Гребний гвинт регульованого кроку

Гребний гвинт регульованого кроку (ГРК) - гребний гвинт, який за рахунок зміни кута атаки лопатей дозволяє без змінювати швидкість руху судна від максимальній при даній кількості оберті до нерухомого стану. Також використання такого гвинта довзоляє спростити конструкцію двигуна за рахунок відмови від реверсивної передачі.

Зовнішній вигляд

Гвинт регульованого кроку як судновий рушій є розвитком звичайного гребного гвинта, тому основні положення гідродинаміки, геометрії і, частково, конструкції звичайних гребних гвинтів відносяться і до ГРК. У зв'язку з цим у статті розглядаються тільки специфічні питання, характерні саме для ГРК. До числа таких питань відносяться: особливості геометрії гвинта і гідродинаміки, пов'язані з поворотом лопатей; розгляд зовнішніх навантажень, що діють на лопаті, а також все, що пов'язано з конструкцією ГРК, які є досить розвиненим механізмом.

Історія

Історія суднобудування найтіснішим чином пов'язана з історією розвитку рушіїв, що перетворюють енергію головного двигуна в силу, рухаючу судно. На зорі розвитку мореплавання в якості рушія використовувалися весла, пізніше з'явився парус. У 1752г. член Петербурзької Академії Наук Д.Бернуллі вперше теоретично довів перевагу гребного гвинта перед іншими типами рушіїв. Ним же був розроблений проект гвинта, що має; вид двозахідного черв'яка, встановленого за кормою корабля перед кермом. У 1764 р. академік Л.Ейлер, розглядаючи питання про заміну вітрил іншими рушіями, запропонував використовувати гребні колеса, водомети і гребні гвинти. Одними, з перших гребних гвинтів були гвинти, створені в 1776 р. американцем Бюшнелом для підводного човна «Черепаха». Ці гвинти приводилися в дію вручну і служили тільки для пересування судна вгору і вниз (підйому і занурення).

Перший російський корабель з гвинтовим рушієм («Відважний»), був побудований в 1843 р. в Петербурзі корабельним інженером А.Амосовим. У 1848 р. ним же був побудований корабель «Архімед» з паровою машиною в 300 л.c., що мав дволопатевий гвинт діаметром 1,5 м. «Архімед» розвивав швидкість ходу близько 10 вузлів. Створення металевих гребних гвинтів простої і надійної конструкції призвело до досить швидкого витіснення ними (на морських суднах) громіздких і незручних гребних коліс і всіх інших видів рушіїв.

Гребні гвинти з регульованим кроком стали розвитком простих гвинтів і також стали досить популярні за рахунок середньо-складної конструкції, високої надійності та ряду інших переваг.

Класифікація механізмів регулювання кроку

- Тягове ругулювання. Крок регулюється завдяки зміщенню тяги, до якої лопаті прикріплені через кулачковий механізм або кривошипний палець.

- Гідравлічне регулювання. Конструкція повторює тягову, але різниця в тому, що вона не потребує тяги як такою. Зміна кроку відбувається за рахунок руху гідравлічної рідини.

- Редукторне регулювання або конструкція Вудкрофта. Регулювання відбувається завдяки повороту валу із зубчатим колесом на кінці, який пропущений через основний приводний вал.

- Маневровий гвинт. Регулювання відбувається тягою безпосередньо через карданну передачу.

- Флюгерна конструкція із підпружиненими лопатями. Регулювання як такого не відбувається. Зміна кроку гвинта відбувається лише при зміні швидкості і відповідно навантаження на гвинт. Це не є повноцінним ГРК, оскільки така конструкція була передбачена лише для забезпечення надійності.

Конструкція

Схема ГРК судна "Акула"

Загалом конструкція повторює стандартні гвинти з фіксованими лопатями. Але якраз можливість зміни куту атаки лопатей і забезпечує всі переваги такого гвинта. За рахунок такої можливості досягається можливість судна працювати у різних режимах. А саме завдяки ній двигун судна може працювати на постійних оптимальних обертах, а швидкість та режим роботи, від тягового ходу до крейсерського, змінюється лише за рахунок зміни кроку. Конструкція сучасних гребних гвинтів передбачає здатність зміни нахилу лопатей без зупинки агрегату.

Конструкцій такого гвинта є безліч, але всі вони базуються на одній схемі. Основа гвинта кріпиться на пустотілий приводний вал, в середині якого проведена тяга, що безпосередньо і відповідає за зміну конфігурації гвинта. Конструкції різняться лише методом керування і передачі обертового моменту тяги на лопаті. Продемонструємо приклад конструкції на основі схеми гребного гвинта регульованого кроку, що використовувався на судні "Акула".

На рисунку справа показано: Механізм повороту лопатей розташований у ступиці 4 гребного гвинта. Повзун 3 з'єднаний зі штангою 6, розташований в середині пустотілого гребного валу 5. При поступальному переміщені повзуна лопаті 1 за допомогою кривошипного пальця 2 отримують поворотний рух. Штанга 6 може переміщуватись вздовж осі валу за допомогою муфти 7, з якою вона з'єднана штирем, який входить у проріз валу.

Поняття кроку гвинта

Крок гвинта - відстань, пройдена поступально гвинтом, що загвинчується у твердий матеріал, за один повний оберт (360°). Знаходиться в тангенціальній залежності від кута нахилу лопатей щодо площини, перпендикулярної осі гвинта. Вимірюється в одиницях відстані за один оборот. Чим більше крок гвинта, тим більший обсяг газу або рідини, який захоплюють лопаті, однак, внаслідок збільшення протидії збільшується навантаження на двигун і зменшується швидкість обертання гвинта(обороти).

Коефіцієнт корисної дії ГРК

Таке не складне поняття як ККД пристрою тут є більш специфічним та неоднозначним. Для гвинтів із фіксованими лопатями все однозначно, оскільки максимальний показник ефективності розраховується для одного кроку. У ГРК крок регулюється і через це проектують такі гвинти таким чином, щоб у найбільш часто використовуваних режимах роботи ККД був на прийнятному рівні. А ось у проміжних та крайніх положеннях лопатей відбувається падіння ефективності через неоптимальну форму гвинта для такого кроку. У крайніх положеннях може відбуватись навіть руйнування гвинта при певних обертах, які є робочими у ходових режимах.

Переваги

1. Невеликі габарити; 2. Можливість поглинати великі потужності; 3. Можливість працювати у широкому діапазоні обертів; 4. Змінна конфігурація гвинта.

Недоліки

1. Низький ККД в проміжних режимах; 2. Ускладнена конструкція; 3. Можливе руйнування гвинта при неправильно виставленому кроці.

Розрахунок ГРК

Криві дії ГРК

Для розрахунку гідродинамічних характеристик ГРК зазвичай використовують так звані криві дії, котрі являють собою графіки залежності коефіцієнту упору [math]K_1[/math] і коефіцієнту моменту [math]K_2[/math] від відносного поступу гвинта [math]\lambda\[/math](рисунок справа).

Значення величини [math]K_1[/math], [math]K_2[/math], [math]\lambda\[/math] і [math]\eta\[/math] визначаються наступними співвідношеннями:

[math]K_1 = \frac{P}{\rho\/n^2D^4}[/math];

[math]K_2 = \frac{M_kp}{\rho\/n^2D^5}[/math];

[math]\lambda\ = \frac{V_p}{nD}[/math];

[math]\eta\ = \frac{\lambda\ K_1}{2\pi\ K_2}[/math]

, де P - упор грибного гвинта, кг;

[math]M_kp[/math] - крутний момент на гребному гвинту валу, кгм;

D - діаметр гребного гвинта, м;

n - число обертів гребного гвинта, об/сек;

[math]V_p[/math] - швидкість води в диску гвинта, м/сек;

[math]\pi\[/math] - 3,14.

Із вище наведених співвідношень і графіку видно, що при відомих діаметрів, швидості, і числу обертів гребний гвинт створює однозначно обраховуване значення упору і використовує визначену потужність.

Використання

Використовуються ГРК повсюдно і зараз їх частка збільшується. Популярність вони заслуговують не складною конструкцію, яка в сучасних умовах доволі надійна. У фіксованому режимі роботи взагалі можуть повторювати характеристики звичайних гвинтів. Але завдяки можливості зміни кроку ГРК дають додаткову і зовсім не зайву гнучкість керування судном. Так на великих суднах двигун може постійно працювати у крейсерському режимі, оптимально використовуючи палива, а завдяки зміні куту атаки лопатей є можливість зміни швидкості пересування і навіть екстренного реверсу. Раніше ж реверс на повному ходу було неможливо увімкнути, оскільки це досягалось лише повною зупинкою двигуна і пуску його в іншу сторону.

Незначного поширення ГРК набули лише на особливо малих суднах, де розміри не дозволяють добитись необхідної жорсткості конструкції.

Література

Ю.В. Бакшт, Е.Г. Лофенфельд, А.А. Русецький - Гребные винты регулируемого шага 1951