Гребні гвинти

Гребний гвинт    найбільш поширений рушій судів, а також конструктивна основа рушіїв інших типів.

Гребний гвинт складається з маточини, лопатей встановлених на маточині радіально на однаковій відстані один від одного і повернених на однаковий кут відносно площини обертання, і представляють собою крила середнього або малого подовження. Гребний гвинт насаджується на гребний вал, приводиться у обертання судновим двигуном. При обертанні гребного гвинта кожна лопать захоплює масу води з набігаючого потоку і відкидає її назад, повідомляючи їй додатковий момент імпульсу; сила реакції цієї відкидається води передає імпульс лопат, лопаті   гребного валу за допомогою маточини, гребний вал — корпусу судна за допомогою опорного підшипника.

Різновиди гвинтів

В залежності від наявності або відсутності механізму керування кутом атаки лопатей гвинти називають «з регульованим кроком» чи «з фіксованим кроком» відповідно. Гвинти з фіксованим кроком застосовуються на аматорських, маломірних суднах, а також морських суднах, які рідко змінюють режим руху під час плавання. Гвинти з регульованим кроком застосовуються на суднах з часто мінливим режимом руху   буксирах, траулерах, багатьох річкових судах.

В залежності від напрямку обертання гвинти бувають правого і лівого обертання. Якщо дивитися з корми, то гвинт, що обертається за годинниковою стрілкою, називається гвинтом правого обертання, проти годинникової   відповідно лівого. У найпростішому випадку використовується одиночний гвинт правого обертання; на великих судах для поліпшення маневреності і надійності застосовуються два або навіть чотири гвинти протилежного обертання.

Гвинти з кільцевим крилом обертаються у відкритому підлогою циліндрі імпелер), що при малій частоті обертання гребного гвинта забезпечує приріст упору до 6 %. Така насадка застосовується для додаткового захисту від потрапляння сторонніх предметів у робочу область і підвищення ефективності роботи гвинта. Часто застосовуються на суднах, що ходять по мілководдю.

Суперкавітірующіе гвинти зі спеціальним покриттям і особливою формою лопатей призначені для постійної роботи в умовах кавітації. Застосовуються на швидкохідних судах.

Гребні гвинти розрізняються за:

• кроку (відстанню, яку проходить гвинт за один оборот без урахування ковзання);
• діаметру (окружності, описуваної найбільш віддаленими від центру точками лопатей);
• дискового відношенню (стосовно сумарної площі лопатей до площі кола з діаметром, рівним діаметру гвинта);
• кількістю лопатей (від двох до семи, зрідка більше; частіше 3);
• матеріалу (сталь вуглецева і нержавіюча сталь, алюмінієві сплави, пластик, бронзи, титанові сплави);
• конструкції маточини (гумовий демпфер, змінна втулка, змінні лопаті);
• конструкції маточини (вихлоп через маточину або під антікавітаціонной плитою);
• діаметра маточини;
• кількістю пазів втулки.

Переваги та недоліки

Працює як рушій тільки при безперервному або зростаючому темпі обертання, в інших випадках — як гальма.
ККД гвинта ~30-50 % (максимально досяжний   75 %); неможливість зробити «ідеальний» гвинт, зважаючи постійної зміни умов його роботи.

в порівнянні з веслом (ККД ~60-65 %) гребний гвинт має низький ККД.

в порівнянні з гребним колесом у гвинта вище ККД і менша маса. Але гребневе колесо у разі пошкодження може бути легко відремонтовано, гвинти ж найчастіше неремонтопригодны, у разі ушкодження їх замінюють. Також, гребний гвинт   найбільш уразливий порівняно з іншими судновими рушіями і найбільш небезпечний для морської фауни. Разом з тим, гребні колеса забезпечують більшу тягу з місця (що зручно для буксирів, а також дозволяло їм мати меншу осадку). Однак при хвилюванні вони дуже швидко оголюються (колеса одного борту марно молотили повітря, тоді як колеса протилежної повністю занурювалися під воду, до межі напружуючи машину), що робить їх практично непридатними для морехідних кораблів (у XIX столітті їх використовували на них за великим рахунком лише через відсутність альтернативи, а також допоміжної ролі парового двигуна на парусно-парових кораблях тих років). Особливо переваги гвинтового рушія перед колісним безсумнівні для військових кораблів   знімалася проблема розташування артилерії: батарея знову могла займати весь простір борту; також, зникала і дуже вразлива мета для ворожого вогню   адже за самою своєю ідеєю гвинт знаходився під водою.

Конструкція.

Діаметр гвинта (діаметр окружності, описуваної кінцями лопатей при обертанні гвинта) сучасних гвинтів коливається від десятків сантиметрів до 5 м.

Дволопатеве гребний гвинт має більш високим ККД, ніж трилопатевою, однак при великому дисковому сенсі дуже важко забезпечити необхідну міцність лопаті такого гвинта. Тому найбільше поширення на малих суднах отримали трилопатеві гвинти. Гвинти з двома лопатями застосовують на гоночних судах, де гвинт виявляється слабо навантаженим, і на парусно-моторних яхтах, де двигун відіграє допоміжну роль. Чотирьох - і п'ятилопатеві гвинти застосовують дуже рідко, в основному на великих моторних яхтах для зменшення шуму і вібрації корпусу.

Інтерцептор (загнута вихідна кромка) на гребних гвинтах сприяє збільшенню здатності гвинта до «захоплення» води, особливо на човнах з високо встановленим двигуном і великими кутами ходового диферентах. Інтерцептор також забезпечує додатковий підйом носа катера у разі встановлення на лініях кута нахилу лопаті. Застосування інтерцептора на вихідної і зовнішньої кромках лопаті збільшує крок. Застосування стандартного інтерцептора зазвичай виражається в зниженні оборотів на 200—400 об./мін. (це означає, що в разі заміни звичайного гвинта на гвинт з интерцептором буде потрібно зниження кроку на 1-2 дюйма).

Швидкість обертання гребного гвинта вигідно вибирати в межах 200—300 об/хв або нижче   на великогабаритних судах. Крім того, при низькій швидкості обертання істотно нижче механічний знос навантажених деталей двигуна, що дуже істотно при їх великих габаритах і високої вартості.

Гребний гвинт найкраще працює, коли його вісь розташована горизонтально. У гвинта, встановленого з нахилом і в зв'язку з цим обтічного «косим» потоком, коефіцієнт корисної дії завжди буде нижче; це падіння ККД позначається при куті нахилу гребного валу до горизонту більше 10°.

Вісь гребного гвинта на гліссірующем катері розташована порівняно близько до поверхні води, тому нерідкі випадки засмоктування повітря до лопат гвинта (поверхнева аерація) або оголення всього гвинта при ході на хвилі. У цих випадках наголос гвинта різко падає, а частота обертання двигуна може перевищити максимально допустиму. Для зменшення впливу аерації крок гвинта робиться змінним по радіусу — починаючи від перерізу лопаті r = (0,63—0,7) R у напрямку до маточини крок зменшується на 15~20 %.

Для передачі великої потужності часто застосовують двох - і трехвальные установки, а на деякі великі кораблі, наприклад, авіаносці, оснащені чотирма симетрично розташованими гребними гвинтами.

Изготовление

Найбільші гребні гвинти досягають висоти триповерхового будинку, а їх виготовлення вимагає унікальних навичок. У часи, коли був створений гвинтовий пароплав «Great Britain» на виготовлення форм гребного гвинта йшло до 10 днів. Сьогодні завдяки наявності комп'ютерних технологій роботизований маніпулятор робить це за пару годин. Форма гвинта вводиться в комп'ютер далі алмазне свердло на кінці маніпулятора вирізає з величезних пінопластових блоків ідеальну копію лопаті з точністю до 1 мм. Потім готову модель поміщають в суміш піску і цементу, щоб отримати точний відбиток. Після того як бетон охолоне, форму, що складається з двох половинок, з'єднують разом і заливають розплавлений метал.

Гвинт повинен бути достатньо міцним, щоб витримати тисячі тонн тиску і не піддаватися корозії в солоній морській воді. Найбільш поширеними матеріалами для виготовлення гребних гвинтів є сірий, бронза, сталь, також спеціальні сплави наприклад сплав куниаль — він має міцність сталі, але набагато краще протистоїть корозії. Куниал може перебувати у воді десятиліттями, не іржавіючи при цьому. Для додання сплаву граничної точності до 80 % міді додається 5 % нікелю, 5 % алюмінію і 10 % інших металів; переплавлення здійснюється при температурі 1183 градусів.

В останні роки для цих цілей стали застосовувати і пластмаси.

Історія

Винахід для підйому води, яке приписують Архімеду, цілком підходило і для зворотного роботи   відштовхування самого гвинта від водяної маси. Ідея вживання гребного гвинта як рушія була висловлена ще в 1752 році Данилом Бернуллі потім пізніше Джеймс Уатт повторив її. Тим не менш, загальне визнання гвинта сталося не відразу. Хоча сам принцип ніколи не був секретом, тільки в 1836 році англійський винахідник Френсіс Сміт англ. Francis Pettit Smith) зробив вирішальний крок, залишивши від довгій спіралі архімедового гвинта тільки один виток (існує історія про те, що «модернізація» сталася випадково: на паровому катері Сміта у дерев'яного гвинта відламалася частину, залишивши єдиний виток, після чого катер помітно додав хід), встановивши гребний гвинт на невеликий пароплава водотоннажністю 6 тонн. Вдалі досліди Сміта призвели до утворення компанії, на кошти якої був побудований гвинтовий пароплав 237 тонн, названий «Архімед». Він мав водотоннажність всього в 240 т, був оснащений двома паровими машинами потужністю по 45 л. с. і єдиним гвинтом діаметром трохи більше 2 метрів. Початковий гвинт Сміта представляв собою частина гвинтової поверхні прямокутного освіти, що відповідає одному цілому кроці.

Одночасно зі Смітом і незалежно від нього розробляв застосування гребного гвинта як рушія відомий винахідник і кораблебудівник швед Джон Ерікссон англ. John Ericsson). У тому ж 1836 році він запропонував іншу форму цього рушія, що являла собою гребневе колесо з лопатями, поставленими під кутом. Він побудував гвинтовий пароплав в 70 л. с. «Стоктон», зробив на ньому перехід до Америки, де його ідея була зустрінута досить співчутливо, так що вже на початку 40-х років був спущений перший гвинтовий фрегат USS Princeton (900 т, машина потужністю 400 л. с., що давала йому хід до 14 сайти з гвинтом своєї конструкції. На випробуваннях корабель розвинув небачену 14-вузлову швидкість. А при спробі «стравити» його з колісним «Грейт Уэстерн» тепер вже гвинтовий фрегат потягнув свого суперника. До речі, «Прінстон» відзначився в історії кораблебудування тим, що ніс самі великокаліберні знаряддя для свого часу   на поворотних платформах на ньому вперше встановили 12-дюймові гармати.

В середине XIX века началась массовая переделка парусников в винтовые корабли. В отличие от колесных кораблей, переделка в которые требовала очень объемных и продолжительных работ, модернизация парусников в винтовые оказалась значительно более простой. Деревянный корпус разрезали примерно пополам и делали деревянную же вставку с механической установкой, мощность которой для крупных фрегатов составляла 400—800 л. с. При этом весовая нагрузка только улучшалась: тяжелые котлы и машины располагались в основном под ватерлинией и исчезала необходимость в приеме балласта, количество которого на парусниках иногда достигало сотен тонн. Винт размещали в специальном колодце в корме и снабжали его подъемным механизмом, поскольку при ходе под парусами он только мешал движению, создавая дополнительное сопротивление. Аналогично поступали и с дымовой трубой: чтобы она не мешала манипуляциям с парусами, её делали складной — по типу подзорной трубы. Проблем з озброєнням практично не виникало: воно залишалося на своєму місці.