Огромные винты больших кораблей. Проектирование гребных винтов Виды гребных винтов судна

К важнейшим составным частям судовых энергетических установок относятся элементы передачи мощности. Под этим понимаются все элементы, участвующие в передаче крутящего момента от коленчатого вала или ротора в турбинах к гребному винту. Типовая дизельная энергетическая установка с двумя среднеоборотными дизелями показана на рисунке. Она включает в себя муфты, одноступенчатый редуктор, валопровод и гребной винт. В энергетических установках с малооборотными дизелями редуктор отсутствует, в турбинных и энергетических установках с высокооборотными дизелями ставят двух- и трехступенчатые редукторы. В дизель- и турбоэлектрических энергетических установках предусмотрены электродвигатели.

Дизель-редукторная энергетическая установка со среднеоборотными дизелями

1 - муфте; 2 - редуктор; 3 - валопровод; 4 - гребной винт

Муфта соединяет узлы, выполняющие вращательные движения. Муфта предназначена для передачи крутящего момента от ведущего вала к ведомому, а также для сглаживания незначительных продольных, радиальных, угловых отклонений и крутильных колебаний. В зависимости от конструкции, назначения и принципа действия различают жесткие (глухие), упругие, фрикционные, гидродинамические и электромагнитные муфты. В судовых установках встречаются все виды муфт в зависимости от типа, мощности и конструкции главного двигателя. В установках, не имеющих передаточных механизмов (например, в малооборотных дизелях), чаще всего применяют жесткие муфты (рис. а, b). Фланцы жесткой муфты в разогретом состоянии запрессованы на вал или на конус и дополнительно зафиксированы призматической шпонкой. В энергетических установках с редуктором связь между редуктором и двигателем, а также с валом гребного винта осуществляется со стороны двигателя чаще всего через соединительную муфту, а со стороны гребного винта - через разобщительную. На рис. е показана упругая муфта. Она состоит из двух оснований, соединенных между собой гибкими прокладками, изготовленными из специальной резины. Такие муфты винтами крепятся к фланцам вала. Они могут передавать моменты независимо от направления вращения. За счет гибких вкладышей возможно выравнивание при перекашивании валов относительно друг друга.

Работа гидродинамических муфт основывается на гидравлическом принципе, схематично показанном на рис. с. Это можно представить себе так: насос, приводимый в движение двигателем, отсасывает жидкость из резервуара, и нагнетает ее в турбину. Жидкость под определенным давлением протекает через лопатки турбины, приводя ее в движение, и затем течет обратно в резервуар. При одинаковых размерах роторов насоса и турбины агрегат работает как гидравлическая муфта, при различных - он превращается в гидротрансформаторную передачу, позволяющую изменять частоту вращения ведомого вала. На практике роторы насосов и турбин находятся в специальном корпусе (рис. d). Действие гидродинамической муфты основывается на энергообмене между двумя полумуфтами (рис. d) с помощью рабочей среды и циркуляции жидкости. Эта циркуляция возникает только в том случае, когда первичная сторона и турбина имеют равные частоты вращения. У гидравлических муфт, используемых на судах, это скольжение составляет от 1,5 до 3%.

Судовые муфты

а, b - жесткие (глухие) муфты: 1 - полумуфта; 2 - фланец; 3 - шпоночная канавка со шпонкой. с - схема гидромуфты: 1, 2 - насосы; 3 - цистерна. d - схема гидромуфты (турбо-муфты); е - гибкая муфта. 4 - фланец; 5 - элемент муфты. f - электромагнитная муфта.

В судовых главных двигателях довольно часто применяют также электромагнитные индукционные скользящие муфты. Принцип действия подобной муфты состоит в использовании вращающего момента, возникающего вследствие воздействия вращающегося магнитного поля на индукционные токи. Внутренняя часть муфты расположена на ведущем вале. Обмотки полюсов через щетки и контактные кольца питаются постоянным током. Внешняя часть муфты имеет обмотку в виде беличьей клетки. Когда внешняя часть, приводимая в движение двигателем через вал, начинает вращаться и возбуждается, она вместе с валом, связанным с ней и ведущим, например, к редуктору, попадает в область вращения магнитного поля. За счет этого в обмотке типа беличьей клетки этой части муфты возникают индукционные токи. Эти токи, взаимодействуя с силовыми линиями магнитного поля, обусловливают возникновение момента вращения, вследствие чего внешняя часть муфты начинает вращаться вместе с внутренней. Таким образом вращение, мощность и момент вращения передаются от двигателя к валу редуктора. Часть муфты с обмоткой типа беличьей клетки должна - аналогично гидродинамической и электромагнитной муфте - вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, так как при одинаковой скорости вращения обеих частей не могли бы возникнуть индуктированные токи и передача вращающего момента была бы невозможна. Поэтому и в данном случае имеет место так называемое скольжение муфты. Редуктор главного двигателя должен передавать момент вращения и так изменять его частоту вращения, чтобы она имела оптимальную величину, необходимую для нормальной работы гребного винта. На судах чаще всего применяют механические редукторы, состоящие из зубчатых колес. С введением планетарного редуктора появилась возможность значительно уменьшить размеры и общую массу. В последнее время на новых судах все чаще используют планетарные редукторы в энергетических установках со среднеоборотными дизелями, газовыми или паровыми турбинами.

Механический судовой редуктор

а - суммирующий; b - планетарный. 1 - вал турбины высокого давления; 2 - вал турбины низкого давления; 3, 5, 8, 9 - центральные солнечные шестерни; 4 - водило; 6 - свободный эпицикл; 7 - вал; 10 - тормозной эпицикл; 11 - свободное водило; 12 - полый вал; 13 - зубчатые колеса (3-я ступень); 14 - приводное зубчатое колесо гребного вала; 15 - гребной вал; 16 - гребной винт

Валопровод соединяет приводной двигатель с гребным винтом. Гребной вал, который в зависимости от расположения машинного отделения на судне может состоять из одной или нескольких соединенных через глухие муфты частей, должен передавать момент вращения двигателя на гребной винт. Гребной вал опирается на радиальные подшипники. Концевая часть проходит в уплотнительном сальнике, который предохраняет туннель гребного вала от попадания морской воды. На конусообразной концевой части гребного вала закреплен гребной винт (рис. а). Осевое давление, действующее со стороны гребного винта и передаваемое дальше через вал, воспринимается упорным подшипником. Принцип действия упорного подшипника изображен на рис. d-е. Такой подшипник старого типа состоит из взаимодействующего с опорными поверхностями гребня давления; опорные поверхности залиты металлом. На переднем ходу функционирует одна поверхность гребня давления, на заднем - другая.

Валопровод

а - общий вид; b - полумуфта; с - упорный подшипник; d, e - принцип действия упорного подшипника. 1 - гребной вал; 2 - сальник; 3 - полу- подшипник; 6 - переборочный сальник; 7 - муфта; 4 - промежуточный вал; 5 - опорный упорный подшипник; 8 - упорный вал

Гребной винт в настоящее время является почти единственным типом движителя. Он состоит из нескольких лопастей, радиально укрепленных на ступице. Во время вращения гребного винта вокруг своей оси на лопастях возникает сила давления, которая в конечном итоге обусловливает движение судна. Характерной величиной гребного винта является шаг. Его теоретическое значение, т. е. без учета скольжения, зависит от угла атаки лопасти гребного винта. Для достижения хорошего взаимодействия между главным двигателем и гребным винтом необходимо, чтобы параметры и особенно шаг винта имели определенные значения. Оптимальное взаимодействие будет достигнуто лишь при определенном состоянии нагрузки судна и при определенных погодных условиях (ветер, волнение и т. д.). Если эти значения отклоняются от заданных, то взаимодействие двигателя и гребного винта не приносит результата, заложенного в проекте. На практике это означает, что взаимодействие двигателя и относящегося к нему гребного винта будет наиболее эффективным, например, при полной нагрузке судна и при хорошей погоде. На судах, работающих в изменяющихся условиях, таких как буксиры или рыболовные суда (свободный ход, ход с тралом), движитель должен быть приспособлен к соответствующим условиям работы. Вместе с тем стало бы возможным одновременное использование полной мощности приводного двигателя при различных состояниях его нагрузки.

Судовой движитель

а - гребной винт с неподвижными лопастями; b - винт регулируемого шага; с - гребной винт в насадке; d - соосные гребные винты

Лопасти винта фиксированного шага отлиты вместе со ступицей или прочно привинчены к ней (см. рис. а). Изменять шаг можно на гребных винтах регулируемого шага ВРШ (рис. b). Лопасти гребного винта расположены на криволинейных дисках и укреплены на ступице винта так, что они могут поворачиваться. Применение ВРШ позволяет использовать нереверсивные двигатели в качестве судовых. Они могут работать и при постоянной частоте вращения, так как в этом случае можно осуществлять все маневры путем изменения угла атаки, т. е. от самого большого шага винта на переднем ходу, когда лопасти находятся в таком положении, что несмотря на вращение гребного винта, тяга не появляется (и поэтому судно не движется), до положения лопастей, соответствующего заднему ходу. Вначале ВРШ применяли только на буксирах, рыболовных и специальных судах, и только позднее их начали устанавливать на судах торгового флота. За счет установки ВРШ достигаются большая экономичность энергетических установок, возможность использования полной мощности двигателя при различной нагрузке, а также возможность применения нереверсивных ДВС или паровых турбин без турбин заднего хода. К преимуществам следует также отнести и возможность осуществления заднего хода при полной мощности двигателя.

Иногда на судах (особенно на судах речного флота) гребной винт устанавливают в насадке (см. рис. с). Такая конструкция позволяет улучшить уелввия работы гребного винта и повысить КПД. Диаметр судового движителя может достигать 9 м, а масса - 50 т. Гребные винты регулируемого шага имеют меньший диаметр. Преобладающее число судов имеет только один гребной винт, устанавливаемый в диаметральной плоскости судна. Встречаются также двухвинтовые суда, которые приводятся в движение либо от двух малооборотных, либо от четырех среднеоборотных дизелей, причем в последнем случае один гребной винт приводится в движение двумя двигателями. В редких случаях строятся трехвинтовые суда, например торпедные катера, на которых два бортовых движителя, приводятся в движение от высокооборотных дизелей через редукторную передачу, а средний гребной винт - от газовой турбины. Некоторые большие пассажирские суда и боевые корабли, например авианосцы, снабжаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. В условиях постоянно растущих мощностей главных двигателей требуются гребные винты очень больших диаметров, что приводит к технологическим и производственным трудностям. Чтобы противодействовать этому и улучшить КПД, пытаются «устанавливать движители, вращающиеся в противоположных направлениях (см. рис. d). В этом случае необходимы сложные устройства, такие как полые гребные валы и специальные редукторные передачи. Наряду с гребными винтами в последнее время применяют крыльчатые движители. Они состоят из нескольких вращающихся навесных лопаткообразных лопастей изменяющегося профиля, укрепленных на плоском рабочем колесе. Рабочее колесо приводится в движение главным двигателем через гипоидный зубчатый редуктор. Вращающиеся лопаткообразные лопасти создают силу упора, действующую в направлении, зависящем от угла установки лопастей, как показано на рис. а. Во время работы движителя можно плавно изменять угол атаки лопастей.

Крыльчатый движитель

а - принцип действия; b - движитель Фойта-Шнейдера (вид сбоку); с - движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в носовой части судна; е - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в кормовой части судна

I - «Стоп»; 2 - «Передний ход»; 3 - «Задний ход»; 4 - «Поворот на левый борт»; 5 - «Поворот на левый борт» (на заднем ходу); 6 - «Поворот на правый борт»; 7 - управляющий механизм; 8 - привод; 9 - лопасти; 10 - распределительные рычаги и тяги

Крыльчатый движитель может служить как в качестве пропульсивного движителя, так и в качестве руля. Судно, оснащенное двумя симметрично расположенными движителями, может двигаться в любом направлении. Недостатком является частая повреждаемость лопаткообразных лопастей, выступающих ниже днища судна. Крыльчатый движитель в основном используется на портовых буксирах и лоцманских судах, а также на судах портовой службы. Мощность подобных установок невелика: максимально она составляет 2200 кВт.

Модели судов представляют собой копии настоящих кораблей, но уменьщенные в 200, 100, 50, а иногда в 25 и 10 раз по сравнению с ш действительными размерами. Однако поведение моделей на воде почти ничем не отличается от поведения больших судов. Как плавающее сооружение и модель и настоящее судно- должны отвечать определенным требованиям: обладать пловучестью, остойчивостью, непотопляемостью, ходкостью, поворотливостью, устойчивостью на курсе, иметь соответствующий период качки; действующие на судно, погруженное в воду, силы веса и силы давления воды не должны изменять его форму; следовательно, судно должно иметь еще и необходимую прочность.

Для того чтобы правильно рассчитать, а затем и построить корабль, нужно- сделать мно-жество- самых раэно-о-бразных чертежей; для крупного корабля их ко"личество составит несколько десятков тысяч, считая и чертежи о-борудования. Среди всех этих чертежей имеется один, самый главный, он определяет форму корпуса судна, очертание носа и кормы, линию палубы - это теоретический чертеж.

Но прежде чем приступить к созданию теоретического чертежа, необходимо установить главные размерений моде.ди - ее длину, ширину, высоту борта, осадку и водоизмещение. Это нетрудно сделать с по мощью таблицы (см. приложение № 8), где приведены главные размеры гражданских и военных судов и их соотношения.

Когда известны главные размерений, можно- приступить к вычерчиванию по ним обводов корпуса.

Для того чтобы лучше представить себе, что такое теоретический чертеж, рассеките мысленно- корпус модели судна тремя взаимнопер-пендикулярными плоскостями.

Вертикалвная плоскость, секущая корпус модели посередине вдоль, делит корпус на две симметричные части и называется диаметралыной плоскостью. Если смотреть на модель с кормы в сторону носа, то будем иметь справа правый борт, слева - левый борг.

Если рассечь корпус модели рядом плоскостей, параллельных диаметральной плоскости, то получим несколько кривых линий - батоксов Совокупность этих линий, нанесенных на чертеж, носит название бока.

Горизонтальная плоскость, по- которую, модель погружена в воду, делит корпус на подводную и надводную части. Она называется плоскостью грузовой ватерлинии.

Если рассечь корпус модели плоскостями, параллельнььми грузовой ватерлинии, ТО" получим несколько кривых, называемых ватерлиниями. Симметричные половинки этих линий, нанесенные на чертеж, называются полуширотой.

Вертикальная плоскость, проходящая через самое полное сечение корпуса модели и отделяющая переднюю, носовую, часть от задней.

Рш:. 76. Основные сечения корпуса модели судна и контурные очертания: / - диаметральная плоскость; 2-плоскость мидель- шпангоута; 5 - плоскость грузовой ватерлинии.

кормовой, называется плоскостью мидель-шпангоута. Рассекая корпус модели параллельно плоскости миделя, получим линии шпангоутов. Эти линии, нанесенные на чертеж, носят наименование «корпус». Совмещая проекции всех линий на три основные плоскости, получим теоретический чертеж корабля, состоящий из корпуса, бока и полушироты.

Так как корпус модели судна состоит из двух симметричных частей, батоксы одинаковы как для правой, так и для левой частей: то^ же относится к ватерлиниям и к шпангоутам. Поэтому на теоретическом чертеже вычерчиваются только^ половинки шпангоутов и ватерлиний и батоксы одной половины судна.

На чертеже корпуса принято обозначать справа ветви носовых шпангоутов, слева - ветви кормовых шпангоутов.

Теоретические шпангоуты обычно нумеруют от носового шпангоута, которому присваивается № О, последним является кормовой шпангоут. Мидель - средний шпангоут-обозначается знаком- М. Для получения плавных очертаний и высокой точности расчетов число шпангоутов на теоретическом чертеже бывает равным 20, для небольших моделей можно ограничиваться 10 шпангоутами. Расстояние между шпангоутами называется теоретической шпацией.

Число батоксов на теоретическом чертеже ограничивается 2-3 на каждый борт, и они нумеруются римскими цифрами I, II, III, считая от диаметральной плоскости. Число ватерлиний может быть произвольным - от 5 и больше. Расстояние от основной линии до грузовой ватер линии делится на равные части, и ватерлинии считаются от основной линии по порядку, начиная с нулевой.

В зависимости от расположения батоксов, шпангоутов и ватерлиний теоретического чертежа на той или иной проекции в двух случаях 01т проектируются прямыми и в одном - кривыми.

По плавности батоксов, ватерлиний и шпангоутов можно судить о характере теоретического чертежа. Согласование всех линий теоретического чертежа на любой проекции показывает точность выполнения чертежа.

На теоретическом чертеже показываются вое контурные линии корпуса судна: форштевень - носовая оконечность; ахтерштевень-кормовая оконечность; бортовые линии главной палубы, полубака, полуюта; резкие переломы и изменения поверхности корпуса судна как в подводной, так и в надводной части.

Теоретические линии сечений корпуса: батоксы, ватерлинии, шпангоуты вычерчивают через равные промежутки, что облегчает построение теоретического чертежа и выполнение расчетов. Правильно выполненный чертеж должен быть согласованным, то-есть пересечение двух каких-либо линий на одной проекции должно соответствовать пересечению этих же линий на двух других проекциях. Например, пересечение 1-го батокса с 1-й, 2-й ватерлиниями на боку должно отвечать такому же пересечению этих линий на полушироте. Правильно выполненный теоретический чертеж обеспечивает постройку модели, обладающей необходимыми мореходными качествами: остойчивостью, ходкостью.

Когда модель построена, необходимо испытать ее, посмотреть, как будет вести себя модель на воде.

Начнем с определения основных размеров. Длина модели измеряется в диаметральной плоскости. Наибольшая длина - это расстояние между двумя самыми отдаленными точками - на носу и на корме. Длину по ватерлинии найдем по расстоянию между крайними точками в носу и корме в плоскости грузовой ватерлинии. Длину между носовым и кормовым перпендикулярами измеряют по грузовой ватерлинии от передней кромки форштевня до оси баллер а руля.

Рис. 78. Обозначения главных размеров модели судна.

Наибольшая ширина модели - в самом широком месте и по грузовой ватерлинии на середине модели.

Осадка модели определяется в средней части от основной линии до грузовой ватерлинии. Если модель имеет одинаковую осадку носом и кормой, то говорят: «модель сидит на ровный киль». Если модель имеет большую осадку носом, говорят: «модель имеет дифферент на нос», а в случае большей осадки кормой - «дифферент на корму». Расчетная осадка получается как среднее арифметическое из осадки носом и кормой. Так, если осадка носом 3 см, а кормой 5 см, то средняя осадка ^ 3 + 5 . будет =4 см.

В том случае, когда модель имеет выступающие части, например киль у яхты, то осадку ее в этом случае называют углублением и определяют по выступающим частям: от крайней кромки киля до грузовой ватерлинии.

Высота борта измеряется на середине модели от основной линии до линии верхней палубы. Высотою надводного борта называют разность между высотой борта и осадкой.

Размеры модели судна и различные их соотношения оказывают существенное влияние на мореходные качества: пловучесть, остойчивость, качку, ходкость, управляемость, поворотливость. Об этом будет рассказано ниже.

Основные размеры модели судна по отношению к размерам настоящего судна должны соответствовать масштабу:

где /, Ь, t, h - соответственно длина, ширина, осадка, высота борта моделей судна,

L, В, Т, Н - аналогичные размеры судна.

Если модель построена в масштабе -[щ-, то и все ее размеры -

длина, ширина, осадка, высота борта -■ должны составлять сот)ао часть соответствующих размеров настоящего судна.

Отступление от этого требования для моделей допускается в пределах + 5 процентов. Так, если длина модели 1 ООО мм, то она не должна быть меньше 950 мм и больше 1 050 мм.

Когда установлены размеры модели судна: длина, ширина и осадка, то нетрудно определить водоизмещение.

Погрузившись в воду на определенную глубину - осадку, модель вытесняет несколько литров воды. По закону Архимеда, «тело, более легкое, чем жидкость, будучи в ней помешено, погружается настолько, что вес вытесненной жидкости равен весу тела».

Модель, погруженная в воду, испытывает со всех сторон давление. Равнодействующая всех сил давления воды составляет вертикальную силу, иапраівленную снизу вверх; называется эта сила силой пловучести. Сила пловучести равна водоизмещению модели, то-есть весу вытесненной его воды.

Взвесив модель на весах, мы можем определить ее водоизмещение. Имея мелкие гирьки, можно это сделать с большой точностью. Зная основные размерения модели: длину, ширину и осадку, легко определить общий коэффициент полноты корпуса модели, обозначаемый греческой буквой о. Этот коэффициент представляет собой отношение объема подводной части модели к объему пара.11лелепипеда, построенного по длине (L), ширине (В) и осадке (Т). Вот несложная формула, пользуясь которой вы можете найти этот коэффициент:

Здесь буквой V обозначено объемное водоизмещение модели в L - длина модели в см; В - ширина

Рис. 79. Силы, действующие на погруженный в воду корпус модели, находящийся в прямом положении.

в см; Т - осадка в см. В зависимости от класса модели коэффициент полноты корпуса для различных типов судов может колебаться в весьма широких пределах ■- от 0,13 до 0,9.

При увеличении размеров модели судна - длины, ширины, осадки и общего коэффициента полноты корпуса - возрастают вес и сила пловучести.

Водоизмещение модели судна должно соответствовать водоизмещению настоящего судна. Эта зависимость выражается следующим равенством:

где D„ - водоизмещение модели в кг; De ■- водоизмещение судна в кг;

Масштаб: отношение линейных размеров модели к линейным размерам судна.

Допустим, нужно определить, каким должно быть водоизмещение модели грузового парохода водоизмещением 5 тысяч т, построенной в масштабе 1: 100.

ПодстаіЕив цифры в формулу, получим:

D =5 000 000 / J-V"= 5 кг. \lOQJ

Отклонение от полученного таким образом расчетного водоизмещения может быть до 15 процентов за счет увеличения осадки при сохранении нормального надводного борта для моделей судов іюдобного типа.

Может случиться, что модель, спущенная на воду, перевернулась. Кораблестроитель сказал бы: «Модель перевернулась потому, что не имела положительной остойчивости - способности плавать в пря.мом положении».

Какие же силы повлекли за собой опрокидывание модели?

Одной из сил, действующих на модель, является сила веса модели. Равнодействующая сил веса всех частей модели приложена в некоторой точке, называемой центром тяжести (ЦТ). Сила веса направлена вниз, и модель своим весом вытесняет определенное количество воды, равное весу самой модели. Вытесненная вода давит на подводную часть модели.

стремясь вытолкнуть ее из воды. Модель как бы все время взвешивает сама себя. Точка приложения равнодействующих всех сил, действующих на подводную часть модели, приложена в центре величины (ЦВ) - центре тяжести вытесненного корпусом объема воды. Для того чтобы модель плавала без крена, нужно, чтобы ЦТ и ЦВ лежали на одной вертикали.

Зная эти две теоретические точки, имеющиеся в нашей модели, рассмотрим теперь, как действуют на модель, находящуюся в наклонном положении, сила веса и сила поддержания.

Если с модели не снимают и не передвигают грузов, то центр тяжести при крене остается в прежнем положении относительно самой модели.

Что же касается центра тяжести подводной части, то-есть центра величины, то он при крене перемещается. Если из центра величины провести прямую, пересекающую диаметральную плоскость, то в точке пересечения будем иметь так называемый метацентр - средний центр, характеризующий состояние остойчивости модели.

Расстояние от метацентра до центра величины называется мета-центрическим радиусом. Это воображаемый рычаг, которым раскачивается модель. Расстояние между метацентром и центром тяжести носит название метацентрической высоты.

Метацентрическая высота есть мера начальной остойчивости модели, кренящейся на небольшие углы.

Для того чтобы модель, плавая, всегда находилась в равновесий, нужно, чтобы метацентрическая высота была положительной, то-есть чтобы метацентр лежал выше центра тяжести (рис. 81).

Величину начальной остойчивости модели нетрудно определить с помощью опыта.

В диаметральной плоскости у носовой надстройки поставьте мачту высотою 250-300 мм, прикрепите к самому верху нитку с привязанным грузиком. На палубе прикрепите рейку с миллиметровыми делениями. Затем по палубе прочертите карандашом линию диаметральной плоско-

Рис. 81. Силы, действующие" на корпус" модели в наклоненном поло51..ении: /- остойчивое положение; II - иеостойчивое подожеиие; III - безразличное.

ста и «а нее положите груз 200-250 г. Переместив груз к борту на определенное расстояние, например на 50 мм, заметьте отсчет по рейке. Теперь, пользуясь формулой, вычислите мета центрическую высоту:

Рис. 82. Опытное креноваиие модели судна.

где р - вес Груза в г;

I - расстояние, на которое перемещен груз, в мм; - отсчет по рейке в мм; О - водоизмещение модели в г; И - длина нитки отвеса в мм.

Метацентрическая высота для моделей во столько раз по своим размерам меньше, чем у настоящих судов, во сколько раз модель меньше судна.

Так, например, если метацентрическая высота модели, построенной в імасштабе 1: 100, равна 12 мм, то для настоящего судна метацентрическая высота будет равна 1,2 м.

Чтобы улучшить остойчивость модели судна, надо понизить центр тяжести модели, положить на дно балласт - металлическую пластину, которую обязательно нужно закрепить. С увеличением ширины и осадки ■модели судна остойчивость также улучшится. Остойчивость зависит также от высоты надводного борта.

Качка модели судна, то-есть качание ее с борта на борт - бортовая качка - или с носа на корму-килевая качка, незначительно изменяется в зависимости от размеров модели и практически не влияет на ходовые качества.

Непотопляемость модели судна - способность оставаться на плаву и сохранять мореходные качества при частичном затоплении корпуса модели - неотъемлемое качество плавающей модели судна. От размеров модели непотопляемость не зависит, нужно только сделать корпус водонепроницаемым и на всякий случай поставить не менее двух водонепроницаемых переборок - одну в носу, другую ближе к корме, разделив корпус примерно на три равные части.

Если все описанные ранее мореходные качества модели судна - пловучесть, остойчивость, качка, непотопляемость - имеют большое значение, то ходкость, способность модели судна итти с предельной скоростью, является главным критерием, характеризующим построенную самоходную модель.

На ходкость модели судна оказывают большое влияние главные элементы и их соотношения.

Изменение обшего коэффициента полноты водоизмещения при неизменных длине, ширине и осадке ведет либо к увеличению объема подводной части, либо к его уменьшению. Соответственно сопротивление воды движению модели увеличивается или уменьшается. Значит, для того чтобы скорость модели была большей при одинаковых прочих условиях, надо стремиться к разумному уменьшению коэффициента общей полноты водоизмещения.

Итак, с уменьшением водоизмещения модели судна сопротивление будет меньше, а следовательно, возрастет и скорость модели.

Другим фактором, влияющим на скорость модели, является ее длина, которую следует принимать наибольшей для данного класса или типа модели судна. Увеличение же ширины, наоборот, отрицательно влияет на ходкость модели, так как в этом случае увеличивается волнообразование, а с ним и сопротивление воды движению модели. Особенно это нужно учитывать при постройке моделей быстроходных судов; для тихоходных судов увеличение ширины не сказывается так значительно на ходкости.

Увеличение осадки модели судна создает благоприятные условия для работы гребных винтов, что обеспечивает более равномерный подток воды к винтам и увеличивает коэффициент полезного действия силовой установки - гребного винта и двигателя.

Форма корпуса модели судна, определяемая ее теоретическим чертежом, образование носа, кормы, очертание ватерлинии, батоксов я шпангоутов существенно влияют на сопротивление воды движению модели и тем самым на получение высокой скорости.

Образование носовой оконечности модели должно быть острым, ватерлинии в носу для быстроходных моделей делаются прямыми или слегка выпуклыми. Такие ватерлинии уменьшают образование волн и тем самым освобождают энергию двигателей для преодоления сопротивления воды движению всей модели. Угол заострения носовых ватерлиний в подводной части корпуса модели судна должен быть не более 10°.

В зависимости от типа и назначения судна применяются различные образования носовой оконечности и различные очертания форштевня:

1) вертикальный с закруглением в подводной части на гражданских судах - морских и речных;

2) наклоненный с подрезом в подводной части; эти формы применяются в гражданском флоте;

3) наклоненный под углом 60-70° к горизонту - на быстроходных судах гражданского и военного флота;

4) клиперского образования - применяются в военном кораблестроении;

5) ледокольного образования - форштевень вначале идет вертикально, затем имеет уклон 20-25° к горизонту; применяется на ледоколах и ледокольных судах;

6) іклиперсікий HOC с бушпритом, применяется на парусных судах.

Кормовой оконечности нужно придать такую форму, чтобы обеспечивался плавный сход струй, обтекающих модель, отсутствовали завихрения и был хороший подток воды к гребным винтам.

Как показывают опыты, вода обтекает кормовую оконечность по направлению батоксов, следовательно, для постройки быстроходной модели надо выбирать такой теоретический чертеж, в котором батоксы были бы пологими, а не крутыми. Крутые батоксы в корме способствуют подъему воды и появлению вихреобразования.

Кормовая оконечность в зависимости от типа и назначения судна может иметь также различную форму:

1) Корма с подзором применяется на гражданских судах.

2) Крейсерская корма - подзор утоплен в воду - применяется как на гражданских, так и на военных судах.

3) Транцевая корма - подзор срезан поперечной плоскостью, образующей транец. Применяется на быстроходных военных кораблях и катерах.

Форма шпангоутов не оказывает большого влияния на ходкость.модели судна. Для тихоходных моделей рекомендуется применять V-об-разную форму шпангоутов в носу и в корме. Для быстроходных судов применяются в носу I/-образные шпангоуты, они обеспечивают получение острых ватерлиний и уменьшение сопротивления воды.

Итак, чтобы обеспечить модели необходимую скорость, надо уметь правильно выбрать форму корпуса. Бывает так, что две одинаковые модели с одинаковыми двигателями имеют разную скорость; происходит это потому, что модель с более высокими ходовыми показателями имеет лучшую форму корпуса и оконечностей, что обеспечивает хорошую обтекаемость и меньшее сопротивление при движении модели, а следовательно, и большую скорость хода.

Скорость хода современного океанского пассажирского судна - 30 морских миль в час, или, как говорят моряки, 30 узлов, что немного больше 55 км/час. Для достижения такой скорости требуется громадная мощность механизмов, в сотни тысяч лошадиных сил. Модели судов, построенные юными кораблестроителями, в зависимости от класса корабля и установленных на нем механизмов показывают различные скорости. Как же определить, соответствует ли полученная скорость модели судна скорости настоящего судна? Сделать это нетрудно.

Предположим, наша модель сделана в масштабе 1: 100, следовательно, все ее размеры в 100 раз меньше настоящего судна, но, как показывают опыты, скорость модели не будет меньше в 100 раз, а будет меньше в такое число раз, которое, будучи помноженным само на себя, дало бы масштаб модели, то-есть 100. Б нашем примере скорость модели, соответствующая настоящему судну, будет в 10 раз меньше:

Если это выражение представить в виде формулы, получим:

" Умгде -искомая скорость модели; - известная скорость судна;

М - отношение длины корабля к длине модели.

Так как моделисты измеряют скорость моделей в метрах в секунду, то для этого следует в правую часть формулы добавить постоянный множитель 0,515, и в окончатетьном виде формула для подсчета скорости модели будет выглядеть так:

V =-^ . 0,515 м/сек.

Для.ранее приведенного примера скорость модели будет около 1,5 м/сек.

Другим очень важным качеством модели судна является устойчивость на курсе, то-есть способность модели судна сохранять на заданной дистанции направление своего движения. Чтобы получить высокую оценку на соревновании, модель должна не отклоняться от принятого курса и точно пройти створные знаки. Устойчивость модели при движении в воде зависит от относительной длины модели; чем больше отношение длины модели к ее ширине, чем большая часть диаметральной плоско-■сти модели судна находится под водой, тем устойчивее модель при ее движении по заданному направлению.

Дифферент модели на корму тоже улучшает ее устойчивость на курсе. , Поворотливость модели судна, способность ее изменять курс - одио из важных мореходных качеств, особенно для самоуправляемых моделей. Управление моделью осушествляется с помошью рулей, в зависимости от класса и типа судна применяются различные типы рулей: обыкновенные рули, плошадь пера у которых расположена в корму от оси вращения; балансирнце,- площадь пера которых разделяется осью "^вращения на две неравные-насти: большая располагается в корму, мень-їная - в нос (полубалансирные рули отличаются от балансирных тем, "что балансирная плошадь пера руля идет не по всей высоте руля); подвесные рули, не имеющие опоры на ахтерштевне.

Для настоящих судов площадь пера руля 5" составляет определенную долю от погруженной площади, определяемой произведением длины судна по грузовую ватерлинию на осадку 1 X Т.

Тип судна --у

Речные колесные суда............. до 0,10

Речные винтовые суда............. 0,020 - 0,10

Шлюпки, яхты. . . ."............. 0,015 - 0,025

" Морские буксиры............... 0,025 - 0,040

Военные корабли............... 0,023 - 0,033

Грузовые и пассажирские морские суда.... 0,010 - 0,020

Рис. 85. Очертание рулей:

./ - обыкновенный; 2 - балансирный; 3 - подвесной; 4 - полубалансирньїй.

По условиям соревиоваиий само- ходных моделей судов разрешается увеличивать площадь рулей до 1/25 произведения длины модели судна по грузовую ватерлинию на осадку {Ь\Т см). Так, если длина модели 125 см, осадка 4 см, то площадь пера руля может быть "/25-^=20 см"-".

Кривая, описываемая движущейся моделью судна при повороте под действием руля, называется циркуляцией. Когда движение модели установится, то циркуляция образует окружность. Мерой поворотливости модели судна является отношение диаметра цирку-, ляции к длине модели судна.

Рис. 86. Измерение диаметра циркуляции.

в зависимости от типа и иазиачеиия судна отношение диаметра циркуляции к длине судна для разных судов колеблется в сравнительно широких пределах. Морской двухвинтовой буксир с работающими гребными винтами в «раздрай», то-есть когда один гребной винт вращается на полный ход вперед, другой - на полный назад, разворачивается почти на месте и диаметр циркуляции почти равен длине судна. Для крупных нефтеналивных судов диаметр циркуляции составляет 7 длин судна.

В таблице приведены данные о поворотливости для основных типов судов:

Диаметр циркуляции зависит от формы и площади руля, угла перекладки и скорости хода. Чем больше площадь руля и угол перекладки, тем меньше диаметр циркуляции.

При каждой определенной скорости диаметр циркуляции судна и модели всегда имеет соответствующее значение.

Чем меньше диаметр циркуляции модели судна, тем оно поворотливее.

Устойчивость на курсе и поворотливость как бы противопоставляют себя друг другу: чем лучше устойчивость на курсе, тем хуже поворотливость, и наоборот. Задача моделиста заключается в том, чтобы между двумя этими качествами найти такое соотношение, при котором управляемость модели была бы наилучшей.

Заканчивая главу об основных сведениях по теории корабля, нельзя, не сказать несколько слов о гребных винтах - основном типе движителя для моделей судов.

Гребной винт обычно устанавливается в корме судна. Он предназначается для преобразования энергии судовых двигателей в реактивную энергию воды.

Иногда действие гребного винта пытаются сравнивать с действием шурупа, ввинчиваемого в дерево.

Это неправильное представление о работе гребных винтов.

При вращении лопасти гребного винта отбрасывают воду, и реакция

Рис. 87. Гребные винты: .

/ - двухлопастный; 2, 3 ~ трехлопастные; 4 - четырехлопастный. /

ЭТОЙ массы воды передается на гребной вал и упорный подшипник, а если его нет, то на двигатель, закрепленный, в корпусе модели. Эта сила - упор, преодолевая сопротивление воды, движет судно с определенной скоростью.

Гребной винт - это часть винтовой поверхности, разделенная на две, три или четыре лопасти, укрепленные по радиусу на ступице винта. В зависимости от назначения винта и условий его работы на судне бывают широколопастные и узколопастные гребные винты (рис. 87).

Гребной винт имеет следующие характеристики:

Диаметр окружности, описываемой крайними точками лопастей, называется диаметром гребного винта - О.

Крайняя точка лопасти, вращаясь как бы в твердой гайке, за один полный оборот вокруг оси проходит определенный путь. Этот отрезок пути называется геометрическим шагом гребного винта - Я.

Площадь круга, образуемая крайней точкой лопасти гребного винта за один полный оборот вокруг оси, называется площадью диска винта - А.

Отношение спрямленной площади всех лопастей к площади диска

винта называют дисковым отношением -т-.

Свободный конец лопасти называется краем, часть лопасти в месте ее соединения со ступицей - корнем.

Засасывающая плоскость лопасти винта обращена в нос модели судна, нагнетающая - в корму. Если на модели установлено два гребных винта, то один должен быть правого вращения - по часовой стрелке, другой левого -- против часовой стрелки. Эту особенность гребных винтов принято определять по направлению удаляющейся модели.

Двух- и трехлопастные винты следует применять для моделей судов с высокооборотными двигателями без редукторов: резиномоторами, дви-

Рис. 88. Основные геометрические характеристики и конструктивные элементыгребного винта:

о - диаметр; а - диск; и ~ шаг; / - край лопасти; 2 - корень лопасти; 3 - ступица; 4 - обтекатель.

гателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами с числом оборотов 3 ООО-4 ООО в минуту. Диаметр гребного винта нужіно выбирать в пределах от 0,5-0,7 Т - осадки модели.

усуприближаясь к 0,9. Шаговое отношение -^у можно принимать равным

0,9-1,0 ап"А установок с механическими двигателями и до 1,1 при установке резиновых двигателей. Диаметр ступицы допускается в пределах до 0,2 В - диаметра гребного винта.

Если установить зубчатую передачу, можно снизить число оборотов гребных винтов примерно вдвое - это существенно улучшит ходовые качества модели.

Форму лопасти можно выбрать, сделав небольшой расчет.

Средняя ширина лопасти вычисляется по формуле:

где л - диаметр гребного винта;

Z - число лопастей;

Дисковое отношение. - ...

Рис. 91. Расположение гребных винтов на модели и допускаемые расстояния междувинтами и корпусом модели.

Для того чтобы лучше использовать правильно подобранный гребной винт для модели судна, нужно так расположить его, чтобы обеспечить хороший подток воды.

На модели можно установить один, два, три, четыре гребных винта, а иногда и больше. Нельзя допускать, чтобы диски гребных винтов касались друг друга или пересекались в поперечной плоскости. Расстояние между ними не ДОЛЖНО" быть меньше, чем 0,05-0,08 D, если смотреть со стороны кормы в нос. Зазор между кромкой винта и корпусом не должен быть меньше 0,12-0,18 D (рис. 91).

При изготовлении винтов нужно стремиться к отличной их отделке: чем лучше сделан гребной винт, тем выше его коэффициент полезного действия. Не допускается никаких вмятин, углублений, рисок и других повреждений поверхности гребного винта. Для ступицы гребного винта следует сделать обтекатель, который является как бы продолжением ступицы, что также улучшает работу гребного винта, уменьшая вредные вихреобразования в кормовой части модели.

Рис. 93. Схема определения шага построенного гребного винта.

Чтобы гребной винт хорошо работал, его необходимо уравновесить - отбалансировать относительно своей оси. Для этого гребной винт надевают на тонкую игачку и ставят на ножи, как показано на рисунке 92. Отбалансированный винт должен иметь безразличное равновесие; если какая-нибудь сторона перевешивает, то необходимо удалить немного металла с нее или, наоборот, на противоположную сторону напаять немного олова.

Когда гребной винт изготовлен, надо обязательно определить его шаг. Делается это следующим образом: на листке чертежной бумаги проводят окружность радиусом, равным 0,7Н - радиуса гребного винта. В центр окружности вставляют иглу с насаженным гребным винтом. Следите за тем, чтобы игла стояла вертика.пьно. Затем с помощью угольника с делениями измеряют расстояние двух крайних точек кромок лопасти так, как это показано на рисунке 93. Одновременно засеките пересечение проекции точек на окружности. Убрав винт, проведите из центра окружности радиусы и определите по транспортиру угол в градусах.

Получив такие данные, нетрудно определить шаг гребного винта с помощью простой формулы:

Н=-- 360° мм.

агде Н - шаг изготовленного гребного винта в мм,

а - измеренное расстояние до верхней кромки гребного винта, Ь - измеренное расстояние до нижней кромки гребного винта, а - центральный угол, образованный радиусами, проведенньши через проекции точек гребного винта на окружности.

Судовые гребные винты изготавливают из антикоррозионных материалов, поскольку они работают в морской воде, являющейся катализатором коррозии. Материалами, используемыми для изготовления гребных винтов, являются алюминиевые сплавы и нержавеющая сталь. Другие используемые материалы - это сплавы никеля, бронзы и алюминия, которые на 10-15% легче других материалов и имеют более высокую прочность.

Процесс изготовления гребных винтов включает крепление определенного числа лопастей на ступице с помощью сварки, или же винт изготавливается из единой поковки. Кованые лопасти более надежны и обладают большей прочностью, но являются более дорогостоящими, по сравнению со сварными лопастями. При вращении в водной среде, за счет разности давлений на кромках лопастей, гребной винт создает упор, движущий судно.

Такой вид движителей, как гребные винты, постоянно развивается и усовершенствуется. Но сначала рассмотрим классификацию традиционных гребных винтов. Классификацию гребных винтов можно представить в следующем виде.

Типы гребных винтов

Гребные винты классифицируются по ряду факторов.

А) Классификация по количеству лопастей:

Количество лопастей гребного винта может варьироваться от трех до четырех и иногда даже до пяти. Однако наиболее частым случаем является наличие у винта трех или четырех лопастей.

Теоретически, наивысшей эффективностью обладал бы винт с двумя лопастями. Но из соображений прочности и необходимости выдерживать высокие нагрузки на судах не используются двухлопастные гребные винты.

Трехлопастной гребной винт

Стоимость изготовления ниже, чем у других типов гребных винтов

Обычно изготавливаются из алюминиевого сплава

Обеспечивают высокую скорость хода судна

Ускорение более высокое, чем у других типов винтов

Э ффективность на малых скоростях хода низкая

Четырехлопастной гребной винт

Стоимость изготовления выше, чем у трехлопастных винтов

И зготавливаются из сплавов нержавеющей стали

И меют более высокую прочность и выносливость

Хорошо работают и при малых скоростях хода

Обеспечивают большую экономию топлива, чем винты других типов

Пятилопастной гребной винт

Стоимость изготовления самая высокая из всех типов гребных винтов

Уровень вибраций самый минимальный из всех типов гребных винтов

Шестилопастной гребной винт

Стоимость изготовления высокая

У шестилопастных винтов область индуцированного давления над винтом меньше

У крупных контейнеровозов, как правило, пяти- и шестилопастные гребные винты

B) Классификация по шагу винта:

Шаг гребного винта можно определить как перемещение, вызванное каждым круговым поворотом винта на 360 градусов.

Винт фиксированного шага (ВФШ)

Лопасти ВФШ стационарно закреплены на ступице. Гребные винты фиксированного шага литые, и позиция лопастей, а значит и шаг винта постоянны и не могут быть изменены в процессе эксплуатации винта. Такие винты обычно изготавливают из медных сплавов.

ВФШ прочны и надежны, поскольку не содержат механических деталей и гидравлики, в отличие от винтов регулируемого шага (ВРШ). Стоимость изготовления, монтажа и эксплуатации значительно ниже, чем у ВРШ. Однако маневренность судна с ВФШ ниже, чем у судна с ВРШ. Винты данного типа устанавливают на судах, не требующих высокой маневренности.

Винт регулируемого шага (ВРШ)

У ВРШ возможно менять шаг гребного винта за счет поворота лопасти вокруг вертикальной оси с использованием механических компонентов и гидравлики. Это позволяет избавиться от оборудования, необходимого для реверса. Повышается маневренность судна и эффективность работы двигателя.

Недостатком является возможность протечек гидравлики и загрязнения водной среды маслом. Кроме того, такой гребной винт сложен в изготовлении и монтаже на судне, а также требует особого внимания при эксплуатации судна.

Эффективность ВРШ несколько ниже, чем у ВФШ тех же размеров из-за большей ступицы, в которой нужно размещать механизм поворота лопастей и гидравлику. А гребные винты, как правило, более эффективны с увеличением их диаметра.

Для повышения эффективности работы гребные винты снабжают специальными насадками. Такие винты включают помимо самого винта кольцевую насадку, внутри которой размещается гребной винт. Винты с насадками успешно используются при необходимости создания дополнительного упора на малых скоростях хода. Обычно винты этого типа используются на буксирах-якорезаводчиках, на рыболовных траулерах, где за счет насадок обеспечивается от 40 до 50% упора винта при малых и близких к нулю скоростях хода. Иногда насадки делают поворотными. Но все это устройства, повышающие эффективность работы традиционных гребных винтов.

Усовершенствования в конструкциях винто-рулевого комплекса

Эффективность работы винто-рулевого комплекса может повышаться за счет добавления деталей как перед винтом, так и позади гребного винта. Добавление таких деталей в виде плавников или ребер является одним из способов снижения потерь мощности и экономии топлива. Большинство подобных устройств проходят предварительные испытания на моделях с тщательным замером всех характеристик и параметров перед установкой их на гребные винты коммерческих судов. Потери мощности винта, как правило, связаны с образованием спутных вихрей, устранить которые, и пытаются с помощью добавления таких деталей. Целью подобных инноваций является создание наиболее благоприятных условий для работы гребного винта. Насадки, плавники, сопла, бульбы и другие устройства используются для снижения требуемой мощности и повышения скорости судна.

Кольцевые насадки являются наиболее старым видом устройств, повышающих эффективность работы гребного винта. Такие насадки были изобретены немецким инженером Людвигом Кортом в 1930-е гг. и называются насадками Корта или кольцевыми насадками. В наши дни подобные насадки также продолжают использоваться на судах, где при малых скоростях хода требуется повышенный упор гребного винта.

Насадка Мьюиса (Mewis Duct) и полупреднасадка проф. Шнееклюта (Wake Equalizing Duct - WED)

Насадка Мьюиса и полупреднасадка проф. Шнееклюта являются двумя примерами устройств, устанавливаемых перед гребным винтом, использование которых основано на опыте, полученном при исследованиях и эксплуатации насадок Корта. Эти устройства используются на крупных коммерческих судах. Со времени ввода на рынок в 2010 г. насадка Мьюиса привлекла внимание как судовладельцев, так и судостроителей. Насадкой на настоящий момент оснащены 62 судна, и еще для 250 судов заказана установка данного устройства. Устройство используется на танкерах, балкерах и фидерных контейнеровозах.

Полупреднасадка проф. Шнееклюта была изобретена в 1980-х гг. С тех пор устройство применялось на 1500 судах океанского плавания. Это устройство идеально подходит для судов с полными обводами, таких как танкеры и контейнеровозы, эксплуатируемые при средней скорости хода 19 узлов. Проф. Шнееклют анонсировал экономию топлива в размере 12%, но на практике результаты были более скромными, хотя и значительными. Годовая экономия топлива в размере всего 3,5% на деле для контейнеровоза грузовместимостью 2500 ДФЭ означает ежегодную экономию 550 т топлива, а это представляет весьма существенную экономию для транспортной компании.

Инновации в конструкции винто-рулевого комплекса

Статор с лопатками на ступице гребного винта

Для повышения эффективности насадки могут монтироваться впереди гребного винта. Корпорация DSME разработала статор с лопатками на ступице гребного винта, который является альтернативой установке кольцевых насадок и тоннелей.

Разработка устройства, представляющего из себя ряд лопаток статор,а закрепленных в кормовой части корпуса перед гребным винтом, велась в течение десяти лет, и его установка создает дополнительное сопротивление движению судна. Однако создаваемый лопастями несимметричный поток создает более благоприятные условия для вращения винта и, таким образом, повышает его эффективность.

Так же, как и в случае насадок, данное устройство наиболее эффективно при установке на крупных судах, таких как танкеры и контейнеровозы. Установка первого устройства на крупнотоннажный танкер 3 класса дедвейтом 320000 т, принадлежавший компании Kristen Tankers, позднее переименованной в Maran, показала снижение потребления топлива на 4% и небольшое увеличение скорости. Крупная европейская судоходная компания заказала установку этих систем на 10 принадлежащих ей судов класса "Post-panamax" и сообщила об уменьшении потребления топлива и сокращении выбросов в результате этого.

Настолько же эффективны и доступны в установке и эксплуатации, устройства размещаемые за гребным винтом. Два из этих устройств - крыльчатая наделка с прямыми лопастями на ступице гребного винта (Propeller Boss Cap Fin - PBCF) и крыльчатая наделка с изогнутыми лопастями на ступице гребного винта (Propeller Cap Turbine - PCT) могут заменять обычный обтекатель гребного винта. Оба устройства используют вихревые потоки, образующиеся при вращении винта, для повышения его эффективности.

Рис.7. Внешний вид крыльчатой наделки с прямыми лопастями на ступице гребного винта (Boss Cap Fins).

Крыльчатая наделка с прямыми лопастями на ступице гребного винта представляет собой закрепленные на обтекателе винта прямые лопасти, а в крыльчатой наделке с изогнутыми лопастями на обтекателе устанавливаются искривленные лопасти.

Впервые устройство PBCF было изготовлено в конце 80-х гг. и с тех пор было установлено более 2000 устройств, которые, по заявлениям экспертов, обеспечивают экономию в 3-5%. Однако на малых скоростях эффективность данных устройств снижается.

Так же как и системы, размещаемые перед гребным винтом, PBCF и PCT являются относительно недорогими и несложными системами, которые могут монтироваться в дополнение к уже установленной пропульсивной системе. А, по утверждениям экспертов, окупаемость инвестиций в PBCF составляет один год, при том, что установка устройства на винт может быть произведена в течение двух дней без захода судна в сухой док.

Таким образом, за счет установки этих простых легко монтируемых устройств может достигаться экономия топлива. А поскольку стоимость топлива растет, то эти системы обеспечивают быструю окупаемость, заняв за счет этого свою долю рынка.

Системы, размещаемые в дополнение к гребным винтам, старых и новых типов позволяют уменьшить расходы судовладельцев и судовых операторов без необходимости сдавать на слом старые суда и инвестировать в новые экологичные проекты.

Чтобы заставить лодку, как и любое судно, двигаться с постоянной скоростью, надо приложить к ней постоянно действующее усилие (тягу), которое было бы достаточным для преодоления сопротивления воды.

На малых судах для создания тяги наибольшее распространение получил гребной винт - легкий, компактный, высокоэффективный, простой в изготовлении и удобный в эксплуатации движитель. Поговорим о нем поподробнее, разберемся в принципе работы и устройстве гребного винта.

Гребной винт (рис. 1) состоит из втулки - ступицы и нескольких лопастей , отлитых заодно с нею или изготовленных отдельно и закрепленных на ней. Винт обычно располагается в корме судна и приводится во вращение двигателем через гребной вал. Своим названием он обязан тому, что при работе любая точка его лопасти движется по винтовой линии - вращается и одновременно перемещается вперед вместе с судном. В основу теории, объясняющей работу гребного винта, положен принцип гидродинамического крыла . На первый взгляд это кажется странным - причем здесь крыло?, - но не торопитесь с выводом.

Посмотрим на лопасть винта сбоку (рис. 2) и представим направление, в котором она движется в воде (или, применив принцип обратимости движения, направление потока, обтекающего лопасть).

Скорость W потока воды относительно лопасти можно получить геометрическим сложением двух векторов: вызываемой вращением винта окружной скорости V r =2πrn (π=3,14; r - отстояние рассматриваемого сечения лопасти от оси винта; n - число оборотов винта в секунду) и поступательной скорости движения вместе с судном V а. Вектор суммарной скорости W направлен к нижней поверхности лопасти под углом α, называемым в теории крыла углом атаки . При этом на нижней поверхности лопасти (ее называют нагнетающей) создается повышенное давление воды, а на верхней (засасывающей) - разрежение. В результате разности давлений на лопасти, как на крыле, возникает подъемная сила Y. Если разложить ее на составляющие, одна из которых направлена в сторону движения судна, а вторая перпендикулярна ему, то получим соответственно силу Р, создающую упор гребного винта, и силу T, создающую крутящий момент, который и приходится преодолевать двигателю для того, чтобы винт вращался и двигал судно.

Упор гребного винта, создаваемый подъемной силой, зависит не столько от площади лопасти, сколько - в полной аналогии с крылом - от таких ее параметров, как угол атаки, профиль сечения, длина лопасти.

Познакомимся же с этими и другими основными характеристиками гребного винта.

Диаметр винта D определяется по окружности, описываемой наиболее удаленной от оси винта точкой лопасти.

Геометрический шаг гребного винта H - это шаг винтовой поверхности, с которой совпадает нагнетающая сторона лопасти. Если бы винт ввинчивался в воду, как в гайку, то за один его оборот судно прошло бы расстояние, равное шагу винта, а его скорость была бы равна Hn.

Почему лопасть должна иметь винтовую поверхность? Посмотрим на рис. 2. Очевидно, винт даст наибольший упор, если сечения лопасти на любом радиусе r будут расположены под одним и тем же оптимальным углом атаки к набегающему потоку α. Однако вблизи ступицы окружная скорость V r =2πrn будет меньше, чем у конца лопасти, в то время как осевая скорость винта Hn везде одинакова. В результате изменится величина и направление скорости W. Чтобы сохранить угол α неизменным, лопасть у ступицы следует развернуть под большим углом к V r , чем у конца. Это хорошо видно также и из другого рисунка (рис. 3), где показан способ образования и проверки винтовой поверхности лопасти с помощью шаговых угольников.

Диаметр и шаг винта являются важнейшими параметрами, от которых зависит возможность наиболее полного использования мощности двигателя, и, следовательно, достижения наибольшей скорости хода судна.

Если шаг винта слишком велик для данных скорости и числа оборотов, лопасти будут захватывать и отбрасывать назад слишком большое количество воды, упор винта возрастет, но зато одновременно увеличится крутящий момент на гребном валу и двигателю не хватит мощности, чтобы развить полные обороты. В этом случае говорят, что винт тяжелый .

Наоборот, если шаг мал, двигатель легко будет вращать винт на полном числе оборотов, но упор будет невелик, и судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт считается легким .

Шаг и диаметр рассчитывают с учетом сопротивления воды движению корпуса, заданной скорости хода судна, числа оборотов и мощности устанавливаемого двигателя. Общее правило таково: для легких быстроходных лодок требуются винты с большим шагом или шаговым отношением H/D, для тяжелых и тихоходных - с меньшим. При обычно применяющихся двигателях с числом оборотов 1500-5000 об/мин оптимальное шаговое отношение H/D будет составлять: на гоночных мотолодках и глиссерах 0,9-1,4; легких прогулочных катерах 0,8-1,2; водоизмещающих катерах 0,6-1,0 и очень тяжелых тихоходных катерах 0,55-0,80. Важно иметь в виду, что эти значения справедливы, если гребной вал делает примерно 1000 об мин на каждые 15 км/час скорости лодки. В противных случаях необходимо применять редуктор, соответственно изменяющий число оборотов гребного винта.

Диаметр винта существенно влияет на загрузку двигателя. Например, при увеличении D всего на 5% приходится повышать мощность двигателя почти на 30%, чтобы получить то же число n оборотов винта. Это следует учитывать, если требуется «облегчить» тяжелый винт: иногда бывает достаточно немного подрезать концы лопастей до меньшего диаметра.

За один оборот винт вместе с судном продвигается вперед (рис. 4) не на величину шага Н, а из-за скольжения в воде - на меньшее расстояние, называемое поступью h p . Потеря скорости при этом составит Hn=h p n. Величина скольжения характеризуется отношением:

Скольжение s выражается обычно в процентах.

Поступь и скольжение гребного винта легко определить, зная скорость лодки, шаг винта и число его оборотов, так как:

Максимальной величины (100%) скольжение достигает при работе винта на судне, пришвартованном к берегу. Наименьшее скольжение (8-15%) имеют винты легких гоночных мотолодок и скутеров; у винтов глиссирующих катеров скольжение составляет 15-25%, у тяжелых водоизмещающих катеров 20-40%, а у парусных яхт, имеющих вспомогательный двигатель, 50-70%. Чрезмерное скольжение свидетельствует о том, что винт слишком тяжел или судно перегружено, так как с увеличением нагрузки (например, при буксировке мотолодкой воднолыжника) скольжение возрастает.

Для катерных винтов применяются сегментные, авиационные плоско-выпуклые и выпукло-вогнутые профили сечения лопастей. Последние два типа более эффективны, но сложнее в изготовлении и дают меньший упор при реверсировании, т. е. на заднем ходу.

Площадь лопастей , как уже отмечалось, не оказывает существенного влияния на упор винта. Однако чрезмерная площадь приводит к увеличению трения винта о воду и излишним затратам мощности двигателя.

На быстроходных катерах часто приходится сталкиваться с явлением кавитации гребного винта. Известно, что при пониженном давлении (например, высоко в горах) вода закипает при температуре ниже 100° С. У высокооборотных винтов разрежение на засасывающей стороне лопасти достигает такой большой величины, что вода вскипает уже при естественной температуре. Образуются пузырьки и полости, заполненные паром, - это явление и называется кавитацией . Различают две стадии кавитации (рис. 5). На первой стадии полости невелики и на работе винта они практически не сказываются. Однако когда пузырьки лопаются, создаются огромные местные давления, в результате чего материал лопасти выкрашивается у поверхности. Такие эрозионные разрушения при длительной работе кавитирующего винта могут быть весьма значительными.

При дальнейшем повышении скорости вращения винта наступает вторая стадия кавитации. Образуется сплошная полость (каверна), которая может замыкаться за пределами лопасти. Эрозия прекращается, но развиваемый винтом упор резко падает.

Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от суммарной площади лопастей, толщины и кривизны профиля сечения лопасти, глубины погружения винта под ватерлинией и т. п. Чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля и ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньших числах оборотов, т. е. «раньше», наступает кавитация. Отметим, что развитию кавитации способствуют пузыри воздуха и завихрения от находящихся перед винтом кронштейнов, вала, фальшкиля, увеличенный шаг винта и т, п.

Характеристикой площади лопастей винта является его дисковое отношение A/A d , т. е. отношение суммарной площади всех развернутых и спрямленных лопастей A к площади круга A d , описываемого винтом (рис. 6). Для малогабаритных винтов тихоходных судов дисковое отношение обычно составляет 0,35-0,60, для кавитирующих винтов быстроходных катеров 0,80-1,20.

Наибольшее распространение на катерах получили трехлопастные гребные винты, хотя на гоночных судах часто применяют и двухлопастные. Вообще говоря, двухлопастные винты более эффективны. У трехлопастного винта расстояние между кромками соседних лопастей меньше, поэтому в обтекание лопастей вносится большее искажение. Кроме того, крутящий момент у трехлопастного винта несколько больше; соответственно и мощность, потребная для его вращения, выше. Четыре и пять лопастей применяются, главным образом, в тех случаях, когда нужно понизить вибрацию и шум от работы винтов.

В зависимости от направления вращения гребного вала (смотря с кормы) применяют винты правого (по часовой стрелке) и левого вращения.

Конечной оценкой эффективности выбранного гребного винта является его коэффициент полезного действия η p - отношение полезной мощности, затрачиваемой непосредственно на создание упора Р и движение судна со скоростью υ (т. е. Po, 75 л. с.), к мощности двигателя, подводимой к винту.

Потери мощности на гребном винте довольно значительны и достигают 35-50%. Они вызваны затратами на ускорение потока воды за винтом, на закручивание и сужение этого потока, на трение лопастей о воду и др. Получить высокий к. п. д. винта на катерах очень трудно из-за небольшой осадки, ограничивающей диаметр винта, и сложности подбора оптимального числа оборотов.

Винт, расположенный в корме, всегда оказывается в зоне действия попутного потока , увлекаемого корпусом судна, поэтому скорость его встречи с водой меньше, чем скорость судна. У легких глиссирующих судов, на которых винт установлен под плоским днищем, это уменьшение невелико (2-5%), но на тяжелых водоизмещающих катерах, особенно если винт располагается за дейдвудом, оно возрастает до 15- 20%. Очевидно, что попутный поток необходимо учитывать, иначе винт окажется тяжелым.

Винт, засасывая воду как насос, увеличивает скорость обтекания водой кормовой оконечности судна. Вследствие этого здесь образуется зона пониженного давления, которая тормозит движение судна. Для преодоления этой силы засасывания винт должен развить дополнительный упор. Очевидно, чем полнее обводы и больше осадка судна в районе винта, чем больше диаметр винта и меньше скорость хода, тем больше сила засасывания. Например, на глиссирующем катере она составляет не более 4% основного упора, или тяги, необходимой для движения судна, а на спасательной шлюпке достигает 15-30%.

При работе гребного винта за корпусом судна полезная отдача мощности будет уже характеризоваться не к. п. д. винта, а так называемым пропульсивным коэффициентом :

Средние значения пропульсивного коэффициента на современных катерах 0,45-0,55.

Заканчивая это первое знакомство с гребным винтом, советуем: исследуйте гребной винт вашей лодки, замерьте его диаметр и шаг, оцените скорость лодки, скольжение винта, число оборотов вала и загрузку двигателя. Вполне может оказаться, что вы найдете возможность сделать лодку более быстроходной.

О том, как подобрать оптимальный винт, мы расскажем в ближайших выпусках сборника.

Примечания

2. У лопастей с несимметричным профилем, обычно применяющимся Для винтов, упор становится равным нулю при отрицательных углах атаки, т. е. когда поступь несколько превышает геометрический шаг винта. Поступь, при которой упор винта равен нулю, называется гидродинамическим шагом винта или шагом нулевого упора .

3. В некоторых случаях η k может быть больше единицы.

Если скорость первых пароходов не превышала 4-6 уз, то уже через 15-20 лет они могли развивать скорость порядка 12 уз. Закат парусного флота был предрешен, чему способствовало появление движителя принципиально нового типа.

Первые попытки применить гребной винт имели место в XVIII в. Однако, как утверждают историки, в новый движитель поверили лишь в 1836 г., когда им оснастил свой бот англичанин Фрэнсис П. Смит. Изобретателю помог «его величество случай»; рассказ об этом некоторые исследователи относят к области исторических анекдотов.

Винт Смита с двумя витками спирали был изготовлен из дерева. Однажды при очередном испытании бота в канале судно содрогнулось и... прибавило скорости. Оказалось, что при ударе о затонувший предмет винт потерял половину спирали. В дальнейшем Смит изготовлял винты с одновитковой спиралью.

Винт Смита выдержал экзамен, когда бот прошел около 400миль со средней скоростью 8 уз. При этом часть рейса проходила в штормовых условиях, с которыми колесному пароходу трудно было бы справиться.

Рис. 5. Кормовая оконечность «Принстона» с винтом Эриксона

Английское Адмиралтейство, оценив винт Смита, в том же 1836 г. поручило изобретателю построить крупное винтовое судно. Так. появился «Архимед» водоизмещением 237 т, который принято считать первым винтовым пароходом. На винт диаметром 2,1 м работали две паровые машины мощностью по 45л. с. На испытаниях «Архимед» развил скорость 9, 8 уз.

Оригинальным было решение сравнить эффективность колесного и винтового движителей. «Архимед» соединили тросами, корма к корме, с колесным пароходом «Вильям Гунстон». Машины дали ход, и «Вильям Гунстон»... потащил за собой первенца винтового судостроения. Однако спешить с выводами было рано.

Значительным событием в истории развития корабельных движителей явилось изобретение шведом Ионом Эриксоном- в 1836 г. гребного винта, в котором был использован принцип лопастных колес. В отличие от обычных колес, ось вращения которых располагалась поперек судна, колеса Эриксона имели ось вращения, проходящую вдоль судна, и создавали осевой поток отбрасываемых масс воды. Движитель состоял из двух колес, расположенных друг за другом и вращавшихся в противоположные стороны. В дальнейшем Эриксон упростил движитель, ограничившись одним колесом.

Рис. 6. Испытания на перетягивание «Раттлера» и «Алекто»

В 1839г. Эриксон отправился в США и построил там первый американский пароходофрегат «Принстон» водоизмещением 700 т с винтом собственной конструкции (рис. 5). На испытаниях корабль развил 14 уз - скорость по тем временам небывалую.

При перетягивании по описанному выше способу «Принстон» отбуксировал колесный пароход «Грейт Вестерн».

У гребного винта не было недостатка в противниках. Они не желали признать результаты, достигнутые «Принстоном», ссылаясь на то, что водоизмещение сравниваемых судов, их обводы и мощность машин были неодинаковы. Окончательно, однако, точки над «и» были поставлены, когда английское Адмиралтейство организовало сравнительные испытания двух специально построенных в 1843г. одинаковых пароходофрегатов водоизмещением 894т с паровой машиной мощностью 200л. с. - винтового «Раттлер» и колесного «Алекто».

Сначала оба корабля были испытаны под парусами и показали практически одинаковую скорость, что служило подтверждением их геометрического подобия. Затем фрегаты подверглись испытанию перетягиванием. После того как машины развили полную мощность, «Раттлер» начал буксировать «Алекто» со скоростью более 2 уз (рис. 6). Этим испытания не ограничивались. Корабли были проверены на различных режимах, результаты которых сведены в табл. 1. Скептики были посрамлены; «выяснение отношений» между колесными и винтовым движителями закончилось.

Таблица 1 Скорость сравниваемых кораблей на режимах

Гребной винт получил признание благодаря преимуществам, главные из которых -простота конструкции, небольшие размеры и относительно высокий КПД. По мере совершенствования винт приобрел стабильную форму, с небольшими отклонениями сохраняющуюся и поныне.

Рис. 7. Схема создания упора при работе гребного винта

Гребной винт состоит из ступицы с расположенными на ней лопастями (рис. 7). В основе работы гребного винта лежит гидродинамическая сила, создаваемая разностью давлений на сторонах лопастей. Любое концентричное сечение лопасти представляет собой элемент несущего крыла. Поэтому при вращении винта на каждом элементе лопасти возникают такие же силы, как на крыле.

Поток, обтекающий выпуклую сторону лопасти (засасывающая сторона), слегка поджимается и вследствие этого движение его ускоряется. Поток, обтекающий плоскую (иногда слегка вогнутую) сторону лопасти (нагнетающая сторона), встречая на своем пути препятствие, подтормаживается и несколько замедляет скорость. В соответствии с законом Бернулли, на засасывающей стороне лопасти давление потока падает и возникает зона разрежения. В то же время на нагнетающей стороне лопасти, напротив, давление возрастает и возникает зона

давления. Вследствие разности давлений на стороны лопасти образуется гидродинамическая сила. Теорией и экспериментальными исследованиями установлено, что основная часть гидродинамической силы - 70-75% - создается за счет разрежения на засасывающей стороне лопастей винта и только 30-25% - за счет давления на нагнетающей стороне лопастей.

Рис. 8. Винтообразно закрученная струя, отбрасываемая гребным винтом

Проекция гидродинамической силы на ось винта представляет собой упор винта. Эта сила воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее кораблю.

Поскольку лопасти имеют винтообразную поверхность, при вращении винта вода не только отбрасывается назад, но и закручивается в сторону вращения лопастей (рис. 8). Между тем задача движителя - только отбрасывать воду, не вращая ее, создавая реактивный импульс - силу тяги. На закручивание потока и на преодоление сопротивления вращения винта в воде затрачивается значительная доля мощности, подводимой к нему от двигателя.

Поэтому коэффициент полезного действия винта, равный отношению мощности, затраченной на создание тяги винта (полезная мощность), ко всей мощности, затраченной на вращение винта, всегда будет меньше единицы.

КПД гребных винтов колеблется в диапазоне 0,5-0,7. Верхний предел считается очень высоким и достижим на малооборотных винтах большого диаметра. Для быстроходных винтов небольшого диаметра КПД редко превышает 0,5-0,95. Но это в наши дни; в рассматриваемый же период гребные винты подбирались обычно по прототипу или опытным путем и имели значительно меньший КПД.

Если на кораблях гребной винт сравнительно быстро получил признание, то в коммерческом флоте его распространение задержалось. Колесные пароходы зачастую не уступали в скорости винтовым, а построенная в Англии в 1866 г. по заказу турецкого султана Абдула-Азиса, питавшего пристрастие к быстроходным судам, яхта «Махарусса» водоизмещением 3185 т с паровой машиной мощностью 6400 л. с. и бортовыми колесами диаметром 8,5 м на тот период являлась самым быстроходным паровым судном и развивала на полном ходу 18,5 уз.

На трансатлантических линиях вплоть до 1875г. все еще плавали колесные пароходы. Последним из них была «Скотина» - обладательница «Голубой ленты Атлантики» в 1862- 1867 гг.