Вопрос 1
В чем заключаются основные принципы работы гребного винта?Всякий гидравлический движитель, будь то весло, гребное колесо, винт или водомет, можно рассматривать как реактивный. Например, работая веслами, мы отбрасываем некоторую массу воды назад. Силу возникающей при этом реакции можно рассматривать как реактивную силу, за счет которой лодка и получает поступательное движение. Тот же результат получается при работе гребного колеса, гребного винта или водомета, хотя способы восприятия этой реакции у них другие. Винт, например, как своеобразный насос без кожуха засасывает воду спереди и отбрасывает ее назад с несколько большей скоростью.
Гребной винт имеет большие преимущества перед веслами и их механическим аналогом — гребным колесом. Во-первых, у винта работают (и работают непрерывно) сразу все лопасти, в то время как у колеса — только погруженные плицы, не говоря уже о весле, у которого в период между гребками лопасти вообще не соприкасаются с водой. Во-вторых, винт имеет гораздо меньшие размеры и вес. Для вращения его требуется приложить меньший крутящий момент, чем для вращения колеса, при той же мощности. Следовательно, можно применять на судах более совершенные легкие и малогабаритные высокооборотные двигатели. Напомним, что даже на сравнительно быстроходных речных судах колеса делают не больше 60—150 обмин, в то время как современные катерные винты работают при 1000—4000 об/мин. Наконец, сразу ясно, что винт гораздо удобнее в эксплуатации, чем громоздкое колесо!
Вопрос 2
Какие изменения претерпел гребной винт с момента его создания по настоящее время?Очень большие. Прообразом современного гребного винта, как известно, был винтовой водоподъемный насос, применявшийся еще во времена Архимеда. Использовать винт в качестве движителя судна впервые предложил в 1752 г. почетный член Петербургской Академии наук, выдающийся математик и физик Даниил Бернулли. Разработанная им конструкция представляла собой колесо, по окружности которого укреплены планки-лопасти, поставленные наклонно. Так что по внешнему виду этот гребной винт скорее напоминал гребное колесо, однако устанавливаться он должен был, как и полагается винту, перпендикулярно направлению движения судна. Реализован этот проект не был.
Дальнейшие работы над конструкцией судового движителя стимулировало появление паровых машин. Предпочтение вначале было отдано гребному колесу как более простому по принципу действия и более подходящему для тихоходных паровых машин. Изобретатели многих стран предлагали и новые конструкции гребных винтов. Были зарегистрированы сотни патентов! Однако винт еще долгое время оставался несовершенным движителем, так как недоставало надежных теоретических обоснований его работы. На начальных стадиях развития теории гребного винта действие его объясняли довольно примитивным образом. Движение судна уподоблялось перемещению навинчиваемой на винт гайки с той только разницей, что за счет перемещения воды она — гайка — все время немного проскальзывает.
Созданные в те времена конструкции гребных винтов имели мало общего с современными. Например, чешский изобретатель Йозеф Рессель — ему, кстати говоря, поставлен памятник как создателю винта — запатентовал винт, состоящий из полутора витков одной лопасти; это было нечто вроде водоподъемного архимедова винта.
Гребной винт в таком виде, как мы его привыкли видеть, создан немногим более ста лет назад. Не будем разбираться в запутанной истории о том, кто именно «изобрел» винт, только отметим, что в 1842 г. на французском почтовом судне «Наполеон» был установлен четырехлопастной винт, уже очень похожий на современные.
К этому же времени относится разработка так называемой дисковой теории, или теории идеального движителя, позволившей в главных чертах установить закономерности между упором гребного винта, его диаметром, скоростью движения. В основу ее было положено допущение о существовании однородного потока без трения за диском гребного винта. В расчетах принималось, что винт за счет подводимой от двигателя мощности создает в протекающем через него потоке прирост давления. Реактивная сила (упор) винта вычислялась при этом как произведение прироста давления на площадь диска винта.
Вопрос 3
Какие теории лежат в основе современного расчета гребного вннта?Лопасть винта сейчас рассматривают как крыло, на котором при движении возникают, как и на любом крыле, подъемная сила и сила сопротивления. Впервые этот взгляд получил известность в виде лопастной теории гребного винта, предложенной в начале текущего столетия Джевецким. Ее непосредственное применение для расчетов винта, однако, оказалось невозможным в связи с тем, что она не позволяла учитывать целый ряд важных факторов. В частности, не учитывались потери на завихрения у ступицы и на концах лопастей.
Николай Егорович Жуковский, рассматривая фотографии потока За гребным винтом, установил, что светлые винтовые линии, отходящие от концов лопастей, и прямая линия, идущая от ступицы, представляют собой заполненные воздухом вихри. Так было положено начало созданию новой вихревой теории гребного винта.
Лопасть винта рассматривается как крыло, имеющее вполне определенное соотношение размеров, как говорят конструкторы, — крыло конечного размаха. Подъемная сила на лопасти образуется благодаря циркуляции вокруг нее потока воды — несущего вихря. Этот несущий вихрь возникает вследствие разности давлений на нагнетающей и засасывающей сторонах лопасти. Учитывается и перетекание воды с нагнетающей стороны на засасывающую, которое неизбежно происходит у концов лопастей и у ступицы. Это и есть те вихревые следы, которые рассматривал Жуковский.
Вихревая, или, иначе, циркуляционная, теория крыла в настоящее время разработана детально, но построенные ка ее основе расчеты представляют очень большую сложность. Практически такие расчеты стали возможными только после появления электронных вычислительных машин. В современном судостроении винты главным образом рассчитывают по диаграммам, которые строятся на основе испытаний моделей винтов.
Вопрос 4
Наибольшая скорость, показанная с гребным винтом, 322 км час. Что же ограничивает возможности дальнейшего повышения скорости винтового катера?Первое ограничение, с которым давно уже столкнулись конструкторы, проектирующие гребные винты для быстроходных судов, — кавитация. Создание специальных супер-кавитирующих винтов позволяет, правда, преодолеть это препятствие.
Однако это еще не все. Существуют и другие ограничения, например пределы окружной скорости вращения винта (на конце лопасти). В общем вывод напрашивается довольно пессимистический: возможности винта практически исчерпаны. Дело, пожалуй, за тем, чтобы во всех случаях использовать эти возможности полностью.
Вопрос 5
Каково ваше мнение о возможности повышения эффективности работы гребного винта за счет применения насадок, установки парных винтов (винтов тандем), водометов?Здесь в каждом отдельном случае должно быть свое решение. Практически, на быстроходных катерах, винты которых работают с большим числом оборотов, получить таким образом прирост к. п. д. невозможно. Однако в определенных случаях, например, на судах на подводных крыльях, использование водометного движителя позволяет избежать оголения лопастей винта и, таким образом, дает положительный эффект. Возможность поджимать выбрасываемую струю за счет сужения выходного отверстия водомета позволяет задерживать начало кавитации, что делает целесообразным применение водометов и на ряде быстроходных глиссирующих катеров, разумеется, если сопротивление водомета не слишком велико.
Винты тандем применяются, чтобы уменьшить удельное давление на лопасти и повысить к. п. д. движителя, однако искажение потока первым винтом увеличивает опасность начала кавитации второго.
Что касается кольцевых диффузорных насадок, то их имеет смысл применять только на тихоходных судах, имеющих тяжелонагруженные винты. Благодаря тему, что винт устанавливается в самом узком месте такой насадки, скорость натекания потока на него существенно возрастает. В результате масса обработанной воды увеличивается, а следовательно, повышается и к. п. д.
Конечно, сказанное не исключает целесообразности заключения винта в насадку или принятия других конструктивных мер для защиты его от повреждения.