Дисковое отношение – отношение суммарной спрямленной площади лопастей к площади диска ГВ, а именно

(9)

где R=D/2.

 

3.Классификация гидравлических движителей и историческая справка. Расположим различные конструктивные типы гидравлических движителей в порядке уменьшения частоты их применения на судах и других морских подвижных объектах.

3.1.Гребной винт фиксированного шага (ГВ). Наиболее распространенный гидравлический движитель. ГВ, как указывалось выше, это движитель, имеющий несколько крыловидных специально профилированных лопастей, закрепленных на ступице через равные угловые расстояния и способный при вращении создавать упор за счет образования подъемной силы на лопастях, при этом упор направлен по оси вращения ГВ в сторону движения, т.е. перпендикулярно плоскости вращения лопастей. Прообразом современного ГВ является изобретенный в 3 веке до нашей эры Архимедом (287-212гг. до н.э.) шнековый водоподъемный механизм. В 1475г. Леонардо да Винчи (1452-1519) в «Кодексе о полете птиц» нарисовал схему вертолета с одним архимедовым винтом, не обратив внимание на проблему парирования момента. В 1768г. английский ученый Пенктон опубликовал книгу «Теория винта Архимеда». В 1773г. американский механик Дэвид Бушнелл (1742-1826) установил горизонтальный и вертикальный гребные винты с ручным приводом на подводной лодке «Turtle» (Черепаха). В 1801г. французский изобретатель Роберт Фултон (1765-1815) провел испытания подводной лодки «Nautilus» с ГВ. В 1804г. Джон Стивенс испытал первый пароход с ГВ, который достиг скорости 4 узл. В 1827г. австрийский изобретатель Иосиф Рессель (в Чехии установлен памятник как изобретателю ГВ) получил патент на ГВ и в 1829 испытал пароход «La Civetta» с ГВ, который достиг скорости 6 узл. В 1836г. английский инженер Фрэнсис Смит построил бот с длинным деревянным архимедовым шнеком (два витка) в качестве движителя, при испытаниях половина шнека отломилась и скорость возросла до 8 узл. По заказу английского Адмиралтейства Фрэнсис Смит спроектировал и построил пароход «Архимед» с ГВ, имеющим диаметр 2.1м. и мощность 90 л.с. В 1840г. пароход «Стоктон» с ГВ пересек Атлантику. Его создатель шведский изобретатель Джон Эриксон (1803-1889) (в Стокгольме установлен памятник как изобретателю ГВ) основал в США компанию по строительству винтовых пароходов. В частности был построен винтовой пароходофрегат водоизмещением 950т. и мощностью 400 л.с. В 1848г. руссийский инженер И.А.Амосов построил первый в России винтовой пароход парусно-паровой фрегат «Архимед», мощностью 300 л.с. В 60-х годах прошлого века сначала на атомных подводных лодках, а затем и на различных надводных судах стали применять саблевидную форму контура лопастей (неправильно называть эти ГВ винтами с большой откидкой контура лопастей, как это делается иногда в публикациях) с целью снижения подводного шума, а также периодических сил и давлений, возникающих при работе ГВ в неравномерном поле скоростей. Первая серия саблевидных ГВ была испытана в Тейлоровском центре (Вашингтон, США) в 1971г. (Boswell R.J.). При большой саблевидности ( =36^o¸ 72^o) возрастает осевой габарит ГВ, что можно скорректировать, например, выбирая откидку таким образом, что середины хорд всех цилиндрических сечений лежат в плоскости диска ГВ, именно такой ГВ называют типа «WARPED».

3.2.Гребной винт регулируемого шага (ВРШ). Применяется часто на рыболовных судах, тральщиках, паромах и судах с несколькими режимами движения.ВРШ это гребной винт, каждая лопасть которого может поворачиваться вокруг перпендикулярной гребному валу оси. Механизм поворота расположен в ступице и управляется дистанционно с мостика судна. ВРШ позволяют при постоянных оборотах гребного вала изменять упор и даже осуществлять реверс без изменения направления вращения гребного вала за счет изменения угла установки лопасти относительно ступицы. В 1904г. Иван Григорьевич Бубнов применил ВРШ на первой российской дизельэлектрической подводной лодке «Минога». Первые серийные ВРШ появились 1935г. (фирма Эшер-Висс в Цурихе), в послевоенный период, начиная с 1945г. большую известность приобрели ВРШ шведской фирмы «KaMeWa».

3.3.Гребной винт в направляющей насадке. Применяется главным образом на буксирах, на крупнотоннажных танкерах и на тихоходных судах с ограниченной осадкой.На одновальных судах применение этого движительного комплекса целесообразно при коэффициенте нагрузки ГВ по упору (C_TA) больше единицы, где .Рассматриваемый комплекс состоит из ГВ, охваченного осесимметричным кольцевым крылом с минимальным зазором так, что поток в диске ГВ ускоряется. За счет этого тяга движителя возрастает на величину достигающую 50% по сравнению с ГВ без насадки. В 1925г. немецкий инженер Корт, убедившись неэффективности длинных водопроточных каналов для водометного движителя на буксире мощностью 120л.с. запатентовал комплекс ГВ в направляющей насадке, который первоначально назывался «водометный движитель с коротким водоводом и осевым насосом». Первое реальное применение насадки Корта было осуществлено в 1933г. В 1968г. российский инженер Вадим Кириллович Турбал в соавторстве с Ю.С.Зайцевой запатентовал «Осенесимметричную направляющую насадку на гребной винт», которая на крупнотоннажном танкере за счет выравнивания поля скоростей в диске ГВ существенно снизила периодические силы и моменты, действующие на гребной вал. В 1974г. такая насадка была установлена на танкере «Крым» вместе с ВРШ, который имел диаметр 7.5 м. и тперерабатывал 30000 л.с. В конце 70-х годов прошлого века в связи с ужесточением требований к акустическим характеристикам на торпедах и подводных лодках (например, на французской подводной лодке «Le Triomphant») начал применяться движитель представляющий собой многолопастный винт в насадке со спрямляющими поток специальными устройствами, который был назван «Pamp-jet» и который по существу является «водометным движителем с коротким водоводом и осевым насосом» плюс спрямляющее устройство.

3.4.Водометный движительный комплекс (ВДК). Применяется на пассажирских скоростных катамаранах, судах на воздушной подушке скегового типа (СВП скегового типа) и на катерах.ВДК состоит из водопроточного канала, внутри которого имеется насос (осевой или центробежный), направляющее поток устройство, профилированный водозаборный участок (статического или полнонапорного типов) и сужающееся сопло формирующее струю, за счет выброса которой и образуется тяга движителя. Этот тип гидравлического движителя, как правило, имеет несколько меньшую эффективность по сравнению с открытым ГВ, но уникальная защищенность подвижных элементов, безопасность гидробионтов при сближении с судном, высокая эффективность при больших скоростях и особые акустические свойства делают в ряде случаев применение ВДК необходимым. В 1661г. английские изобретатели Томас и Джеймс получили привелегию на судно с ручным ВДК в виде раздувательных мехов. В 1753г. академик РАН Даниил Бернулли (1700-1782) в процессе участия в соответствующем конкурсе Парижской академии наук предложил и теоретически обосновал применение ВДК в качестве судового движителя. В 1798 английский изобретатель Рамси построил первый водометный катер «Колумбия Мейд». В 1839г. английский изобретатель Рутвен поставил на шлюпку водомет с центробежным насосом и с вертикальным водоводом на всасывании и двумя короткими каналами для образования струй на оба борта. В 1855г. С.О.Бурачек разработал проект водомета для российского парофрегата «Генерал-Адмирал». В 1883г. Торникрофт провел сравнительные испытания миноносок (15т., 167 л.с.) с ГВ и с ВДК, которые показали преимущество ГВ (17.3 узл. для корабля с ГВ и 12.6 узл. для корабля с ВДК). В 1962г. английский инженер Гамильтон разработал компактные ВДК для катеров мощностью 30-90 л.с. с целью движения по мелководным и каменистым рекам Новой Зеландии. В 1971г. два водомета по 6000 л.с. были установлены на СВП скегового типа «SES-100B», что обеспечило судну водоизмещением 114т. скорость 76 узл.. В 1975г. М.А.Мавлюдов изобрел «Вентилируемый водомет», отличительными чертами которого является выброс струи воды в воздух, отсутствие сопла и работа лопастей осевого насоса на выходе из водопроточного канала в режиме атмосферной супервентиляции. При этом, границы суперкаверн выполняют роль сопла, формирующего струю. Первая установка «Вентилируемого водомета» была осуществлена в России в 1980г. на 100 тонном катере «Серна» (30 узл., 3000x2 л.с.).

3.5.Крыльчатый движитель (КД ). Единственная используемая реализация идеи машущего крыла для движения морских самодвижущихся объектов (тральщики, буровые суда, плавучие краны, судовые подруливающие устройства). КД состоитиз вертикально расположенных крыльев, движущихся по кругу вместе с горизонтальной круглой платформой и одновременно совершающих колебания вокруг вертикальных осей проходящих через центр давлений каждого крыла-лопасти. Управляя законом колебания крыльев-лопастей можно плавно управлять как величиной, так и направлением упора КД. Изобрел КД в 1681г. английский физик Роберт Гук (1635-1703). Независимо друг от друга позже были разработаны две различные конструкции управления колебаниями крыльев-лопастей КД, которые называются «Кристен-Боинг» (1925г.) и «Фойт-Шнейдер» (1928г.). Серийный выпуск КД в 1931г. наладила немецкая фирма Фойта.

3.6.Соосные гребные винты противоположного вращения. Используя соосные гребные валы, один из которых изготавливается полым, а другой проходит внутри него и вращается в противоположную сторону, обеспечивается вращение двух расположенных друг за другом соосных ГВ в разные стороны. При этом один винт должен быть правого вращения, а другой левого так, чтобы оба создавали упор в одну сторону, в сторону движения. Задний винт обычно имеет немного меньший диаметр, соответствующий диаметру сужающейся струи, образующейся за передним ГВ. Задний ГВ использует часть кинетической энергии этой закрученной в противоположную направлению вращения заднего ГВ струи. За счет этого позади соосной пары ГВ противоположного вращения в гидродинамическом следе заметно снижаются потери на окружные вызванные скорости по сравнению с одиночным ГВ. Выигрыш по эффективности соосной пары ГВ противоположного вращения по сравнению с одиночным ГВ может достигать 16%. Применение соосной пары ГВ противоположного вращения тормозится сложностью конструкции. Исключение составляют торпеды, для которых этот тип движителя применяется широко в связи с тем, что при его применении легко решается проблема парирования кренящего момента. Надо отметить широкое применение соосной пары ГВ противоположного вращения в самолетостроении и в вертолетостроении. В 1754г. академик РАН Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765) продемонстрировал «аэродромическую машину», способную при помощи соосной пары ГВ противоположного вращения и пружинного механизма создать подъемную силу величиной около двух золотников (8.5 грамма). Эта модель вертолета еще не летала, но прблема парирования момента уже была решена изобретением соосной пары ГВ противоположного вращения. В 1784г. Лонуа и Бьенвеню продемонстрировали полет модели вертолета (геликоптера) с соосной парой ГВ противоположного вращения, которые вращались при помощи тетивы небольшого лука. В 1824г. французский изобретатель Доллман предложил применить соосную пару ГВ противоположного вращения в качестве судового гидравлического движителя. В 1836г. шведский изобретатель Джон Эриксон переизобрел рассматриваемый тип движителя. В Стокгольме ему воздвигнут монумент как изобретателю ГВ. В 1988г. в Японии построено два крупных судна, оборудованных соосными парами ГВ противоположного вращения (мощностью 11400 кВт. и 6540 кВт.). Экономия мощности при неизменной скорости по сравнению с одновинтовым вариантом в обоих случаях составила 16%.

3.7.Гребной винт на поворотной колонке с электроприводом, расположенным внутри колонки. AZIPOD (Azimuthing Podded Drive) Является движителем в составе дизель-электрического пропульсивного комплекса. Может поворачиваться на 360 градусов вокруг вертикальной оси. Получил применение на круизных судах, где обеспечил низкий уровень вибрации, повышенную управляемость при отсутствии традиционного руля и отсутствие механической передачи мощности на ГВ. Изобретен в США в 1979г.; переизобретен в Финляндии в 1990г.; первая установка на финском вспомогательном судне “Seli”; в 1998г. фирмами «Kvaerner Masa-Yards» и «ABB Industry» установлено два АЗИПОДа по 14000kВт. на круизном лайнере типа «Festival».

3.8.Гребной винт с колесом профессора Грима На ступице обычного ГВ позади основного ГВ устанавливается свободновращающийся турбопропеллер, называемое колесом Грима (КГ). КГ имеет обычно 7 или 9 лопастей и на 20% больший чем основной ГВ диаметр. Вращается КГ без подвода мощности в сторону вращения основного ГВ, но медленнее его, за счет гидродинамического взаимодействия со струей основного ГВ. Внутренние сечения КГ профилируются как турбина и утилизируют кинетическую энергию закрученной струи, образующейся за основным ГВ. Внешние сечения, лежащие на концевых 25% лопастей профилируются как ГВ и создают дополнительный упор, достигающий 9%. КГ установлены более чем на 50 судах различного назначения. В 1966г. немецкий профессор из Гамбурга Отто Грим опубликовал идею КГ, но получил патент лишь в 1968г. после того, как аналогичная идея была запатентована в Японии (1966г.). Наибольшее по диаметру девяти лопастное КГ (диаметром 11.64м., диаметр основного ГВ равен 9.5м.) было установлено на японском танкере «T.Y.Draco» в 1989г.. Достигнутая при этом экономия топлива составила 8%. После поломки одного из двух КГ, установленных на лайнере «Куин Элизабет» и смерти

Грима установка КГ на судах прекратилась.

3.9.Гребной винт, свободный от концевых вихрей (tip vortex free-TVF). Обычный ГВ, на концах лопастей которого установлены небольшие профилированные пластины, перпендикулярные радиальному направлению. Имеется много модификаций этой конструкции, которые объединяются под названием « ГВ с модифицированными концами лопастей » ( tip-modified propeller ). К ним относятся «Гронинген пропеллер», разработанный голландским ученым Спаренбергом в 1981г., «Пропеллер с укороченным и нагруженным концом» (CLT), испытанный в натурных условиях английским инженером Аноном, «Каппел пропеллер», предложенный в 1976г. американским изобретателем Каппелем, «Пропеллер с крылышками на концах лопастей» (Bladelet), разработанный в 1986г. японским специалистом Итохи. Одна из наиболее разрекламированных конструкций была предложена в 1980г. испанским изобретателем Гомесом (Gomes G.P.) и называлась гребной винт, свободный от концевых вихрей (TVF). Изобретатель ошибочно считал, что небольшие профилированные пластины на концах лопастей могут полностью ликвидировать концевые вихри и тем самым уменьшить индуктивное сопротивление. Тем не менее, некоторое снижение интенсивности концевых вихрей имело место, что давало увеличение эффективности движителя лишь на несколько процентов (сопротивление трения при этом увеличивалось и снижало выигрыш, особенно при слабой нагрузке). Широкого распространения гребной винт, свободный от концевых вихрей не получил.

3.10.Суперкавитирующий гребной винт (СКВ). От обычного ГВ отличается клиновидной или специальной сегментной профилировкой, обеспечивающей на расчетном режиме такое развитие кавитации, что образующиеся на засасывающей стороне лопастей суперкаверны замыкаются в следе за лопастью, не вызывая эрозионных повреждений поверхности лопасти. Широкого применения на скоростных судах не получил, т.к. не выдержал конкуренции с водометным движительным комплексом (для скоростных катамаранов) и с частично погруженным гребным винтом (для рекордно скоростных катеров и СВП скегового типа). Изобрел СКВ в 1941г. академик РАН профессор Ленинградского Кораблестроительного института Валентин Львович Поздюнин. Первый двухлопастной СКВ был установлен на американском судне на подводных крыльях “Denison” (80т., 60 узл., 10000л.с.). Автор этого проекта американский профессор Маршал Тулин. В 1980г. в СССР было создано самое крупное в мире судно на подводных крыльях “Сокол” (465т., 63 узл., 18000л.с.), на котором было установлено на трех угловых колонках шесть СКВ.

3.11.Частично погруженный гребной винт (ЧПГВ) или гребной винт, пересекающий свободную поверхность (Surface piecing propeller). Принцип действия ясен из названия. Применяется на скоростных судах (СПК, СВП скегового типа, спортивные катера Формулы-1), когда скорость так велика, что уже не избежать кавитации и подводные выступающие части недопустимо увеличивают сопротивление. Работает в режиме атмосферной супервентиляции, но иногда в нижнем положении на лопастях возникает и естественная кавитация, что нежелательно. Главный недостаток значительные переменные силы и моменты, а также значительная боковая сила, действующие на движитель. Впервые установлен в 1963 г. в России на судне на подводных крыльях Ракета-М (1200 л.с., 50 пассажиров). Два наиболее мощных ЧПГВ установлено в 1971г. на американском скеговом судне на воздушной подушке «SES-100B», (105 т., 90.3 узл., 7500x2 л.с.).

Для полноты классификации необходимо дополнить указанный список типами судовых движителей, имевших историческое значение и применяемых до сих пор в спортивном судостроении и в индустрии развлечений. Это парус, весло, колесо с подвижными или неподвижными плицами, движитель типа машущее крыло, парные ласты, моноласт.

Перечислим в заключении два типа гидравлических движителей, не получивших распространения, но интенсивно изучавшихся за последние 100 лет. Это движитель типа машущее крыло (см. крыльчатый движитель, который, вопреки традиции, следует отнести к этому типу движителей) и магнитогидродинамический движитель (1961 г.), вызвавший в свое время большой интерес.

 

 

⇐ Предыдущая12

Поделиться: