего винта зависит от относительного скольжения винта, которое в свою очередь определяется соотношением мощности, скорости, диаметра и частоты вращения.

Максимальная величина КПД гребного винта может достигать 70 ~ 80 %, однако на практике довольно трудно выбрать оптимальные величины основных параметров, от которых зависит КПД: диаметра и частоты вращения. Поэтому на малых судах КПД реальных винтов может оказаться много ниже, составлять всего 45 %.

Максимальной эффективности гребной винт достигает при относительном скольжении 10 - 30 %. При увеличении скольжения КПД быстро падает: при работе винта в швартовном режиме он становится равным нулю. Подобным же образом КПД уменьшается до нуля, когда вследствие больших оборотов при малом шаге упор винта равен нулю.

Однако следует еще учесть взаимовлияние корпуса и винта. При работе гребной винт захватывает и отбрасывает в корму значительные массы воды, вслед ствие чего скорость потока, обтекающего кормовую часть корпуса повышается, а давление падает. Этому сопутствует явление засасывания, т. е. появление до полнительной силы сопротивления воды движению судна по сравнению с тем, которое оно испытывает при буксировке. Следовательно, винт должен развивать упор, превышающий сопротивление корпуса на некоторую величину Рe = R/(1-t) кг. Здесь t - коэффициент засасывания, величина которого зависит от скорости движения судна и обводов корпуса в районе расположения винта. На глиссирующих катерах и мотолодках, на которых винт расположен под сравнительно плоским днищем и не имеет перед собой ахтерштевня, при скоростях свыше 30 км/ч t = 0,02-0,03. На тихоходных (10-25 км/ч) лодках и катерах, на которых гребной винт установлен за ахтерштевнем, t = 0,06-0,15.

В свою очередь и корпус судна, образуя попутный поток, уменьшает скорость потока воды, натекающей на гребной винт. Это учитывает коэффициент попутного потока w: Va = V (1-w) м/с. Значения w нетрудно определить по данным, приведенным выше.

Общий пропульсивный КПД комплекса судно-двигатель-гребной винт вычисляется по формуле:
h = h p Ч ((1-t)/(1-w))Ч h m = h p Ч h k Ч h m Здесь h p - КПД винта; h k - коэффициент влияния корпуса; h m - КПД валопровода и реверс - редукторной передачи.

Коэффициент влияния корпуса нередко оказывается больше единицы (1,1 - 1,15), а потери в валопроводе оцениваются величиной 0,9-0,95.

Диаметр и шаг винта. Элементы гребного винта для конкретного судна можно рассчитать, лишь располагая кривой сопротивления воды движению данного судна, внешней характеристикой двигателя и расчетными диаграммами, полученными по результатам модельных испытаний гребных винтов, имеющих определенные параметры и форму лопастей. Для предварительного определения диаметра и шага винта существуют упрощенные формулы, приводить которые здесь нет смысла, т.к. предлагается воспользоваться более точными методами расчёта оптимального винта . Эти методы основаны на апроксимации (приближённом представлении) графических диаграмм аналитическими зависимостями, что позволяет выполнять достаточно точные расчёты на ЭВМ и даже на микрокалькуляторах.

Диаметр гребных винтов, полученный как по приближенной формуле, так и с помощью точных расчетов, обычно увеличивают примерно на 5 % с тем, чтобы получить заведомо тяжелый винт и добиться его согласованности с двигателем при последующих испытаниях судна. Для "облегчения" винта его постепенно подрезают по диаметру до получения номинальных оборотов двигателя при расчетной скорости.

Однако для винтов маломерных судов этого можно и не делать. Причина проста: загрузка прогулочных судов меняется в широких пределах, и винт, немного "тяжеловатый" или "легковатый" при одном значении водоизмещения судна, станет согласованным при другой загрузке.

Кавитация и особенности геометрии гребных винтов малых судов. Высокие скорости движения мотолодок и катеров и частота вращения винтов становятся причиной кавитации - вскипания воды и образования пузырьков паров в области разрежения на засасывающей стороне лопасти. В начальной стадии кавитации эти пузырьки невелики и на работе винта практически не сказываются. Однако когда эти пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.

При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость - каверна, захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.

Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение частоты вращения. Гребной винт при этом издает специфический шум, на корпус передается вибрация, лодка движется скачками.

Момент наступления кавитации зависит не только от частоты вращения но и от ряда других параметров. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. раньше наступает кавитация. Появлению кавитации способствует также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей - изгиб, некачественная поверхность.

Упор, развиваемый гребным винтом, практически не зависит от площади лопастей. Наоборот, с увеличением этой площади возрастает трение о воду и на преодоление этого трения дополнительно расходуется мощность двигателя. С другой стороны, надо учесть, что при том же упоре на широких лопастях разрежение на засасывающей стороне меньше, чем на узких. Следовательно, широколопастной винт нужен там, где возможна кавитация (т. е. на быстроходных катерах и при большой частоте вращения гребного вала).

В качестве характеристики винта принимается рабочая, или спрямленная, площадь лопастей. При ее вычислении принимается ширина лопасти, замеренная на нагнетающей поверхности по длине дуги окружности на данном радиусе, проведенном из центра винта. В характеристике винта указывается обычно не сама спрямленная площадь лопастей А, а ее отношение к площади Аd сплошного диска такого же, как винт, диаметра, т. е. A/Ad. На винтах заводского изготовления величина дискового отношения выбита на ступице.

Для винтов, работающих в докавитационном режиме, дисковое отношение принимают в пределах 0,3 - 0,6. У сильно нагруженных винтов на быстроходных катерах с мощными высокооборотными двигателями A/Ad увеличивается до 0,6 - 1,1. Большое дисковое отношение необходимо и при изготовлении винтов из материалов с низкой прочностью, например, из силумина или стеклопластика. В этом случае предпочтительнее сделать лопасти шире, чем увеличить их толщину.

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%.

Гребные винты катеров имеют обычно большую частоту вращения, поэтому вследствие больших центробежных скоростей происходит перетекание воды по лопастям в радиальном направлении, что отрицательно сказывается па КПД винта. Для уменьшения этого эффекта лопастям придают значительный наклон в корму -от 10 до 15° .

В большинстве случаев лопастям винтов придается небольшая саблевидность - линия середин сечений лопасти выполняется криволинейной с выпуклостью, направленной по ходу вращения винта. Такие винты благодаря более плавному входу лопастей в воду отличаются меньшей вибрацией лопастей, в меньшей степени подвержены кавитации и имеют повышенную прочность входящих кромок.

Наибольшее распространение среди винтов малых судов получил сегментный плосковыпуклый профиль. Лопасти винтов быстроходных мотолодок и катеров, рассчитанных на скорость свыше 40 км/ч, приходится выполнять возможно более тонкими с тем, чтобы предотвратить кавитацию. Для повышения эффективности в этих случаях целесообразен выпукловогнутый профиль ("луночка"). Стрелка вогнутости профиля принимается равной около 2 % хорды сечения а относительная толщина сегментного профиля (отношение толщины t к хорде b на расчетном радиусе винта, равном 0,6R) принимается обычно в пределах t/b = 0,04-0,10.

Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трехлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить необходимую прочность лопасти такого винта. Поэтому наибольшее распространение на малых судах получили трехлопастные винты. Винты с двумя лопастями применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно - моторных яхтах, где двигатель играет вспомогательную роль. В последнем случае имеет значение возможность устанавливать винт в вертикальном положении в гидродинамическом следе ахтерштевня для уменьшения его сопротивления при плавании под парусами.

Устройства, предназначенные для создания упорного давления, воспринимаемого судном и являющегося основой его движения, называются движителями. Существуют движители различных видов: лопастные колеса, крыльчатые движители, гребные винты и т. д.

Крыльчатый движитель представляет собой диск, снабженный тремя-четырьмя вертикальными поворотными лопастями и расположенный горизонтально под кормой судна на вертикальном валу. Диск приводится во вращение от электродвигателя через коническую зубчатую передачу. Использование крыльчатых движителей обеспечивает высокую маневренность судна при отсутствии рулевого устройства и позволяет осуществлять задний ход без реверса двигателя. Однако конструктивная сложность таких движителей и их габариты, возрастающие с увеличением мощности энергетической установки судна, не позволяют применять их для крупных
судов. В последнее время крыльчатыми движителями типа «Фойтшнейдер» снабжают самоходные грузовые краны, некоторые мелкие суда и подруливающие устройства более крупных судов.

Наибольшее распространение в качестве движителя для судов получил гребной винт. Основными частями гребного винта (рис. 81) являются: ступица 1 винта с конусным отверстием внутри и лопасти 2, число которых может быть от двух до шести. Гребные винты выполняют с цельнолитыми, со съемными и с поворотными лопастями.

Рис. 81. Гребной винт с цельнолитыми лопастями.

Винты с цельнолитыми лопастями (рис. 81) применяют в основном на судах морского торгового флота. Такие винты отличаются небольшими весом и габаритом ступицы, а также более высокой прочностью в нормальных условиях эксплуатации.

Винты со съемными лопастями устанавливают на судах арктического флота, где по условиям эксплуатации замена поврежденной лопасти целой более удобна, чем замена всего винта. Кроме того, такие винты применяют в том случае, когда диаметр винта велик и отливка его затруднительна.

Винты с поворотными лопастями, иначе называемые винтами регулируемого шага (ВРШ), отличаются от обычных тем, что их лопасти закрепляются подвижно в ступице винта и могут поворачиваться вокруг своей оси на заданный угол при помощи особого привода. Этот привод, или механизм изменения шага (МИШ), обычно располагается внутри ступицы винта, поэтому ступица значительно больше, чем у обычных винтов. Механизм изменения шага бывает ручным, механическим, электромеханическим, гидравлическим и электрогидравлическим. В состав МИШ, за исключением ручного, входят: механизм поворота лопастей, размещаемый, как правило, в ступице винта; сервомотор, создающий усилия для поворота лопастей и располагаемый на участке между гребным валом и главным двигателем; обратная связь или устройство, показывающее величину нового шага винта.

Механизм поворота лопастей (рис. 82) бывает двух видов: зубчатый и кривошипный, причем последний более надежен и применяется во всех напряженных конструкциях винтов (больших мощностей и диаметров, высокооборотных ВРШ малых диаметров и др.).

Рис. 82. Механизм поворота лопастей: а - зубчатый; б - кривошипный.

Наиболее распространенным в настоящее время является гидравлический МИШ (рис. 83), обычно располагаемый в линии валопровода. Для поворота лопастей винта здесь используется энергия жидкости (чаще всего масла с малой вязкостью) под давлением. Гидравлический привод МИШ отличается относительной простотой устройства и возможностью создавать значительные рабочие усилия при сравнительно небольших габаритах и весе установки.

Рис. 83. Конструкция МИШ с гидравлическим приводом.

В ступице 4 винта находится поводок 1 штанги 5, помещенной внутри пустотелого гребного вала 6. Поводком 1, в пазу которого расположен палец 2 на комле лопасти, производится поворот последней вокруг своей оси. Для облегчения поворота комель лопасти посажен в гнездо ступицы на двухрядных конических роликоподшипниках 3. На другом конце штанги 5 располагается поршень сервомотора 7, соединенный обратной связью 8 с подвижной муфтой 12 и поршнем распределительного золотника 11. Масло в распределительный золотник 11 и сервомотор 7 подается через трубки 10 от масляного насоса. Управление изменением шага лопастей винта осуществляется рычагом 9, нижний конец которого скользит в пазу подвижной муфты. Гидравлический МИШ позволяет производить управление шагом винта с ходового мостика при помощи дистанционной пневматической системы.

Применение винтов регулируемого шага позволило значительно упростить управление судном, уменьшить габариты и вес главных двигателей за счет устранения ступеней и устройства заднего хода, давать судну обратный ход без перемены направления вращения гребного вала. Кроме того, применение ВРШ на таких судах, как буксиры, танкеры и лесовозы, позволяет привести шаг винта в соответствие с любой скоростью. Это повышает экономичность работы энергетической установки и дает возможность более полно использовать мощность главных двигателей на различных режимах работы.

Огромные корабельные винты скрывают невиданную мощь. Вы можете считать, что главный двигатель всей жизни - любовь; кораблю нет до этого никакого дела:)

Мы уже видели самые большие корабли мира, и даже обратили внимание на носовые фигуры кораблей. Но, кажется, мы упустили едва ли не самое важное - винты.

Интересный факт: когда Эдвард Лион Бертон (Edward Lyon Berthon) изобрел гребной винт в 1834 году, он был отвергнут и воспринят Адмиралтейством как «милая игрушка, которая никогда не смогла бы, и не сможет привести в движение корабль».

Самые огромные корабельные винты в мире

Один из самых больших корабельных винтов в мире изготовила компания Hyundai Heavy Industries для судна грузоподъемностью 7200 двадцатифутовых контейнеров, принадлежавшего Hapag Lloyd. Высотой с трехэтажное здание, 9,1 метра в диаметре, шестилопастевый винт весит 101,5 тонну. На следующей фотографии изображен 72-тонный винт, установленный на танкер Loannis Coloctronis:

Крупнейший на сегодняшний день корабельный винт массой в 131 тонну, изготовленный в городе Варен на реке Мюриц, установлен на Emma Maersk - крупнейшем контейнеровозе в мире, грузоподъемностью до 14 770 двадцатифутовых контейнеров, длиной 397 м, шириной более 56 м и высотой 68 м. Сообща с мощным двигателем, винт позволяет океанскому гиганту набирать скорость в 27 узлов (50 км / ч).

А это массивные винты и рули антарктического ледокола Palmer, научно-исследовательского судна, работающего в самых суровых условиях на Земле:

Винты, установленные на Eurodam - круизном лайнере:

Эти громадные винты принадлежали "Титанику" - одному из самых известных кораблей в истории. Лайнер имел три гребных винта, каждый приводился в действие отдельным двигателем. Два внешних винта весили 38 тонн, а центральный - 17 тонн:

"Титаник" был одним из лучших кораблей своего времени, но "Oasis of the Seas" компании Royal Caribbean размерами превосходит знаменитый лайнер в пять раз, и в настоящее время является крупнейшим пассажирским судном из когда-либо построенных. Естественно, роскошный корабль должен иметь достаточно большие винты, способные доправить его от побережья Финляндии до нового дома "Oasis of the Seas" в городе Форт-Лодердейл, штат Флорида:

"Elation от Carnival Cruise Lines" также был построен в Финляндии, и в настоящее время обосновался в Сан-Диего, штат Калифорния. Рядом с винтами корабля люди, ответственные за их конструирование и установку, кажутся жалкими лилипутами:

А этот винт собирается в сухом доке в Сан-Франциско:

Следующий винт принадлежит другому круизному лайнеру, "Norwegian Epic":

Еще один пример винта гигантского размера, который необходим для передвижения таких огромных круизных судов как "Celebrity Solstice":

А вот винты корабля "Queen Elizabeth 2", известного как QE2. Принадлежавшее Cunard Line (британская компания-оператор трансатлантических и круизных маршрутов океанских лайнеров), судно было спущено на воду в 1969 году и снято со службы в 2008 году:

"Queen Mary 2" сменил QE2 в качестве флагманского судна Cunard в 2004 году. Вот некоторые из запасных винтов QM2, располагающихся на передней палубе судна:

Это винт другого известного в истории корабля. Немецкий линкор "Bismark" был спущен на воду в феврале 1939 года, незадолго до начала Второй мировой войны, и потоплен англичанами в мае 1941 (изображение слева). На фото справа - заводской пейзаж и винт от нефтяного танкера во время его строительства в 1947 году:

Не такие большие, но не менее интересные
Винт японских мини-подводных лодок, атаковавших американские авианосцы во время атаки на Перл-Харбор в декабре 1941 года:

Правый винт USS Fiske, 1946 год:

Технологии, конечно, улучшаются, но большим кораблям до сих пор необходимы большие винты. Этот - от "SS Great Britain", разработанный Isambard Kingdom Brunel для самого большого корабля в мире (на момент его запуска в 1843 году). Корабль пересек Атлантический океан в 1845 году всего за 14 дней, что стало в то время абсолютным рекордом.

Рабочие судостроительного завода изучают один из четырех латунных винтов авианосца USS George Washington. Каждый из винтов весит около 66 000 фунтов и имеет 22 фута в диаметре.

Корабельные винты - гидрореактивные движители. Они создают силу тяги за счет реакции масс воды, отбрасы­ваемых в сторону, противоположную движению корабля. Рабочими органами винта, воспринимающими реакцию воды, являются лопасти.

Гребные винты могут иметь три, четыре лопасти и бо­лее, укрепленные на ступице на одинаковых угловых расстояниях одна от другой. Поверхность лопасти, обра­щенная в нос, называется засасывающей, а поверх­ность, обращенная в корму,- нагнетающей. Передняя кромка лопасти называется входящей, а задняя - выходящей.

По своей конструкции винты бывают трех типов: цель­нолитые, со съемными лопастями, с поворотными лопастями. Винты цельнолитые и со съемными лопастями относятся к винтам фиксированного шага (ВФШ), винты с по­воротными лопастями - к винтам регулируемого шага (ВРШ) Винты фиксированного шага делятся на винты правого и левого вращения. Винт правого вращения на переднем ходу, если смотреть с кормы, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения - наоборот.

Основными геометрическими характеристиками винта являются:

Диаметр винта D - диаметр окружности, описывае­мой наиболее удаленными точками лопастей. У военных кораблей колеблется в пределах от 0,6 до 5 м.

Площадь диска винта Ad - площадь круга, ометаемого гребным винтом при его вращении:

Геометрический шаг винта H - линейное расстояние по оси винта, которое проходила бы ступица за один полный оборот при вращении в плотной среде. Величина шаго­вого отношения H/D у винтов имеет значение от 0,8 до 1,8.

Величина дискового отношения A/Ad колеблется от 0,35 (винты тихоходных кораблей) до 1,20 (винты быстроход­ных кораблей), где А - суммарная площадь спрямленной поверхности всех лопастей винта.

Взаимодействие гребного винта с корпусом корабля и рулем

Гидромеханическое взаимодействие системы корпус - винт - руль очень сложно. Движитель, работающий вбли­зи корпуса корабля, существенно изменяет его поле ско­ростей, что приводит к изменению гидродинамических сил, действующих на корпус. В свою очередь, поток воды, набегающий на винт, получает возмущения от корпуса пе­ремещающегося корабля. Существенное влияние винт так­же оказывает на расположенный позади него руль. В ре­зультате взаимодействия системы корпус - винт - руль возникает целый ряд боковых сил, которые необходимо постоянно учитывать и рационально использовать при управлении маневрами корабля .

Сила попутного потока

Движущийся в воде корпус вызывает попутный поток, направленный в сторону движения корабля. Причины его появления - трение пограничных слоев воды о корпус ко­рабля и стремление масс воды заполнить объем, вытес­ненный корпусом. Между скоростью попутного потока в месте расположения винта Vp и скоростью хода кораб­ля V существует соотношение Vp - V (1 - ω), где - ω коэффициент попутного потока. Его значения для различ­ных кораблей могут изменяться от 0,10 до 1,00. Таким об­разом, влияние корпуса на винт сводится к уменьшению скорости обтекания винта. Экспериментально установлено, что в верхней половине диска винта скорость попутного потока больше, чем в нижней. Неравномерность поля скоростей попутного потока в диске винта за один оборот вызывает изменение угла атаки и соответственно сил упо­ра и момента на лопастях, проходящих верхнее и нижнее положения. Так, лопасть, находящаяся в верхнем поло­жении, будет иметь больший угол атаки и соответственно большее сопротивление вращению, чем лопасть, находя­щаяся в нижнем положении. В результате возникает бо­ковая сила, которая на переднем установившемся ходу (винт правого вращения) будет уклонять корму корабля влево.

Сила попутного потока b проявляет себя в наибольшей степени на переднем установившемся ходу, вызывая укло­нение кормы корабля в сторону, обратную вращению винта.

Сила реакции D

Лопасти гребного винта, проходящие верхнее положе­ние, находятся значительно ближе к поверхности воды, чем лопасти, проходящие нижнее положение. В результате этого происходит засасывание воздуха в верхние слои воды, что значительно изменяет силовые характеристики лопасти (упор и момент).

Влияние близости поверхности воды наиболее сущест­венно проявляется при малом заглублении винта (у транс­портных судов, следующих в балласте, лопасть в верхнем положении вообще выходит из воды), в период неустано­вившегося движения (дача хода со «стопа»), при ревер­сах Разность упора и момента на верхней и нижней ло­пастях приводит к образованию боковой силы реакции D. На установившемся ходу и с увеличением заглубления винта действие силы реакции резко уменьшается.

Сила реакции D проявляется в наибольшей степени в период неустановившегося движения, вызывая уклонение кормы в сторону вращения винта.

Сила набрасываемой струи С

Гребной винт при вращении закручивает прилегающие к лопастям массы воды и отбрасывает их, образуя мощ­ный спиральный поток. При движении корабля вперед этот поток воздействует на расположенный позади винта руль. При движении задним ходом поток воздействует на кормовой подзор корабля. Образованный винтом спираль­ный поток можно представить в осевой (аксиальной) и касательной (тангенциальной) составляющих. Аксиальная составляющая, воздействуя на расположенный за винтом руль, значительно повышает его эффективность и ника­ких боковых сил не вызывает. При движении корабля задним ходом аксиальная составляющая, воздействуя на симметричные обводы кормы, также никаких боковых сил не вызывает.

Тангенциальная составляющая на переднем ходу воз­действует на перо руля в левой верхней и правой нижней половинах.

Из-за несимметричности распределения попутного по­тока по осадке корабля, а следовательно, и вызванных окружных скоростей в потоке, натекающем на руль, воз­действие тангенциальной составляющей на правую нижнюю половину руля будет больше, чем на левую верхнюю. В ре­зультате возникает боковая сила набрасываемой струи С.

Сила набрасываемой струи С проявляется в наиболь­шей степени на установившемся ходу, вызывая при дви­жении корабля вперед уклонение кормы в сторону, обрат­ную вращению винта.

На заднем ходу обтекание кормовой оконечности пото­ком будет также несимметричным в диске винта. В пра­вой верхней половине диска винта поток обтекает кормо­вую оконечность с большей полнотой, чем в левой ниж­ней. В результате также возникает боковая сила набра­сываемой струи.

На заднем установившемся ходу сила набрасываемой струи С вызывает уклонение кормы в сторону вращения винта.