Гребним валом оснащується більшість гоночних, спортивних і навчальних моторних човнів. Призначення механізму полягає у створенні певної потужності за рахунок енергії, отриманої від двигуна. Зусилля спрямовується на проекцію наполегливого тиску, що дозволяє долати водну опір руху судна.
Історія створення
Створення розглянутого елемента приписують Архімеду. В якості рушія водоподъемный гвинт було запропоновано використовувати Бернуллі в 1752 році. Незважаючи на це, визнання до агрегату прийшло не відразу. Лише в 1836 році винахідник з Британії Ф. Сміт вкоротив «Архимедову» спіраль до одного витка.
Конструкцію встановили на пароплав водотоннажністю 6 тонн. Досвідчені випробування пройшли успішно, після чого Сміт відкрив компанію, яка побудувала корабель водотоннажністю 240 тонн. Пароплав обладнали парою ходових машин (сумарною потужністю 90 кінських сил). Єдиний гвинт мав у діаметрі два метри.
Конструкційні особливості
Гребний вал по суті — це рушій реактивного типу, розвиваючий упор, спрямований на маси води, що відкидаються лопатями в напрямку, протилежному переміщення плавзасобу.
У конструкцію вузла входить маточина з розміщеними на ній лопатями пропелерного типу. З’єднувальний відсік іменується коренем лопаті. Поверхня, звернена в бік човна — засмоктує, зворотна частина — нагнітальна. Точка спряження двох зазначених поверхонь є кромкою лопаті, проходить по її контуру. Частина, спрямована у бік руху лопаті, називається входить кромкою, протилежна — виходить. Поверхні пропелера являють собою елементи складної конфігурації.
Основні геометричні параметри
Нижче наведені основні геометричні характеристики човнових гвинтів:
Гребні вали володіють різним кроком у різних частинах лопаті. У цьому випадку основним показником вважають усереднений параметр, що вимірюється на ділянці, де радіус становить приблизно 0,7 від загального розміру. Кількість лопатей — дві, три або чотири штуки. Важливо відзначити, що по напрямку обертання гвинти поділяються на ліво – і правосторонні.
Інші розміри
Лопаті по ширині міряються від вхідної та вихідної кромки на однаковій відстані (найчастіше в точці, де параметр становить 0,7 від загальної величини). Підсумкову характеристику і роботу гребного валу визначає місце співвідношення (площі всіх гвинтових лопатей до площини, перпендикулярної осі обертання).
Перерізу лопатей можуть мати круговий конфігурацією, формою авіаційного крила або клиновидним профілем. Останні конструкції експлуатуються на особливо швидкохідних і гоночних судах з спритними моторами. Щоб забезпечувалася необхідна міцність лопатей, найбільша товщина робиться біля кореня, знижуючись до кінця до повного загострення (від 0,2 до 0,05 мм). Розмір маточини в діаметрі знаходиться в діапазоні 1,8-2,0 діаметра гвинта.
ККД гребного валу
Гвинт, створюючи упор, перетворює в корисному напрямку тільки частина енергії, одержуваної від мотора. Це пов’язано з марними витратами на:
- завихрення потоку;
- силу тертя;
- витки, створювані на кромках лопатей, тощо.
В результаті параметр потужності на гребний вал завжди перевищує аналогічний показник, що звільнюється на рух плавзасобу. Ефективність роботи гвинта по співвідношенню до потужності двигуна і є коефіцієнтом корисної дії (ККД). Навіть у найкращих елементів даний параметр не перевищує 1/3 від потужності силового агрегату.
Розрахунок потужності
На величину ККД човнової гвинта переважно впливає правильний розрахунок при виборі оптимальних взаємозв’язків між потужністю мотора, спритністю пропелера, геометричними параметрами елемента і швидкісними характеристиками судна.
Розрахувати подібні співвідношення досить проблематично. Це пов’язано з тим, що на показники впливають суб’єктивні причини. Серед них:
- водне опір переміщенню плавзасобу;
- особливості корпусу судна;
- величина потоку, що набігає на лопаті.
Облаштування або будівництво човнів з моторами спортивного і гоночного призначення силами спортсменів або окремих команд ведеться за спрощеним розрахунками. Це пов’язано з тим, що вирахувати оптимальні співвідношення, зазначені вище, самостійно практично неможливо.
Спритність
На катерах туристичного призначення, швидкість яких не перевищує 20 км/год, гарні результати показують гвинти з оборотами від 600 до 1200 обертів на хвилину. Відповідно, чим більше швидкість і потужність плавзасобу, тим більша спритність лопатей потрібно.
Для середніх спортивних суден знадобиться більший розмір гребного валу. При потужності човни 30-75 л. с. і швидкості до 50 км/год оптимальним числом гвинта вважається 2-3 тисячі оборотів в хвилину. При цьому діапазон вигідних чисел обертань зменшується зі зниженням швидкісного режиму і підвищенням показників потужності. Для швидкохідних гоночних плавзасобів, швидкість яких перевищує 70 км/год, потрібні гребні вали на підшипниках з інтенсивністю обертання 4-5 тисяч обертів у хвилину.
Кавітація
Спритні гвинти гоночних і самих швидкісних човнів або катерів функціонують в особливих умовах. Вони характеризуються наявністю скипання води на фронтальній засасывающей частини лопатей. Зазначене явище називається кавітацією. Рідина при цьому відривається від поверхні пропелера, утворюючи своєрідні пухирчасті порожнини (каверни). Вони помітно погіршують роботу гвинта, часто руйнують лопаті, призводять до эрозийному зносу сальника гребного валу. Щоб мінімізувати негативні наслідки від кавітації, використовують клиноподібні елементи.
Якщо припустити, що гвинт працює не у воді, а за типом гвинта в гайці, логічно представити його переміщення на один оберт гвинта за один оборот. На практиці особливості рідкого середовища вносять свої корективи, забезпечуючи менше переміщення (хода).
Матеріал виготовлення
На спортивних моторизованих катерах і човнах невеликої потужності, а також підвісних моторах нерідко монтують алюмінієві гвинти гребних валів. У цьому випадку переріз лопаті біля кореня роблять товщі, ніж у латунних аналогів. Модифікації з алюмінію прості в литві, легко піддаються обробці.
Литі гвинти із сталі на мотосудах зазначеного типу не застосовуються через складність їх виготовлення. Іноді використовують зварні сталеві версії, маточини яких виконані методом кування. Лопатеві елементи вирізують з листової сталі, крайки загострюють, деталь згинають за спеціальними шаблонами. Отримані заготовки приварюють до маточин, потім обробляють і вивіряють.
Для встановлення характеристик гвинта, перевірки кроку лопатей, усунення люфту гребного валу і вивірення інших параметрів потрібно обмір виготовленого елемента. Це роблять таким чином:
Гвинти регульованого кроку (ВРШ)
На сучасних човнах з мотором ВРШ використовуються досить рідко, хоча перспективи їх подальшого поширення, безсумнівно, є. Це пов’язано з тим, що можливість зміни положення лопатей дозволяє встановлювати передній, задній хід або зупинку без необхідності реверсу двигуна. При цьому трансформація величини кроку забезпечує оптимальні умови роботи гвинта з урахуванням величини навантаження, швидкісного режиму та інших факторів.
Конструкція ВРШ досить проста:
- механізм для передачі зусилля від контрольного маховика на блок управління;
- маточина;
- лопаті;
- поворотна штанга;
- порожнистий вал.
Найпростіша конструкція може використовуватися на середніх плавальних засобах з двигунами потужністю 70-100 кінських сил зі швидкісним порогом до 25-30 км/ч.
Вдосконалені ВРШ мають гідравлічний або механічний привід для повороту лопатей. Управління механізмом суднового валопроводу здійснюється за допомогою електромотора або за допомогою відбору потужності від вала. Такі моделі можуть експлуатуватися на всіх типах катерів і човнів, за винятком гоночних судів. В останньому випадку це не має сенсу, оскільки збільшений розмір маточини трохи знижує ККД у порівнянні з звичайними версіями, розрахованими на один граничний швидкісний режим.
Переваги і недоліки
Гвинтовий рушій функціонує за призначенням лише при зростаючій або безперервної швидкості обертання, в інших випадках — виконує функцію активного гальма. Це не дуже зручно, особливо на спортивних змаганнях. ККД гвинта тільки в теорії становить близько 75%. Насправді цей параметр не перевищує 35%. До відома, у весла аналогічний показник досягає 60%.
Якщо порівняти гребневе колесо і гвинт, останній елемент по корисності виграє за рахунок компактності та легкості. При цьому пошкоджений колісний механізм легко відремонтувати, а при деформації гвинта буде потрібно заміна гребного валу. Ще один недолік — висока небезпека для морської флори і фауни, а також уразливість (порівняно з іншими рушіями).
При цьому колісні елементи гарантують більший параметр тяги з місця, що зручно для буксирів. Але при сильному хвилюванні вони швидко оголюють робочі частини, що сприяє нерівномірності занурення елементів (один з них повністю виявляється у воді, а другий — працює вхолосту). Така ситуація надмірно перевантажує тяговий агрегат. Це робить колісний рушій непридатним для морехідних судів. Раніше вони використовувалися тільки через відсутність альтернативи. Гвинтові установка має велику перевагу при облаштуванні військових кораблів. Це пов’язано з тим, що нівелюється проблема розміщення артилерійських знарядь. Батарею можна встановлювати по всій площі борту. Крім того, маскується мета для ворога, гвинт повністю знаходиться під водою.
На завершення
Найбільші гребні вали з гвинтами можуть досягати висоти триповерхового будинку, їх виробництво вимагає спеціального обладнання і відповідних навичок. Наприклад, у часи зведення пароплавів типу «Велика Британія» на виготовлення заготовки йшло більше тижня. Сучасні технології дозволяють зробити це за кілька годин (за умови застосування роботизованого маніпулятора). Конфігурація гвинта вводиться в програму комп’ютера, після чого алмазний інструмент на кінці маніпулятора готує ідеальну пінопластову копію. Потім готову модель поміщають в піщано-цементний розчин для одержання максимально точного відбитка. Коли бетон остигає, половинки форми з’єднують між собою і заливають в них розплавлений метал.
Гребний гвинт повинен володіти високим показником міцності, щоб витримувати величезний тиск і навантаження, а також протистояти корозійних процесів у морській воді. Гребні вали роблять з бронзи, латуні, сталевих сплавів, куниаля. Не так давно для цих цілей стали використовувати надміцні полімери.
