Как работает корабельный винт

Корабельный винт толкает судно вперёд ровно потому, что отбрасывает воду назад. Каждая его лопасть - это крыло, поставленное под углом и вращающееся вместе с валом. Обтекая лопасть, вода разгоняется и отклоняется в сторону кормы, а сама лопасть получает силу в противоположном направлении. Сложив силы со всех лопастей, получаем упор, который через вал и упорный подшипник передаётся корпусу. Никакого ввинчивания в воду, как в гайку, здесь нет: винт работает не с твёрдой резьбой, а с текучей средой, которая ему поддаётся, и вся инженерия сводится к тому, чтобы отбросить как можно большую массу воды, изменив её скорость как можно меньше.

Тяга - это отброшенная масса

Проще всего понять винт через количество движения. За секунду через диск, который очерчивают вращающиеся лопасти, проходит некоторая масса воды. Винт добавляет ей скорость назад. Произведение этой массы на прирост скорости и есть упор.

Отсюда сразу следует главный вывод про эффективность. Одну и ту же тягу можно получить двумя способами: сильно разогнать маленькую струю или чуть подтолкнуть очень большую. Но энергия, которую приходится вложить, зависит от квадрата добавленной скорости, а тяга - только от первой степени. Значит, выгоднее второй путь: большой медленный винт эффективнее маленького быстрого. Именно поэтому у крупных судов винты диаметром до девяти-десяти метров вращаются всего 70-100 оборотов в минуту, а на моторной лодке крошечный винт крутится тысячами оборотов и тратит топливо куда расточительнее.

Часть энергии неизбежно уходит в закрутку струи и в вихри с концов лопастей. Хороший судовой винт на расчётном режиме превращает в полезную тягу порядка шестидесяти-семидесяти процентов подведённой на вал мощности, и вытянуть этот показатель выше удаётся только специальными ухищрениями.

Лопасть - это крыло

Разрез лопасти по любому радиусу даёт профиль, очень похожий на крыло самолёта: скруглённая входящая кромка, выпуклая спинка, более плоская нагнетательная сторона. Вода, обтекая профиль под небольшим углом атаки, идёт по спинке быстрее и с пониженным давлением, по нагнетательной стороне медленнее и с повышенным. Разница давлений на всей площади лопасти и создаёт силу.

Из этого следует, что винт может работать в широком диапазоне режимов и не любит грубых углов. Поставьте лопасть слишком круто - поток на спинке сорвётся, как срывается на крыле при потере скорости, и вместо тяги получится размешивание воды с гулом и вибрацией. Поставьте слишком полого - тяги не хватит. Всё проектирование винта в конечном счёте про то, чтобы угол атаки на каждом участке лопасти остался в рабочем диапазоне при заданной скорости хода и оборотах.

Шаг и скольжение

Шагом винта называют расстояние, на которое он продвинулся бы за один оборот, если бы вода была твёрдой, как гайка. Это чисто геометрическая величина, заданная углом установки лопастей.

Реальное продвижение всегда меньше, потому что вода не твёрдая и подаётся назад. Разницу между теоретическим и фактическим продвижением называют скольжением, и у транспортного судна на ходовом режиме она составляет примерно 10-30 процентов. Скольжение - не потеря и не дефект: без него не было бы и тяги вовсе. Именно то, что вода отступает, означает, что винт передал ей количество движения.

Соотношение шага и диаметра - главный компромисс конструкции. Винт с большим шагом даёт высокую скорость на расчётном режиме, но тяжело трогает судно с места и перегружает машину. Винт с малым шагом хорошо тянет на малом ходу, но упирается в потолок по скорости, раскручивая двигатель до предела. Буксир и скоростной катер требуют разных винтов при одинаковой мощности.

Почему лопасть закручена

Если посмотреть на лопасть с торца, видно, что у корня она стоит гораздо круче, чем у конца. Это не украшение, а прямое следствие геометрии вращения.

Точка на конце лопасти движется по окружности большего радиуса и потому идёт быстрее, чем точка у ступицы, при одном и том же числе оборотов. При этом скорость набегающего потока вдоль оси у них одинаковая - её задаёт ход судна. Складывая продольную и окружную скорости, получаем, что направление набегающего потока у конца лопасти гораздо ближе к плоскости вращения, чем у корня. Чтобы угол атаки на всех радиусах остался примерно одинаковым и рабочим, лопасть приходится закручивать. Ровно ту же логику можно увидеть у вертолётного винта и у воздушного винта самолёта.

Кавитация: вода закипает от скорости

Самый интересный враг судового винта - кипение холодной воды. Вода кипит не при ста градусах как таковых, а тогда, когда давление вокруг падает ниже давления её насыщенного пара. При комнатной температуре это всего около 2,3 килопаскаля, то есть примерно сороковая часть атмосферного давления.

На спинке быстро вращающейся лопасти давление как раз и понижается. Если оно упадёт до этого порога, вода вскипит прямо на поверхности лопасти: возникнут паровые каверны. Затем поток унесёт их в область нормального давления, и пузырьки схлопнутся. Схлопывание крошечной каверны - явление жестокое: жидкость сходится к центру, образуя микрострую, а локальные давления в этот момент измеряются тысячами атмосфер.

Последствий три, и все скверные. Первое: кавитационная эрозия, когда поверхность лопасти буквально выедается кавернами до губчатого состояния. Второе: шум и вибрация - схлопывание пузырьков даёт широкополосный треск, слышный за многие мили, и по нему подводные лодки распознают надводные суда. Третье: провал тяги, потому что часть лопасти работает уже не в воде, а в паре. Борются с кавитацией увеличением площади лопастей, снижением оборотов и заглублением винта. У сверхбыстрых катеров идут обратным путём: делают винт заведомо суперкавитирующим, с клиновидным профилем, чтобы каверна замыкалась уже за лопастью и не повреждала её.

Сколько лопастей и почему они кривые

Число лопастей у судовых винтов обычно от трёх до семи, и выбирается оно не по тяге, а по вибрации. Каждый раз, когда лопасть проходит мимо кронштейна вала, руля или под самым корпусом, она попадает в зону возмущённого потока и на мгновение меняет нагрузку. Эти толчки повторяются с частотой, равной числу оборотов, умноженному на число лопастей, и корпус может отозваться на них резонансом. Поэтому число лопастей подбирают так, чтобы не попасть в собственные частоты корпуса и валопровода.

Той же цели служит саблевидная форма, при которой лопасть заметно отогнута назад по ходу вращения. Отогнутая лопасть входит в возмущённую зону не вся разом, а постепенно, от корня к концу, и вместо резкого толчка получается плавное изменение нагрузки. Шум и вибрация падают. У винтов, для которых тишина важнее всего, эта форма доводится до крайности, и лопасти становятся похожи на изогнутые серпы.

Как винтом управляют

Простейший вариант - винт фиксированного шага, жёстко насаженный на вал. Чтобы дать задний ход, приходится останавливать и реверсировать сам двигатель или разворачивать поток через реверс-редуктор.

Более гибкая схема - винт регулируемого шага, у которого лопасти поворачиваются в ступице вокруг своих осей гидравликой изнутри вала. Двигатель при этом всё время вращается в одну сторону с постоянными оборотами, а тяга задаётся углом лопастей, вплоть до нулевого упора и полного заднего хода. Это ценят там, где режимы меняются постоянно: у буксиров, паромов, траулеров.

Есть и полезный побочный эффект вращения, который знает каждый судоводитель. Верхняя и нижняя половины диска винта работают в разных условиях: внизу давление воды выше, а поток у корпуса несимметричен. В итоге вращающийся винт слегка уводит корму в сторону, особенно заметно на заднем ходу и при отходе от причала. Никакой мистики тут нет, это следствие несимметричного обтекания.

Наконец, винт можно не просто вращать, а поворачивать целиком. В азимутальной колонке весь движительный блок разворачивается на 360 градусов, и судно получает тягу в любую сторону без руля вообще. Крупные пассажирские суда швартуются именно так.

Откуда он взялся

Первые пароходы ходили под гребными колёсами. Колесо было понятной конструкцией, но имело врождённые пороки: оно выходило из воды на волнении, меняло глубину погружения от загрузки судна и занимало борта.

Идея вращающегося винтового движителя восходит ещё к архимедову винту для подъёма воды, а рабочие патенты появились в 1836 году сразу у двух изобретателей независимо - у англичанина Фрэнсиса Смита и работавшего в Британии шведа Джона Эрикссона. Практика показала, что лучше всего работает не длинная спираль в несколько витков, а короткий сегмент с широкими лопастями - то есть привычный нам винт.

Спор с колёсными пароходами разрешился наглядно. В 1845 году британский флот устроил перетягивание каната между двумя однотипными по мощности пароходами: винтовым и колёсным. Их связали кормами и дали полный ход в разные стороны. Винтовой утащил колёсного за собой. После этого винт стал стандартом, и с тех пор изменились только материалы, профили и точность расчёта - принцип остался прежним. Тот же движитель работает и у подводной лодки, только там к нему предъявляют ещё и требование бесшумности.