История развития конструкций винтов: Часть 1

Почему работает винт? Как выбрать самый лучший винт? И как наилучшим способом использовать конкретный винт? Предлагаемая развернутая статья излагает основы проектирования винтов. Для начала рассмотрим Историю винтов, а также силы, заставляющие винт работать.

1.1 Введение
Только от винта зависит возможность достижения моторной лодкой проектных ходовых характеристик. Физический смысл работы винта в воде и, соответственно, параметры, которые должен принимать во внимание проектировщик, станут понятнее, если рассмотреть извилистый путь, который прошел винт в своем развитии за долгие годы. Небезынтересно, что с момента открытия винта как механизма передвижения, и до настоящего времени винт не перестает развиваться. И это притом, что самый первый изобретенный винт по-прежнему работает, и работает хорошо!

1.2 История винта
Идея винтовой плоскости не нова. В 950 году до н.э. египтяне использовали винтовые подъемники для орошения своих полей. Архимед (287-212 гг. до н.э.), впервые научно обосновавший возможность использования винтового движителя на корабле, заслуженно считается изобретателем винта в современном смысле этого термина. Его винтовой насос для откачки воды из трюмов кораблей, а также для подъема воды на поля из ирригационных каналов, стал истинным прообразом винтового пропеллера, винта.

На рисунках Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) встречаются эскизы винтовых насосов для подъема воды. Однако его знаменитый эскиз ротора вертолета более близок к современному пониманию винта.
Хотя принцип работы и конструкция винта стали ясными довольно рано, возможность применить винт для приведения в движения судов появилась только после изобретения парового двигателя. Поскольку первые паровые двигатели работали сравнительно медленно, неспешно вращая приводной вал, первые паровые суда использовали в качестве движителя не винт, а колесо с лопастями.
В 1660 г. Тугуд и Хайз приспособили винт Архимеда к валу паровой судовой машины. Но даже в 19 столетии винтовой движитель использовался только в качестве вспомогательного средства приведения судна в движение. Тем не менее, именно в 19 веке винт получил все основные черты, которыми он обладает и в наше время. В 1801 году Джон Стивенс экспериментировал с одно- и двухвинтовыми судами на паровых судах. К сожалению, из-за отсутствия интереса судостроителей его идеи не нашли применения в Америке.

1.2.1 Изобретение судового винта
Почетное право изобретения судового винта в его нынешнем виде принадлежит Смиту и Эрикссону, на что им в 1835 году был выдан соответствующий патент. Эта дата считается днем рождения судового винта. Патент описывал вращающееся колесо с лопастями, причем предполагалась возможность как одно -, так и двухвинтовой установки. По сути дела, патент Эрикссона и Смита опирался в основном на идею колеса с лопастями.

1.2.2 «А я говорю, что поплывет!», или без ошибок нет прогресса
Большинство изобретателей, находивших различное применение винту Архимеда, нисколько не продвинулись в повышении его эффективности как движителя. Бездумное экспериментирование умножало количество конволюций, увеличивало диаметр или длину лопастей винта. Френсис Пети Смит случайно натолкнулся на положительный эффект от «укорочения» винта Архимеда. Его исходная конструкция винта из дерева предусматривала за один оборот два полных витка (то, что называется «двойной шаг» винта). Во время испытаний нового винта в судоходном канале от удара о плавучий предмет половина винта отвалилась, но при этом судно резко прибавило в скорости.
Смит оценил неожиданный подарок судьбы и увеличил количество лопастей, одновременно сузив лопасти – в итоге винт стал очень похож на винты современные. Несмотря на это очевидное достижение, понадобилось еще много лет, чтобы винт полностью вытеснил колеса с лопастями в качестве основного судового движителя.

1.2.3 Последний шаг
Заключительное нововведение, приведшее к созданию истинного судового винта, было сделано Джорджем Ренни в его коноидальном винте. Ренни соединил идею увеличения шага, умножения линий резания и минимизации конволюций, создав в 1840 г. то, что он назвал коноидальным пропеллером.
Не отрицая успехов Смита, Эрикссона и Ренни, отметим, что в таком виде винт все еще не мог быть применен для приведения в движение судов. Ранние паровые суда имели деревянные корпуса, которые не выдерживали сильной вибрации, что и стало основной причиной появления кораблей с корпусами из железа. Поскольку судовая машина и приводной вал располагаются ниже ватерлинии, потребовалось создать герметизирующие редукторы и трансмиссии. Без создания подшипников вращение винта не могло быть передано в качестве толкающей силы корпусу судна.
Для достижения скоростей вращения, при которых эффективность винта наиболее высока, потребовалось создать высокооборотные моторы. А для этого нужно еще было создать новые технологии ковки и обработки прочных металлов. И только после разрешения инженерных проблем и после создания быстроходных моторов стало стремительно увеличиваться количество винтов, устанавливаемых на судах вместо лопастных колес.
В 1870 году К. Шарп, житель Филадельфии, штат Пенсильвания, получил патент на полупогруженный винт для приведения в движение судов на мелководье. Чарльз Парсонс по несчастливому стечению обстоятельств открыл явление суперкавитации винта, когда его первое судно с турбиной («Турбиния») не смогла достичь расчетной скорости движения в 30 узлов. Он поставил три винта на каждый вал и решил тем самым эту проблему. Однако вскоре последовало изобретение судового понижающего редуктора, сделав установку на одном валу нескольких винтов просто ненужной.

1.2.4 Конец эры колеса
Винты, установленные на судах в 1860-х гг., были далеки от совершенства, но и в таком виде они на голову превосходили все иные судовые движители, известные к тому моменту.
Колесо с лопастями постепенно вышло из употребления и, на мореходных судах стали устанавливаться исключительно только винты. В двадцатом веке винты непрерывно совершенствовались в направлении повышения их эффективности, универсальности, улучшения эксплуатационных характеристик, совершенствования конструкционных материалов, а также повышения сопротивления кавитации.

1.3 Как работает винт?
Давайте рассмотрим основные принципы работы судового винта.
Можно сказать, что винт «толкает» судно сквозь воду. Чтобы объяснить это явление, давайте представим винт с одной лопастью, которая проецируется на лист бумаги и поворачивается от верхнего обреза листа бумаги к нижнему. Винт вращается слева направо.

Поворачиваясь, наша единственная лопасть винта будет давить на воду, выталкивая ее вниз и назад. Одновременно (потому что каждой силе соответствует обратно направленная реакция) вода перемещается позади лопасти в стремлении заполнить область пониженного давления, которая остается за лопастью.
В итоге возникает разность давлений ΔP между двумя поверхностями лопасти – положительное давление (давящий эффект) в нижней части лопасти, и отрицательное давление (тянущий эффект) в верхней части лопасти. Так же работает крыло самолета в полете и так же работает каждая лопасть на многолопастных винтах.

1.3.1 Тяга и момент
Разность давлений ΔP выдавливает воду сквозь винт спереди (формируя область пониженного давления), назад (создавая область повышенного давления), перемещая воду с ускорением.

Примерно так же работает комнатный вентилятор, «вытягивая» воздух из-за своей спины и с силой, толкая его перед собой вперед. Судовой винт толкает воду в обратном направлении. По мере вращения винта вода приобретает ускорение по оси винта и вокруг него. Формируется высокоскоростной поток воды позади винта. Эта «струя воды» с силой давит на слой воды позади винта, создавая так называемую «реактивную» силу. Сочетание плеча вращения точки на лопасти с ускорением, приобретаемым струей воды определяет важнейший параметр винта, называемый его тягой.

1.3.2 Профиль винта
Давайте рассечем мысленно лопасть винта по его хорде. В глаза сразу бросается различие формы верхней и нижней частей сечения. Нижняя часть лопасти имеет более плавную кривизну, напоминая крыло птицы.

Именно этой кривизне и обязана своим возникновением область пониженного давления позади вращающейся лопасти, из-за которой возникает подъемная сила, совсем как у крыла самолета. Разумеется, винт не взлетает, а благодаря форме лопасти подъемная сила превращается в горизонтальную составляющую движения струи воды.
Винт движется сквозь воду совсем так же, как шуруп движется сквозь дерево. Расстояние в воде или продвижение вперед зависят главным образом от шага винта, который определяется как «расстояние, на которое продвинется винт за один оборот».
Ну, для начала достаточно. В следующий части статьи мы рассмотрим устройство винта, а также различия в конструкции, отличающие профессиональный винт от рядового образца.

Перевод одноименной статьи Джима Рассела («AeroMarine Research») выполнен Павлом Дмитриевым.

Создать обсуждение