- 1 Как работает гребной винт?
Любой движитель гидравлического типа, как весло, винт, гребное колесо, водомет, по своей сути являются реактивными. К примеру, веслами отбрасывается какое-то количество воды назад. Силу, появляющуюся в этот момент, можно расценивать как реактивную, благодаря чему лодка и получает поступательное движение. Тот же принцип работы у гребного колеса, гребного винта или водомета, при этом методы восприятия данной реакции у них иные. Винт выступает в некотором роде насосом без кожуха, который затягивает воду спереди и выбрасывает ее назад с более высокой скоростью.
Гребной винт во много крат эффективнее весел и их механических вариаций — гребного колеса. А все потому, что у винта постоянно функционируют все лопасти вместе. Что касается колеса, то у него работают лишь погруженные плицы, а у весла и подавно, в промежутках между гребками лопасти даже не касаются воды. Кроме этого, винт намного меньше и легче. Для его вращения необходимо приложить меньший крутящий момент, в отличие от вращения колеса, при условии, что мощности одинаковы. Исходя из этого, на судах можно использовать усовершенствованные, наименьшего размера, легкие двигатели с высокими оборотами. Следует отметить, что и на сравнительно быстроходных речных кораблях колеса совершают не более чем
60 - 150 оборотов в минуту, а, к примеру, усовершенствованные катерные винты делают 1000 - 4000 оборотов в минуту. Вышеперечисленное явно свидетельствует о том, что винт намного удобнее в использовании, нежели объемное и тяжелое колесо.
Так выглядел винт Ж. Брама (модель), созданный на основе идеи Д. Бернулли.
-2 Как изменился гребной винт со времен его изобретения?
Можно однозначно утверждать, что гребной винт был подвержен огромному количеству изменений. Его родоначальником был винтовой водоподъемный насос, использовавшийся еще в период жизни Архимеда. Взять винт за основу движителя корабля было идеей почетного члена Петербургской Академии наук, известнейшего математика и физика того времени, Даниила Бернулли, который высказал ее в 1752 году. Спроектированное им приспособление являло собой колесо, а по его окружности были зафиксированы планки-лопасти, выложенные наклонно. Визуально данный гребной винт был похож на гребное колесо. При этом фиксироваться он должен был перпендикулярно направлению движения корабля, как и требуется винту. Однако конструкция не была воплощена в жизнь.
Последующие работы над преобразованием судового движителя привело к созданию паровых машин. Первоначально использовалось гребное колесо по причине того, что оно более простое по функционированию и лучше всего годилось для тихоходных паровых машин. Ученые многих стран придумывали все новые модификации гребных винтов. И при всем при этом винт еще на протяжении долгого времени являлся несовершенным движителем, по причине недостающих верных теоретических обоснований его функционирования. На первых порах формирования теории гребного винта, принцип его работы толковали достаточно тривиальным образом. Движение корабля сравнивалось с передвижением накрученной на винт гайки, лишь с тем отличием, что за счет вибрации воды гайка постоянно слегка проскальзывает.
Изобретенные тогда модификации гребных винтов сильно отличались от теперешних. Стоит отметить, что чешский ученый Йозеф Рессель, которому воздвигнут памятник как изобретателю винта, запатентовал винт, в основе которого было полтора витка одной лопасти. Данная конструкция имела что-то схожее с водоподъемным архимедовым винтом. Гребной винт в современном понимании этого слова был изобретен свыше ста лет назад. Интересен тот факт, что в 1842 году, на французском почтовом судне “Наполеон” был установлен четырехлопастной винт, схожий с современным.
В тот же период времени была изобретена дисковая теория - теория идеального движителя. Благодаря этому в обобщенном виде удалось выявить закономерности между упором гребного винта, его диаметром, скоростью движения. За основу теории было взято допущение идеи о наличии однородного потока без трения за диском гребного винта. В расчетах указывалось, что винт, посредством подводимой от двигателя мощности формирует в протекающем через него потоке прирост давления. Упор винта, а именно реактивная сила, выводилась путем умножения коэффициента прироста давления на площадь диска винта.
-3 Каковы основные теории, которые находятся в основе современного расчета гребного винта?
Лопасть винта являет собой крыло, на котором во время движения появляется, подъемная сила и сила сопротивления, также как и на любом крыле. Впервые данная идея прозвучала в виде лопастной теории гребного винта, выдвинутой в начале нынешнего столетия Джевецким. При этом, ее непосредственное внедрение для расчетов винта оказалось невозможным. Причина заключалась в том, что она не позволяла учитывать многие значимые факторы, в числе которых потери на завихрения у ступицы и на концах лопастей.
Николай Егорович Жуковский, анализируя фотографии потока за гребным винтом, выявил, что светлые винтовые линии у концов лопастей и прямая линия, тянущаяся от ступицы, являют собой наполненные воздухом вихри, Таким образом, была создана основа появления новой вихревой теории гребного винта.
Лопасть винта представляется крылом, обладающим определенным образом соотносимыми друг с другом размерами, на языке конструкторов - крыло конечного размаха. Подъемная сила на лопасти появляется вследствие циркуляции вокруг нее потока воды, - несущего вихря. Данный несущий вихрь образуется из-за разности давлений на обеих сторонах лопасти: нагнетающей и засасывающей. Во внимание берется и передвижение воды с нагнетающей стороны на засасывающую, неизбежно происходящее у концов лопастей и у ступицы. Данное явление именуется вихревыми следами, изучавшимися Жуковским.
Вихревая, или, другими словами, циркуляционная, теория крыла на данный момент тщательно разработана, однако выведенные на ее основе расчеты являют собой большую сложность. На практике подобные вычисления стали возможными лишь после того, как были изобретены электронные вычислительные машины. На сегодняшний день винты рассчитывают по диаграммам, строящихся на базисе испытаний моделей винтов.
-4 Вопрос, который наверняка интересует любителей водного плавания. Как известно, максимальная скорость с гребным винтом достигает 322 км в час. В чем причина такого ограничения?
В первую очередь, возможность увеличения скорости винтового катера ограничивает кавитация. Однако изобретение специальных суперкавитирующих винтов решает данную проблему.
В числе других причин, ограничивающих скорость, можно отметить пределы окружной скорости вращения винта, находящиеся на конце лопасти. Исходя из этого, выходит, что возможности винта почти исчерпаны, осталось лишь их полноценно использовать.
-5 Что касается увеличения эффективности работы гребного винта посредством использования насадок, установки парных винтов, водометов, это возможно?
Каждый случай индивидуален. На быстроходных катерах, винты которых функционируют с большим количеством оборотов, получить этим способом прирост КПД не предоставляется возможным. Но в некоторых случаях, так, на судах на подводных крыльях, благодаря применению водометного движителя можно предотвратить оголения лопастей винта, что позволяет достичь положительного эффекта. Возможность поджимать выбрасываемую струю благодаря сужению выходного отверстия водомета задерживает начало кавитации. Это делает рациональным использование водометов и на ряде быстроходных глиссирующих катеров, при одном условии, что сопротивление водомета не очень большое.
Винты тандем используются с целью снижения удельного давления на лопасти и увеличения КПД движителя, при этом искажение потока первым винтом повышает риск начала кавитации второго.
Говоря о кольцевых диффузорных насадках, то они используются лишь на тихоходных судах, оснащенных тяжелонагруженными винтами. По причине того, что винт фиксируется в максимально узком месте такой насадки, скорость натекания потока на него многократно увеличивается. Исходя из этого, масса обработанной воды повышается, что влечет за собой и повышение КПД.
Вышеуказанное не говорит о нерациональности заключения винта в насадку или внедрения иных конструктивных решений для предотвращения его повреждения.
При полной или частичной перепечатке материалов сайта ссылка на www.kapitanua.com обязательна.
