Гребной винт

Гребной винт. Представляя собой самую распространенную форму движущего аппарата для судов, гребной винт, под более общим названием пропеллера, получил широкое распространение в воздухоплавании. В обоих случаях на гребной винт возлагается одинаковая задача: опираясь своей винтовой поверхностью, или поверхностями, если их несколько, на воду или воздух, развить  вдоль оси винта усилие, необходимое для перемещения судна или воздухоплавательного аппарата. См. приложение.

Гребной винт.

По внешнему виду пароходный гребной винт (фиг. 1—4) представляет узкие секторы (вырезки винтовых поверхностей, соединенное в одно целое центральной втулкой, сажаемой на конец вала двигателя, за кормой судна. Число отдельных секторов или лопастей зависит от числа витков, размещаемых на одном шаге винтовой линии (см. винт).

Очертание лопастей (крыльев) на винтовых поверхностях выполняется на основании опыта с различными формами. Характеризующими гребной винт элементами служат: шаг винта — Н в mt который может быть постоянным или переменным для отдельных элементов лопастей, взятых на разных радиусах; проектированная поверхность лопастей, видимая на фиг. 1, и их развернутая поверхность, указанная там же пунктиром   для одного верхнего крыла. Для получения последней кольцевые элементы лопасти следует повернуть около средней линии О—О до совмещения с плоскостью бумаги и спрямить их в полосы, отмеченные на пунктирном изображении развернутой поверхности крыла. Подбор этих величин указывается в справочниках судовых машин. Наиболее распространены в судостроении трех и четырехлопастные винты. Винт с двумя лопастями, выгодный в работе и широко применяемый в воздухоплавании, на судах встречается как исключение на небольших речных пароходах и моторных лодках. Для морских судов эта форма винта малопригодна вследствие беспокойной работы и резкого изменения нагрузки двигателя в моменты выхода одного крыла из   воды при волнах или малой осадке судна (без груза). Число винтов на судне варьирует от одного до четырех в зависимости от размеров, назначения судна и формы русла, по которому судно совершает рейсы. На торговых морских пароходах встречается обычно 1—2 винта, на крупных почтовых пароходах и судах военного флота число их доводится до четырех. Речные пароходы строятся одновинтовыми, если, малая глубина русла не требует уменьшения полученных расчетом размеров винта и уменьшения осадки всего судна. При различности такого требования часто встречающегося при плавании судна по каналам, вместо одного винта большого диаметра, в раме между рулем и корпусом, помещают два винта меньших размеров под боковыми обводами кормовой части по обе стороны от руля. Размещение винта под кормой судна хорошо видно на фотографии (фиг. 5), снятой с двухвинтового океанского парохода перед спуском на воду.

Вал, несущий на заднем своем конце винт, располагается горизонтально или ему придают незначительный уклон назад. Боковое расположение винта, отодвигал их от стенок корпуса, обеспечивает лучший подвод воды по сравнению с одним нейтральным винтом и уменьшает нарушение ими функции руля. Наибольшее распространение получила форма винта со слегка отогнутыми назад крыльями, выреза или  из винтовых поверхностей с наклонной образующей. К этой категории относится   винт буксирного парохода на фиг. 1—4 с машиной в 200 лошадиных сил. Уклон  образующей виден на фиг. 3. Поверхность крыльев и в особенности профиля режущей воду кромки тщательно обрабатываются по шаблонам, представляющим собой сечение крыла (фиг. 4) на различных расстояниях от оси вала. Втулке придается удлиненная форма, способствующая более плавному обтеканию ее водой. С этой же целью гайка, закрепляющая втулку на валу, получает форму вытянутого конуса.

Рис.5

В винтах диаметром до 2—2,2 mt втулка и лопасти составляют одно целое; в более крупных моделях, диаметр которых нередко переходит за 3,5 mt, крылья изготовляются отдельно и крепятся к полой втулке Солтами. В  моторных лодках с двухлопастными винтами встречается особая конструкция поворотных лопаток, позволяющая менять направление тяги винта (силы по оси) без изменения направления вращения вала. Материалом  для судовых винтов служат чугун, твердые сорта бронзы и стальное литье. В больших моделях с привернутыми крыльями втулка изготовляется из чугуна или стали, а крылья отливаются из бронзы или вырезаются иногда из стальных листов и приклепываются ко втулке. Втулки из чугуна применяются на буксирных пароходах и судах торгового флота, где дешевизна изготовления играет  главную роль. Материал крыльев на режущей кромке и в местах соединения их с  втулкой, где вихревые движения особенно интенсивны, подвергается энергичному разъеданию. Наименее выносливы в этом отношении втулки из стального литья. Толщина крыльев устанавливается расчетом их на изгиб в растяжение под действием давления отбрасываемой крыльями воды и центробежной силы их материала. Более нагруженными, а потому и более толстыми являются сечения лопастей у втулки.

Винты, применяемые в воздухоплавании, работают в менее плотной среде и изготовляются из  более легких материалов — дерева, алюминия или особой плотной ткани, пропитанной маслом. Деревянный винт, изображенный на фиг. 6, во избежание коробления, готовится из ряда тонких планок, повернутых на оси относительно друг друга для образования косой поверхности лопастей и хорошо приклеенных в  местах соприкосновения. Выступающие ребра планок при дальнейшей обработке спиливаются и дают гладкую рабочую поверхность крыла. В винте из алюминиевых листов или ткани каркасом служат тянутые стальные трубки, применяемые в велосипеде.

Рис.6

Действие гребного винта, результатом которого является поступательное движение судна, состоит в следующем. Поглощая при вращении работу, доставляемую двигателем, винт тратит ее на приведение в  движение массы воды (или воздуха), захватываемой при вращении его лопастями. Вода (или воздух), попавшая в сферу действия винта, отрбрасывается им назад с некоторой средней скоростью mt/ск, относительно судна и закручивается в направления вращения его крыльев. Образовавшиеся таким образом   вихревой поток за винтом расширяется и, захватывая к себя полые частицы окружающей среды, мало-помалу затухает.

Движущей судно силой будет реакция на винт отбрасываемой им   в одну секунду назад массы волы (или воздуха). Обозначив эту массу через М и зная ее скорость с относительно судна, имеем для силы вдоль вала винта, толкающей судно вперед, такое выражение:

Р=М.с  (1)

где Р сила тяги в kg, передаваемая с вала на корпус судна, М. масса, захватываемая винтом в одну секунду в kg.ск/mt.

Работа этой силы при скорости судна W mt/ск и коэффициент  полезного действия винта η выраженная в лошадиных силах, представится тогда следующей формулой:

N_l = PW/75.η = Mc.W/75.η лош. сил (2)

Закручивание воды, как видно из формулы 1 и 2, представляет чистую потерю, и в последнее время делаются попытки, помощью неподвижных лопаток за винтом, перевести тангенциальную скорость в осевую, увеличивая этим коэффициент отдачи винта. Величина этого коэффициента, представляющего отношение работы, даваемой винтом (N_l), к работе, затрачиваемой машиной на его вращение, колеблется в судовых винтах от 40 до 70%. Постановка направляющих лопаток повышает эти значения на 7—10%. Меньшие значения относятся к быстроходным винтам небольших пароходов и судов с турбинными двигателями; число оборотов таких винтов доходит до 500 в минуту. Высшие значения имеют место в крупных тихоходных винтах океанских пароходов, делающих от 150 до 180 оборотов в минуту. Быстроходный винт получает, сравнительно с тихоходным, меньший шаг, что, как известно из теории винта в жесткой гайке (см. винт), ухудшает его отдачу.

Фиг.7

Прилагаемая фотография, фиг. 7, из серии опытов профессора Фламма с моделями судовых винтов даст наглядную картину путей, описываемых лопастями винта при движении его в воде, границы вихревого потока и понижение свободной поверхности воды над винтом вследствие всасывающего действия винта на находящуюся перед ним воду. При незначительном погружении модели винта в опытах, облегчавшем прорыв к винту воздуха, границы потока и образование центрального разреженного вихревого жгута за втулкой выступают особенно резко. Благодаря удобоподвижности среды, в которую производится ввинчивание, поступательное перемещение винта за оборот, а вместе с ним и судна, становится меньше его шага, что позволяет,  между прочим, выполнять переменный шаг. Такое отставание или скольжение (английское — slip) гребного винта, обнаруживаемое при каждом опыте, представляет существенный пункт при расчете винтов по эмпирическим формулам. Различают кажущееся и действительное скольжение; первое характеризуется отношением разности скорости ввинчивания лопастей винта в неподвижную среду— С= Н.n/60 mt/ск (n – число оборотов в минуту) и поступательной скорости судна W к скорости С; второе дает  аналогичное соотношение при условии, что окружающая судно среда  увлекается им с некоторой скоростью u и скорость   судна относительно воды уменьшается до W—u. Таким образом, действительное отставание C-(W-u)/C   бывает несколько больше кажущегося. Для судовых винтов скорость u, сообщаемая окружающей воде корпусом, составляет от 5 до З0%  скорости судна —  W. Большие значения относятся к судам   с полными обводами кормовой части и размещением винта близко к стенкам корпуса. Числовое значение скольжения колеблется от 10 до 30%.

Влияние указанных факторов и затруднительность точной оценки массы воды, захватываемой винтом, заставляют, однако, при расчете судовых   винтов предпочитать эмпирические формулы, с рядом опытных коэффициентов, вместо простых соотношении уравнений 1 и 2. Величина шага при таких расчетах намечается предварительно в зависимости от  диаметра проектируемого винта, скорости судна и ожидаемого скольжения.

Для определения диаметра пользуются формулой вида:

D =K₁ √(N_l/(nH/100)³,

где N_l — индикаторная мощность машины в лошадиных силах, n - число оборотов вала винта в минуту, K₁ - опытный коэффициент, величина которого колеблется от 0,8 до 1,35 в зависимости от очертания подводной части корпуса, размеров и быстроходности судна и числа оборотов вала винта. Если диаметр винта выходит  слишком велик, то увеличивают число винтов, изменяют их быстроходность и повторяют расчет.

Подробные сведения по гребным судовым   винтам можно найти в курсе Погодина, «Судовые движители», в справочниках морских машин Онтона или Бауера и у Barnaby, «Marine propellers»; данные по воздушным винтам имеются у Wellner в книжке «Die Fiugmaschinen», в аэродинамике Lanchester'а на английском и немецком языках, а также в литографированном курсе профессора Жуковского — «Аэродинамика».

И. Куколевский