Гребной винт
Гребной винт
Гребной винт — наиболее распространённый движитель судов, а также конструктивная основа движителей других типов.
Гребной винт состоит из ступицы и лопастей, 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 1752 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.
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.
