Пропеллер (в просторечии часто называемый винтом на корабле или воздушным винтом на самолете ) представляет собой устройство с вращающейся ступицей и расходящимися лопастями, которые установлены с определенным шагом, образуя винтовую спираль, которая при вращении оказывает линейную тягу на рабочая жидкость, такая как вода или воздух. [1] Гребные винты используются для перекачки жидкости через трубу или воздуховод или для создания тяги для движения лодки по воде или самолета по воздуху. Лопасти имеют такую форму, что их вращательное движение через жидкость вызывает разницу давлений между двумя поверхностями лопасти по принципу Бернулли , которая оказывает силу на жидкость. [2] Большинство морских гребных винтов представляют собой винтовые гребные винты с винтовыми лопастями, вращающимися на гребном валу примерно с горизонтальной осью. [а]
Принцип использования гребного винта заимствован из гребли . При гребле одна лопасть перемещается по дуге, из стороны в сторону, следя за тем, чтобы лопасть находилась в воде под эффективным углом. Новшеством, представленным в винтовом гребном винте, было расширение этой дуги более чем на 360° за счет прикрепления лопасти к вращающемуся валу. Пропеллеры могут иметь одну лопасть , но на практике их почти всегда больше одной, чтобы сбалансировать задействованные силы.
Происхождение винтового гребного винта начинается, по крайней мере, еще со времен Архимеда (ок. 287 – ок. 212 до н.э.), который использовал винт для подъема воды для орошения и черпания лодок, настолько широко, что он стал известен как винт Архимеда . Вероятно, это было применение спирального движения в пространстве (спирали были специальным исследованием Архимеда) к полому сегментированному водяному колесу, которое египтяне веками использовали для орошения. Летающая игрушка, бамбуковый вертолёт , пользовалась популярностью в Китае примерно с 320 года нашей эры. Позже Леонардо да Винчи применил принцип винта для управления своим теоретическим вертолетом, на эскизах которого над головой использовался большой парусный винт.
В 1661 году Тугуд и Хейс предложили использовать винты для водометного движения, но не в качестве гребного винта. [3] Роберт Гук в 1681 году сконструировал горизонтальную водяную мельницу, которая была удивительно похожа на пропеллер Кирстен-Боинг с вертикальной осью, разработанный почти два с половиной века спустя, в 1928 году; два года спустя Гук модифицировал конструкцию, чтобы обеспечить движущую силу кораблям по воде. [4] В 1693 году француз по имени Дюке изобрел винтовой гребной винт, который был опробован в 1693 году, но позже от него отказались. [5] [6] В 1752 году Академия наук в Париже предоставила Бурнелли премию за конструкцию гребного колеса. Примерно в то же время французский математик Алексис-Жан-Пьер Поктон предложил водную двигательную установку на основе архимедова винта. [4] В 1771 году изобретатель паровой машины Джеймс Уатт в частном письме предложил использовать «спиральные весла» для движения лодок, хотя он не использовал их со своими паровыми двигателями и никогда не реализовывал эту идею. [7]
Одно из первых практических и прикладных применений гребного винта было на подводной лодке под названием «Черепаха », которая была спроектирована в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, в 1775 году студентом Йельского университета и изобретателем Дэвидом Бушнеллом с помощью часовщика, гравера и литейщика по латуни Исаака Дулитла. . Брат Бушнелла Эзра Бушнелл и корабельный плотник и часовщик Финеас Пратт построили корпус в Сэйбруке, штат Коннектикут. [8] [9] В ночь на 6 сентября 1776 года сержант Эзра Ли пилотировал «Черепаху» во время атаки на HMS Eagle в гавани Нью-Йорка. [10] [11] Черепаха также имеет честь быть первой подводной лодкой, использованной в бою. Позже Бушнелл описал гребной винт в письме Томасу Джефферсону в октябре 1787 года: «Вёсло, сформированное по принципу винта, было закреплено в носовой части судна, его ось входила в судно и, повернувшись в одну сторону, грела судно вперед, но, повернувшись, оно другой путь гребли назад. Его сделали так, чтобы его можно было поворачивать рукой или ногой». [12] Латунный пропеллер, как и все латунные и движущиеся части «Черепахи» , был изготовлен Исааком Дулитлом из Нью-Хейвена. [13]
В 1785 году Джозеф Брама из Англии предложил вариант гребного винта, в котором стержень проходит через подводную корму лодки и прикреплен к лопастному гребному винту, но он так и не построил его. [14]
В феврале 1800 года Эдвард Шортер из Лондона предложил использовать аналогичный гребной винт, прикрепленный к стержню, расположенному под углом вниз, временно развернутому с палубы над ватерлинией и, таким образом, не требующему водяного затвора и предназначенному только для помощи заштилевшим парусным судам. Он испытал его на транспортном корабле «Донкастер» в Гибралтаре и на Мальте, достигнув скорости 1,5 миль в час (2,4 км/ч). [15]
В 1802 году американский юрист и изобретатель Джон Стивенс построил лодку длиной 25 футов (7,6 м) с роторной паровой машиной, соединенной с четырехлопастным гребным винтом. Корабль достиг скорости 4 миль в час (6,4 км/ч), но Стивенс отказался от винтов из-за опасности, связанной с использованием паровых двигателей высокого давления. Его последующие суда представляли собой гребные лодки. [15]
К 1827 году чешский изобретатель Йозеф Рессель изобрел гребной винт с несколькими лопастями на коническом основании. Он испытал его в феврале 1826 года на корабле с ручным управлением и успешно применил его на пароходе в 1829 году. Его 48-тонный корабль « Чиветта» развивал скорость 6 узлов. Это был первый успешный корабль Архимеда с винтовым двигателем. Его эксперименты были запрещены полицией после аварии парового двигателя. Рессель, инспектор лесного хозяйства, владел австро-венгерским патентом на свой пропеллер. Винтовой гребной винт был усовершенствованием по сравнению с гребными колесами, поскольку на него не влияли движения корабля или изменения осадки. [16]
Джон Пэтч , моряк из Ярмута, Новая Шотландия, разработал двухлопастной веерообразный гребной винт в 1832 году и публично продемонстрировал его в 1833 году, приводя в движение гребную лодку через гавань Ярмута и небольшую прибрежную шхуну в Сент-Джоне, Нью-Брансуик , но его заявка на патент в США была отклонена до 1849 года, поскольку он не был американским гражданином. [17] Его эффективная конструкция вызвала похвалу в американских научных кругах [18] , но к тому времени он столкнулся с множеством конкурентов.
Несмотря на эксперименты с винтовыми движителями до 1830-х годов, лишь немногие из этих изобретений дошли до стадии испытаний, а те, которые по той или иной причине оказались неудовлетворительными. [19]
В 1835 году два изобретателя из Великобритании, Джон Эрикссон и Фрэнсис Петтит Смит , начали работать над этой проблемой отдельно. Смит первым получил патент на винтовой гребной винт 31 мая, а Эрикссон, талантливый шведский инженер, работавший тогда в Великобритании, подал заявку на патент шесть недель спустя. [20] Смит быстро построил небольшую модель лодки для проверки своего изобретения, которая была продемонстрирована сначала на пруду на его ферме в Хендоне , а затем в Королевской галерее практических наук Аделаиды в Лондоне , где ее увидел министр военно-морского флота. , сэр Уильям Барроу. Заручившись покровительством лондонского банкира по имени Райт, Смит затем построил 30-футовое (9,1 м) судно по каналу мощностью 6 л.с. (4,5 кВт) и грузоподъемностью шесть тонн под названием «Фрэнсис Смит» , которое было оснащено его деревянным гребным винтом и продемонстрировано на Паддингтонский канал с ноября 1836 года по сентябрь 1837 года. По случайной случайности деревянный двухвитковый гребной винт был поврежден во время плавания в феврале 1837 года, и, к удивлению Смита, сломанный гребной винт, который теперь состоял только из одного витка, увеличил скорость лодки вдвое. прежняя скорость примерно с четырех миль в час до восьми. [20] Впоследствии Смит подал пересмотренный патент в соответствии с этим случайным открытием.
Тем временем Эрикссон построил 45-футовый (14-метровый) пароход с винтовым двигателем « Фрэнсис Б. Огден» в 1837 году и продемонстрировал свою лодку на реке Темзе высокопоставленным членам Британского Адмиралтейства , в том числе инспектору военно-морского флота сэру Уильяму Саймондсу. . Несмотря на то, что лодка развивала скорость 10 миль в час, сравнимую со скоростью существующих колесных пароходов , Саймондса и его окружение это не впечатлило. Адмиралтейство придерживалось мнения, что винтовая двигательная установка будет неэффективна для океанской службы, в то время как сам Саймондс считал, что корабли с винтовыми двигателями не могут эффективно управляться. [b] После этого отказа Эрикссон построил вторую, более крупную лодку с винтовым двигателем, «Роберт Ф. Стоктон» , и в 1839 году отправил ее в Соединенные Штаты, где вскоре получил известность как разработчик корабля ВМС США . первый военный корабль с винтовым двигателем « Принстон» . [21]
Очевидно, зная о мнении Королевского флота о том, что гребные винты окажутся непригодными для морской эксплуатации, Смит решил доказать ошибочность этого предположения. В сентябре 1837 года он вывел свое небольшое судно (теперь оснащенное железным однооборотным гребным винтом) в море, направляясь из Блэкволла, Лондон, в Хайт, Кент , с остановками в Рамсгейте , Дувре и Фолкстоне . На обратном пути в Лондон 25-го числа офицеры Королевского военно-морского флота заметили, как корабль Смита продвигался вперед в штормовом море. Это возродило интерес Адмиралтейства, и Смиту было предложено построить полноразмерный корабль, чтобы более убедительно продемонстрировать технологию. [22]
SS Archimedes был построен в 1838 году Генри Уимшерстом из Лондона как первый в мире пароход [c] с винтовым гребным винтом. [23] [24] [25] [26]
«Архимед » оказал значительное влияние на развитие кораблей, способствуя внедрению винтовых силовых установок в Королевском флоте , а также на коммерческие суда. Испытания « Архимеда » Смита привели к соревнованию по перетягиванию каната в 1845 году между HMS Rattler и HMS Alecto , где Rattler с винтовым приводом тянул колесный пароход Alecto назад со скоростью 2,5 узла (4,6 км/ч). [27]
« Архимед» также повлиял на проект SS Great Britain Isambard Kingdom Brunel в 1843 году, тогда самого большого корабля в мире и первого парохода с винтовым двигателем, пересекшего Атлантический океан в августе 1845 года.
HMS Terror и HMS Erebus были сильно модифицированы и стали первыми кораблями Королевского флота, оснащенными паровыми двигателями и винтовыми гребными винтами. Оба участвовали в затерянной экспедиции Франклина , которую последний раз видели в июле 1845 года возле Баффиновой бухты .
Конструкция винтового гребного винта стабилизировалась в 1880-х годах.
Братья Райт первыми изобрели скрученную форму крыла современных авиационных винтов. Они поняли, что воздушный пропеллер похож на крыло. Они подтвердили это с помощью экспериментов в аэродинамической трубе . Они ввели поворот лезвий, чтобы угол атаки оставался постоянным. Их лезвия были всего на 5% менее эффективны, чем те, что использовались 100 лет спустя. [28] Понимание аэродинамики тихоходных винтов было завершено к 1920-м годам, хотя увеличение мощности и меньшие диаметры добавили конструктивные ограничения. [29]
Альберто Сантос Дюмон , еще один пионер, применил знания, полученные им в результате опыта работы с дирижаблями, для изготовления пропеллера со стальным валом и алюминиевыми лопастями для своего биплана 14-бис . В некоторых из его конструкций в качестве лопастей использовался изогнутый алюминиевый лист, что создавало форму аэродинамического профиля. У них был сильный изгиб , и это, а также отсутствие продольной крутки делало их менее эффективными, чем винты Райта. Несмотря на это, возможно, это было первое использование алюминия в конструкции воздушного винта.
В девятнадцатом веке было предложено несколько теорий относительно пропеллеров. Теория импульса или теория дискового привода – теория, описывающая математическую модель идеального гребного винта – была разработана У. Дж. М. Рэнкином (1865 г.), А. Г. Гринхиллом (1888 г.) и Р. Э. Фрудом (1889 г.). Пропеллер моделируется как бесконечно тонкий диск, создающий постоянную скорость вдоль оси вращения и создающий поток вокруг пропеллера.
Винт, проходящий через твердое тело, не будет иметь скольжения; но поскольку гребной винт работает в жидкости (воздухе или воде), то будут некоторые потери. Наиболее эффективными гребными винтами являются медленно вращающиеся винты большого диаметра, например, на больших кораблях; наименее эффективными являются малодиаметровые и быстровращающиеся (например, на подвесном моторе). Используя законы движения Ньютона , можно с пользой представить себе тягу пропеллера вперед как реакцию, пропорциональную массе жидкости, отправляемой назад за раз, и скорости, которую пропеллер добавляет к этой массе, и на практике потери связаны с созданием большего количества жидкости. быстрая струя, чем при создании более тяжелой и медленной струи. (То же самое относится и к самолетам, в которых турбовентиляторные двигатели большего диаметра, как правило, более эффективны, чем предыдущие модели, турбовентиляторные двигатели меньшего диаметра и даже турбореактивные двигатели меньшего диаметра , которые выбрасывают меньшую массу на больших скоростях.) [30]
Геометрия морского гребного винта основана на геликоидальной поверхности. Это может быть лицевая сторона лезвия, или торцы лезвий могут быть описаны смещениями от этой поверхности. Задняя часть лопасти описывается смещениями от поверхности геликоида точно так же, как аэродинамический профиль может быть описан смещениями от линии хорды. Поверхность тангажа может быть настоящим геликоидом или иметь искривление, чтобы обеспечить лучшее соответствие угла атаки скорости следа над лопастями. Искривленный геликоид описывается путем указания формы радиальной опорной линии и угла наклона через радиальное расстояние. Традиционный чертеж гребного винта состоит из четырех частей: боковой вид, определяющий переднюю грань, изменение толщины лопасти от основания до кончика, продольный разрез ступицы и проецируемый контур лопасти на продольную осевую плоскость. Расширенный вид лопатки показывает формы сечения с различными радиусами, при этом их делительные грани нарисованы параллельно базовой линии, а толщина параллельна оси. Контур, обозначенный линией, соединяющей передний и задний кончики секций, изображает развернутый контур лезвия. Диаграмма шага показывает изменение шага в зависимости от радиуса от основания до кончика. На поперечном виде показаны поперечная проекция клинка и развитый контур клинка. [31]
Лопасти представляют собой пластины из фольгированного профиля, создающие тягу при вращении воздушного винта. Ступица — это центральная часть воздушного винта, которая соединяет лопасти вместе и фиксирует гребной винт на валу.Рейк — это угол наклона лезвия к радиусу, перпендикулярному валу.Наклон — это тангенциальное смещение линии максимальной толщины на радиус.
Характеристики воздушного винта обычно выражаются в виде безразмерных отношений: [31]
Кавитация – это образование пузырьков пара в воде вблизи движущейся лопасти гребного винта в областях очень низкого давления. Это может произойти, если предпринята попытка передать слишком большую мощность через винт или если гребной винт работает на очень высокой скорости. Кавитация может привести к потере мощности, возникновению вибрации и износу, а также к повреждению гребного винта. На гребном винте это может произойти по-разному. Двумя наиболее распространенными типами кавитации гребного винта являются кавитация на стороне всасывания и вихревая кавитация на законцовке винта.
Кавитация на поверхности всасывающей стороны образуется, когда гребной винт работает на высоких скоростях вращения или при большой нагрузке (высокий коэффициент подъемной силы лопастей ). Давление на входной поверхности лопасти («сторона всасывания») может упасть ниже давления пара воды, что приводит к образованию парового кармана. В таких условиях изменение давления между выходной поверхностью лопатки («сторона давления») и стороной всасывания ограничено и в конечном итоге уменьшается по мере увеличения степени кавитации. Когда большая часть поверхности лопасти покрыта кавитацией, разница давлений между напорной стороной и стороной всасывания лопасти значительно падает, равно как и тяга, создаваемая гребным винтом. Это состояние называется «пробой тяги». Работа гребного винта в таких условиях приводит к потере энергии, созданию значительного шума, а по мере схлопывания пузырьков пара происходит быстрое разрушение поверхности винта из-за локализованных ударных волн , воздействующих на поверхность лопасти.
Кавитация концевого вихря вызвана чрезвычайно низким давлением, образующимся в ядре концевого вихря. Вихрь на конце возникает из-за того, что жидкость обволакивает кончик гребного винта; со стороны нагнетания на сторону всасывания. В этом видео демонстрируется кавитация вихревого наконечника. Вихревая кавитация на кончике обычно возникает перед кавитацией на поверхности стороны всасывания и менее вредна для лопасти, поскольку этот тип кавитации разрушается не на лопасти, а на некотором расстоянии вниз по потоку.
Гребные винты изменяемого шага могут быть как управляемыми ( гребные винты регулируемого шага ), так и автоматически флюгируемыми ( складывающиеся гребные винты ). Гребные винты изменяемого шага имеют существенные преимущества перед гребными винтами с фиксированным шагом, а именно:
Усовершенствованный тип гребного винта, используемый на немецких подводных лодках Тип 212 , называется гребным винтом с наклоном назад . Как и в лопастях ятаганов , используемых на некоторых самолетах, кончики лопастей перекошенного винта отклонены назад против направления вращения. Кроме того, лопасти наклонены назад вдоль продольной оси, что придает винту общий чашеобразный вид. Такая конструкция сохраняет эффективность тяги, одновременно уменьшая кавитацию, и, таким образом, обеспечивает тихую и скрытную конструкцию. [32] [33]
На небольшом количестве кораблей используются пропеллеры с законцовками , похожими на те, что используются на некоторых крыльях самолетов, что уменьшает вихри на законцовках и повышает эффективность. [34] [35] [36] [37] [38]
Модульный гребной винт обеспечивает больший контроль над ходовыми качествами лодки. Нет необходимости менять весь винт, когда есть возможность изменить только шаг или поврежденные лопасти. Возможность регулировки шага позволит яхтсменам лучше работать на разных высотах, во время занятий водными видами спорта или в круизе. [39]
В гребных винтах Voith Schneider вместо винтовых лопастей используются четыре раскрученные прямые лопасти, вращающиеся вокруг вертикальной оси, и они могут обеспечивать тягу в любом направлении в любое время за счет более высокой механической сложности.
Подруливающее устройство с приводом от обода объединяет электродвигатель в гребной винт с воздуховодом. Цилиндрический элемент действует как статор, а кончики лопастей — как ротор. Обычно они обеспечивают высокий крутящий момент и работают на низких оборотах, производя меньше шума. Система не требует вала, что снижает вес. Подразделения могут быть размещены в различных местах корпуса и работать независимо, например, для облегчения маневрирования. Отсутствие вала позволяет использовать альтернативные конструкции задней части корпуса. [40]
В скрученных тороидальных (кольцеобразных) винтах, впервые изобретенных более 120 лет назад, лопасти заменены кольцами круглой формы . Они значительно тише (особенно на слышимых частотах) и более эффективны, чем традиционные пропеллеры, как для воздуха, так и для воды. Конструкция распределяет вихри, создаваемые пропеллером, по всей форме, заставляя их быстрее рассеиваться в атмосфере. [41] [42]
Для двигателей меньшего размера, таких как подвесные моторы, гребной винт которых подвергается риску столкновения с тяжелыми предметами, гребной винт часто включает в себя устройство, рассчитанное на выход из строя при перегрузке; устройством или целым винтом приносятся в жертву, чтобы не повредить более дорогую трансмиссию и двигатель.
Обычно в двигателях меньшего размера (менее 10 л.с. или 7,5 кВт) и более старых двигателях узкий срезной штифт через приводной вал и ступицу гребного винта передает мощность двигателя при нормальных нагрузках. Штифт предназначен для сдвига , когда гребной винт подвергается нагрузке, которая может повредить двигатель. После среза штифта двигатель не может обеспечить тягу лодки до тех пор, пока не будет установлен новый срезной штифт. [43]
В более крупных и современных двигателях резиновая втулка передает крутящий момент приводного вала на ступицу гребного винта. При разрушающей нагрузке преодолевается трение втулки в ступице и вращающийся гребной винт скользит по валу, предотвращая перегрузку узлов двигателя. [44] В таком случае резиновая втулка может быть повреждена. Если это так, он может продолжать передавать пониженную мощность на низких оборотах, но может не обеспечивать мощность из-за уменьшения трения на высоких оборотах. Кроме того, резиновая втулка со временем может выйти из строя, что приведет к ее выходу из строя при нагрузках ниже расчетной нагрузки.
Возможность замены или ремонта резиновой втулки зависит от гребного винта; некоторые не могут. Некоторые могут, но для этого требуется специальное оборудование для вставки втулки увеличенного размера для посадки с натягом . Другие можно легко заменить. «Спецоборудование» обычно состоит из воронки, пресса и резиновой смазки (мыла). Если у кого-то нет доступа к токарному станку, можно сделать импровизированную воронку из стальной трубы и наполнителя кузова автомобиля; поскольку наполнитель подвергается только сжимающим усилиям, он хорошо справляется со своей задачей. Зачастую втулку можно поставить на место с помощью ничего более сложного, чем пара гаек, шайб и стержень с резьбой. Более серьезной проблемой этого типа гребного винта является «примерзшая» шлицевая втулка, из-за которой снятие гребного винта становится невозможным. В таких случаях пропеллер необходимо нагреть, чтобы намеренно разрушить резиновую вставку. После снятия гребного винта шлицевую трубку можно отрезать шлифовальной машиной, после чего потребуется новая шлицевая втулка. Чтобы предотвратить повторение проблемы, шлицы можно покрыть противозадирным антикоррозийным составом.
В некоторых современных гребных винтах резиновую втулку заменяет вставка из твердого полимера, называемая ведущей втулкой. Шлицевое или другое некруглое сечение втулки, вставленной между валом и ступицей гребного винта, передает крутящий момент двигателя на гребной винт, а не трение . Полимер слабее, чем компоненты пропеллера и двигателя, поэтому он выходит из строя раньше, чем они, когда пропеллер перегружен. [45] Он полностью выходит из строя при чрезмерной нагрузке, но его можно легко заменить.
В то время как гребной винт на большом корабле погружен в глубокую воду и свободен от препятствий и обломков , яхты , баржи и речные суда часто страдают от загрязнения гребного винта мусором, таким как водоросли, веревки, кабели, сети и пластик. Британские узкие лодки всегда имеют люк над гребным винтом, и как только узкая лодка стоит на месте, люк можно открыть, чтобы получить доступ к гребному винту и убрать мусор. Яхты и речные суда редко имеют люки для защиты от водорослей; вместо этого они могут установить кусачки , которые надеваются на карданный вал и вращаются вместе с гребным винтом. Эти катера очищают от мусора и избавляют дайверов от необходимости вручную устранять загрязнения. Доступны несколько форм кусачек для веревок: [46]
Кливер — это разновидность гребного винта, специально используемая для гонок на лодках. Его передняя кромка имеет круглую форму, а задняя кромка срезана прямо. Он обеспечивает небольшую подъемную силу носа, поэтому его можно использовать на лодках, которым не требуется большая подъемная сила носа, например на гидропланах , которые, естественно, имеют достаточную гидродинамическую подъемную силу носа. Чтобы компенсировать отсутствие подъемной силы носа, на нижнем агрегате может быть установлено подводное крыло . Подводные крылья уменьшают подъемную силу носа и помогают вывести лодку из ямы на горизонт.
