Движители кораблей и судов

С появлением первых небольших лодок человек понял, что понадобиться средство, которое будет толкать его судно. Первоначально это были весла, которые посредством погружения их в воду и перемещения производили нужный эффект — лодка двигалась. Необходимость в скорости заставила древних кораблестроителей увеличить количество весел и гребцов. Яркий тому пример весельного судна — галера, имеющая длину до 12 метров, на каждом из 96 весел располагалось до шести гребцов из числа рабов или каботажников. Этот, по сути, первый примитивный тип движителя, и как ни странно дошел до наших дней. Конечно, теперь весла изготавливают из легких и прочных материалом, но формы своей они практически не изменили. Весла бывают вальковые, парные и двухлопатковые. Их применяют на лодках, шлюпках и других плавательных средствах, как крайнее средство для движения. Во время гребли средняя часть весла вставляется в отверстие — кочет (уключина), где фиксируется и создает упор.

Идея создания совершенного и универсального движителя, не нова, просто нужно было оказаться в нужном месте и нужное время. Таким человеком оказался Изамбард Брунель, которому, по моему мнению, судостроители обязаны, по сей день. Сквозь многочисленные мнения скептиков он, подробно изучив работу изобретения древнегреческого ученого Архимеда, создал гребной винт, работу которого продемонстрировал на пароходе «SS Great Britain».

С той поры этот движитель получил самое большое распространение. Изготовленный из различных материалов, меняя количество и угол наклона лопастей, гребной винт совершенствовался и занял лидирующую позицию среди прочих движителей.

Итак, движителем называют устройство, преобразующее мощность от двигателя (источника энергии) в работу поступательного движения корабля или судна.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ КОРАБЛЕЙ И СУДОВ

Различают движители активные: обеспечивающие движение судна за счет непосредственного воздействия силы, создаваемой источником энергии — ветром. Делятся на: паруса и буксируемые кайты. Реактивные, создающие движущее усилие путем отбрасывания масс воды в сторону, противоположную перемещению корабля. Последние подразделяются на лопастные (колесные, винтовые, азимутальные, крыльчатые, маршевые, плавниковые) и водопроточные (водометные, насосного типа, гидрореактивные).

АКТИВНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

Парус

На протяжении тысячелетий морякам был известен еще один тип движителя — парус. Это также древний и популярный вид движителя, который использует силу ветра. В основном паруса бывают двух типов: прямые — трапециевидной формы, расположенные симметрично относительно мачты, и косые — треугольной или трапециевидной формы, которые крепятся с одной стороны мачты.

Прямым называют вооружение, у которого прямые паруса главные (барк, баркентина).

Барк с прямым парусным вооружением

Суда с косым вооружением называют те, у которых основными являются косые паруса (шхуна, иола, кеч).

Шхуна с косыми парусами

Яхты чаще всего оснащаются треугольными парусами, которые получили название «бермудские» паруса.

Яхты с бермудскими парусами

Также существуют смешанное парусное оснащение, при котором используются паруса всех выше перечисленных типов.

Бригантина со смешанным парусным вооружением

Буксируемый кайт

Еще одним активным движителем является буксируемый кайт. По сути это тот же парус, только имеет прямоугольную форму параплана площадью от 160 кв.м до 360 кв.м. Система управляется электронно, то поднимая, до опуская кайт на высоту от 100 м до 500 м, где ветер намного сильнее и стабильнее, чем над поверхностью воды. Благодаря таким движителям судоходная компания «Beluga Projects» экономит 1/3 своих расходов эжегодно на топливе для коммерческих судов.

Грузовое судно с буксируемым кайтом

Вынужденные в поисках ветра постоянно посещать участки океана с развитыми штормовыми условиями, парусные корабли часто попадали в жестокие штормы и бури. Со временем техническое несовершенство больших кораблей сыграло свою роль, и дальнейшее увеличение размеров торговых судов уже не могло быть поддержано парусниками — они достигли своего максимума. На смену пришли другие технически более совершенные корабли, отвечающие запросам своего времени.

РЕАКТИВНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

ЛОПАСТНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

Колесный движитель

На первых пароходах в качестве основного движителя кораблестроители начали использовать гребное колесо. Но это, пожалуй, самый неудачный из всех движителей. Из-за многочисленных недостатков гребного колеса, которыми были частые поломки, и низкая эффективность по причине «выскакивания» из воды при бортовой качке, гребные колеса плохо выполняли свои функции и заняли последнее место среди других типов движителей.

Речное судно Queen in Mississippi с гребным колесом

Винтовой движитель

Типичный гребной винт состоит из ступицы с расположенными на ней лопастями. В основе его работы лежит гидродинамическая сила, создаваемая разностью давлений на сторонах лопастей. Любое концентрическое сечение лопастей представляет собой элемент несущего крыла самолета. Поэтому при вращении винта на каждом элементе возникают такие же силы, как и на крыле. Поток, обтекающий выпуклую сторону лопасти (засасывающая сторона), слегка поджимается, и вследствие этого движение его ускоряется. Поток, обтекающий вогнутую сторону лопасти (нагнетающая сторона), встречая на своем пути препятствие, несколько замедляет скорость. В соответствии с законом Бернулли, на засасывающей стороне лопасти давление потока падает и возникает зона разрежения. В то же время на нагнетающей стороне лопасти, напротив, возникает зона увеличенного давления. В результате разности давлений на стороны лопасти образуется гидродинамическая сила. Вследствие длительных исследований было установлено, что основная часть гидродинамической силы около 70 процентов создается за счет разрежения на засасывающей стороне лопастей винта и только 30 процентов за счет давления на нагнетающей стороне лопастей. Проекция гидродинамической силы на ось гребного винта представляет собой упор винта. Эта сила воспринимается лопастями, которые через ступицу и гребной вал передают ее кораблю или судну.

Принцип действия гребного винта

Поскольку лопасти имеют винтообразную поверхность, при вращении винта вода не только отбрасывается назад, но и закручивается в сторону вращения лопастей. Между тем задача движителя — только отбрасывать воду, не вращая ее, создавая реактивный импульс — силу тяги. На закручивание потока и на преодоление сопротивления вращения винта в воде затрачивается значительная часть мощности, подводимой ему от двигателя. Поэтому коэффициент полезного действия гребного винта, равный отношению мощности, затраченной на создание тяги винта (полезная мощность), ко всей мощности, затраченной на вращение винта, всегда будет меньше единицы.

Гребной винт всегда согласован с двигателем, в противном случае будет происходить бесцельная потеря мощности. Кроме того, встречаются нереверсивные двигатели, которые не способны изменять сторону вращения вала. В таких случаях существует гребной винт регулируемого шага. В его ступице располагается механизм, поворачивающий лопасти на заданный угол и удерживает их в таком положении. Поворот лопастей позволяет изменять тяговое усилие при постоянной частоте вращения гребного вала и наоборот, сохранять постоянное тяговое усилие при разных частотах вращения вала, а также вообще изменить направление упора (реверс) при неизменном направлении вращения гребного вала.

Для передачи большой мощности часто применяют двух- и трехвальные установки, а некоторые большие корабли оснащены четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. Гребные винты различают:

• винты с неподвижными лопастями
• винты регулируемого шага
• винты в направляющей насадке
• винты противоположного вращения.

Гребной винт с неподвижными лопастями

Гребные винты регулируемого шага

Гребной винт в направляющей насадке

Соосные гребные винты противоположного вращения

Азимутальный движитель (винто-рулевая колонка)

Для повышения маневренности судов в последнее время активно устанавливаются азимутальные движители, получившие название «азипод». Винто-рулевая колонка включает в себя небольшой гребной винт с собственным электрическим мотором. Вращаясь вокруг своей оси, винт создает упор и увеличивает тем самым вращающий момент, действующий на руль.

Азимутальный движитель

Внутреннее устройство азимутального движителя

Дороговизна конструкции ограничивает область применения движителей типа «азипод», но они оправдывают затраченные средства. Используются на ледоколах, современных круизных лайнерах, нефтедобывающих буровых платформах и других типах судов.

Типы винто-рулевых движителей (азиподов)

Крыльчатый движитель

Крыльчатые движители нашли применение, прежде всего в подруливающих устройствах. Они объединяют в себе функции движителя и руля и представляют собой ротор, установленный на одном уровне с днищем судна, и вращающийся вокруг вертикальной оси, по окружности которого на равных угловых расстояниях располагаются от 3 до 8 перпендикулярных к его поверхности лопастей, выполненных в виде крыльев. Вращаясь вместе с ротором, лопасти периодически поворачиваются вокруг своей собственной оси. Поворот лопастей производится так, что при каждом положении на ней создается сила, имеющая наибольшую проекцию в направлении движения судна. Это, достигается, когда условные перпендикулярные к хордам лопастей пересекаются в одной точке, являющейся центром управления. Перемещение центра управления вдоль оси, перпендикулярной к направлению движения корабля, изменяет величину и знак упора. Таким образом, крыльчатые движители обладают теми же свойствами, что и винт регулируемого шага. При произвольном перемещении центра управления в плоскости, параллельной плоскости ватерлинии, можно изменять направление вектора упора в пределах от 0 до 360 градусов. Для поворота лопастей и перемещения центра управления служит механический привод, расположенный в корпусе движителей и управляемый гидравлической системой. Применяются на судах, к маневренности которых предъявляются повышенные требования (буксиры, рыболовные суда, тральщики и др.).

Крыльчатый движитель

Маршевый (воздушный) движитель

В отличие от типичных кораблей, суда на воздушной подушке, не имеют непосредственного физического контакта с поверхностью по которой движутся. Данные аппараты благодаря нагнетанию воздуха в гибкий фартук под корпусом, поднимаются на высоту до 0,5 м. Движение (маневрирование) обеспечивают маршевые (воздушные) движители. Эти транспортные средства используются на мелководье, на заболоченой местности, в арктических водах. Они не останавливаются возле берега, а заходят на побережье, преодолевая небольшие преграды. Их главным преимуществом является высокая скорость до 60 узлов (100 км/час).

Маршевый винт судна на воздушной подушке

Таким же образом известные всему миру американские аэролодки, оборудованные мощными бензиновыми моторами, в комплексе с воздушными винтами, создают движущую силу, которая помогает им быстро передвигаться по болотам Флориды.

Воздушный винт аэролодки

Плавниковый движитель

Для сохранения устойчивости корабля или судна судостроители оснащают свои «творения» небольшими килевидными стабилизаторами, выступающими с обеих сторон корпуса судна. По образу и подобию они похожи на плавники огромных китов, за что и получили соответствующую классификацию. Каждый из них имеет обтекаемую форму, благодаря которой рассекает волны, не замедляя ход корабля.

Принцип действия очень прост — установленные под углом плавниковые движители производят тот же эффект, что и крылья самолета — либо погружают корпус судна глубже, либо поднимают его выше. Когда волны пытаются накренить корабль то в одну, то в другую сторону, килевидные стабилизаторы наклоняют корпус в противоположное направление крену. Это придает судну устойчивость даже при больших волнах.

Плавниковый движитель (стабилизатор)

ВОДОПРОТОЧНЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

Водометный движитель

Водометный движитель (водомёт) представляет собой рабочее колесо водяного насоса, помещенное в водопроточном канале, через который выбрасывается вода с увеличенной скоростью по оси движителя. К основным преимуществам подобных движителей относятся: хорошая защищённость от механических повреждений и возможность избежать кавитации, защищенность от плавающих на поверхности акватории предметов, меньший гидродинамический шум по сравнению с винтовыми движителями, что очень важно для подводных лодок. Водометные движители располагаются внутри или снаружи корпуса судна. Эффективность водомётного движителя зависит от формы водоводов, места расположения и конструкции водозаборников. Водомётные движители применяются, как правило, на новых судах, работающих на мелководье, или служат в качестве подруливающего устройства для улучшения поворотливости судов.

Водометный движитель фирмы KaMeWa

Движитель насосного типа

На некоторых классах субмарин применяется оптимальный тип движителя pump jet, что значит движитель насосного типа. Существуют их разновидности:

• движитель насосного типа с предварительной закруткой — статор (основание насадки) расположен перед ротором
• движитель насосного типа с последующей раскруткой, когда ротор расположен перед статором.

Устройство движителя насосного типа Pump jet

Качества обоих типов движителей одинаковы, но движитель насосного типа с предварительной закруткой имеет лучшие кавитационные характеристики, хотя конструктивно более сложен.

Движитель pump jet на субмарине ВМС США класса Вирджиния

Гидрореактивный движитель

В гидрореактивном движителе для ускорения потока воды используется энергия сжатого воздуха или продуктов сгорания, подаваемых в водовод через сопло. Характерная особенность таких устройств — отсутствие валопровода и механического рабочего органа. Применяются в гражданском судостроении. Различают:

• тепловые — прямоточные (пароводяная смесь образуется в камере, куда подается пар, создающий движущую силу)
• пульсирующие (поршневого типа с пульсирующей газоводяной камерой сгорания)
• эжекционные, использующие энергию холодного сжатого газа, ускоряющего поток водовоздушной смеси.

Гидрореактивный движитель фирмы Alamarin

Гидрореактивный движитель на катерах Shotover Jet для мелководья

Немного об изготовлении гребных винтов

Самые большие гребные винты достигают высоты трехэтажного здания, а их изготовление требует уникальных навыков. Во времена, когда был создан винтовой пароход «SS Great Britain» на изготовление форм гребного винта уходило до 10 дней. Сегодня благодаря наличию компьютерных технологий автоматизированный манипулятор делает это за пару часов. Форма винта вводится в компьютер, и алмазное сверло на конце манипулятора вырезает из огромных пенопластовых блоков идеальную копию лопасти с точностью до 1 мм. Затем в готовую модель помещают смесь песка и цемента, чтобы получить точный оттиск. После того как бетон остынет, в форму, состоящую из двух половинок, соединяют вместе и заливают расплавленный до 3 000 градусов металл.

Гребной винт нельзя делать из чего-либо. Винт должен быть достаточно прочен, чтобы выдержать тысячи тонн давления и не подвергаться коррозии в соленой морской воде. Наиболее распространенными материалами для изготовления гребных винтов являются сталь, латунь и бронза. В последние годы для этой же цели стали применять пластмассы.

Сплав из цветных металлов для гребных винтов, получил название «куниал». Он имеет прочность стали, но гораздо лучше противостоит коррозии. Куниал может находиться в воде десятилетиями, не ржавея при этом. Для придания сплаву предельной точности к 80 % меди необходимо добавить 5 % никеля и 5 % алюминия, а также 10 % других металлов. Переплавка осуществляется при температуре 3 200 градусов.

Пройдя контроль качества, «коктейль» из расплавленных металлов заливается в форму. Чтобы избежать попаданий воздуха в структуру металл заливается ровной струей. Спустя два дня форма остывает. Затем лопасти высвобождают из формы.

Производство гребного винта на 3D принтере

Эффективность гребного винта зависит от гладкой и обтекаемой формы лопастей. Поверхность отлитой из формы детали неидеальна, и покрыта литейной коркой. Для определения толщины слоя применяется лазерный измеритель. После чего лишний слой удаляется с помощью резака из карбид-вольфрама. Затем гребной винт полируется до идеально гладкой поверхности, пока не будет составлять 1,6 микромиллиметра. В итоге поверхность приобретает гладкость стекла.

Гребной винт — изделие сугубо индивидуальное и для каждого современного судна или корабля должно иметь оптимальную форму, чтобы скользить и захватывать необходимое количество энергии, учитывая условия эксплуатации.

Эффект кавитации

Главная проблема всех гребных винтов — кавитация. Все дело в том, что под водой при их вращении на лопастях возникает область пониженного давления, в которой вода в буквальном смысле начинает закипать, даже при низких температурах. Поэтому движители испытывают на специальных стендах, где подбирают оптимальные параметры работы гребного винта, и проверяют правильный угол лопастей.

Эффект кавитации винта

Как не печально, но невероятной красоты гребные винты обречены на тяжелый труд, скрытый от человеческих глаз под морскими волнами. Таким образом, из всех типов существующих движителей главенствующую роль занимает гребной винт, и пока нет оснований полагать, что в ближайшие годы для него найдется более эффективная замена. А пока конструкторы всего мира проводят бесконечное количество тестов в поиске самой эффективной пропульсивной системы судов.