Гребной винт ( в просторечии часто называемый винтом , если он на корабле , или воздушным винтом , если он на самолете ) — это устройство с вращающейся ступицей и расходящимися лопастями, которые установлены с шагом, чтобы образовать винтовую спираль, которая при вращении оказывает линейное давление на рабочую жидкость, такую как вода или воздух. [1] Гребные винты используются для перекачивания 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 давления между двумя поверхностями лопасти по принципу Бернулли , которая оказывает силу на жидкость. [2] Большинство морских гребных винтов представляют собой винтовые винты с винтовыми лопастями, вращающимися на валу винта с приблизительно горизонтальной осью. [a]
Принцип, используемый при использовании гребного винта, взят из кормового гребного движения . При гребном движении одна лопасть движется по дуге из стороны в сторону, при этом следя за тем, чтобы лопасть оставалась под эффективным углом к воде. Инновацией, введенной с гребным винтом, было расширение этой дуги более чем на 360° путем прикрепления лопасти к вращающемуся валу. Гребные винты могут иметь одну лопасть , но на практике их почти всегда больше одной, чтобы уравновесить 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 воды из лодок, настолько известно, что он стал известен как винт Архимеда . Вероятно, это было применение спирального движения в пространстве (спирали были особым предметом изучения Архимеда) к полому сегментированному водяному колесу, которое использовалось для орошения египтянами на протяжении веков. Летающая игрушка, бамбуковый вертолет , была в ходу в Китае, начиная примерно с 320 г. н. э. Позже Леонардо да Винчи принял принцип винта для управления своим теоретическим вертолетом, эскизы которого включали большой полотняный винт над головой.
В 1661 году Тугуд и Хейс предложили использовать винты для водометного движения, хотя и не в качестве гребного винта. [3] Роберт Гук в 1681 году спроектировал горизонтальную водяную мельницу, которая была удивительно похожа на вертикальный гребной винт Кирстен-Боинга, разработанный почти два с половиной столетия спустя, в 1928 году; два года спустя Гук модифицировал конструкцию, чтобы обеспечить движущую силу для кораблей по воде. [4] В 1693 году француз по имени Дюке изобрел винтовой гребной винт, который был опробован в 1693 году, но позже заброшен. [5] [6] В 1752 году Академия наук в Париже присудила Бернелли премию за проект гребного колеса. Примерно в то же время французский математик Алексис-Жан-Пьер Поктон предложил систему водного движения, основанную на архимедовом винте. [4] В 1771 году изобретатель паровой машины Джеймс Уатт в частном письме предложил использовать «спиральные весла» для приведения в движение лодок, хотя он не использовал их в своих паровых машинах и никогда не реализовал эту идею. [7]
Одним из первых практических и прикладных применений гребного винта была подводная лодка под названием Turtle , которая была спроектирована в Нью-Хейвене, штат Коннектикут , в 1775 году студентом Йельского университета и изобретателем Дэвидом Бушнеллом с помощью часовщика, гравера и литейщика латуни Айзека Дулиттла . Брат Бушнелла Эзра Бушнелл и корабельный плотник и часовщик Финеас Пратт построили корпус в Сэйбруке, штат Коннектикут . [8] [9] Ночью 6 сентября 1776 года сержант Эзра Ли управлял Turtle во время атаки на HMS Eagle в гавани Нью-Йорка . [10] [11] Turtle также имеет честь быть первой подводной лодкой, использованной в бою. Бушнелл позже описал винт в письме Томасу Джефферсону от октября 1787 года : «Весло, сформированное по принципу винта, было закреплено в передней части судна, его ось входила в судно и, поворачиваясь в одну сторону, гребла судно вперед, а поворачиваясь в другую сторону, гребла назад. Оно было сделано так, чтобы его можно было вращать рукой или ногой». [12] Латунный винт, как и все латунные и движущиеся части на Turtle , был изготовлен Исааком Дулитлом из Нью-Хейвена. [13]
В 1785 году Джозеф Брама из Англии предложил решение гребного винта, состоящее из стержня, проходящего через подводную корму лодки и прикрепленного к лопастному винту, хотя он так и не построил его. [14]
В феврале 1800 года Эдвард Шортер из Лондона предложил использовать аналогичный винт, прикрепленный к стержню, наклоненному вниз, временно развернутому с палубы выше ватерлинии и, таким образом, не требующему водяного затвора, и предназначенному только для помощи заштилевшему парусному судну. Он испытал его на транспортном судне Doncaster в Гибралтаре и на Мальте, достигнув скорости 1,5 мили в час (2,4 км/ч). [15]
В 1802 году американский юрист и изобретатель Джон Стивенс построил 25-футовую (7,6 м) лодку с роторным паровым двигателем, соединенным с четырехлопастным винтом. Судно достигало скорости 4 мили в час (6,4 км/ч), но Стивенс отказался от винтов из-за присущей ему опасности использования паровых двигателей высокого давления. Его последующие суда были колесными гребными судами. [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 судне с ручным приводом и успешно использовал на пароходе в 1829 году. Его 48-тонное судно Civetta достигло 6 узлов. Это было первое успешное судно с винтовым приводом Архимеда. Его эксперименты были запрещены полицией после аварии паровой машины. Рессель, лесной инспектор, имел австро-венгерский патент на свой гребной винт. Винтовой гребной винт был улучшением по сравнению с гребными колесами, поскольку на него не влияли движения судна 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, перемещая гребную лодку через гавань Ярмута и небольшую прибрежную шхуну в Сент-Джоне, Нью-Брансуик , но его патентная заявка в Соединенных Штатах была отклонена до 1849 года, поскольку он не был американским гражданином. [17] Его эффективная конструкция получила похвалу в американских научных кругах [18], но к тому времени у него появилось множество конкурентов.
Несмотря на эксперименты с винтовым движением до 1830-х годов, лишь немногие из этих изобретений были доведены до стадии испытаний, а те, которые были признаны неудовлетворительными по той или иной причине. [19]
В 1835 году два изобретателя в Британии, Джон Эрикссон и Фрэнсис Петтит Смит , начали работать над этой проблемой по отдельности. Смит первым получил патент на гребной винт 31 мая, в то время как Эрикссон, талантливый шведский инженер, работавший тогда в Британии, подал свой патент шесть недель спустя. [20] Смит быстро построил небольшую модель лодки, чтобы проверить свое изобретение, которое было продемонстрировано сначала на пруду на его ферме в Хендоне , а затем в Королевской галерее практической науки Аделаиды в Лондоне , где его увидел министр военно-морских сил сэр Уильям Барроу. Заручившись покровительством лондонского банкира по имени Райт, Смит построил 30-футовую (9,1 м) 6- сильную (4,5 кВт) канальную лодку грузоподъемностью шесть тонн под названием «Фрэнсис Смит» , которая была оснащена его деревянным винтом и демонстрировалась на канале Паддингтон с ноября 1836 по сентябрь 1837 года. По счастливой случайности деревянный винт с двумя витками был поврежден во время плавания в феврале 1837 года, и, к удивлению Смита, сломанный винт, который теперь состоял только из одного витка, удвоил прежнюю скорость лодки, с примерно 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 м) винтовой пароход, Фрэнсис Б. Огден , в 1837 году и продемонстрировал свою лодку на реке Темзе высокопоставленным членам Британского Адмиралтейства , включая инспектора ВМС сэра Уильяма Саймондса . Несмотря на то, что лодка достигла скорости 10 миль в час, что сопоставимо со скоростью существующих колесных пароходов , Саймондс и его окружение не были впечатлены. Адмиралтейство придерживалось мнения, что винтовое движение будет неэффективным для океанской службы, в то время как сам Саймондс считал, что винтовые корабли не могут управляться эффективно. [b] После этого отказа Эрикссон построил вторую, более крупную винтовую лодку, Роберт Ф. Стоктон , и отправил ее в 1839 году в Соединенные Штаты, где он вскоре получил известность как конструктор первого винтового военного корабля ВМС США , USS Princeton . [21]
Очевидно, зная о мнении Королевского флота о том, что винтовые винты окажутся непригодными для морской службы, Смит решил доказать ошибочность этого предположения. В сентябре 1837 года он вывел свое небольшое судно (теперь оснащенное железным винтом с одним оборотом) в море, пройдя из Блэкуолла, Лондон, в Хайт, Кент , с остановками в Рамсгейте , Дувре и Фолкстоне . На обратном пути в Лондон 25-го числа судно Смита было замечено офицерами Королевского флота, продвигающимся вперед в штормовом море. Это возродило интерес Адмиралтейства, и Смиту было предложено построить полноразмерное судно, чтобы более убедительно продемонстрировать технологию. [22]
Пароход SS Archimedes был построен в 1838 году Генри Уимшерстом из Лондона как первый в мире пароход [c], приводимый в движение гребным винтом. [23] [24] [25] [26]
Archimedes оказал значительное влияние на развитие кораблей, способствуя принятию винтового движения Королевским флотом , в дополнение к его влиянию на коммерческие суда. Испытания с Archimedes Смита привели к соревнованию по перетягиванию каната в 1845 году между HMS Rattler и HMS Alecto , при этом винтовой Rattler тянул колесный пароход Alecto назад со скоростью 2,5 узла (4,6 км/ч). [ 27]
« Архимед» также оказал влияние на конструкцию парохода SS Great Britain Изамбарда Кингдома Брюнеля в 1843 году, который на тот момент был крупнейшим судном в мире и первым винтовым пароходом, пересекшим Атлантический океан в августе 1845 года.
HMS Terror и HMS Erebus были оба сильно модифицированы, чтобы стать первыми кораблями Королевского флота с паровыми двигателями и винтовыми гребными винтами. Оба участвовали в пропавшей экспедиции Франклина , последний раз их видели в июле 1845 года около залива Баффина .
Конструкция гребного винта стабилизировалась в 1880-х годах.
Братья Райт были пионерами в использовании скрученной аэродинамической формы современных авиационных винтов. Они поняли, что воздушный винт похож на крыло. Они проверили это с помощью экспериментов в аэродинамической трубе . Они ввели скручивание в свои лопасти, чтобы поддерживать постоянный угол атаки. Их лопасти были всего на 5% менее эффективны, чем те, которые использовались 100 лет спустя. [28] Понимание аэродинамики низкоскоростного винта было завершено к 1920-м годам, хотя возросшая мощность и меньшие диаметры добавили конструктивные ограничения. [29]
Альберто Сантос Дюмон , еще один ранний пионер, применил знания, полученные им в ходе работы с дирижаблями, чтобы сделать пропеллер со стальным валом и алюминиевыми лопастями для своего биплана 14 бис . В некоторых из его конструкций для лопастей использовался изогнутый алюминиевый лист, что создавало форму аэродинамического профиля. Они были сильно изогнуты , и это, а также отсутствие продольной закрутки делали их менее эффективными, чем пропеллеры Райта. Тем не менее, это, возможно, было первое использование алюминия в конструкции воздушного винта.
В девятнадцатом веке было предложено несколько теорий, касающихся пропеллеров. Теория импульса или теория дискового привода — теория, описывающая математическую модель идеального пропеллера — была разработана WJM Rankine (1865), AG Greenhill (1888) и RE Froude (1889). Пропеллер моделируется как бесконечно тонкий диск, вызывающий постоянную скорость вдоль оси вращения и создающий поток вокруг пропеллера.
Винт, вращающийся через твердое тело, будет иметь нулевое «скольжение»; но поскольку винт гребного винта работает в жидкости (воздухе или воде), будут некоторые потери. Наиболее эффективны винты большого диаметра, медленно вращающиеся, например, на больших судах; наименее эффективны винты малого диаметра и быстро вращающиеся (например, на подвесном лодочном моторе). Используя законы движения Ньютона , можно с пользой думать о прямой тяге винта как о реакции, пропорциональной массе жидкости, отправленной назад за единицу времени, и скорости, которую винт добавляет к этой массе, и на практике больше потерь, связанных с созданием быстрой струи, чем с созданием более тяжелой, более медленной струи. (То же самое применимо к самолетам, в которых турбовентиляторные двигатели большего диаметра, как правило, более эффективны, чем более ранние турбовентиляторные двигатели меньшего диаметра и даже меньшие турбореактивные двигатели , которые выбрасывают меньшую массу на больших скоростях.) [30]
Геометрия морского винтового винта основана на геликоидальной поверхности. Она может образовывать поверхность лопасти, или поверхности лопастей могут быть описаны смещениями от этой поверхности. Задняя часть лопасти описывается смещениями от поверхности геликоида таким же образом, как аэродинамический профиль может быть описан смещениями от линии хорды. Поверхность наклона может быть истинным геликоидом или иметь деформацию для обеспечения лучшего соответствия угла атаки скорости следа над лопастями. Деформированный геликоид описывается указанием формы радиальной опорной линии и угла наклона в терминах радиального расстояния. Традиционный чертеж гребного винта включает четыре части: боковую проекцию, которая определяет наклон, изменение толщины лопасти от корня до кончика, продольное сечение через ступицу и проецируемый контур лопасти на продольную осевую плоскость. Расширенный вид лопасти показывает формы сечения на их различных радиусах, при этом их поверхности наклона нарисованы параллельно базовой линии, а толщина параллельна оси. Контур, обозначенный линией, соединяющей передние и задние концы секций, изображает развернутый контур лезвия. Диаграмма шага показывает изменение шага с радиусом от корня до кончика. Поперечный вид показывает поперечную проекцию лезвия и развернутый контур лезвия. [31]
Лопасти — это пластины из фольги, которые создают тягу при вращении винта. Ступица — это центральная часть винта, которая соединяет лопасти вместе и фиксирует винт на валу. В Великобритании это называется бобышкой . Наклон — это угол лопасти к радиусу, перпендикулярному валу. Перекос — это тангенциальное смещение линии максимальной толщины к радиусу.
Характеристики винта обычно выражаются в виде безразмерных отношений: [31]
Кавитация — это образование пузырьков пара в воде вблизи движущейся лопасти винта в областях с очень низким давлением. Это может произойти, если попытаться передать слишком большую мощность через винт или если винт работает на очень высокой скорости. Кавитация может привести к потере мощности, вызвать вибрацию и износ, а также повредить винт. Это может произойти во многих отношениях на винте. Два наиболее распространенных типа кавитации винта — это кавитация на поверхности всасывания и кавитация на концевом вихре.
Кавитация на стороне всасывания образуется, когда винт работает на высоких скоростях вращения или под большой нагрузкой (высокий коэффициент подъемной силы лопасти ). Давление на поверхности лопасти, расположенной выше по потоку («сторона всасывания»), может упасть ниже давления паров воды, что приведет к образованию парового кармана. В таких условиях изменение давления между поверхностью лопасти, расположенной ниже по потоку («сторона давления»), и стороной всасывания ограничено и в конечном итоге уменьшается по мере увеличения степени кавитации. Когда большая часть поверхности лопасти покрыта кавитацией, разница давления между стороной давления и стороной всасывания лопасти значительно падает, как и тяга, создаваемая винтом. Это состояние называется «срыв тяги». Работа винта в таких условиях тратит энергию, создает значительный шум, и, поскольку пузырьки пара схлопываются, это быстро разрушает поверхность винта из-за локализованных ударных волн на поверхности лопасти.
Кавитация концевого вихря вызвана чрезвычайно низким давлением, образующимся в ядре концевого вихря. Концевой вихрь вызван обертыванием жидкости вокруг кончика винта; от стороны давления до стороны всасывания. Это видео демонстрирует кавитацию концевого вихря. Кавитация концевого вихря обычно происходит до поверхностной кавитации стороны всасывания и менее разрушительна для лопасти, поскольку этот тип кавитации не разрушается на лопасти, а на некотором расстоянии ниже по потоку.
Винты с изменяемым шагом могут быть как управляемыми ( винты с регулируемым шагом ), так и автоматически флюгируемыми ( складные винты ). Винты с изменяемым шагом имеют существенные преимущества перед винтами с фиксированным шагом, а именно:
Усовершенствованный тип винта, используемый на американской подводной лодке класса Los Angeles , а также на немецкой подводной лодке Type 212, называется винтом с перекосом . Как и в лопастях сабля, используемых на некоторых самолетах, кончики лопастей винта с перекосом стреловидны против направления вращения. Кроме того, лопасти наклонены назад вдоль продольной оси, что придает винту в целом чашеобразный вид. Такая конструкция сохраняет эффективность тяги, одновременно уменьшая кавитацию, и, таким образом, обеспечивает тихую, скрытную конструкцию. [32] [33]
Небольшое количество кораблей используют винты с крылышками , похожими на те, что установлены на крыльях некоторых самолетов, что уменьшает концевые вихри и повышает эффективность. [34] [35] [36] [37] [38]
Модульный винт обеспечивает больший контроль над производительностью лодки. Нет необходимости менять весь винт, когда есть возможность только изменить шаг или поврежденные лопасти. Возможность регулировки шага позволит владельцам лодок иметь лучшую производительность на разных высотах, в водных видах спорта или на круизах. [39]
В пропеллерах Voith Schneider вместо винтовых лопастей используются четыре нескрученные прямые лопасти, вращающиеся вокруг вертикальной оси, что позволяет им обеспечивать тягу в любом направлении в любое время, но за счет более высокой механической сложности.
Подруливающее устройство с приводом от обода интегрирует электродвигатель в воздуховодный винт. Цилиндрический элемент действует как статор, а кончики лопастей действуют как ротор. Они обычно обеспечивают высокий крутящий момент и работают на низких оборотах, создавая меньше шума. Система не требует вала, что снижает вес. Устройства могут быть размещены в разных местах вокруг корпуса и работать независимо, например, для помощи в маневрировании. Отсутствие вала позволяет использовать альтернативные конструкции задней части корпуса. [40]
Винтовые тороидальные (кольцевые) пропеллеры, впервые изобретенные более 120 лет назад, [ требуется ссылка ] заменяют лопасти на а-круглые кольца. Они значительно тише (особенно на слышимых частотах) и эффективнее традиционных пропеллеров как для воздушного, так и для водного применения. Конструкция распределяет вихри, создаваемые пропеллером, по всей форме, заставляя их быстрее рассеиваться в атмосфере. [41] [42]
Для двигателей меньшего размера, таких как подвесные моторы, где винт подвержен риску столкновения с тяжелыми предметами, винт часто включает в себя устройство, которое рассчитано на отказ при перегрузке; устройство или весь винт приносят в жертву, чтобы не повредить более дорогую трансмиссию и двигатель.
Обычно в меньших (менее 10 л. с. или 7,5 кВт) и старых двигателях узкий срезной штифт через приводной вал и ступицу винта передает мощность двигателя при нормальных нагрузках. Штифт предназначен для среза , когда винт подвергается нагрузке, которая может повредить двигатель. После среза штифта двигатель не может обеспечивать тягу лодки, пока не будет установлен новый срезной штифт. [43]
В более крупных и современных двигателях резиновая втулка передает крутящий момент приводного вала на ступицу винта. При разрушающей нагрузке трение втулки в ступице преодолевается, и вращающийся винт проскальзывает на валу, предотвращая перегрузку компонентов двигателя. [44] После такого события резиновая втулка может быть повреждена. Если это так, она может продолжать передавать пониженную мощность на низких оборотах, но может не обеспечивать никакой мощности из-за пониженного трения на высоких оборотах. Кроме того, резиновая втулка может со временем разрушиться, что приведет к ее отказу при нагрузках ниже ее расчетной разрушающей нагрузки.
Возможность замены или ремонта резиновой втулки зависит от винта; некоторые не могут. Некоторые могут, но для этого требуется специальное оборудование, чтобы вставить увеличенную втулку для посадки с натягом . Другие можно легко заменить. «Специальное оборудование» обычно состоит из воронки, пресса и резиновой смазки (мыла). Если у вас нет доступа к токарному станку, можно изготовить импровизированную воронку из стальной трубы и автомобильного наполнителя; поскольку наполнитель подвергается только сжимающим силам, он может хорошо справиться с этой задачей. Часто втулку можно втянуть на место с помощью всего лишь пары гаек, шайб и резьбового стержня. Более серьезной проблемой с этим типом винта является «замороженная» шлицевая втулка, из-за которой снять винт невозможно. В таких случаях винт необходимо нагреть, чтобы намеренно разрушить резиновую вставку. После снятия винта шлицевую трубку можно срезать шлифовальным станком, и тогда потребуется новая шлицевая втулка. Чтобы предотвратить повторное возникновение проблемы, шлицы можно покрыть противозадирным антикоррозионным составом.
В некоторых современных винтах резиновая втулка заменяется твердой полимерной вставкой, называемой приводной втулкой . Шлицевое или другое некруглое поперечное сечение втулки, вставленной между валом и ступицей винта, передает крутящий момент двигателя на винт, а не трение. Полимер слабее, чем компоненты винта и двигателя, поэтому он выходит из строя раньше них, когда винт перегружен. [45] Он полностью выходит из строя при чрезмерной нагрузке, но его можно легко заменить.
В то время как винт на большом судне будет погружен в глубокую воду и свободен от препятствий и обломков , яхты , баржи и речные суда часто страдают от загрязнения винта мусором, таким как водоросли, канаты, кабели, сети и пластик. Британские узкие лодки неизменно имеют люк для водорослей над винтом, и как только узкая лодка неподвижна, люк можно открыть, чтобы получить доступ к винту, что позволяет очистить его от мусора. Яхты и речные суда редко имеют люки для водорослей; вместо этого они могут быть оснащены тросорезом , который крепится вокруг вала винта и вращается вместе с винтом. Эти резаки очищают мусор и устраняют необходимость для водолазов вручную заниматься загрязнением. Доступно несколько видов тросорезов: [46]
Кливер — это тип конструкции гребного винта, который используется в основном для гонок на лодках. Его передняя кромка имеет круглую форму, а задняя — прямую. 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 недостаток подъемной силы носа, на нижнем блоке может быть установлено подводное крыло . [ требуется пояснение ] [ требуется цитата ] Гидрокрылья уменьшают подъемную силу носа и помогают вывести лодку из ямы на глиссирование. [ требуется пояснение ] [ требуется цитата ]
