Гребной винт

Гребной винт — это движитель, преобразующий вращательное движение вала судового двигателя в упор — силу, движущую судно. Гребной винт является основным типом движителя на подавляющем большинстве современных морских и речных судов, а также применяется на некоторых типах летательных аппаратов (например, на аэросанях и судах на воздушной подушке). Принцип действия основан на создании гидродинамической (или аэродинамической) подъёмной силы лопастями, вращающимися в водной или воздушной среде.

История

Первые теоретические описания устройства, напоминающего гребной винт, встречаются в трудах Леонардо да Винчи (XV век). Однако практическое применение началось лишь в XIX веке. В 1827 году австрийский инженер Йозеф Рессель испытал судно «Цивита» с винтом, имевшим две лопасти. В 1836 году британский изобретатель Фрэнсис Петтит Смит построил лодку «Фрэнсис Смит» с деревянным винтом, а в 1839 году — пароход «Архимед», который стал первым в мире пароходом, успешно использовавшим гребной винт в качестве основного движителя. В том же 1836 году шведский инженер Джон Эрикссон запатентовал свой вариант винта с лопастями, расположенными под углом.

В 1840-х годах гребной винт начал вытеснять гребные колёса, которые были менее эффективны на волнении и занимали много места. К 1850-м годам винт стал стандартным движителем для паровых судов. В 1868 году российский инженер Иван Афанасьев разработал теорию гребного винта, заложив основы для расчёта его геометрии и гидродинамических характеристик. В XX веке развитие материаловедения и гидродинамики позволило создавать винты с регулируемым шагом, а также сложные многолопастные конструкции для снижения вибрации и шума.

Устройство и принцип действия

Гребной винт состоит из нескольких основных элементов:

• Ступица — центральная часть, насаживаемая на гребной вал. В ступице размещаются механизмы поворота лопастей (у винтов регулируемого шага) или она является монолитной.
• Лопасти — профилированные поверхности, создающие упор. Каждая лопасть имеет переднюю (нагнетающую) и заднюю (засасывающую) стороны, а также кромки: входящую (переднюю) и выходящую (заднюю).

При вращении винта лопасти отбрасывают воду назад, создавая реактивную силу, направленную вперёд — упор. Гидродинамическая сила, возникающая на лопасти, раскладывается на две составляющие: осевую (полезный упор) и тангенциальную (создающую крутящий момент). Эффективность работы винта зависит от угла атаки лопастей, скорости вращения, плотности воды и формы профиля.

Основные геометрические параметры

• Диаметр винта (D) — расстояние между крайними точками лопастей.
• Шаг винта (H) — расстояние, которое винт прошёл бы за один оборот в твёрдой среде (без скольжения). Реальный шаг меньше из-за скольжения (проскальзывания) в воде.
• Дисковое отношение — отношение площади проекции лопастей к площади круга, описываемого винтом.
• Число лопастей — от 2 до 7 и более. Обычно 3–5 лопастей для судовых винтов.
• Угол наклона лопасти — угол между хордой профиля лопасти и плоскостью вращения.

Классификация

Гребные винты классифицируются по нескольким признакам.

По конструкции

• Винты фиксированного шага (ВФШ) — лопасти жёстко закреплены в ступице. Угол установки не меняется. Просты, надёжны, дешевы. Требуют реверса двигателя для изменения направления движения.
• Винты регулируемого шага (ВРШ) — лопасти могут поворачиваться вокруг своей оси в ступице. Позволяют менять шаг (и, следовательно, упор) без изменения частоты вращения вала. Обеспечивают экономию топлива и маневренность, но сложнее и дороже ВФШ.

По расположению

• Кормовые винты — расположены за кормой судна. Наиболее распространённый тип.
• Носовые винты — устанавливаются в носовой части для улучшения маневренности (подруливающие устройства).
• Боковые винты — используются на судах с динамическими принципами поддержания (например, на подводных крыльях).

По числу лопастей

• 2-лопастные — применяются на маломерных судах, яхтах, торпедных катерах.
• 3-лопастные — стандарт для большинства торговых и пассажирских судов. Оптимальный баланс эффективности и прочности.
• 4-лопастные — обеспечивают более плавный ход, меньше шума и вибрации. Часто используются на ледоколах и судах с ограниченной осадкой.
• 5- и более лопастные — применяются на крупнотоннажных судах, подводных лодках, а также для снижения кавитации и шума.

По материалу

• Бронзовые (латунь, марганцовистая бронза) — коррозионно-стойкие, прочные, хорошо обрабатываются. Наиболее распространены.
• Стальные (нержавеющая сталь, легированная сталь) — применяются на ледоколах и судах, работающих в тяжёлых условиях.
• Чугунные — дешёвые, но хрупкие. Используются на маломерных судах.
• Композитные (углепластик, стеклопластик) — лёгкие, бесшумные, но дорогие. Применяются на военных кораблях и яхтах.

Характеристики и эффективность

Основные показатели работы гребного винта:

• КПД (коэффициент полезного действия) — отношение полезной мощности (упор × скорость судна) к затраченной мощности на валу. Для тихоходных судов КПД достигает 0,70–0,75, для быстроходных — 0,50–0,65.
• Скольжение — разница между теоретическим (по шагу) и фактическим перемещением винта за один оборот. Выражается в процентах. Нормальное скольжение для грузовых судов — 10–30%.
• Кавитация — образование пузырьков пара в зоне пониженного давления на лопасти. При схлопывании пузырьков возникает эрозия, снижение КПД и шум. Для борьбы с кавитацией увеличивают число лопастей, оптимизируют профиль, используют специальные покрытия.

Применение

Гребные винты используются на всех типах водоизмещающих судов:

• Торговые суда (контейнеровозы, танкеры, балкеры) — обычно ВФШ большого диаметра (до 10 м и более) с 4–5 лопастями.
• Пассажирские суда (лайнеры, паромы) — часто ВРШ для улучшения маневренности в портах.
• Военные корабли (эсминцы, фрегаты, подводные лодки) — многолопастные винты (5–7 лопастей) с низким уровнем шума и вибрации.
• Ледоколы — винты с усиленными лопастями, часто из нержавеющей стали, способные работать в битом льду.
• Маломерные суда (катера, яхты, моторные лодки) — 2–3-лопастные винты небольшого диаметра.

Кроме того, гребные винты применяются на аэросанях, судах на воздушной подушке, а также в некоторых типах авиационных движителей (воздушные винты).

Интересные факты

• Самый большой гребной винт в мире (диаметром около 12 м) установлен на контейнеровозах класса «Emma Maersk» (Дания). Он изготовлен из бронзы и весит более 130 тонн.
• На подводных лодках для снижения шума используются винты с серповидными лопастями (типа «сквид»), а также винты в кольцевых насадках.
• В России разработаны и производятся винты из высокопрочных алюминиево-бронзовых сплавов, устойчивых к кавитационной эрозии.

Источники

• Афанасьев И. Ф. Теория гребного винта. — СПб., 1868.
• Войткунский Я. И. Справочник по теории корабля. — Л.: Судостроение, 1985.
• Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1978.
• Рождественский В. В. Гребные винты. — М.: Транспорт, 1990.
• Шмидт В. М. Судовые движители. — М.: Морской транспорт, 1963.