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.
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.
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.
На теплоході "Циветта" водотоннажністю 48 тонн був встановлений богемским інженером І. Ресселом гребний гвинт.
Принцип роботи гребного гвинта
Гребний гвинт являє собою втулку, На якій укріплені 2, 3, 4, а іноді 5 і 6 відрізків таких пластин, званих лопатями.
Коли надіта на гребний вал втука з лопатями обертається, у воді, то на кожній лопаті, одна сторона якої опукла, а інша плоска виникає розрідження і тиск, результуюча яких спрямована перпендикулярно до пластин (малюнок справа).
Лопасть гвинта являє собою пластину, одна сторона якої опукла, а інша плоска. На опуклій поверхні виникає розрідження, а на плоскій - підвищений тиск.
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, витрачається на подолання опору води, обертанню лопаті. Сила Т - корисна, а Q - даремна.
Роботу гребного гвинта можна уявити собі і в такий спосіб. Розрідження на опуклій поверхні лопаті змушує воду рухатися до гвинта, а тиск на плоскій поверхні відкидає воду за корму. Реакція відкидаємого струменя передається через лопаті маточині, гребного валу, упорному підшипнику і корпусу судна. Рух частинок води в відкидаємому струмені гвинтоподібний і, відповідно, складається з поступального і окружного руху.
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, подібну до тієї, яка зображена на малюнку.
Якби лопасть (або весь гребний гвинт) оберталася у відповідній жорсткої гайці, то за один свій оборот вона просунулася б прямолінійно на шлях, що дорівнює геометричному кроці. Але, вгвинчуючись в тайку, гвинт повинен спиратися на гвинтоподібну поверхню гайки, а так як вода дуже податлива середа і відступає при найменшому тиску на неї, то фактично за один свій оборот гребний гвинт, працюючи на судні, проходить відстань по відношенню до потоку менше, ніж геометричний крок. Ця відстань називається поступу гвинта.
Позначимо через H геометричний крок, а через h хода гвинта, тоді величина [math]S=\frac{nh-\upsilon}{nh}*100%[/math]
буде називатися відносним ковзанням. 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).
Наближений приклад розрахунку
1. За діаграмою визначаємо чотири величини:
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]
2. 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, визначити найбільший діаметр гребного гвинта в метрах.
3. Потiм, знаючи величину диаметру [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 менше 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.
Випрямлення площа всіх лопатей, інакше, площа розігнуті 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 допустиме 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 |
Діаграма на малюнку відноситься до трилопатевих гвинтів, у яких площа розгорнутої поверхні лопаті має обрис еліпса,
причому довжина лопаті [math]L^_0 = 0,445[/math]; найбільша ширина лопасті
[math]B^_0 = 0,985^{\frac{A^_a}{D}}[/math]
