ВЭ/ВТ/Винт гребной
ВИНТ ГРЕБНОЙ, единств. судовой двигатель, применяемый в современ. воен. флоте; гл. преимущество его перед гребными колесами в том, что, погруженный под ватерлинию к-бля и прикрытый его кормою, В. защищен от непр. снарядов и друг. случайностей, а также надежен в действии и прост по устройству. Высказанная в 1752 г. Даниилом Бернулли и повторенная затем Уаттом идея применения винт. пов-сти, как двигателя, б. осуществлена на практике лишь в 1836 г. англичанином Френсисом Смитом в небол. винт. катере. Затем б. построен пароход Архимед в 237 тн. и 70-сильный пар. Стоктон, сделавший даже переход в Америку, где в 40-х гг. б. построен пар. Принцип уже в 400 с. и с 14 узл. ск-сти. В. представляет собою несколько (2, 3 и 4), одинаковой формы и шага, частей винт. пов-сти, укрепленных к муфте, насаженной на конец гребного вала (одна такая часть изображена на черт. 1). Чем больше пов-сть, отбрасывающая воду, и чем с большей отбрасывается она ск-стью, тем большую ск-сть получает судно. Конечно, до извест. пределов. Если развернуть на плоскость винт. линию и принять ее за гипотенузу прямоуг. треуг-ка с одним катетом, равным окружности цилиндра, на к-ром нанесена винт. линия, то другой катет представит собою подъем или шаг этой винт. л., так что всегда шаг H=2π. r tg α, где r — рад. цилиндра, а α — уг. наклона винт. л. Если заставить какую-либо линию двигаться равномерно поступательно так, чтобы один её конец скользил по оси цилиндра, а другой по винт. л., то получится винт. пов-сть, форма к-рой зависит от вида линии, принятой для её образования. Если эта линия прямая, перпенд-ная к оси В., то получим так называемую правильную, математич. винт. пов-сть, а В., построенный в этом случае, называют "математическим" или "адмиралтейским" "с постоянным шагом" (черт. 4 и 5). Если вышеуказ. пов-сть пересечь неск. цилиндрич. пов-стями, концентричными с основной, то в сечении мы получим также винт. линию того же шага, как основная, но с углом α, различным для всех кривых (черт. 1, 4 и 5). Уг. α — угол, под к-рым винт. пов-сть входит в воду при своем относительном движении, и потому разница в углах а в различных сечениях В. нарушает плавность работы его и увеличивает скольжение воды по пов-сти его. Для избежания этого делают иногда шаг В. переменный, при чём различают след. винты, кроме вышеуказанного: а) В. с аксиально переменным шагом (черт. 12), возрастающим от входящей кромки лопасти В. к выходящей, дабы: 1) избежать удара лопасти при входе в воду, для чего шаг входящей кромки делается равным шагу судна (см. дальше), и 2) сообщить воде, вступающей на лопасть, ускорение не сразу, а постепенно, т. е. уменьшить скольжение; b) В. с радиально перемен. шагом, возрастающим от муфты к краю лопасти, чтобы уменьшит вращат. движение воды около муфты, где угол а для В. с постоян. шагом очень велик; с) наконец, делаются В., соединяя оба эти условия, т. е. шаг меняется как аксиально, так и радиально (черт. 7). С тою же целью увеличить полез. действие В., уменьшая удары и скольжение, для образования винт. пов-сти принимают: 1) наклоненную под углом к оси К прямуго линию. Шаг постоянный, но сама винт. пов-сть получается неправильной. Лопасти в этом случае отклонены назад. Такой В. носит название нового франц. В. (черт. 13 и 14); 2) архимедову спираль, лежащую в пл-сти, перпенд-ной к оси В. (системы Hirsch’а, черт. 6 и 7); 3) прямую, перпенд-ную к оси В., конец к-рой отогнут вперед по дуге круга (В. системы Griffiths’а, черт. 8 и 9); 4) кривую, выпуклостью обращенную назад (В. Thornicroft, черт. 2 и 3). Все эти способы построения винт. пов-сти, стремясь увеличить полез. работу В., всё-таки усложняют изготовление его, а в виду того, что весьма трудно предусмотреть теоретически все явления, происходящие во время работы В., в наст. время для больш. воен. судов предпочитают ставить В. адмиралтейского типа с постоян. шагом, выбирая последний и другие элементы В. на основании опытов с подобными уже исполненными В., а также делая ряд испытаний модели судна с его В. в испытател. бассейне. Несмотря на вековое существование В., как двигателя, все явления, происходящие во время работы В., до сих пор не поддаются точн. науч. учету. Лишь в самое послед. время выводы Тейлора по теории В. и разработанный также англ. инж-ром Барнаби способ расчета В. по данным из опытов Фруда над моделями дают возм-сть бол. или мен. близко подходить к действит-сти, хотя и теперь приходится пользоваться практич. указаниями с предыдущих судов. С этой же целью В., где возможно, приготовляются не целыми, а с отд. переставными лопастями, к-рые можно укреплять в неск. положениях, изменяя т. обр. шаг В., согласуя его с работой гл. пар. машины. Если, напр., получается, что потребная ск-сть судна достигается при числе оборотов машины большем, чем б. допущено при расчете, и получается малый коэф-т полез. действия всей установки, то лопасти переставляют на больший шаг, чем и исправляют до извест. степени недостаток постройки. Такая переставная лопасть и способ её крепления к ступице показаны на черт. 15 и 17. Несмотря на то, что такой В. более сложен, чем целый, и имеет сравнит-но большего диам. ступицы, все последние суда, за исключ. турбинных, снабжены В. с переставными лопастями. В. турбин. двигателей делаются всегда целыми в виду того, что большое число оборотов турбин не позволяет делать В. больш. диаметра, дабы не получить чрезмерной ск-сти на окружности его. Вместе с тем требуется значит. пов-сть лопастей для воспринятия упорного давления на В., почему и приходится делать ступицу В. возможно мал. диам., дабы этим увеличить площадь лопастей. Лопасти турбин. В. имеют обык-но лепесткообразную форму, развитую в ширину знач-но более, чем лопасти В. поршнев. машин (черт. 20 и 21). Эл-тами, характеризующими В., будут: его диам. D, шаг H, число лопастей n, площ. развернутой лопасти Δ, форма лопасти и длина винта l. Диаметром В. называется диам. окружности, описанной вокруг его лопастей (черт. 4). Площ. этого круга называется площадью диска В., и отношение её к площ. миделя (самого широкого попереч. сечения к-бля) не д. переходить за допускаемые практикой пределы, что особенно важно для получения надлежащего задн. хода судна и его остановки. С другой стороны, диам. В. ограничивается углублением судна, и для В. больших судов считают непременным условием иметь погружение наивысшей точки лопасти под груз. в-линию не менее 1—1½ фт. Такое же расстояние допускается между кромкой лопасти и корпусом в многовинт. больш. судах. Это требование вызывается желанием предупредить разрыв подтекающей к В. струи воды и увлечение воздуха. В мелкосидящих судах приходится иногда прибегать к т. наз. турбинным В., т. е. работающим в особых направляющих цилиндрах-проходах, в каковом случае является возм-сть часть В. сделать выходящей из в-линии и тем увеличить диам. В. Нижн. кромка В. обык-но берется на 4—8 дм. выше килев. линии судна, дабы предупредить касание В. дна. В. одновинт. судна располагается сейчас же за рулем, между ним и к-сом судна, в особ. отверстии ахтерштевня; В. многовинт. судов располагаются т. обр., чтобы каждый из них не мешал отбрасываемой струе от других В. Обращается особ. внимание на обводы в корм. части судна, дабы обеспечить хороший плавный подток воды к В. Средний В. трехвинт. судов в этом отношении находится в более неблагоприятных условиях чем бортовые и потому ему приходится давать неск. большее число оборотов для той же мощности. В четырехвальной системе механизмов средние В. относят в корму, а бортовые располагают так, чтобы их диски не проектировались хотя бы на часть дисков сред. В. Для мал. судов и мелк. крейсеров, стремясь уменьшить диам. В. при сохранении его упорной пов-сти на ед. давления, пытались устанавливать на каждом валу по неск. В., но опыты показали, что такое решение мало рационально. Шаг В. — есть шаг винт. пов-сти, образующей В. На чертежах В. обык-но строится треуг-к, у к-раго один из катетов есть рад. В. — r, а другой — шаг, деленный на 2π (черт. 4). В случае перемен. шага и поворотных лопастей за характеристику В. обык-но принимается шаг на расстоянии 0,7 рад. В. Отношение шага В. к диаметру принимается для поршн. машин от 1 до 1,4, а для турбин. установок от 0,8 до 1. При повороте В. на один оборот, в случае идеальной окружающей В. среды, и само судно подвинется на величину шага H, но в действит-сти за один оборот В. судно проходит меньшее расстояние H1, называемое шагом судна. Разность H — H1, выраженная в % от шага H, называется скольжением В., при чём это есть "кажущееся" скольжение В., т. к. судно, двигаясь в воде, увлекает за собой частицы последней и образует так называемую попутную струю, к-рая и передвигает судно на величину неск. иную, чем это соответствует действит. скольжению В. в воде, к-рое больше чем кажущееся и связано с последним формулой:. s=s1+w(1—s1) где s — действит. скольжение, s1 — кажущееся и w — фактор попутной струи. Этим легко объясняется т. наз. "отрицательное скольжение", т. е. явление движения судна, когда получается H1 больше H, т. е. судно за один оборот В. проходит расстояние большее, чем шаг В. Не следует, однако, выводить отсюда заключение, что отрицат. скольжение выгодно, ибо на образование попутной струи расходуется также энергия двигателя судна и расходуется менее экономично, чем на В. Величина скольжения б. или м. экономич. В. колеблется от 6 до 22%. Скольжение происходит вследствие того, что частицы воды увлекаются вращат. движением В. и не все отбрасываются вдоль оси его, отчего, конечно, теряется упор, а след-но и величина перемещения судна в воде. Скольжение зависит, как от правильно сконструированной и исполненной формы В., так и от состояния пов-сти его, почему пов-сть В. обрабатывают точно по шаблонам и хорошо отполировывают. Кроме того, если круговая ск-сть В. перейдет нек-рый предел, то частицы воды не только увлекаются В. в круговое вращение, но даже не успевают следовать за лопастями В., вследствие чего получаются внутри воды разрывы струи — пустоты, к-рые еще более понижают полез. действие В. Это явление носит название кавитации В. Длиной лопасти В. называется часть шага, соответствующая части винт. пов-сти, взятой для образования лопасти В., длиной же В. называется соответствующая часть той же пов-сти, потребная для образования всех лопастей В. Длина винта обык-но от 0,25 до 0,33 шага. Двухлопастной В., при соврем. больших мощностях машин, не применяется, при снабжении же в свое время парус. судов паров. двигателем и гребн. В., он имел широкое применение. Желая уменьшить сопр-ление застопоренного винта во время хода судна под парусами и избежать устройства винтов. колодца (см. это слово) Mangin предложил для уменьшения длины лопасти делать двойной двухлопастной В., к-рый и известен в наст. время под его именем (черт. 10, 11 и 12). С той же целью б. осуществлен двухлопаст. В. системы Bévis’а с поворотными лопастями (черт. 18 и 19). Наиб. распространены в наст. время трехлопаст. В. и лишь для больш. судов, снабженных поршнев. машинами с сравнит. небол. числом оборотов, применяются четырехлопаст. В. Для турбин. судов, где уменьшение диам. В. имеет больш. значение, предпочитается трехлопастной перед всеми другими. Следует, однако, заметить, что чем больше имеет лопастей В., тем меньше сотрясение кормы во время его работы. Очертание лопастей различное (см. таблицу систем В.), но предпочитают эллиптическую или яйцевидную форму для больш. винтов поршнев. машин с небол. числом оборотов и большим диаметром В. и лепестковидную — для паров. турбин. установок (черт. 20 и 21). В практике конструирования В. приняты две характерные для лопасти величины: проекция лопасти на пл-сть, перпенд-ную к оси винта (черт. 16 — кривая АГД). Площадь этой проекции представляет собой упорную пов-сть лопасти. Если же лопасть В. развернуть на пл-сть (приблизительно), то получится т. наз. развернутая пов-сть лопасти (черт. 16, кривая АБВ). Величину площади проекции лопастей берут с таким расчетом, чтобы упорное давление на кв. дм. не превышало 11,25 англ. фн., при чём для установок больш. мощности предпочитают не доводить ее даже до 10,5 англ. фн. на кв. дм. Отношение площади развернутых лопастей к площади диска В. берется обык-но 0,3—0,4 для практики с паров. машинами и от 0,4 до 0,8 — с паров. турбинами; впрочем, к последнему пределу прибегают лишь в крайн. случаях, обык-но же для больш. судов — 0,5—0,6. Характерной линией для В. следует также считать "медиану" — линию, делящую лопасть по ширине на две равные части. Вид медианы зависит от формы лопасти В. и винт. пов-сти, к-рая применена к В. Для достижения, с одной стороны, крепости В., а с другой — для уменьшения ударов, толщину делают у корня больше, у краев меньше. Крепость лопасти рассчитывается так, чтобы при ударе ею о какой-либо предмет она согнулась по своему краю, прежде чем могла бы наступить опасность поломки лопасти в основании. На всех прилагаемых чертежах показано сечение лопасти пл-стью, проходящей через ось В., а так же разл. цилиндр. пов-стями, при чём в последнем случае форма сечения лопасти получается "получечевицевидная". Рабочая пов-сть лопасти делается прямой, а обратная сторона выпуклой, хотя полез. действие выпуклой стороны меньше, чем прямой, но это допустимо, ибо она обслуживает задн. ход, обык-но кратковременный. В. для воен. флота приготовляются исключ-но из бронзы высокого сопр-ления (марганцовистой, Стона, Парсона, Рюббеля и т. п. См. Бронза в судостроении). Они в наст. время обрабатываются или на специал. станках или по шаблонам в ручную и затем тщательно уравновешиваются, дабы при работе не вызывать неравномерности моментов вращения и избежать тряски кормы. Лопасти составляют или одно целое со ступицей или же прикрепляются к ней при помощи болтов (шпилек, черт. 15 и 17), при чём во фланце лопасти отверстия делаются овальными, для установки лопасти на различный шаг, и пространство между шпильками и фланцем забирается бакаутом. Ступицы делаются, где возможно, пустотелыми, дабы облегчить вес В. Они имеют конусное отверстие, точно пригоняемое к концу вала. На конусе вала укреплена шпонка, входящая в соотв-щее гнездо в ступице В. Насаженный на конус гребн. вала В. укрепляется гайкой, к-рая покрывается специал. конусообразным кожухом, внутри заполняемым салом. Коэф-т полез. действия В. от 0,75—0,85 при поршнев. машинах, и от 0,6 до 0,7 — при турбинных. Направление вращения В. влияет на ход судна и на полез. работу самого В. В одновинт. судах сторона вращения В. на перед. и зад. ход безразлична, но необходимо заметить, что вращат. движение В. создает пару сил, стремящуюся всё время вращать судно вокруг его вертик. оси и потому всегда приходится на прямом курсе держать руль, положенный на неск. градусов в ту или другую сторону. То же самое, но в меньшей степени относится и к трехвинт. судну. Для двухвинт. и четырехвинт. судов такого явления не существует, так как В. одного борта вращаются в сторону, обратную вращению В. другого борта, при чём опыты показали, что, если смотреть на В. со стороны кормы в нос судна, то В. должны вращаться "внаружу", т. е. В. пр. борта по час. стрелке, а В. лев. борта против час. стрелки. В этом случае получается более совершенный приток воды к В. и повышается их полез. работа. (К. Буслей, Судов. механизмы, ч. IV. Судов. движители; А. Погодин, Судовые движители; В. Мадисов, Мор. пар. машины и Атлас черт.; S. W. Sothern, Steam turbines; Sydney W. Barnaby, Marine proplellers; Achenbach, Die Schiffsschraube; Transactions of The Institution of Naval Architects, 1908, Results of further model Screw propeller experiments. By R. E. Froude).