Вождение

Зарубежные судовые движители и их характеристики. Движители, методы их расчета

§ 13. Движители морского судна

Движителями называются специальные устройства, преобразующие механическую работу судовой силовой установки в упорное давление, преодолевающее сопротивления и создающее поступательное движение судна.
На судах в качестве движителей применяются: гребные винты, крыльчатые движители и водометные движители. Находят применение также паруса, гребные колеса и другие движители.
По принципу действия движители разделяют на активные, к которым относят паруса, непосредственно преобразующие энергию ветра в поступательное движение судна, и реактивные – все остальные, так как создаваемое ими упорное давление получается в результате реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению судна.
Наиболее распространенными благодаря простоте устройства и работы, компактности, надежности в эксплуатации и наибольшему коэффициенту полезного действия являются гребные винты. В зависимости от конструкции их подразделяют на два типа: цельные винты (ступица с лопастями изготовляется совместно) и винты со съемными лопастями, применяемые на судах, плавающих во льдах. Такие винты называются винтами фиксированного шага, а винты, имеющие механизмы, поворачивающие лопасти в ступице и изменяющие шаг винта, называются винтами регулируемого шага.
Шагом винта называется путь в направлении оси, который проходит любая точка поверхности винта за один его оборот.
Гребные винты фиксированного шага – ВФШ (рис. 27) изготовляют цельными (одной деталью), литыми, сварными или штампованными, и они состоят из следующих основных элементов: ступицы, представляющей собой втулку, наеаживаемую на конус шейки гребного вала, и лопастей (от 3 до 6), радиально расположенных на ступице. Нижняя часть лопасти, соединяющая ее со ступицей, называется корнем лопасти; верхняя часть – вершиной или концом; поверхность лопасти, обращенная в сторону корпуса судна, носит название засасывающей поверхности, обратная поверхность – нагнетающей, которая в большинстве случаев представляет собой правильную винтовую поверхность. Пересечение этих двух поверхностей образует кромки лопастей.

Рис. 27. Гребной винт фиксированного шага (ВФШ) и схема создания упорного давления элементарной площадкой лопасти винта.

Диаметром гребного винта D называется диаметр окружности, описанной вершиной лопасти. Диаметр винта крупных судов доходит до 6,0 м и более.

Применяют гребные винты правого и левого вращения, их различают по общим правилам: если винт завинчивается вращением по часовой стрелке, то он называется винтом правого вращения, а если против часовой стрелки – винтом левого вращения.

При вращении винта его лопасти отбрасывают массы воды в одну из сторон. Реакция этой воды воспринимается нагнетающей поверхностью лопасти, создающей упор винта, который через ступицу и гребной вал передается на упорный подшипник, преобразуясь в силу, движущую судно.

Чтобы понять, как возникает упорное движение при вращении винта (рис. 27), рассмотрим те силы, которые действуют при этом на элементарной площадке его лопасти, двигающейся по окружности со скоростью v 0 И одновременно перемещающейся вместе с судном со скоростью v 1 . Угол а, образовавшийся между результирующей этих сил v и хордой рассматриваемой элементарной площади лопасти, будет углом атаки, создающим на ней подъемную силу R. Если разложить эту силу на составляющие, то одна составляющая – сила Р, действующая по направлению движения судна, и будет силой-упора, а вторая-сила T, действующая по окружности в сторону, обратную вращению винта, создает момент относительно его оси, который преодолевается судовым двигателем.

Рис. 28. Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) с поворотношатунным механизмом изменения шага. 1 – лопасти винта; 2- ступица; 3- гребной вал; 4 – ползун со штангой; 5 – палец шатуна; 6 -подшипник лопастной заделки; 7 – обтекатель винта.

Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) имеет конструкцию, обеспечивающую поворот лопастей в ступице во время работы винта на ходу судна из поста управления, расположенного в рубке. При повороте лопастей, осуществляемом механизмом по многообразным кинематическим схемам (одна из которых-поворотно-шатунная-приведена на рис. 28), изменяется шаг винта, отчего изменяется и величина создаваемого им упора, увеличивающего или уменьшающего скорость хода, и направление движения судна, при этом число оборотов, мощность главной машины и направление ее вращения остаются неизменными.

Использование винтов регулируемого шага допускает применение на судах нереверсивных главных машин с упрощенной системой обслуживания, что сокращает износ их цилиндров примерно на 30-40% (возникающий у реверсивных машин от частого изменения режима работы и направления вращения), позволяет полнее использовать мощность машин и поддерживать высокое значение к. п. д. винта.

Рис. 29. Крыльчатый движитель: а – конструктивная схема; б – размещение движителя на судне. 1 – несущий диск; 2 – поворотные лопасти; 3 – ведомая шестерня, приводящая во вращение диск; 4 – гидравлическое устройство управления маятниковым рычагом; 5 – маятниковый рычаг, изменяющий положение лопастей вокруг своей оси; 6 – гребной вал с ведущей конической шестерней.

Суда с ВРШ обладают гораздо более высокими маневренными качествами, чем суда с ВФШ.

Крыльчатый движитель (рис. 29) представляет собою конструктивное устройство, состоящее из горизонтально вращающегося цилиндра с вертикально расположенными на нем 6-8 лопастями мечевидной, обтекаемой формы, поворачивающимися вокруг своих осей маятниковым рычагом, управляемым из рулевой рубки.

При вращении диска на лопастях, как на крыле, возникает подъемная сила, составляющая которой создает упорное давление. При повороте лопастей изменяется величина упора и его направление, что дает возможность варьировать направление движения судна без помощи руля (на судне с этим движителем руль не устанавливается), а также величину упора движителя от «Полного вперед» до «Полного назад» или останавливать судно, не изменяя скорости и направления вращения (без реверса) главной силовой установки.

К. п. д. крыльчатого движителя почти равен к. п. д. гребного винта, но крыльчатый движитель значительно сложнее по конструкции. Выступающие лопасти часто ломаются. Однако в последнее время этот движитель находит все более широкое применение, обеспечивая судам хорошую маневренность, позволяющую им свободно работать в узкостях.

Водометный движитель относится к серии водопроточных движителей. Современные водометные движители делают трех типов: с выбросом водяной струи в воду, в атмосферу и с полуподводным выбросом.

Гребной винт работает как насос, засасывающий воду в канал через трубу, проходящую в днище корпуса впереди винта. Для защиты от попадания на винт посторонних предметов в начале канала укрепляется защитная решетка.

Для уменьшения потерь от закручивания гребным винтом водного потока и повышения к. п. д. движителя за винтом устанавливается контрпропеллер. Направление хода судна изменяется перекладкой реверс-руля.

Коэффициент полезного действия такого движителя составляет только 35-45%, а отсутствие всяких выступающих частей в подводной части судна обеспечивает ему большую проходимость на мелководье, в узкостях и на засоренных фарватерах. Для судна с таким движителем не являются препятствием даже плавающие предметы, через которые оно свободно переходит.

Перечисленные преимущества водометного движителя сделали его применение особенно удобным на речных судах, в первую очередь на лесосплаве.

В последние годы водометные движители стали применяться и на быстроходных судах, таких, как суда на подводных крыльях, развивающие скорость хода до 95 км/час.

Использование современных паровых и газовых турбин позволяет успешно применить водометные движители на крупных морских судах, где по расчетам пропульсивный к. п. д. может достичь около 83%, что на 11% выше пропульсивного коэффициента гребного винта, запроектированного для того же судна.

К недостаткам судов с этим движителем следует отнести потери судном грузоподъемности на величину веса прокачиваемой воды и потери объема внутренних помещений, занимаемого каналом.

Чтобы судно могло двигаться с постоянной скоростью, к нему нужно приложить движущую силу, равную силе сопротивления при этой скорости и противоположно направленную. В отдельных случаях эта сила создается буксированием, но чаще всего - специальными устройствами, которые называются судовыми движителями .
В соответствии со сложившимися традициями термин «судовые движители», как и ряд других подобных, означает как указанные устройства, так и науку (раздел теории корабля), их изучающую.
Судоходство на Земле существует уже несколько тысячелетий, но во времена парусных (и весельных) судов науки о ходкости судов не было. Скорость парусных судов зависела от скорости ветра, для гребных судов также не требовались какие-либо расчеты. Настоятельная необходимость выполнения расчетов ходкости возникла лишь тогда, когда на судах стали применяться механические двигатели (паровые машины).
Видимо, первыми движителями, которые использовались на плотах и подобных им простейших плавсредствах, были шест и весло. Суда древности были преимущественно весельными, причем у крупнейших из них весла располагались в три ряда, их общее число достигало 300, длина - 15 м, на одном весле работало до 7 чел. Скорость таких судов была около 5 уз. Пика своего расцвета весельные суда достигли много веков назад. В настоящее время весла используются в качестве основного движителя лишь на спортивных судах, рабочих и спасательных шлюпках и других мелких судах.
Другим древним движителем был парус, иногда в комбинации с веслами. Парусные суда оказались более совершенными, они использовали энергию внешней среды - воздуха, не требуя размещения большого числа гребцов. Первые парусники могли двигаться по ветру, но по мере совершенствования парусного вооружения люди научились, двигаясь галсами, перемещаться в требуемом направлении, независимо от направления ветра. Наивысшего расцвета парусные суда достигли примерно в конце 19 в., их скорость при благоприятном ветре достигала 20 уз. Но появление и развитие механических установок на судах привело к постепенному переходу от парусных судов к пароходам. Парус сохранился на спортивных, учебных судах в качестве основного, на промысловых, некоторых исследовательских и т. п. судах - в качестве вспомогательного движителя.
В последние десятилетия в мировом судостроении наблюдается рост интереса к парусам как основному или, чаще, дополнительному типу движителей. Этот интерес обусловлен двумя главными причинами: возможностью экономии топлива при высоких ценах на него и экологической чистотой. Применение парусного вооружения позволяет значительно уменьшить мощность главного двигателя (дизеля) без существенной потери скорости. Достижения современной науки позволяют механизировать установку и уборку парусов, управление ими с целью получения наивысшей скорости хода в требуемом направлении, снизить массу при достаточной прочности и долговечности. В различных судостроительных странах, а также в России и Украине, выполнены разработки парусного вооружения судов, в том числе большого водоизмещения, однако о широком использовании парусов на транспортном флоте говорить преждевременно.
В глубокой древности, еще до нашей эры, было изобретено гребное колесо, которое приводилось во вращение животными (быками). Но колесные суда были вытеснены парусными. На новом уровне гребные колеса возродились в самом начале 19 в. (на судне «Клермонт» в 1802 г.; в России первым парусным судном считается построенная в 1815 г. «Елизавета»). Первые гребные колеса имели обод и неподвижные лопасти - плицы; КПД колес был сравнительно мал, глубина погружения -в несколько раз меньше диаметра. В 1829 г. было предложено колесо с поворотными плицами, что позволило повысить КПД и уменьшить диаметр колес; повышение оборотов двигателей (паровых машин) ведет к уменьшению их размеров.
Наиболее распространенный, эффективный и сравнительно простой движитель - гребной винт . Идея судового гребного винта в виде шнека, подобно применявшемуся в древности винту Архимеда (для перекачки жидкостей), впервые возникла у Леонардо да Винчи в 15 в., но в ту пору она не нашла применения. В 1752 г. винт в виде двухзаходного червяка предложил Д. Бернулли, но КПД такого движителя оказался невелик. Как указывают в литературе, случай помог усовершенствовать конструкцию винта: одно судно, оборудованное деревянным винтом, коснулось им грунта, значительная часть винта отломилась и всплыла, но, к удивлению экипажа судна, оно увеличило ход. С тех пор было предложено множество усовершенствований винтов. Менялись их размеры, формы контура и сечений лопастей и другие характеристики. Некоторые усовершенствования продолжают появляться до сих пор.
В середине 17 в. появились первые водометные движители. Водометный движитель представляет собой систему водопроточных каналов (в частном случае - один канал), расположенных внутри корпуса судна, по которым перемещается забортная вода с помощью специального насоса, чаще всего осевого (винт в трубе). С помощью заслонок поток воды направляется в те или иные каналы (в случае одного канала изменяется направление движения струи, выходящей из канала в корме), что позволяет изменять направление движения судна.
К характерным особенностям водометных движителей можно отнести хорошую защищенность рабочего органа (расположенного в канале внутри корпуса; входное отверстие канала снабжено решеткой, которая препятствует попаданию крупных предметов в канал) и прекрасные маневренные качества (возможность двигаться передним и задним ходом, разворачиваться почти на месте благодаря соответствующей установке заслонок). Но эти движители отличаются большой массой (в которую входит система водопроточных каналов с водой внутри корпуса), занимают большой объем, затрудняя размещение полезного груза, обладают сравнительно невысоким КПД. Строго говоря, КПД водометного движителя - понятие достаточно условное, поскольку упор такого движителя создается на корпусе и не всегда удается точно разделить силы сопротивления и упора. Грубо ориентировочно, КПД обычного водометного движителя может составлять примерно 30 %.
Долгое время водометные движители мало применялись на судах. Считалось, что область их применения ограничивается сравнительно тихоходными судами, плавающими на мелководном или засоренном фарватере (например, такие суда использовались на лесосплаве). Но примерно с середины XX в. их популярность стала возрастать. Этому способствовали два обстоятельства. Во-первых, вместо развитой системы водопроточных каналов было предложено устраивать один короткий канал в кормовой оконечности судна, обеспечивая управление судном с помощью заслонок, отклоняющих струю движителя в нужную сторону. Во-вторых, было показано, что КПД водометного движителя на быстроходных судах может достигать 60 % и более, тогда как у обычных гребных винтов в этих условиях он может снижаться из-за кавитации.
Сравнительно недавно был предложен своеобразный водометный движитель для подводных лодок, торпед и других плавучих объектов, имеющих кормовую оконечность в форме тела вращения. Этот движитель представляет собой ряд лопастей, вращающихся вместе с кольцом, установленным заподлицо с наружной обшивкой. Снаружи установлено кольцо типа направляющей насадки; от гребного винта в насадке эта конструкция отличается тем, что винт в насадке располагается за пределами корпуса.
Около 1930 г. были предложены крыльчатые движители. Эти движители состоят из барабана, установленного внутри корпуса заподлицо с днищем и имеющего вертикальную или почти вертикальную ось вращения, и нескольких лопастей, расположенных по окружности барабана. При вращении барабана лопасти совершают колебательные движения, в результате чего создается упор, направление которого может быть произвольным, а величина - изменяться от нуля до максимального значения.
Крыльчатый движитель одновременно является прекрасным средством управления. Судно, оборудованное двумя крыльчатыми движителями, расположенными в оконечностях, может двигаться передним или задним ходом, лагом, разворачиваться на месте. Но такой движитель сравнительно сложный и громоздкий, требует наличия протяженного участка плоского днища в районе установки, неудобен подвод мощности к нему, при скоростях свыше 20 уз возникает кавитация. КПД крыльчатого движителя меньше, чем гребного винта.
Новые, иногда довольно экзотические конструкции судовых движителей продолжают появляться до сих пор. Среди наиболее известных можно назвать магнитогидродинамический (МГД) движитель, имеющий канал, окруженный магнитной обмоткой, по которой течет постоянный ток. Как известно из физики, катушка с током выталкивает расположенный внутри нее проводник, каким является морская вода. Реакция отбрасываемой струи движет судно вперед.
Разработкой МГД-движителей занимаются в ряде стран, например в Японии. Наиболее серьезные проблемы связаны со слабой проводимостью морской воды, что требует использования сверхпроводящих обмоток. КПД испытанных моделей МГД-движителей крайне мал, он не достигает 10 %. К преимуществам таких движителей можно отнести прямое преобразование электроэнергии в движение (не требуется двигатель), отсутствие движущихся частей, малую шумность.
Прямое преобразование электроэнергии в движение потока воды осуществляется также в электрогидравлическом движителе. Внутри расширяющейся к корме трубы имеется своеобразный отражатель с отверстиями для прохода воды и определенным образом расположенными электродами, между которыми возникают электрические разряды. Вода выталкивается из преобразователя в корму, через отверстия поступает новая, и процесс повторяется, причем движение получается почти непрерывным.
Для подводных лодок был предложен роторный движитель, состоящий из обода, расположенного в плоскости шпангоута в средней части корпуса и имеющего большое количество лопастей. Заметим, что подобный движитель с насадкой выше назван как разновидность водометного движителя. Лопасти имеют возможность поворачиваться (наподобие винта регулируемого шага, но за время одного оборота ротора углы их установки могут изменяться). Такие движители называют движителями с циклической перекладкой лопастей. Роторов на судне должно быть не меньше двух, вращающихся в разные стороны, иначе появляется большой крутящий момент, передаваемый на корпус в виде кренящего. При этом лодка может двигаться с различными скоростями, маневрировать в горизонтальной и вертикальной плоскостях без установки вертикальных и горизонтальных рулей, что уменьшает сопротивление выступающих частей.
Известен также своеобразный способ движения по воде - с помощью одного или нескольких колес, катящихся по воде («суда на колесах»). Колеса делаются гладкими и лишь незначительно погружаются в воду. Такой способ движения в какой-то мере подобен глиссированию, причем, как считают специалисты, он может быть достаточно эффективным с гидродинамической точки зрения.
В начале 20 в. появились башенные движители («роторы Флеттнера ») в виде цилиндрических башен с вертикальной осью вращения, которые приводились во вращение маломощными двигателями, установленными под верхней палубой. Принцип работы ротора Флеттнера основан на эффекте Магнуса, который заключается в появлении подъемной силы на цилиндре, вращающемся в потоке жидкости или газа. Величину этой силы можно рассчитать по формуле Жуковского:

где р - плотность среды (воздуха); v - скорость набегающего потока (ветра); Г - циркуляция скорости на контуре профиля (цилиндра), в данном случае равная произведению длины окружности ротора на линейную скорость его поверхности; l - длина (высота ротора).

Упор ротора направлен перпендикулярно скорости ветра. Эти движители эффективнее парусов (мощность двигателя в десятки раз меньше мощности, «извлекаемой из воздуха»), но не могут убираться, чем представляют опасность при сильном ветре.

Известный советский кораблестроитель профессор В. Г. Павленко предложил устанавливать по бортам судна специальные плавники, получившие название «плавники Павленко», которые являются вспомогательным средством движения. При плавании на волнении, когда скорость судна снижается из-за увеличения сопротивления и других причин, плавники, изгибаясь от давления воды, обусловленного бортовой качкой, создают дополнительный упор, увеличивая скорость судна. Такие плавники, насколько нам известно, не получили распространения на флоте, но управляемые крылья, устанавливаемые в районе скул в средней части многих судов с целью уменьшения бортовой качки, способствуют и некоторому увеличению скорости хода на волнении.

Этот обзор не претендует на полноту, но позволяет судить о том, насколько разнообразны могут быть судовые движители. Предлагалось множество других конструкций, некоторые из них были осуществлены практически, преимущественно на небольших судах или плавучих средствах и в единичных экземплярах, другие же существовали только на бумаге.

Долгое время характеристики судовых движителей не рассчитывались, а выбирались по опыту, на глазок. Для парусных судов проблемы расчета парусов вообще не существовало: скорость судна зависела от скорости и направления ветра. Но с появлением паровых машин возникла необходимость в выполнении расчетов ходкости с определением и сопротивления движению, и характеристик движителей, которые должны были соответствовать установленным двигателям. Первая теоретическая работа, посвященная расчету гребного весла, была опубликована Л. Эйлером в его книге «Полное умозрение строения и вождения кораблей» в 1778 г. Весла, рассмотренные Л. Эйлером, отличались своеобразием конструкции и принципа действия. Около 1865 г. англичане Ранкин и Фруд создали теорию идеального движителя, с основными положениями которой мы скоро познакомимся. В начале 20 в. (примерно в период 1910-1920 гг.) появилось несколько теорий, относящихся к гребным винтам. Среди них можно назвать паральную теорию (российский профессор Брикс, 1914-1922 гг.), струйную теорию, в создание которой внесли вклад также отечественные ученые Джевецкий, Рузский, Сабинин, Юрьев. Наиболее известной и совершенной явилась вихревая теория гребного винта, созданная «дедушкой русской авиации» Н.Е. Жуковским в 1912-1918 гг. В последующие годы теория судовых движителей развивалась по многим направлениям, которые мы не рассматриваем. Назовем лишь вопросы взаимодействия винта и корпуса, проблемы кавитации гребных винтов, работу винтов в неравномерном потоке, винты регулируемого шага и в насадках.

§ 13. Судовые движители

На судах в качестве движителей применяются: гребные винты, крыльчатые движители и водометные движители. Находят применение также паруса, гребные колеса и другие движители.

По принципу действия движители разделяют на активные, к которым относят паруса, непосредственно преобразующие энергию ветра в поступательное движение судна, и реактивные - все остальные, так как создаваемое ими упорное давление получается в результате реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению судна.

Наиболее распространенными благодаря простоте устройства и работы, компактности, надежности в эксплуатации и наибольшему коэффициенту полезного действия являются гребные винты. В зависимости от конструкции их подразделяют на два типа: цельные винты (ступица с лопастями изготовляется совместно) и винты со съемными лопастями , применяемые на судах, плавающих во льдах. Такие винты называются винтами фиксированного шага, а винты, имеющие механизмы, поворачивающие лопасти в ступице и изменяющие шаг винта, называются винтами регулируемого шага.

Шагом винта называется путь в направлении оси, который проходит любая точка поверхности винта за один его оборот.

Гребные винты фиксированного шага - ВФШ (рис. 27) изготовляют цельными (одной деталью), литыми, сварными или штампованными, и они состоят из следующих основных элементов: ступицы , представляющей собой втулку, наеаживаемую на конус шейки гребного вала, и лопастей (от 3 до 6), радиально расположенных на ступице. Нижняя часть лопасти, соединяющая ее со ступицей, называется корнем лопасти; верхняя часть - вершиной или концом; поверхность лопасти, обращенная в сторону корпуса судна, носит название засасывающей поверхности, обратная поверхность - нагнетающей, которая в большинстве случаев представляет собой правильную винтовую поверхность. Пересечение этих двух поверхностей образует кромки лопастей.

Чтобы понять, как возникает упорное движение при вращении винта (рис. 27), рассмотрим те силы, которые действуют при этом на элементарной площадке его лопасти, двигающейся по окружности со скоростью v 0 И одновременно перемещающейся вместе с судном со скоростью v 1 . Угол а, образовавшийся между результирующей этих сил v и хордой рассматриваемой элементарной площади лопасти, будет углом атаки, создающим на ней подъемную силу R. Если разложить эту силу на составляющие, то одна составляющая -сила Р, действующая по направлению движения судна, и будет силой-упора, а вторая-сила T, действующая по окружности в сторону, обратную вращению винта, создает момент относительно его оси, который преодолевается судовым двигателем.

Рис. 28. Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) с поворотношатунным механизмом изменения шага. 1 - лопасти винта; 2- ступица; 3- гребной вал; 4 - ползун со штангой; 5 - палец шатуна; 6 -подшипник лопастной заделки; 7 - обтекатель винта.

Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) имеет конструкцию, обеспечивающую поворот лопастей в ступице во время работы винта на ходу судна из поста управления, расположенного в рубке. При повороте лопастей, осуществляемом механизмом по многообразным кинематическим схемам (одна из которых-поворотно-шатунная-приведена на рис. 28), изменяется шаг винта, отчего изменяется и величина создаваемого им упора, увеличивающего или уменьшающего скорость хода, и направление движения судна, при этом число оборотов, мощность главной машины и направление ее вращения остаются неизменными.

Рис. 29. Крыльчатый движитель: а - конструктивная схема; б - размещение движителя на судне. 1 - несущий диск; 2 - поворотные лопасти; 3 - ведомая шестерня, приводящая во вращение диск; 4 - гидравлическое устройство управления маятниковым рычагом; 5 - маятниковый рычаг, изменяющий положение лопастей вокруг своей оси; 6 - гребной вал с ведущей конической шестерней.

Суда с ВРШ обладают гораздо более высокими маневренными качествами, чем суда с ВФШ.

Крыльчатый движитель (рис. 29) представляет собою конструктивное устройство, состоящее из горизонтально вращающегося цилиндра с вертикально расположенными на нем 6-8 лопастями мечевидной, обтекаемой формы, поворачивающимися вокруг своих осей маятниковым рычагом, управляемым из рулевой рубки.

Водометный движитель относится к серии водопроточных движителей. Современные водометные движители делают трех типов: с выбросом водяной струи в воду, в атмосферу и с полуподводным выбросом .

Судовой движитель– устройство для преобразования механической энергии двигателя или другого источника энергии в работу по перемещению транспортной машины (в данном случае – судна).

На судах используют следующие типы судовых движителей:

1. гребной винт, выполненный по поверхности винта Архимеда (он может иметь 2÷9 лопастей от широкой до узкой формы, симметричные в виде лепестка и изогнутые в виде сабли); гребные винты выполняются фиксированного и регулируемого шага, а их количество может быть от одного до трёх (см. рис. 7.1,а ,б );

2. Гребной винт в насадке (рис. 7.1,в ) – позволяет повысить пропульсивный КПД винта, при этом насадка заменяет руль;

3. соосные противоположно вращающиеся гребные винты (рис. 7.1, г ), позволяющие увеличить эффективность судового движителя (имеют сравнительно сложную конструкцию валопровода и главной передачи);

Рис. 7.1. Судовой движитель: а – гребной винт с неподвижными лопастями (винт фиксированного шага); b – винт регулируемого шага; с – гребной винт в насадке; d – соосные гребные винты

4. винторулевая колонка (см. рис. 7.2), позволяющая исключить руль (она может подниматься для уменьшения осадки судна и опускаться, уменьшая возможность кавитации гребного винта);

Рис. 7.2. Угловая поворотная откидная винторулевая колонка (крыло может быть необязательным)

5. крыльчатый движитель (насадка с поворотными лопастями – для изменения скорости и для реверса) – обычно на речных судах и судах типа река–море (см. рис. 7.3);

Рис. 7.3. Крыльчатый движитель: а – принцип действия; b – движитель Фойта–Шнейдера (вид сбоку); с – движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d – буксир с движителем Фойта–Шнейдера в носовой части судна; е – буксир с движителем Фойта–Шнейдера в кормовой части судна:

1 – Стоп; 2 – Передний ход; 3 – Задний ход; 4 – Поворот на левый борт; 5 – Поворот на левый борт (на заднем ходу); 6 – Поворот на правый борт; 7 – управляющий механизм; 8 – привод; 9 – лопасти; 10 – распределительные рычаги и тяги

6. водомётный движитель (см. рис. 7.4)– для небольших пассажирских и специальных судов (его основное преимущество заключается в закрытости рабочего колеса водомёта от различного рода повреждений);

Рис. 7.4. Водомётный движитель:

1 – движение вперёд (струя воды отбрасывается назад); 2 – движение назад (струя воды отбрасывается вперёд с помощью заслонки)

7. воздушные винты фиксированного и изменяемого шага (см. рис. 7.5) – для СПК, СВП и экранопланов;

Рис. 7.5. Воздушный винт изменяемого шага

активные рули (АР) имеют установленные на них вспомогательные винты, расположенные обычно на задней кромке пера руля (см. рис. 7.6); АР перекладывается с борта на борт на углы до 70÷90° и используется на малых скоростях до 5 уз (при больших скоростях винт АР отключается, и перекладка руля осуществляется в обычных пределах – до 35° на каждый борт).

Рис. 7.6. Активный руль

8. Электродвижущаяся система Azipod (Azimuth Pod – азимутальная гондола), которая включает в себя дизель–гене-ратор, электромотор и винт (рис. 7.7), уменьшая количество механических передач и достигая максимального пропульсивного коэффициента; имеет угол разворота до 360°, что повышает управляемость судна (при этом уменьшается расход топлива на 10÷20 % и вибрация корпуса судна);

9. CRP (contra–rotating propeller) технология – винты располагаются друг против друга и имеют противоположное направление вращения, чем достигается наибольший двигательный эффект (см. рис. 7.8), и которая используется для обеспечения большой скорости доставки груза или пассажиров.

Рис. 7.7. Система Azipod

Рис. 7.8. Contra–rotating propeller (CRP)

10. Раздельные поворотные насадки (РПН) – это стальные кольца, профиль которых представляет элемент крыла (площадь входного отверстия насадки больше площади выходного), агребной винт располагается в наиболее узком её сечении, что повышает его КПД (см. рис. 7.9);РПН поворачивается до 40° на каждый борт, что имеет большую эффективность, чем обычный руль (РПН устанавливаются на двухвинтовых судах и имеют конструкцию привода, позволяющую выполнять раздельную их перекладку, обеспечивая высокие манёвренные характеристики);

Рис. 7.9. Раздельные поворотные насадки

11. гребное колесо – как правило для речных судов на реках с малыми глубинами;

12. подруливающие устройства являются эффективным средством управления носовой (иногда и кормовой) оконечностью судна (см. рис. 7.10);они создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства;

13. турбореактивный двигатель (см. рис. 7.11) –в котором сжатиерабочего телана входе в камеру сгорания и высокое значение расхода воздуха через двигатель достигается за счёт совместного действия встречного потока воздуха икомпрессора, размещённого в тракте двигателя сразу после входного устройства, перед камерой сгорания. Используется на СПК, СВП и экранопланах.

Для преобразования механической работы судовой силовой установки в двигательную, то есть в такую, когда преодолевается сопротивление воды и создается поступательное движение судна, необходимы определенные устройства - движители .

По своему принципу действия современные движители делятся на активные и реактивные , а последние, в свою очередь, - на гидрореактивные и воздушно-реактивные .

Активный движитель - парус, создающий движущую силу за счет энергии ветра. Движители, создающие движущую силу за счет реакции отбрасываемых назад масс воды, называются гидрореактивными . К ним относятся весло, гребное колесо, винт, крыльчатый и водометный движители. Воздушно-реактивный движитель - воздушный винт.

Теперь ознакомимся с краткими характеристиками различных движителей.

С незапамятных времен до сегодняшних дней пользуется человек простейшим движителем - гребным веслом . С его помощью движение происходит за счет реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению судна.

Одним из древнейших движителей является и парус (рис. 50). Проекция на диаметрально противоположную плоскость подъемной силы У, приложенной к парусу, представляет собой движущую силу Р (Т - сила дрейфа). Если скорость ветра изобразить вектором И, скорость ветра относительно судна - вектором W, то вектор V будет равным по величине и противоположным по направлению скорости судна.

Первые паруса были одинарные. Изготовляли их сначала из кожи животных, а затем - из папируса и тонких бамбуковых дранок. Шить паруса из холста (парусины) люди научились намного позже, когда сумели получать из различных материалов холст.

XVI-XVIII века - период наибольшего развития парусного флота. В те времена появилось очень много отдельных частей парусов, названия которых выбирались не произвольно, а соответствовали определенной классификации. Они зависели от того, на какой мачте или в каком ярусе парусов находилась снасть. Вполне понятно, что управлять таким «хозяйством» было нелегко. Попутно следует сказать, что не совсем просто и запомнить всю парусную терминологию. И тем не менее, знать ее нужно, особенно тем, кто собирается делать модели парусных судов.

В заключение рассказа о парусах отметим, что парусники существуют и поныне. Это - учебные, спортивные и небольшие промысловые суда. Здесь уместно вспомнить известное парусное судно «Товарищ», на котором проходят практику будущие штурманы речного и морского флота.

Последующим, более совершенным движителем в судоходстве стали гребные колеса . Размещались они, как правило, по бортам судна и имели горизонтальную ось вращения, перпендикулярную направлению движения. Были две их конструктивные схемы: с неподвижными и поворотными плицами (лопастями) (рис. 51, 52). Последние применялись для безударного входа в воду.

Принцип хода судна при этих движителях заключается в следующем. Утопленные частично колеса отбрасывают лопастями воду назад и создают упор, который через вал передается судну, и оно начинает двигаться.

КПД гребных колес сравнительно высок, и упор они создают мощный. Но сам их вес и стоимость намного больше, чем гребных винтов. К тому же, гребные колеса намного увеличивают габариты судна, и, что самое основное,- они малоэффективны на волнении. По этой причине колеса устанавливали только на крупных речных буксирах и грузопассажирских судах, осадка которых незначительна, благодаря чему они могли плавать на мелководье.

Простота устройства и работы, надежность в эксплуатации и высокий коэффициент полезного действия - эти характеристики сделали гребной винт самым распространенным в судостроении (рис. 53).

Правда, конструкция первых гребных винтов существенно отличалась от нынешней.

Проект судна с винтом Архимеда впервые в 1752 году разработал член Петербургской Академии наук Даниил Бернулли. Он имел вид двухзаходного червяка, который устанавливался в трубе за кормой судна, перед рулем. Через три четверти века, в 1826 году чешский инженер Иосиф Рессел запатентовал винт с полной винтовой поверхностью. Интересно отметить, что при испытании такой конструкции англичанином Генри Смитом часть винта от удара об камень отломилась. Но после аварии судно пошло... быстрее. Этот случай навел на мысль использовать для гребного винта только часть винтовой поверхности, а именно - лопасти.

В 1843 году корабелом И. А. Амосовым был построен первый русский пароход «Отважный» с винтовым движителем.

Современные гребные винты по своей конструкции подразделяются на два типа: цельные (в них ступицы с лопастями изготовляются совместно) и винты со съемными лопастями . Последние применяются на судах, плавающих во льдах. Эти винты имеют еще одно название - винты фиксированного шага (ВФШ), а винт с механизмами, поворачивающими лопасти в ступице и изменяющие его шаг, называются винтом регулируемого шага (ВРШ).

ВФШ (см. рис. 53) бывают цельными, литыми, сварными или штампованными. Состоят они из таких элементов: ступицы, представляющей собой втулку, насаживаемую на конус шейки гребного вала, и лопастей, расположенных на ступице. Та часть лопасти, которая соединяет ее со ступицей, называется корнем лопасти , а верхняя - вершиной , или концом . Имеют свои названия и поверхности лопастей. Та, что обращена в сторону судна,- засасывающая поверхность. Противоположная ей - нагнетающая, в большинстве случаев представляющая собой правильную винтовую поверхность. Пересечение засасывающей и нагнетающей поверхностей образуют кромки лопастей.

Диаметр окружности, описанной вершиной лопасти, называется диаметром гребного винта D. У крупных судов он доходит до 6 м и более.

Различают гребные винты правого и левого вращения. Правила их различия такие: если винт завинчивается вращением по часовой стрелке,- это винт правого вращения, а если против - левого.

Чтобы понять, как возникает сила, движущая судно при вращении винта, надо рассмотреть те силы, которые действуют на элементарной площадке лопасти гребного винта. А происходит следующее. При вращении лопасти отбрасывают массу воды в одну из сторон. Реакция массы воспринимается нагнетающей поверхностью, создающей упор винта, который через ступицу и гребной вал передается на упорный подшипник. Все это преобразуется в силу, которая и движет судно.

Высокий КПД (до 0,7-0,8), небольшой вес и большая надежность - таковы отличительные характеристики гребных винтов. Размещают их обычно в кормовой оконечности. А на ледоколах, паромах и некоторых других судах, кроме кормовых, устанавливают и носовые винты. Чаще всего на судне имеется либо один в диаметральной плоскости, либо два винта, установленные симметрично по бортам. Реже бывают трех- и четырехвинтовые суда.

Передача мощности гребному винту от двигателя происходит через горизонтальный или наклонный гребной вал. Надо заметить, что у одновинтовых судов вал опирается на подшипник, расположенный в кормовой оконечности, а бортовые валы - на кронштейны или на так называемые выкружки гребных валов.

Как правило, на каждом гребном валу имеется один винт. Но иногда, в целях повышения КПД, применяют конструкцию из двух соосных винтов, которые вращаются в противоположные стороны. При этом внутри полого вала помещают второй вал. Один из винтов вращает наружный вал, а второй - внутренний (рис. 54). Бывают, но редко, конструкции с двумя винтами, вращающимися в одну сторону. Их называют винтами тандем - спаренными (рис. 55).

Чтобы изменять направление вращения винта (для реверсирования), нужно менять направление вращения вала двигателя на противоположное или же привести гребной вал во вращение с помощью специального двигателя заднего хода. Для упрощения этих операций используют винты с поворотными лопастями - ВРШ (рис. 56). Такие винты имеют конструкцию, позволяющую обеспечивать поворот лопастей в ступице во время работы винта на ходу судна из поста управления, расположенного в рубке. Этот поворот изменяет шаг винта, что, в свою очередь, изменяет величину создаваемого им упора. В результате скорость хода судна при неизменном числе оборотов гребного вала может увеличиваться или же уменьшаться. Эти винты могут также изменять и направление движения судна.

Суда с ВРШ имеют более высокие маневренные качества по сравнению с судами, пользующимися ВФШ. Кроме того, использование ВРШ дает возможность применять нереверсивные двигатели с упрощенной системой обслуживания. Все это сокращает износ их цилиндров примерно на 30-40 %, а также позволяет полнее использовать мощность машин, поддерживать высокий КПД винта.

Диск с вертикальной осью вращения и с 4-8 стальными лопастями, которые вращаются вокруг своих продольных осей, параллельных оси вращаемого диска, представляет собой крыльчатый движитель (рис. 57). Монтируется он так, что из корпуса выступают одни только лопасти. Во вращение диск приводится главным двигателем. Лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси на некоторый угол при помощи эксцентрикового устройства, которое находится внутри диска.

На лопастях, при вращении диска, как на крыле, возникает подъемная сила. Ее составляющая и создает упорное давление. Когда лопасти поворачиваются, изменяются величина упора и его направление. Благодаря этому можно изменять направление судна без руля. Оставляя неизменными скорость и направление вращения главной силовой установки, можно также варьировать величину упора или останавливать судно.

Конструкция крыльчатого движителя сложная, а стоимость большая. Вес его тоже намного больше веса гребного винта. Размещается этот движитель только в корме специальной формы. Его лопасти часто повреждаются, при килевой качке работает он плохо. Недостатком крыльчатого движителя является и то, что из-за больших механических потерь в передачах его КПД обычно не превышает 0,5-0,6. Применение такого движителя целесообразно на портовых буксирах, паромах, плавучих кранах, дноуглубительных снарядах, то есть на тех судах, для которых особенно важны высокие маневренные качества.

И наконец, водометные движители (рис. 58), которые состоят из водопроточных труб или каналов. Внутри этих труб (каналов) располагается насос, засасывающий воду через приемное отверстие и выбрасывающий ее через напорный трубопровод. Струя воды, устремляющаяся в сторону, противоположную движению, и создает ту силу, которая дает ход судну. Водометы бывают двух видов: у одних струя направляется под воду, у других - в атмосферу.

Обычно рабочим органом водометных движителей являются осевые пропеллерные насосы. Они могут быть одно-и многоступенчатыми, реже - центробежными.

Для поворота выбрасываемой струи водометные движители оборудуются устройствами, выполненными в виде насадок, а также специальными заслонками, которые служат для изменения направления струи. Благодаря этому судно обладает реверсированием хода без изменения направления вращения гребного вала.

У водометных движителей КПД меньше, чем у гребных винтов, поэтому они применяются только на тех судах, которые плавают в загрязненных акваториях и на мелководье. В таких условиях лучшая защищенность рабочего органа судна и его малая осадка имеют положительное значение. Надо отметить, что в последнее время водометы применяются и на быстроходных судах, среди которых - суда на подводных крыльях. Используются водометы не только как движители, а и в качестве подруливающих средств. Для этого в носовой части устанавливают трубу и располагают ее поперек судна. Приводимый в действие электродвигателем насос размещают в трубе. Он и создает упор, поворачивающий судно, когда выбрасывает воду на тот или иной борт.

Все названные выше движители, за исключением парусов, создают упор за счет отбрасывания масс воды. Но есть и такие суда, которые во время своего хода не имеют контакта с водой. Это - экранопланы и суда на воздушной подушке. Движителями у них являются воздушные винты, располагающиеся в насадке или в свободном потоке. Поскольку же принцип действия названных движителей совершенно схож с действием гребного винта, работающего в воде, ограничимся только упоминанием подобных судов.