Введение
Пропеллер (в разговорной речи часто называемый винтом, если на корабле или воздушным винтом, если на самолете) – это устройство с вращающимся центром и радиально расположенными лопастями, установленными под углом, образующим спираль, которая при вращении создает линейную тягу, воздействуя на рабочую жидкость, такую как вода или воздух. Пропеллеры используются для перекачивания жидкости по трубам или каналам, а также для создания тяги, необходимой для движения судна по воде или самолета по воздуху. Форма лопастей такова, что их вращательное движение в жидкости создает разницу давления между двумя поверхностями лопасти в соответствии с принципом Бернулли, что приводит к воздействию силы на жидкость. Большинство морских пропеллеров являются винтовыми, с лопастями, вращающимися на пропеллерном валу с приблизительно горизонтальной осью.
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.
Ранние события
Принцип, используемый в использовании винтового гребного винта, происходит от гребли кормой. При гребле кормой одно перо перемещается по дуге, из стороны в сторону, стараясь удерживать перо под эффективным углом. Нововведением, внедренным с винтовым гребным винтом, стало расширение этой дуги более чем на 360° путем крепления пера к вращающемуся валу. Гребные винты могут иметь одно перо, но на практике почти всегда их больше, чтобы сбалансировать действующие силы. История создания винтового гребного винта начинается как минимум с времен Архимеда (ок. 287 – ок. 212 гг. до н.э.), который использовал винт для подъема воды для орошения и выкачивания воды из лодок, настолько знаменито, что он стал известен как винт Архимеда. Вероятно, это было применение спирального движения в пространстве (спирали были специальным предметом изучения Архимеда) к полому сегментированному водяному колесу, которое египтяне использовали для орошения на протяжении веков. Летающая игрушка, бамбуковый вертолет, была популярна в Китае, начиная примерно с 320 г. н.э. Позже Леонардо да Винчи применил принцип винта для привода своего теоретического вертолета, эскизы которого включали большой холщовый винт над головой. В 1661 году Тугуд и Хейс предложили использовать винты для водометной тяги, хотя и не в качестве гребного винта. Роберт Хук в 1681 году спроектировал горизонтальную водяную мельницу, которая была удивительно похожа на вертикальный гребной винт Кирстена Боинга, разработанный почти два с половиной века спустя в 1928 году; два года спустя Хук модифицировал конструкцию, чтобы обеспечить движущую силу для судов через воду. В 1693 году француз по имени Дю Кет изобрел винтовой гребной винт, который был испытан в 1693 году, но позже был заброшен. В 1752 году Академия наук в Париже присудила Бернелли премию за конструкцию винтового колеса. Примерно в то же время французский математик Алексис Жан Пьер Пауктон предложил систему водного движения, основанную на винте Архимеда. В 1771 году изобретатель паровой машины Джеймс Уатт в частном письме предложил использовать "спиральные весла" для движения лодок, хотя он не использовал их со своими паровыми двигателями и никогда не реализовал эту идею. Одним из первых практических применений гребного винта была подводная лодка под названием "Черепаха", спроектированная в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, в 1775 году студентом Йельского университета и изобретателем Дэвидом Бушнеллом с помощью часовщика, гравера и литейщика латуни Айзека Дулиттла. Брат Бушнелла, Эзра Бушнелл, и корабельный плотник и часовщик Финес Пратт построили корпус в Сейбруке, штат Коннектикут. В ночь на 6 сентября 1776 года сержант Эзра Ли пилотировал "Черепаху" в атаке на Нью-Йоркскую гавань. "Черепаха" также имеет отличие быть первой подводной лодкой, использованной в бою. В октябре 1787 года Бушнелл описал гребной винт в письме к Томасу Джефферсону: "Весло, выполненное по принципу винта, было закреплено в передней части судна, его ось входила в судно, и, поворачиваясь в одну сторону, гребло судно вперед, а поворачиваясь в другую сторону, гребло назад. Его можно было вращать рукой или ногой". Латунный гребной винт, как и вся латунь и движущиеся части на "Черепахе", был изготовлен Айзеком Дулиттлом из Нью-Хейвена. В 1785 году Джозеф Брама из Англии предложил решение для гребного винта в виде стержня, проходящего через подводную корму лодки, прикрепленного к лопастному гребному винту, хотя он никогда его не строил. В феврале 1800 года Эдвард Шортер из Лондона предложил использовать аналогичный гребной винт, прикрепленный к стержню, временно развернутому с палубы над ватерлинией и, таким образом, не требующему водяного уплотнения, и предназначенный только для помощи судам, оставшимся без ветра. Он испытал его на транспортном судне "Донкастер" в Гибралтаре и на Мальте, достигнув скорости в . В 1802 году американский юрист и изобретатель Джон Стивенс построил 8-метровую лодку с роторным паровым двигателем, соединенным с четырехлопастным гребным винтом. Судно достигло скорости в 15 км/ч, но Стивенс отказался от гребных винтов из-за опасности, связанной с использованием паровых двигателей высокого давления. Его последующие суда были лодками с гребными колесами. Джон Патч, моряк из Ярмута, Новая Шотландия, разработал двухлопастный, веерообразный гребной винт в 1832 году и публично продемонстрировал его в 1833 году, двигая гребную лодку через гавань Ярмута и небольшую прибрежную шхуну в Сент-Джоне, Нью-Брансуик, но его патентная заявка в Соединенных Штатах была отклонена до 1849 года, потому что он не был американским гражданином. Его эффективный дизайн получил высокую оценку в американских научных кругах, но к тому времени он столкнулся с множеством конкурентов.
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.
Шрифтные пропеллеры
Несмотря на эксперименты с винтовым движением до 1830-х годов, немногие из этих изобретений были доведены до стадии испытаний, а те, что были, оказались неудовлетворительными по той или иной причине. В 1835 году два изобретателя из Великобритании, Джон Эриксон и Фрэнсис Петтит Смит, начали работать над этой проблемой независимо друг от друга. Смит первым запатентовал винтовой пропеллер 31 мая, а Эриксон, талантливый шведский инженер, работавший в то время в Великобритании, подал заявку на патент шесть недель спустя. Смит быстро построил небольшую модель лодки для испытания своего изобретения, которую сначала продемонстрировал на пруду на своей ферме в Хендоне, а затем в Королевской галерее практических наук Аделаиды в Лондоне, где её увидел секретарь Адмиралтейства, сэр Уильям Барроу. Получив поддержку лондонского банкира по имени Райт, Смит построил 9-метровый (30 футов) каналный баркас водоизмещением 6 тонн, названный «Фрэнсис Смит», который был оснащен его деревянным пропеллером и демонстрировался на канале Паддингтон с ноября 1836 года по сентябрь 1837 года. В результате случайности, во время плавания в феврале 1837 года был поврежден деревянный пропеллер с двумя лопастями, и к удивлению Смита, сломанный пропеллер, состоявший теперь только из одной лопасти, удвоил прежнюю скорость лодки – с примерно четырех миль в час до восьми. По-видимому, зная о точке зрения Королевского флота, что винтовые пропеллеры окажутся непригодными для морской службы, Смит решил опровергнуть это предположение. В сентябре 1837 года он вывел своё небольшое судно (теперь оснащенное железным пропеллером с одной лопастью) в море, пройдя из Блэкволла в Лондоне в Хайт, графство Кент, с остановками в Рамсгейте, Дувре и Фолкстоне. На обратном пути в Лондон 25-го числа офицеры Королевского флота наблюдали, как судно Смита идёт против шторма. Это возродило интерес Адмиралтейства, и Смиту было предложено построить полноразмерное судно для более убедительной демонстрации технологии. «Архимед» был построен в 1838 году Генри Вимшёрстом из Лондона и стал первым в мире пароходом, приводимым в движение винтовым пропеллером. «Архимед» оказал значительное влияние на развитие судостроения, способствуя внедрению винтового движения Королевским флотом, а также повлияв на коммерческие суда. Испытания с «Архимедом» Смита привели к соревнованию по буксировке в 1845 году между «Рэттлером» и «Алекто», где винтовой «Рэттлер» тянул гребной пароход «Алекто» назад. «Архимед» также повлиял на конструкцию судна Изамбарда Кингдома Брунеля в 1843 году, которое тогда было крупнейшим в мире и первым пароходом с винтовым движением, пересекшим Атлантический океан в августе 1845 года. и были сильно модифицированы, чтобы стать первыми кораблями Королевского флота, оснащенными паровыми двигателями и винтовыми пропеллерами. Оба участвовали в пропавшей экспедиции Франклина, в последний раз замеченной в июле 1845 года в районе залива Баффина. Конструкция винтового пропеллера стабилизировалась в 1880-х годах.
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.
Самолет
Братья Райт первыми разработали профиль лопастей авиационных винтов с кручением, который используется в современных самолетах. Они осознали, что воздушный винт аналогичен крылу. Они подтвердили это с помощью экспериментов в аэродинамической трубе. Они придали своим лопастям кручение, чтобы поддерживать постоянный угол атаки. Эффективность их лопастей была всего на 5% ниже, чем у лопастей, используемых через 100 лет. Понимание аэродинамики винтов на малых скоростях было завершено к 1920-м годам, хотя увеличение мощности и уменьшение диаметров добавили конструктивные ограничения. Альберто Сантос-Дюмон, еще один пионер, применил знания, полученные из опыта работы с дирижаблями, для создания винта со стальным валом и алюминиевыми лопастями для своего биплана 14 bis. В некоторых его конструкциях для лопастей использовался изогнутый алюминиевый лист, что позволяло создавать профиль крыла. Лопасти имели выраженную отрицательную кривизну, и это, в сочетании с отсутствием продольного кручения, делало их менее эффективными, чем пропеллеры Райт. Тем не менее, это, возможно, было первым применением алюминия в конструкции воздушного винта.
Теория
В девятнадцатом веке было предложено несколько теорий, касающихся пропеллеров. Теория импульса, или теория дискового привода – теория, описывающая математическую модель идеального пропеллера, – была разработана У. Дж. М. Ранкином (1865), А. Г. Гринхиллом (1888) и Р. Э. Фроудом (1889). Пропеллер моделируется как бесконечно тонкий диск, создающий постоянную скорость вдоль оси вращения и поток вокруг пропеллера. Винт, вращающийся в твердом теле, не будет иметь скольжения; однако, поскольку пропеллер работает в жидкости (воздухе или воде), неизбежны потери. Наиболее эффективны пропеллеры большого диаметра и с низкой частотой вращения, например, на крупных судах; наименее эффективны – пропеллеры малого диаметра и с высокой частотой вращения (например, на лодочных моторах). Рассматривая движение пропеллера вперед с точки зрения законов Ньютона, можно представить себе тягу как реакцию, пропорциональную массе жидкости, отбрасываемой назад за единицу времени, и скорости, которую пропеллер придает этой массе. На практике, потери при создании быстрого потока выше, чем при создании более тяжелого и медленного потока. (То же самое справедливо и для авиации, где турбовентиляторные двигатели большего диаметра, как правило, более эффективны, чем более ранние турбовентиляторные двигатели меньшего диаметра и даже турбореактивные двигатели, выбрасывающие меньшую массу на более высоких скоростях.)
Геометрия винта
Геометрия морского винтового пропеллера основана на спиральной поверхности. Эта поверхность может формировать набегающую кромку лопасти, либо поверхности лопастей могут быть описаны отступами от этой поверхности. Задняя кромка лопасти описывается отступами от спиральной поверхности аналогично тому, как профиль крыла может быть описан отступами от хорды. Поверхность шага может быть истинной спиралью или иметь изгиб для лучшего согласования угла атаки со скоростью потока над лопастями. Искривленная спираль описывается путем задания формы радиальной опорной линии и угла наклона в зависимости от радиального расстояния. Традиционный чертеж пропеллера включает в себя четыре части: вид сбоку, определяющий наклон лопасти и изменение толщины лопасти от основания до вершины, продольный разрез через ступицу и проекция контура лопасти на продольную центральную плоскость. Развернутый вид лопасти показывает формы сечений в различных радиусах, с набегающими поверхностями, параллельными базовой линии, и толщиной, параллельной оси. Контур, обозначенный линией, соединяющей передние и задние кромки сечений, изображает развернутый контур лопасти. Диаграмма шага показывает изменение шага с радиусом от основания до вершины. Поперечный вид показывает поперечную проекцию лопасти и развернутый контур лопасти. Небольшое количество судов используют пропеллеры с винглетами, аналогичными тем, что используются на некоторых крыльях самолетов, что уменьшает концевые вихри и повышает эффективность.
Модульный пропеллер
Модульный пропеллер обеспечивает больший контроль над характеристиками лодки. Нет необходимости менять весь пропеллер, если можно заменить только шаг или поврежденные лопасти. Возможность регулировки шага позволит владельцам лодок добиться лучших результатов на разной высоте, при занятиях водными видами спорта или во время круизов.
Пропеллер Voith Schneider
Пропеллеры Voith Schneider используют четыре нескрученных прямых лопасти, вращающиеся вокруг вертикальной оси, вместо лопастей с закруткой, и способны обеспечивать тягу в любом направлении в любой момент времени, что достигается за счет большей механической сложности.
Без вала
Винтовой движитель ободного типа интегрирует электродвигатель в кольцевой винт. Цилиндр выполняет функцию статора, а концы лопастей – ротора. Обычно они обеспечивают высокий крутящий момент и работают на низких оборотах, производя меньше шума. Система не требует вала, что снижает вес. Устройства могут быть установлены в различных местах по корпусу и управляться независимо, например, для облегчения маневрирования. Отсутствие вала позволяет использовать альтернативные конструкции кормовой части корпуса.
Тороидный
Скрученные тороидальные (кольцевые) пропеллеры, впервые изобретенные более 120 лет назад, заменяют лопасти на круговые кольца. Они значительно тише (особенно в слышимом диапазоне частот) и эффективнее традиционных пропеллеров как для воздушных, так и для водных применений. Конструкция распределяет вихри, создаваемые пропеллером, по всей поверхности, что способствует их более быстрому рассеиванию в атмосфере.
Защита вала
Для небольших двигателей, таких как лодочные моторы, где винт подвержен риску столкновения с крупными объектами, в конструкции винта часто предусматривается устройство, которое должно выйти из строя при перегрузке; это устройство или весь винт жертвуются, чтобы защитить более дорогую трансмиссию и двигатель. Как правило, в небольших (менее чем) и старых двигателях мощность двигателя при нормальных нагрузках передается через узкий сдвиговой штифт, установленный в приводном валу и ступице винта. Штифт рассчитан на сдвиг при воздействии на винт нагрузки, способной повредить двигатель. После сдвига штифта двигатель теряет способность приводить лодку в движение, пока не будет установлен новый штифт. В более крупных и современных двигателях крутящий момент от приводного вала к ступице винта передается резиновой втулкой. При возникновении повреждающей нагрузки сила трения втулки в ступице преодолевается, и вращающийся винт проскальзывает на валу, предотвращая перегрузку компонентов двигателя. После этого резиновая втулка может быть повреждена. В этом случае она может продолжать передавать сниженную мощность на низких оборотах, но может не обеспечивать мощность на высоких оборотах из-за уменьшения трения. Кроме того, резиновая втулка может разрушаться со временем, что приведет к ее выходу из строя при нагрузках ниже расчетной. Возможность замены или ремонта резиновой втулки зависит от конструкции винта; некоторые винты не допускают замены. Другие допускают замену, но требуют специального оборудования для запрессовки втулки увеличенного размера с натягом. Третьи можно заменить легко. "Специальное оборудование" обычно включает воронку, пресс и резиновое смазочное средство (мыло). Если нет доступа к токарному станку, можно изготовить импровизированную воронку из стальной трубы и автомобильной шпатлевки; поскольку шпатлевка подвергается только сжимающим усилиям, она может обеспечить удовлетворительный результат. Часто втулку можно запрессовать на место, используя лишь пару гаек, шайб и резьбовой шпильки. Более серьезной проблемой для этого типа винтов является "прикипевшая" шлицевая втулка, которая делает невозможным снятие винта. В таких случаях винт необходимо нагреть, чтобы намеренно разрушить резиновую вставку. После снятия винта шлицевую трубу можно срезать с помощью шлифовальной машинки, после чего потребуется новая шлицевая втулка. Чтобы предотвратить повторение проблемы, шлицы можно покрыть антипригарной антикоррозионной смазкой. В некоторых современных винтах резиновая втулка заменена твердой полимерной вставкой, называемой приводной гильзой. Шлицевое или другое некруглое поперечное сечение гильзы, установленной между валом и ступицей винта, передает крутящий момент двигателя винту, а не за счет трения. Полимер слабее компонентов винта и двигателя, поэтому он выходит из строя первым при перегрузке винта. Он разрушается полностью при чрезмерной нагрузке, но его легко заменить.
Вариации винта
Клевер – это тип гребного винта, специально используемый в гонках на лодках. Его передняя кромка имеет округлую форму, а задняя – прямую. Он создает небольшой подъем носовой части, поэтому его можно использовать на лодках, которым не требуется сильный подъем носа, например, на гидропланах, которые и так обладают достаточной гидродинамической подъемной силой в носовой части. Для компенсации недостатка подъема носовой части на транцевой части двигателя может быть установлен гидрокрыло. Гидрокрылья уменьшают подъем носа и помогают лодке выйти из режима глиссирования на режим скольжения.