Гребний гвинт

Гребний гвинт - найбільш поширений рушій судів, а також конструктивна основа рушіїв інших типів. Гребний гвинт насаджується на кінець гребного валу, що приводиться в обертання двигуном. При обертанні гребного гвинта кожна лопать захоплює масу води з набігаючого потоку і відкидає її назад, повідомляючи їй додаткову осьову і окружну швидкість; сила реакції води яка відкидеється змушує корабель рухатися вперед або назад, залежно від напрямку обертання гребного гвинта.

Гвинти Титаніка перед спуском на воду

Історія

Гребний гвинт був вперше згаданий на фресках древнього Єгипту як пристрій для здійснення механічної роботи. Головною функцією застосування гвинтового механізму була подача води яка відкидеється з річки Ніл. Для використання в судноплавстві гвинт з ручним приводом вперше був освоєний майстрами з середньовічного Китаю.

Винт Архімеда
Імітаційна модель

У Європі в 287-212 рр.. до н.е відомий давньогрецький математик, фізик і механік Архімед вивчав властивості гвинта, поміщеного в рідину.

У 1681 р. Р. Гук запропонував застосувати гвинт в якості суднового рушія.Петербурзькі академіки Данило Бернуллі (1752 р.) і Леонард Ейлер (1764 р.) займалися створенням теоретичної бази для розрахунку гребних гвинтів. До часів появи швидкохідних парових машин теорія гребного гвинта була суто академічною, незатребуваною в суднобудівній галузі, дисципліною.

Професійний столяр і винахідник Джозеф Брама (Joseph Bramah) 9 травня 1785 отримав патент на перший гребний гвинт. Човновий гвинт, запатентований Брама був дволопатевим. У 1804 і 1805 роках у США вперше була реалізована робоча конструкція гребного гвинта на одно- і двухвинтових парових баркасах, побудованих Джоном Стівенсом.

Практичне застосування гребного гвинта почалося в 1829 році тоді, коли на теплоході "Циветта" водотоннажністю 48 тонн був встановлений богемским інженером І. Ресселом.


Принцип роботи гребного гвинта

Винт 1.jpg

Гребний гвинт являє собою втулку, на якій закріплені 2, 3, 4, а іноді 5 і 6 пластин, званих лопатями.

Обертаючись у воді надіта на гребний вал втука з лопатями ,де одна сторона кожної опукла, а інша плоска, виникає розрідження і тиск, результуюча яких спрямована перпендикулярно до пластин (малюнок справа).
Винт 2.jpg

Цю результуючу можна розкласти на дві взаємно перпендикулярні-сили: Т і Q, Сила Т є силою, що долає опір води рухаючомуся судну, вона називається упором гребного гвинта. Сила Q - сила,яка витрачається на подолання опору води при обертанні лопаті. Сила Т - корисна, а Q - даремна.

Розрідження на опуклій поверхні лопаті змушує воду рухатися до гвинта, а тиск на плоскій поверхні відкидає воду за корму. Реакція струменя , який відкидається передається через лопаті на серцевину гребного валу, упорному підшипнику і корпусу судна. Рух частинок води в струмені гвинтоподібний і, відповідно, складається з поступального і окружного руху.

Винт-3.1.jpg

Чим більше поступальна швидкість частинок в порівнянні з окружною, тим більша частка енергії витрачається корисно і тим менша марно, або, інакше, тим більший коефіцієнт корисної дії гвинта.

Кожна точка лопаті, обертаючись навколо осі маточини і одночасно прямолінійно переміщаючись з судном, описує гвинтоподібну лінію. Відпоідно, якщо зобразити рух усіх точок за певний проміжок часу або, інакше, продовжити лопать , то отримаємо гвинтову поверхню.Ця повехня подібна до тієї, яка зображена на малюнку.

Якби лопасть (або весь гребний гвинт) оберталася відповідно жорсткої гайці, то за один свій оборот вона просунулася б прямолінійно на шлях, що дорівнює геометричному кроці. Але, вгвинчуючись гвинт повинен спиратися на гвинтоподібну поверхню гайки, а так як вода дуже податлива середа , то фактично за один свій оборот гребний гвинт проходить відстань по відношенню до потоку меншу, ніж геометричний крок. Ця відстань називається поступом гвинта.


Винт-4.jpg

Спершу уподібнювали гвинт як би штопору, який, вгвинчуючись в воду, рухає корабель вперед. Тепер пояснюють дію гвинта реакцією води, причому одні обчислюють, який опір відчуває робоча поверхня лопаті при її обертанні. Взявши складову цього опору по осі вала, отримують ту силу , з якої гвинт штовхає корабель, інші ж обчислюють, яку кількість руху повідомляє гвинт воді за одну секунду, і з цього кількості руху знаходять рушійну силу гвинта. Вище було згадано, що за кожен оборот гвинта корабель проходить шлях, менший кроку; це явище називають ковзанням гвинта. Ковзання виражається в %, і, знаючи крок гвинта h, число його оборотів в секунду n і швидкість ходу корабля v, знайдемо ковзання в % за формулою [math]S=\frac{nh-\upsilon}{nh}*100%[/math]




Спеціальні типи гребних гвинтів

1. Гвинти підводних човнів

Винт підводного човна
Винт підводного човна 2.jpg

Гребні гвинти сучасних підводних човнів, як правило маюь сім лопатей шаблевидної форми. Така форма викристовуються як Російськими конструкторами, так і колегами з США . На більш старих - застосовувалися чотирьохлопатеві, звичайної форми. Водометні двигуни застосовуються на субмаринах тільки як допоміжний (резервний) засіб, наприклад, при підході до пірсу або відхід від нього. Основну роботу виконує ,безумовно, гвинт. Така форма гвинта в даний час найбільш оптимальна для зменшення "кавітації" - основного фактору шуму, створюваного гвинтом на великих швидкостях ходу.Крім цього дещо знижує можливість визначення дискретних складових (лопатевих) у загальному частотному спектрі. Крім форми гвинта, на шумність впливає і якість його обробки. Більш-менш глибока подряпина може викликати так званий "спів гвинта". звук якого може поширюватися на великі відстані. Використовується ще таке поняття, як "биття гвинта", яке утворюється від недостатньої симетрії. Вважати, що гвинти взагалі не дають шуму - не правильно, тому що це залежить від дуже багатьох чинників і в першу чергу від швидкості. У цьому плані у вигідній ситуації перебувають дизель-електричні човни, які як правило не розвивають великих швидкостей.










2. Співвісні гребні гвинти

Співвісний гребний гвинт

В ході багаторічних досліджень, що включали вдосконалення теорії гребних гвинтів, проведення різних видів експериментів як лабораторних, так і натурних, було розроблено велику кількість модифікацій рушіїв, здатних ефективно вирішувати широке коло завдань стосовно кораблів і суден різних класів і призначень.

Одним з найбільш ефективних типів рушіїв для перспективних кораблів і судів є співвісні гребні гвинти протилежного обертання. У порівнянні з поодинокими гребними гвинтами, співвісні гребні гвинти протилежного обертання дозволяють підвищити к.к.д. на 12 - 15%, знизити величину оптимального діаметра, зменшити вібраційні навантаження.

Значно більші резерви з подолання другої стадії кавітації роблять їх одним з найбільш перспективних типів рушіїв для швидкохідних кораблів і суден, де в ряді випадків їх застосування дозволяє уникнути впливу кавітації на пропульсивні характеристики гвинтів.





3. Voith Schneider

Voith Schneider 1.jpg
Voith Schneider

Гвинт Voith Schneider, також відомий як циклоїдальний диск є спеціалізованим рушієм морських суден. Надзвичайно маневрений, в змозі змінити напрямок своєї тяги майже миттєво. Широко використовується на буксирах і поромах. Voith Schneider animation.gif






Технологія виготовлення

Процес виготовлення

Найбільші гребні гвинти досягають висоти триповерхового будинку, а їх виготовлення вимагає унікальних навичок. У часи, коли був створений гвинтовий пароплав «SS Great Britain» на виготовлення форм гребного гвинта йшло до 10 днів. Сьогодні завдяки наявності комп'ютерних технологій автоматизований маніпулятор робить це за пару годин. Форма гвинта вводиться в комп'ютер, і алмазне свердло на кінці маніпулятора вирізає з величезних пінопластових блоків ідеальну копію лопаті з точністю до 1 мм. Потім в готову модель поміщають суміш піску та цементу, щоб отримати точний відбиток. Після того як бетон охолоне, в форму, що складається з двох половинок, з'єднують разом і заливають розплавлений до 3000 градусів металл.Гребной гвинт не можна робити з будь-чого. Гвинт має бути досить міцний, щоб витримати тисячі тонн тиску і не піддаватися корозії в солоній морській воді. Найбільш поширеними матеріалами для виготовлення гребних гвинтів є сталь, латунь і бронза. В останні роки для цієї ж мети почали застосовувати пластмаси.

Сплав з кольорових металів для гребних гвинтів, отримав назву «куніал». Він має міцність сталі, але набагато краще протистоїть корозії. Куніал може перебувати у воді десятиліттями, не іржавіючи при цьому. Для додання сплаву граничної точності, до 80% міді необхідно додати 5% нікелю і 5% алюмінію, а також 10% інших металів. Переплавка здійснюється при температурі 3200 градусів.

Пройшовши контроль якості, «коктейль» з розплавлених металів заливається в форму. Щоб уникнути влучень повітря в структуру метал заливається рівним струменем. Через два дні форма остигає. Потім лопаті вивільняють з форми.

Ефективність гребного гвинта залежить від гладкої і обтічної форми лопатей. Поверхня відлитої з форми деталі не є ідеальною, і покрита ливарною кіркою. Для визначення товщини шару застосовується лазерний вимірювач. Після чого зайвий шар видаляється за допомогою різака з карбід-вольфраму. Потім гребний гвинт полірується до ідеально гладкої поверхні, поки не буде складати 1,6 мікромілліметра. В результаті поверхня набуває гладкість скла.

Гребний гвинт - виріб суто індивідуальний, і для кожного сучасного судна або корабля повинен мати оптимальну форму, щоб ковзати і захоплювати необхідну кількість енергії, враховуючи умови експлуатації. Головна проблема всіх гребних гвинтів - кавітація. Вся справа в тому, що під водою при їх обертанні на лопатях виникає область зниженого тиску, в якій вода в буквальному сенсі починає закипати, навіть при низьких температурах. Тому рушії відчувають на спеціальних стендах, де підбирають оптимальні параметри роботи гребного гвинта, і перевіряють правильний кут лопатей.

Як не сумно, але неймовірної краси гребні гвинти приречені на важку працю, прихований від людських очей під морськими хвилями.Таким чином, з усіх типів існуючих рушіїв чільну роль займає гребний гвинт, і поки немає підстав вважати, що в найближчі роки для нього знайдеться більш ефективна заміна.

Наближений приклад розрахунку простих гребних гвинтів


1. За діаграмою визначаємо чотири величини:

Diagrama.jpg

а) найбільш підходяще відношення кроку до діаметру гвинта [math]\frac{H}{D}[/math];

б) відповідний найбільший можливий коефіцієнт корисної дії гвинта[math]\eta [/math]

в) величину ковзання гвинта S;

г) рівняння [math]\frac{H}{D}*(1-S)=K[/math] нам буде потрібнe при визначенні діаметра гвинта [math]D[/math]


У гребних гвинтів, що працюють на швидкохідних судах (у таких гвинтів на кожен квадратний сантиметр площі лопатей доводиться порівняно невеликий упор), відносне ковзання меншого значення, ніж у гвинтів тихохідних судів (у таких гвинтів питомий упор порівняно великий).


2.Визначаємо найбільший діаметр гребного гвинта в метрах, знаючи ці величини. Користуємося виразом [math]D=\frac{60,4*\upsilon^_p}{\frac{H}{D}*(1-S)}=\frac{60,4*\upsilon^_p}{nK}[/math] де [math]\upsilon^_p[/math] в м/сек або номограмою.


3. Потiм, знаючи величину діаметру [math]D[/math] , і відношення кроку гвинта до діаметру [math]\frac{H}{D}[/math], визначаємо крок гвинта: [math]H=\frac{H}{D}D[/math]


4. Для тото щоб визначити упор гребного гвинта в кг, користуємося формулою: [math]P=\frac{75N^_b}{\upsilon^_p}\eta^_B[/math] або номограмою. Очевидно, що якщо величина Р виявиться істотно меншою опору на заданій швидкості ходу судна [math]\upsilon=\frac{\upsilon^_p}{1-\omega}[/math] ,

то гвинт не забезпечить цієї швидкості і розрахунок слід повторити, задавшись дещо меншою швидкістю ходу v; якщо ж упор гвинта виявиться достатнім, то слід перейти до розрахунку розмірів лопаті.

Випрямленна площа всіх лопатей, інакше кажучи, площа розігнутих лопатей, повинна дорівнювати (в м2): [math]A^_a=\frac{P}{p^_{max}}[/math] де

[math]P[/math] - упор гвинта, кг;

[math]p^_{max}[/math] - найбільше допустимий для міцності гвинта тиск в кг/м2 при обраному матеріалі, Величина [math]p^_{max}[/math] може бути взята з таблиці.

Матеріал Число лопастей
Дві Три Чотири
Алюмінієві сплави 3700 кг/м2 3000 кг/м2 2600 кг/м2
Бронза 4400 кг/м2 3600 кг/м2 3100 кг/м2
Сталь 7800 кг/м2 6400 кг/м2 5000 кг/м2
Спеціальна латунь 15000 кг/м2 12000 кг/м2 10000 кг/м2

Кавітація

Моделювання кавітації
Пошкодження від явища кавітації

Гребний гвинт виріб суто індивідуальний і для кожного сучасного судна або корабля повинен мати оптимальну форму, щоб ковзати і захоплювати необхідну кількість енергії, враховуючи умови експлуатації. Головна проблема всіх гребних гвинтів - кавітація


Кавіта́ція (від лат. Cavitas — пустота, порожнина) (рос. кавитация, англ. cavitation, нім. Blasenbildung f, Hohlsog m, Hohlraumbildung f) — утворення всередині рідини порожнин, заповнених газом, парою або їх сумішшю (кавітаційних бульбашок), тобто порушення суцільності рідини.


Виникає в результаті місцевого зниження тиску в рідині до певного критичного значення ркр (в реальній рідині значення ркр близьке до тиску насиченої пари цієї рідини при даній температурі), що може відбуватися або при збільшенні швидкості рідини (гідродинамічна кавітація), або при проходженні акустичної хвилі великої інтенсивності під час напівперіоду розрідження (акустична кавітація).Кавітаційна бульбашка, рухаючись з потоком рідини в область з вищим тиском, дезінтегрує, створюючи ударну хвилю (імпульс адекватний гідравлічному удару). Це призводить до кавітаційної корозії — руйнування поверхні металу, спричинене одночасною дією ударних тисків у рідині (тріскання бульбашок, каверн) і корозії[1].


Кавітація викликає також вібрацію, зменшення к.к.д. і, таким чином, зменшення ефективності роботи насосів, турбін тощо. Кавітація в насосах відбувається при падінні тиску на вході в насос. В лопатевих насосах кавітація супроводжується зменшенням подачі, напору, потужності і к.к.д. внаслідок того, що частина порожнини робочого колеса заповнюється парою.

Література

Л. Кривоносов- "Расчеты и чертежи в любительском судостроении" 1964

Жуковский Н.Е. "Вихревая теория гребного винта" 1950