Морские гребные винты, говоря менее техническим языком, можно сравнить с автомобильными шинами. Они преобразуют мощность двигателя в движущую силу судна и являются самым распространённым движителем.
История гребных винтов
В 1776 году британский изобретатель Джеймс Уатт создал паровую машину. Это не только значительно ускорило первую промышленную революцию в истории человечества, но и положило начало использованию механической энергии для движения судов. Кроме того, это стало технической основой для превращения Великобритании в морскую державу. Поскольку гребной винт тогда ещё не был изобретён, инженеры, ограниченные возможностями своего воображения, создали гребное колесо, основываясь на принципе работы винта. Оно представляло собой колёса с лопастями, установленные по обоим бортам судна. Часть колеса находилась над водой, поэтому такое судно называли колёсным пароходом. Однако у колёсных пароходов было немало недостатков: например, крайне низкая манёвренность и низкая эффективность передачи мощности, особенно при швартовке.
В 1836 году британское судно «Archimedes» оснастили винтовым движителем — длинным деревянным элементом в форме винта. Во время первых испытаний судно шло со скоростью 4 узла. Позже оно столкнулось с препятствием в воде, винт сломался, и от него остался небольшой фрагмент, однако скорость судна выросла до 13 узлов. Эта случайность подсказала инженерам, что длинный винт можно укоротить, а затем придать ему форму лопастей. Так, шаг за шагом, в ходе экспериментов был изобретён гребной винт. Разумеется, на этом пути возникало немало сложностей — например, с уплотнением вала подводного винта и вибрацией под водой. По мере развития технологий гребные винты благодаря своим многочисленным преимуществам получили широкое распространение на верфях по всему миру.
Основные параметры гребного винта
1. Шаг P:
Это расстояние, которое гребной винт проходит в осевом направлении за один оборот. Оно соответствует расстоянию, на которое винт продвинулся бы в древесине за один оборот. Но это теоретическая величина: на практике лопасти проскальзывают в воде, что снижает эффективность. Здесь также играет роль величина проскальзывания.
Чем больше шаг лопасти, тем больше угол её наклона относительно плоскости вращения винта. Однако для каждой скорости существует оптимальный угол шага. Лопасти винта с фиксированным шагом поворачиваться не могут, поэтому максимальная эффективность достигается только на расчётной скорости. У винтов с регулируемым шагом лопасти поворачиваются, благодаря чему можно менять шаг. Поэтому на судах, которым необходимо ходить с разной скоростью, регулируемый шаг помогает значительно повысить эффективность и сократить расход топлива.
2. Диаметр гребного винта D:
Это диаметр окружности, описываемой внешними краями лопастей. При проектировании гребного винта обычно стараются использовать максимально возможный диаметр, чтобы увеличить его тягу. Однако на яхтах размер винта ограничен осадкой и местом установки: слишком большой винт не будет защищён корпусом и может задевать препятствия, поэтому важно подобрать подходящий диаметр.
3. Коэффициент дискового отношения EAR:
Для начала нужно понимать, что площадь диска — это площадь круга диаметром, равным диаметру гребного винта: S=π(D/2)². Если суммарная площадь всех лопастей винта в этой плоскости равна S2, то EAR=S2/S. Чем выше коэффициент дискового отношения, тем большую площадь занимают лопасти и тем меньше нагрузка на единицу их площади, что помогает избежать кавитации. Однако увеличение этого коэффициента снижает эффективность гребного винта. Поэтому, чтобы предотвратить кавитацию и повысить эффективность, коэффициент дискового отношения следует делать как можно меньше. У большинства гребных винтов он ниже 1, но у некоторых винтов скоростных судов превышает 1.
Типы гребных винтов, используемых на яхтах
Гребной винт с фиксированным шагом:
Винт с фиксированным шагом. Благодаря простой конструкции он широко применяется на малых и средних яхтах. Обычно имеет три или четыре лопасти. Преимущества: простая и надёжная конструкция, несложное обслуживание. Недостатки: шаг нельзя менять, поэтому максимальная эффективность достигается только на определённой скорости. Чтобы повысить эффективность, такие винты обычно делают большего диаметра и с низкой частотой вращения. Складные винты, используемые на парусных судах, также имеют фиксированный шаг.
Гребной винт с регулируемым шагом:
Винт с регулируемым шагом, который можно менять в зависимости от скорости, сохраняя высокую эффективность передачи мощности и максимально экономя топливо. Однако у него есть и очевидные недостатки: сложная конструкция, высокая стоимость и неудобство обслуживания. Обычно такие винты устанавливают на крупных яхтах.
Соосные гребные винты противоположного вращения:
Два винта, вращающиеся в противоположных направлениях, устанавливаются на одном валу. Такие системы есть, например, у VOLVO и ZF. Винт, вращающийся в обратную сторону, поглощает закрученный поток воды, создаваемый передним винтом, и одновременно использует часть его энергии вращения, что повышает эффективность движителя. Недостатки: сложная конструкция, а из-за ограничений прочности материалов такие винты редко применяются на крупных судах.
Существуют и другие типы гребных винтов, но они встречаются реже.
