Кіріспе
Сұйыққа айналмалы күшті сызықтық итергіш күшке түрлендіретін құрылғы. Пропеллер (кемеде бұранда, ал ұшақта ауа бұрандасы деп аталады) – айналатын осьті және сәулелі қанаттары бар құрылғы. Бұл қанаттар спиральді бұрылыс жасап, айналғанда су немесе ауа сияқты жұмыс сұйығына сызықтық итергіш күш түсіреді. Пропеллерлер құбыр арқылы сұйықтықты соруға немесе қайықты су арқылы, ал ұшақты ауа арқылы жылжытуға қолданылады. Қанаттардың пішіні осылай жасалған, олардың сұйық арқылы айналу қозғалысы Бернулли принципі бойынша қанаттың екі беті арасында қысымның айырмашылығын тудырады, бұл сұйыққа күш түсіреді. Көптеген теңіз пропеллерлері – көлденең осьте айналатын спиральді қанаттары бар бұрандалы пропеллерлер болып табылады.
A propeller (colloquially often called a screw if on a ship or an airscrew if on an aircraft) is a device with a rotating hub and radiating blades that are set at a pitch to form a helical spiral which, when rotated, exerts linear thrust upon a working fluid such as water or air. Propellers are used to pump fluid through a pipe or duct, or to create thrust to propel a boat through water or an aircraft through air. The blades are shaped so that their rotational motion through the fluid causes a pressure difference between the two surfaces of the blade by Bernoulli's principle which exerts force on the fluid. Most marine propellers are screw propellers with helical blades rotating on a propeller shaft with an approximately horizontal axis.
Алғашқы дамуы
Бұрандалы винтті пайдалану принципі ескек есуден туындаған. Ескек есу кезінде бір қанат су арқылы иіліммен қозғалады, қанатты суға тиімді бұрышта ұстауға көңіл бөлінеді. Бұрандалы винттің жаңашылдығы – бұранданы айналатын білікке бекіту арқылы осы иілімді 360 градустан аса ұзарту болды. Пропеллерде бір қанат болуы мүмкін, бірақ практикада күштерді теңестіру үшін көбінесе бірнеше қанаты болады. Бұрандалы винттің тарихы кем дегенде Архимедке (б.з.д. 287 – б.з.д. 212 ж.ж.) дейін жетеді, ол суару және қайықтардан су шығару үшін бұранданы қолданған, сондықтан ол «Архимед бұрандасы» деп белгілі болды. Бұл кеңістікте спиральді қозғалысты қолданудың алғашқы мысалы болуы мүмкін (спиральдар Архимедтің ерекше зерттеу нысаны болды), египеттіктер ғасырлар бойы суару үшін қолданған қуыс сегменттелген су доңғалағына. Қытайда б.з. 320 жылынан бастап бамбуктан жасалған ұшатын ойыншық – вертолет пайда болды. Кейін Леонардо да Винчи теориялық вертолетін іске қосу үшін бұрандалы принципті қолданды, оның эскиздерінде үлкен матадан жасалған бұранда болды. 1661 жылы Тугуд пен Хейс винттерді су реактивті қозғалтқыш ретінде емес, пропеллер ретінде пайдалануды ұсынды. Роберт Гук 1681 жылы сумен жұмыс істейтін көлденең диірменді жобалады, ол екі жарым ғасырдан кейін 1928 жылы жасалған Кирстен Боинг тік осьтік пропеллеріне өте ұқсас болды. Екі жылдан кейін Гук су арқылы кемелерді қозғалту үшін дизайнын өзгертті. 1693 жылы француз Дю Кет бұрандалы винтті ойлап тапты, ол 1693 жылы сынақтан өтті, бірақ кейіннен тасталды. 1752 жылы Париждегі Ғылым академиясы Бернеллиге винт доңғалағының дизайны үшін сыйлық берді. Шамамен сол уақытта француз математигі Алексис Жан Пьер Пауктон Архимед бұрандасына негізделген сумен қозғалыс жүйесін ұсынды. 1771 жылы бу машинасының авторы Джеймс Уотт жеке хатында қайықтарды жылжыту үшін «спиральді ескіргіштерді» пайдалануды ұсынды, бірақ ол оларды өзінің бу машиналарымен қолданбады және бұл идеяны іске асырмады. Пропеллердің алғашқы практикалық қолданысының бірі 1775 жылы Йель студенті және өнертапқышы Дэвид Бушнеллдің көмегімен сағат жасаушы, ойып жазушы және мыс құюшы Исаак Дулиттл жасаған «Тюртл» су асты кемесінде болды. Бушнеллдің ағасы Езра Бушнелл және кеме жасаушы және сағат жасаушы Финес Пратт корпусты Коннектикут штатының Сайбрук қаласында жасады. 1776 жылы 6 қыркүйек күні сержант Езра Ли Нью-Йорк портына шабуыл жасаған «Тюртл» су асты кемесін басқарды. «Тюртл» соғыста қолданылған алғашқы су асты кемесі болып табылады. Бушнелл 1787 жылғы қазан айында Томас Джефферсонға жазған хатында пропеллерді былай сипаттады: «Кеменің алдыңғы бөлігіне бұранда принципі бойынша жасалған ескіргіш орнатылған. Оның осі кемеге кірді және бір жаққа бұрылса кеме алға, екінші жаққа бұрылса артқа жылды. Ол қолмен немесе аяқпен айналдырылатын». «Тюртл» су асты кемесіндегі барлық мыс және қозғалатын бөлшектер, соның ішінде бұранда, Нью-Хейвендік Исаак Дулиттл жасаған. 1785 жылы Англиялық Джозеф Брама қайықтың су астындағы артқы бөлігі арқылы өтетін шыбыққа бекітілген жапырақты пропеллерді ұсынды, бірақ ол оны ешқашан жасаған жоқ. 1800 жылдың ақпан айында Лондондық Эдвард Шортер су желісінен жоғары палубадан уақытша орналастырылатын және су тұмшасын қажет етпейтін, желкенді кемелерге көмектесу үшін арналған бұрышты таяққа бекітілген ұқсас пропеллерді пайдалануды ұсынды. 1802 жылы американдық заңгер және өнертапқыш Джон Стивенс 25 футтық (8 м) қайық жасады, ол айналмалы бу машинасымен және төрт жапырақты пропеллермен жабдықталған. Кеме белгілі бір жылдамдыққа жетті, бірақ Стивенс жоғары қысымды бу машиналарының қауіптілігіне байланысты пропеллерлерден бас тартты. Кейіннен ол дөңгелекті қайықтармен жүзіп жүрді. Жаңа Шотландиядағы Ярмут қаласындағы теңізші Джон Патч 1832 жылы екі жапырақты, желдеткіш тәрізді пропеллерді жасады және оны 1833 жылы көрсетті, ол Ярмут порты арқылы қайықты және Сент-Джондағы шағын жағалау шхунасын жылжытты, бірақ оның АҚШ-тағы патенттік өтініші 1849 жылға дейін қабылданбады, өйткені ол американдық азамат емес еді. Оның тиімді дизайны американдық ғылыми ортада мақтауға ие болды, бірақ ол кезде ол көптеген бәсекелестермен кездесті.
In 1802, American lawyer and inventor John Stevens built a 25 feet (8 m) boat with a rotary steam engine coupled to a four bladed propeller. The craft achieved a speed of , but Stevens abandoned propellers due to the inherent danger in using the high pressure steam engines. His subsequent vessels were paddle wheeled boats. John Patch, a mariner in Yarmouth, Nova Scotia developed a two bladed, fan shaped propeller in 1832 and publicly demonstrated it in 1833, propelling a row boat across Yarmouth Harbour and a small coastal schooner at Saint John, New Brunswick, but his patent application in the United States was rejected until 1849 because he was not an American citizen. His efficient design drew praise in American scientific circles but by then he faced multiple competitors.
Шиналы винттер
1830 жылдарға дейін бұрандалы қозғалтқышпен тәжірибелер жасалғанымен, осы өнертабыстардың көбі сынақ сатысына жеткізілмеді, ал жеткендері де түрлі себептермен қанағаттандырмайтын болып шықты. 1835 жылы Ұлыбританияда Джон Эрикссон мен Фрэнсис Петтит Смит есімді екі өнертапқыш бұл мәселе бойынша жеке-жеке жұмыс істей бастады. Смит 31 мамырда бұрандалы винтке алғашқы патент алды, ал Британияда жұмыс істейтін, талантты швед инженері Эрикссон алты аптадан кейін патент алды. Смит өзінің өнертабысын сынау үшін шағын кеме үлгісін жасап, алдымен Хендон шаруашылығындағы көлде, кейін Лондондағы Практикалық ғылымдардың Корольдік Аделаида галереясында көрсетті. Оны Әскери-теңіз күштерінің хатшысы сэр Уильям Барроу көрді. Лондондық банкир Райттың демеушілігін алған Смит 9 метрлік, алты тонналық «Фрэнсис Смит» деп аталған каналдық қайық салды. Ол өзінің ағаш винтімен жабдықталды және 1836 жылдың қарашасынан 1837 жылдың қыркүйегіне дейін Паддингтон каналында көрсетілді. 1837 жылдың ақпанында екі бұрылысты ағаш винт зақымдалып, Смит таңғалысымен, бұзылған винт, енді бір бұрылыстан ғана тұрды, қайықтың бұрынғы жылдамдығын екі есеге арттырды – сағатына шамамен төрт мильден сегіз мильге дейін. Корольдік теңіз күштерінің бұрандалы винттер теңізде пайдалануға жарамсыз деген пікірін білген Смит, бұл болжамды жоққа шығаруға бел буды. 1837 жылдың қыркүйегінде ол өзінің кішкентай кемесін (қазір бір бұрылысты темір винтпен жабдықталған) теңізге шығарды, Блэкволлдан (Лондон) Хайтке (Кент) дейін, Рамсгейт, Дувр және Фолкстон қалаларында тоқтады. 25-і күні Лондонға қайтып келгенде, Смиттың кемесі дауылды теңізде алға жылғанын Корольдік теңіз күштерінің офицерлері байқады. Бұл Адмиралтействоның қызығушылығын оятты және Смит технологияны толыққанды көрсету үшін толық көлемде кеме салуға шақырылды. 1838 жылы Генри Вимшёрст (Лондон) бұрандалы қозғалтқышпен жүретін әлемдегі алғашқы пароходты салды. «Архимед» кемелерді дамытуға зор ықпал етті, коммерциялық кемелерге әсер еткенімен қатар, Корольдік теңіз күштерінің бұрандалы қозғалтқышты қабылдауына да көмектесті. Смиттың «Архимед» кемесімен жасаған сынақтар 1845 жылы соғыс жарысына әкелді. «Архимед» 1843 жылы Изамбард Кингдом Брунельдің жобасына әсер етті, ол кезде әлемдегі ең үлкен кеме және 1845 жылдың тамызында Атлант мұхитын кесіп өткен алғашқы бумен жүретін кеме болды. «Архимед» және «Рэттлер» екеуі де Франклиннің жоғалған экспедициясына қатысты, соңғы рет 1845 жылдың шілдесінде Баффин шығанағының жанында көрінді. Бұрандалы винт конструкциясы 1880 жылдары тұрақтанды.
The Archimedes also influenced the design of Isambard Kingdom Brunel's in 1843, then the world's largest ship and the first screw propelled steamship to cross the Atlantic Ocean in August 1845.
and were both heavily modified to become the first Royal Navy ships to have steam powered engines and screw propellers. Both participated in Franklin's lost expedition, last seen in July 1845 near Baffin Bay. Screw propeller design stabilized in the 1880s.
Ұшақ
Райт ағайындары қазіргі заманғы ұшақ винттерінің бұрылып келген аэрофоль пішінін ойлап тапты. Олар әуе винтінің қанатқа ұқсас екенін түсінді. Бұл тұжырымды жел тоннеліндегі тәжірибелер арқылы растады. Шабуыл бұрышын тұрақты ұстау үшін олар винт қанатын бұра бастады. Олардың қанаты 100 жыл өткен соң қолданылатын қанатардан 5% ғана нашар болды. 1920 жылдарға қарай төмен жылдамдықты винттердің аэродинамикасы толыққанды түсіндірілді, бірақ қуаттың артуы және диаметрдің кіші болуы жобалауда шектеулер тудырды. Тағы бір ерте пионер, Альберто Сантос-Дюмон, әуе кемелерін жасау тәжірибесінен алған білімін пайдаланып, 14-bis екі қанатты ұшағы үшін сталь білік және алюминий қанаты бар винт жасады. Оның кейбір жобаларында қанаттар үшін иілген алюминий парақтары қолданылып, осылайша аэрофоль пішіні құрылды. Олардың қисықтығы өте жоғары болды, және осыған қоса, бойлық бұрылудың болмауы оларды Райт винттерінен тиімсіз етті. Дегенмен, бұл әуе бұрандасын жасауда алюминийді алғаш рет қолдану болған болуы мүмкін.
Теория
Тоғызыншы ғасырда пропеллерлерге қатысты бірнеше теориялар ұсынылды. Импульс теориясы немесе дискілік актuator теориясы – идеалды пропеллердің математикалық моделін сипаттайтын теорияны В. Дж. М. Ранкин (1865), А. Г. Гринхилл (1888) және Р. Э. Фроуд (1889) әзірлеген. Пропеллер шексіз жұқа диск түрінде модельденеді, ол айналу осі бойымен тұрақты жылдамдық тудырады және пропеллердің айналасында ағын пайда етеді. Қатты дене арқылы бұрылатын бұрандада "сырғанау" жоқ болады; бірақ пропеллер бұрандасы сұйықтықта (ауада немесе суда) жұмыс істейтіндіктен, белгілі бір шығындар туындайды. Ең тиімді пропеллерлер үлкен диаметрлі, баяу айналатын бұрандалар, мысалы, үлкен кемелердегідей; ең тиімсіздері – кішкентай диаметрлі және жылдам айналатын (мысалы, қайық моторларындағыдай). Ньютонның қозғалыс заңдарын қолдана отырып, пропеллердің алға жылға жылға жылдамдығын уақыт бірлігінде кері қарай жіберілген сұйықтық массасына пропорционалды реакция және пропеллер осы массаға қосатын жылдамдық ретінде қарастыруға болады. Іс жүзінде, жылдам ағын жасауға байланысты шығындар, ауыр, баяу ағын жасауға қарағанда көп. (Бұл ұшақтарға да қатысты, онда үлкен диаметрлі турбовентиляторлық қозғалтқыштар бұрынғы, кішкентай диаметрлі турбовентиляторлар мен үлкен жылдамдықпен аз масса шығаратын кішкентай турбоұшақтарға қарағанда тиімдірек болады.)
Шалпанның геометриясы
Теңіз винтінің пропеллер геометриясы спиральді бетке негізделген. Бұл бет, бөрене бетін құрауы мүмкін, немесе бөренелердің беттері осы спиральді беттен ауытқулар арқылы сипатталуы мүмкін. Бөренелердің артқы жағы геликоид бетінен ауытқулармен сипатталады, дәл сол сияқты аэрофольга аккорд сызығынан ауытқулармен сипатталуы мүмкін. Пич беті нақты геликоид немесе бөренелердегі соққы жылдамдығына шабуыл бұрышын жақсырақ сәйкестендіру үшін бұрылуы мүмкін. Бұрылған геликоид радиалды анықтама сызығының пішіні және радиалды қашықтық бойынша пич бұрышын анықтау арқылы сипатталады. Дәстүрлі пропеллер суретіне төрт бөлік кіреді: бүйірлік проекция, ол бөренелердің бұрылысын анықтайды, түбірден ұшына дейінгі бөрене қалыңдығының өзгеруі, ступица арқылы ұзындығы бойынша қима және бөрененің ұзындығы бойынша орталық жазықтықтағы проекцияланған контуры. Кеңейтілген бөрене көрінісі әртүрлі радиустардағы қима пішіндерін көрсетеді, олардың пич беттері негіз сызығына параллель, ал қалыңдығы оське параллель салынған. Бөренелердің алдыңғы және артқы ұштарын байланыстыратын сызықпен көрсетілген контур кеңейтілген бөрене контурын көрсетеді. Пич диаграммасы түбірден ұшына дейінгі радиус бойынша пичтің өзгеруін көрсетеді. Көлденең көрініс бөрененің көлденең проекциясын және бөрененің дамыған контурын көрсетеді. Шамалы кемелер кейбір ұшақ қанаттарындағыдай қанатшалары бар пропеллерлерді қолданады, бұл ұштық айналмаларды азайтып, тиімділікті арттырады.
Модульді винт
Модульдік қанатты бұранда қайықтың өнімділігін жақсырақ бақылауға мүмкіндік береді. Қанаттың бұрышын немесе зақымдалған қанаттарын ғана ауыстыру мүмкіндігі болғанда, бүкіл бұранданы ауыстырудың қажеті жоқ. Бұрышты реттеуге болатындықтан, қайық жүргізушілер әртүрлі биіктіктерде, су спортымен айналысқанда немесе серуендегенде жақсы өнімділікке қол жеткізе алады.
Voith Schneider винтісі
Voith Schneider винттері спиральді бөренелердің орнына тік осьтің айналасында бұралатын төрт түзу, бұрмаланбаған қанаттарды пайдаланады және механикалық күрделілігі жоғары болғанымен, кез келген уақытта кез келген бағытта итергіш күш бере алады.
Шахтасыз
Қаптамамен жұмыс істейтін жылғыш электрмоторды арналы винтке біріктіреді. Цилиндр статор ретінде, ал винт қанатының ұштары ротор ретінде жұмыс істейді. Олар көбінесе жоғары момент береді және төмен айналымдарда жұмыс істейді, бұл шуды азайтады. Жүйеде вал болмайды, соның арқасында салмақ жеңілдейді. Бұл құрылғыларды корпус бойындағы әртүрлі жерлерге орналастырып, тәуелсіз түрде пайдалануға болады, мысалы, маневрлеуді жеңілдету үшін. Валдың болмауы корпустың артқы бөлігін әртүрлі конструкцияда жасауға мүмкіндік береді.
Тороидты
Бұрылысты тор (сақина тәрізді) винттер, алғаш рет 120 жылдан астам бұрын ойлап табылған, қанаттарды дөңгелек сақиналармен алмастырады. Олар ауа және суда қолданылатын дәстүрлі винттерге қарағанда әлдеқайда тыныш (әсіресе естілетін жиіліктерде) және тиімдірек. Бұл конструкция винт тудырған маңайларды бүкіл пішінге таратып, олардың атмосферада жылдам тарауына себеп болады.
Шақты қорғау
Кіші қозғалтқыштарда, мысалы, қайық моторларында, винт ауыр заттармен соқтығысу қаупі бар болғандықтан, винт көбінесе артық жүктеме кезінде бұзылатын құрылғымен жабдылған; құрылғы немесе винттің өзі құрбан етіледі, осылайша қозғалтқыш пен беріліс механизміне қымбат жөндеу қажет болмайды. Әдетте, кіші (ауысымнан кем) және ескі қозғалтқыштарда, қозғалтқыш қуатын қалыпты жағдайда беру үшін, қозғалтқыш білігі мен винт орталығы арқылы тар шеге орнатылады. Бұл шеге винт қозғалтқышты зақымдауы мүмкін жүктемеге ұшырағанда сындырылуға арналған. Шеге сынғаннан кейін, жаңа шеге орнатылғанша, қозғалтқыш қайыққа қозғалыс күшін бере алмайды. Үлкен және заманауи қозғалтқыштарда, айналым моментін беру үшін резеңке втулка қолданылады. Зақымданушы жүктеме кезінде, втулканың үйкелісі жеңіліп, айналатын винт білікте сығалап, қозғалтқыштың бөліктеріне артық жүктеме түспейді. Мұндай жағдайдан кейін резеңке втулка зақымдануы мүмкін. Егер зақымдалса, ол төмен айналымдарда төмен қуатты беруді жалғастыра алады, бірақ жоғары айналымдарда үйкеліс азайғандықтан қуат бермейді. Сонымен қатар, резеңке втулка уақыт өте келе тозуы мүмкін, бұл оның жобаланған жүктемесінен төмен жүктемелерде бұзылуына әкелуі мүмкін. Резеңке втулканды ауыстыру немесе жөндеу мүмкіндігі винттің конструкциясына байланысты; кейбіреулерін ауыстыруға болмайды. Ал кейбіреулерін ауыстыруға болады, бірақ оларға кедергіге арналған үлкен втулканды орнату үшін арнайы жабдық қажет. Басқаларын оңай ауыстыруға болады. "Арнайы жабдық" әдетте түтік, пресс және резеңке майлау құралынан (сабыннан) тұрады. Егер токарлық станогы болмаса, болат түтік пен автомобильдің корпусын толтыру арқылы импровизациялық түтік жасауға болады; толтыру тек қысымға ұшырайтындықтан, ол жақсы жұмыс істей алады. Көбінесе, втулканы бірнеше гайка, шайба және бұрандалы таяқшадан басқа күрделі ештеңемен орнына қоюға болады. Бұл типтегі винттің тағы бір мәселесі – "мұздаған" шлицтік втулка, ол винтті алып тастауды мүмкінсіз етеді. Мұндай жағдайда, резеңке кіріспесін қасақана жою үшін винтті қыздыру қажет. Винт алынып тасталғаннан кейін, шлицтік түтіктің қалдықтарын ұнтақтағышпен кесіп тастауға болады, содан кейін жаңа шлицтік втулка қажет болады. Проблеманың қайталануын болдырмау үшін шлицтерді тұтқындауға қарсы және коррозияға қарсы қоспамен жабуға болады. Кейбір заманауи винттерде резеңке втулканың орнына қатты полимерден жасалған жетектегі гильза қолданылады. Гильзаның аралас қимасы, білік пен винт орталығы арасында орналасқан, қозғалтқыш айналым моментін үйкеліс емес, винтке береді. Полимер винт пен қозғалтқыштың бөліктерінен әлсіз, сондықтан винт артық жүктелгенде, олар бұзылмай тұрып, бұзылады. Бұл гильза шамадан тыс жүктеме кезінде толығымен бұзылады, бірақ оны оңай ауыстыруға болады.
Шалқының өзгеруі
Клевер – әсіресе қайық жарысында қолданылатын винт конструкциясының бір түрі. Оның алдыңғы жиегі дөңгелек, ал артқы жиегі тік кесілген. Ол аз көтерілуді қамтамасыз етеді, сондықтан көп көтерілуді қажет етпейтін қайықтарда қолданылады, мысалы, гидроұшақтарда, олардың гидродинамикалық көтерілуі жеткілікті. Көтерілудің жетіспеуін толықтыру үшін, төменгі бөлімге гидрофойл орнатылуы мүмкін. Гидрофойлдер көтерілуді азайтады және қайықты судан жылдам шығуға және бетіне көтерілуге көмектеседі.