Гребной винт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эту статью или раздел следует викифицировать.
Пожалуйста, оформите её согласно общим правилам и указаниям.

Гребной винт

Гребно́й винт — наиболее распространённый движитель судов, представляет собой тело, напоминающее по форме крылья ветряных мельниц. Винт состоит из муфты и прикрепленных к ней лопастей числом от 2 и более и насаживается на конец гребного вала, приводимого во вращение судовым двигателем. При вращении винта каждая лопасть вследствие своего уклона будет отбрасывать воду назад; реакция этой отбрасываемой воды и заставляет корабль двигаться вперед или назад, смотря по направлению вращения винта.

[править] История открытия

Идея употребления гребного винта как движителя была высказана ещё в 1752 году Даниилом Бернулли; затем позднее Ватт повторил её; но практическое осуществление эта идея получила только в 1836 году, когда английский фермер Френсис Смит воспользовался гребным винтом для пароходика в 6 тонн водоизмещения. Удачные опыты Смита привели к образованию компании, на средства которой был построен винтовой пароход в 237 тонн. Имя этого первого винтового парохода — «Архимед». Одновременно со Смитом и независимо от него разрабатывал применение гребного винта как движителя Эриксон. Он построил винтовой пароход в 70 сил «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 «Принцтон» с машиной в 400 сил, 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.

[править] Виды винтов

Первоначальный винт Смита имел форму, изображенную на этой фигуре, если взять только один полный оборот. Затем Смит стал делать винты двухлопастные, образование поверхности которых показано на фиг. 2; длина винта равнялась только половине шага, и площадь обеих лопастей составляла целый завиток винтовой поверхности. Потом стали делать винты трёхлопастные (ф. 8) 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 весьма распространены в практике и установлены на весьма многих судах нашего флота. В прилагаемой таблице даются для примера размеры этих винтов.

Название судна	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΄	27΄	64	5290	14,5
Владимир Мономах	2	4	17΄	20΄	86	7200	16
Дмитрий Донской	1	4	20΄ 16˝	21΄ 10˝	85	6016	16,2
Адмирал Нахимов	2	4	17΄	21΄	90	8000	16,4
Память Азова	2	4	17΄ 3˝	23΄	86	5750	16,2
Корабли
Пётр Великий	2	4	17΄	17΄ 6˝	95	8300	14,5
Император Александр II	2	4	17΄	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.

Для мелкосидящих речных пароходов Торникрофт устроил турбинные винты, которые он помещает в трубу в корме корабля и снабжает трубу направляющим аппаратом. Лопасти винта суть отрезки поверхности, изображенной на фиг. 10.

Удовлетворительной теории гребного винта доселе не существует. Сперва уподобляли В. как бы штопору, который, ввинчиваясь в воду, двигает корабль вперед; ныне объясняют действие В. 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 В. толкает корабль; другие же исчисляют, какое количество движения сообщает В. воде в одну секунду, и по этому количеству движения находят движущую силу В. Выше было упомянуто, что за каждый оборот В. корабль проходит путь, меньший шага; это явление называют скольжением В. 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

$s=\left[\frac{\left(nh-v\right)}{nh}\right]*100$

Обыкновенно s равно от 10 % до 20-25 %. Для определения размеров В. 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 — В. 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.

Подробное изложение существующих теорий В., опытов над ними, а также чертежи и практические указания для устройства В. можно найти в сочинении «Die Shiffs-Machine v. С. Busley». В настоящее время издается морским техническим комитетом русский перевод этого сочинения под заглавием «Судовые механизмы».

При написании этой статьи использовался материал из Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона (1890—1907).