Гребной винт

Гребной винт
Гребной винт

Гребно́й 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.

Содержание

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.

Виды винтов

  • винт Смита
  • винты Гриффитса
  • винты Гирша
  • винты Манжена
  • винты с прогрессивным шагом
  • Кавитирующие и суперкавитирующие винты используются на быстроходных судах, хотя существует эрозия винта, обусловленная кавитацией.
  • по количеству лопастей: двух-, трёх-, четырёхлопастные.

Конструкция

Диаметр винта (диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта) современных винтов колеблется от 2 до 5 м.[уточнить]

14-тонный гребной винт советского крейсера «Ворошилов» (серии «Киров») в Музее на Сапун-горе, Севастополь

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. В прилагаемой таблице даются для примера размеры этих винтов.

Название корабля 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΄= 5,7912 м 27΄ 64 5290 14,5
Владимир Мономах 2 4 17΄= 5,1816 м 20΄ 86 7200 16
Дмитрий Донской 1 4 20΄ 16˝ 21΄ 10˝ 85 6016 16,2
Адмирал Нахимов 2 4 17΄= 5,1816 м 21΄ 90 8000 16,4
Память Азова 2 4 17΄ 3˝ 23΄ 86 5750 16,2
Корабли
Пётр Великий 2 4 17΄= 5,1816 м 17΄ 6˝ 95 8300 14,5
Император Александр II 2 4 17΄= 5,1816 м 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.

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

Изготовление

Самые большие гребные винты достигают высоты трехэтажного здания, а их изготовление требует уникальных навыков. Во времена, когда был создан винтовой пароход «Great Britain» на изготовление форм гребного винта уходило до 10 дней. Сегодня благодаря наличию компьютерных технологий роботизированный манипулятор делает это за пару часов. Форма винта вводится в компьютер, далее алмазное сверло на конце манипулятора вырезает из огромных пенопластовых блоков идеальную копию лопасти с точностью до 1 мм. Затем в готовую модель помещают смесь песка и цемента, чтобы получить точный оттиск. После того как бетон остынет, в форму, состоящую из двух половинок, соединяют вместе и заливают расплавленный до 3000 градусов металл.

Винт должен быть достаточно прочен, чтобы выдержать тысячи тонн давления и не подвергаться коррозии в соленой морской воде. Наиболее распространенными материалами для изготовления гребных винтов являются латунь, бронза, сталь, также специальные сплавы, например сплав куниаль — он имеет прочность стали, но гораздо лучше противостоит коррозии. Куниал может находиться в воде десятилетиями, не ржавея при этом. Для придания сплаву предельной точности к 80 % меди добавляется 5 % никеля, 5 % алюминия и 10 % других металлов; переплавка осуществляется при температуре 3200 градусов.

В последние годы для этих целей стали применять и пластмассы.

Преимущества и недостатки

Работает как движитель только при непрерывном или возрастающем темпе вращения, в остальных случаях — как тормоз. Ммаксимально достижимый КПД винта — 75 %; невозможность сделать «идеальный» винт, ввиду постоянного изменения условий его работы.

В сравнении с

веслом
  • среднее КПД (ок. 30-50 %) не выше весла (а в ряде случаев ниже);

гребным колесом:

  • плюсы: КПД колеса составляет около 30 %, КПД винта — около 40-50 %; меньшая масса.
  • минусы:

водомётным движителем:

  • плюсы:
  • минусы:


См. также

Ссылки


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

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем сделать НИР

Полезное


Смотреть что такое "Гребной винт" в других словарях:

  • Гребной винт — лопастной движитель (например, судна, торпеды). Состоит из насаживаемой на гребной вал ступицы с 2 6 лопастями, закрепленными на ней под некоторым углом к плоскости вращения. Гребной винт характеризуется диаметром (до 8 10 м), расстоянием,… …   Морской словарь

  • гребной винт — Судовой движитель, состоящий из двух или более лопастей, расположенных на ступице гребного винта радиально. Примечание Ось вращения гребного винта совпадает с направлением создаваемого упора. [ГОСТ 25815 83 (СТ СЭВ 3042 81)] Тематики винты… …   Справочник технического переводчика

  • Гребной винт — Судовой движитель, состоящий из двух или более лопастей, расположенных на ступице гребного винта радиально Примечание. Ось вращения гребного винта совпадает с направлением создаваемого упора Источник: ГОСТ 25815 83: Винты гребные. Термины и… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Гребной винт —         наиболее распространённый судовой Движитель. Состоит из насаживаемой на гребной вал ступицы с лопастями, расположенными на равных угловых расстояниях одна от другой, под некоторым углом к продольной оси вала (рис. 1).          Различают Г …   Большая советская энциклопедия

  • ГРЕБНОЙ ВИНТ — наиболее распространённый судовой движитель. Г. в. имеет насаживаемую на гребной вал ступицу с лопастями, располож. на равных расстояниях одна от другой под нек рым углом к продольной оси вала (см. рис.). Различают Г. в.: цельные, с лопастями,… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ГРЕБНОЙ ВИНТ — судовой движитель, состоящий из нескольких (3 8) лопастей, которые расположены радиально на цилиндрической или конической ступице на равных угловых расстояниях. Гребные Винты имеют различную конструкцию: цельнолитую, с поворотными (винты… …   Морской энциклопедический справочник

  • гребной винт левого вращения — Гребной винт, вращающийся против часовой стрелки, если смотреть на него в направлении перемещения судна, вызванного вращением гребного винта. [ГОСТ 25815 83 (СТ СЭВ 3042 81)] Тематики винты гребные Обобщающие термины основные виды гребных винтов …   Справочник технического переводчика

  • гребной винт правого вращения — Гребной винт, вращающийся по часовой стрелке, если смотреть на него в направлении перемещения судна, вызванного вращением гребного винта. [ГОСТ 25815 83 (СТ СЭВ 3042 81)] Тематики винты гребные Обобщающие термины основные виды гребных винтов …   Справочник технического переводчика

  • гребной винт регулируемого шага — Гребной винт с плавной или ступенчатой регулировкой шага во время его работы. [ГОСТ 25815 83 (СТ СЭВ 3042 81)] Тематики винты гребные Обобщающие термины основные виды гребных винтов …   Справочник технического переводчика

  • гребной винт со съемными лопастями — Гребной винт фиксированного шага, у которого лопасти прикреплены к ступице гребного винта разъемным способом. [ГОСТ 25815 83 (СТ СЭВ 3042 81)] Тематики винты гребные Обобщающие термины основные виды гребных винтов …   Справочник технического переводчика


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»