По своему принципу действия современные движители делятся на активные и реактивные, а последние, в свою очередь, — на гидрореактивные и воздушно-реактивные.
Активный движитель — парус, создающий движущую силу за счет энергии ветра. Движители, создающие движущую силу за счет реакции отбрасываемых назад масс воды, называются гидрореактивными. К ним относятся весло, гребное колесо, винт, крыльчатый и водометный движители. Воздушно-реактивный движитель — воздушный винт.
Теперь ознакомимся с краткими характеристиками различных движителей.
С незапамятных времен до сегодняшних дней пользуется человек простейшим движителем — гребным веслом. С его помощью движение происходит за счет реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению судна.
Одним из древнейших движителей является и парус (рис. 50). Проекция на диаметрально противоположную плоскость подъемной силы У, приложенной к парусу, представляет собой движущую силу Р (Т — сила дрейфа). Если скорость ветра изобразить вектором И, скорость ветра относительно судна — вектором W, то вектор V будет равным по величине и противоположным по направлению скорости судна.
Первые паруса были одинарные. Изготовляли их сначала из кожи животных, а затем — из папируса и тонких бамбуковых дранок. Шить паруса из холста (парусины) люди научились намного позже, когда сумели получать из различных материалов холст.
XVI—XVIII века — период наибольшего развития парусного флота. В те времена появилось очень много отдельных частей парусов, названия которых выбирались не произвольно, а соответствовали определенной классификации. Они зависели от того, на какой мачте или в каком ярусе парусов находилась снасть. Вполне понятно, что управлять таким «хозяйством» было нелегко. Попутно следует сказать, что не совсем просто и запомнить всю парусную терминологию. И тем не менее, знать ее нужно, особенно тем, кто собирается делать модели парусных судов.
В заключение рассказа о парусах отметим, что парусники существуют и поныне. Это — учебные, спортивные и небольшие промысловые суда. Здесь уместно вспомнить известное парусное судно «Товарищ», на котором проходят практику будущие штурманы речного и морского флота.
Последующим, более совершенным движителем в судоходстве стали гребные колеса. Размещались они, как правило, по бортам судна и имели горизонтальную ось вращения, перпендикулярную направлению движения. Были две их конструктивные схемы: с неподвижными и поворотными плицами (лопастями) (рис. 51, 52). Последние применялись для безударного входа в воду.
Принцип хода судна при этих движителях заключается в следующем. Утопленные частично колеса отбрасывают лопастями воду назад и создают упор, который через вал передается судну, и оно начинает двигаться.
КПД гребных колес сравнительно высок, и упор они создают мощный. Но сам их вес и стоимость намного больше, чем гребных винтов. К тому же, гребные колеса намного увеличивают габариты судна, и, что самое основное,— они малоэффективны на волнении. По этой причине колеса устанавливали только на крупных речных буксирах и грузопассажирских судах, осадка которых незначительна, благодаря чему они могли плавать на мелководье.
Простота устройства и работы, надежность в эксплуатации и высокий коэффициент полезного действия — эти характеристики сделали гребной винт самым распространенным в судостроении (рис. 53).
Правда, конструкция первых гребных винтов существенно отличалась от нынешней.
Проект судна с винтом Архимеда впервые в 1752 году разработал член Петербургской Академии наук Даниил Бернулли. Он имел вид двухзаходного червяка, который устанавливался в трубе за кормой судна, перед рулем. Через три четверти века, в 1826 году чешский инженер Иосиф Рессел запатентовал винт с полной винтовой поверхностью. Интересно отметить, что при испытании такой конструкции англичанином Генри Смитом часть винта от удара об камень отломилась. Но после аварии судно пошло... быстрее. Этот случай навел на мысль использовать для гребного винта только часть винтовой поверхности, а именно — лопасти.
В 1843 году корабелом И. А. Амосовым был построен первый русский пароход «Отважный» с винтовым движителем.
Современные гребные винты по своей конструкции подразделяются на два типа: цельные (в них ступицы с лопастями изготовляются совместно) и винты со съемными лопастями. Последние применяются на судах, плавающих во льдах. Эти винты имеют еще одно название — винты фиксированного шага (ВФШ), а винт с механизмами, поворачивающими лопасти в ступице и изменяющие его шаг, называются винтом регулируемого шага (ВРШ).
ВФШ (см. рис. 53) бывают цельными, литыми, сварными или штампованными. Состоят они из таких элементов: ступицы, представляющей собой втулку, насаживаемую на конус шейки гребного вала, и лопастей, расположенных на ступице. Та часть лопасти, которая соединяет ее со ступицей, называется корнем лопасти, а верхняя — вершиной, или концом. Имеют свои названия и поверхности лопастей. Та, что обращена в сторону судна,— засасывающая поверхность. Противоположная ей — нагнетающая, в большинстве случаев представляющая собой правильную винтовую поверхность. Пересечение засасывающей и нагнетающей поверхностей образуют кромки лопастей.
Диаметр окружности, описанной вершиной лопасти, называется диаметром гребного винта D. У крупных судов он доходит до 6 м и более.
Различают гребные винты правого и левого вращения. Правила их различия такие: если винт завинчивается вращением по часовой стрелке,— это винт правого вращения, а если против — левого.
Чтобы понять, как возникает сила, движущая судно при вращении винта, надо рассмотреть те силы, которые действуют на элементарной площадке лопасти гребного винта. А происходит следующее. При вращении лопасти отбрасывают массу воды в одну из сторон. Реакция массы воспринимается нагнетающей поверхностью, создающей упор винта, который через ступицу и гребной вал передается на упорный подшипник. Все это преобразуется в силу, которая и движет судно.
Высокий КПД (до 0,7—0,8), небольшой вес и большая надежность — таковы отличительные характеристики гребных винтов. Размещают их обычно в кормовой оконечности. А на ледоколах, паромах и некоторых других судах, кроме кормовых, устанавливают и носовые винты. Чаще всего на судне имеется либо один в диаметральной плоскости, либо два винта, установленные симметрично по бортам. Реже бывают трех- и четырехвинтовые суда.
Передача мощности гребному винту от двигателя происходит через горизонтальный или наклонный гребной вал. Надо заметить, что у одновинтовых судов вал опирается на подшипник, расположенный в кормовой оконечности, а бортовые валы — на кронштейны или на так называемые выкружки гребных валов.
Как правило, на каждом гребном валу имеется один винт. Но иногда, в целях повышения КПД, применяют конструкцию из двух соосных винтов, которые вращаются в противоположные стороны. При этом внутри полого вала помещают второй вал. Один из винтов вращает наружный вал, а второй — внутренний (рис. 54). Бывают, но редко, конструкции с двумя винтами, вращающимися в одну сторону. Их называют винтами тандем — спаренными (рис. 55).
Чтобы изменять направление вращения винта (для реверсирования), нужно менять направление вращения вала двигателя на противоположное или же привести гребной вал во вращение с помощью специального двигателя заднего хода. Для упрощения этих операций используют винты с поворотными лопастями — ВРШ (рис. 56). Такие винты имеют конструкцию, позволяющую обеспечивать поворот лопастей в ступице во время работы винта на ходу судна из поста управления, расположенного в рубке. Этот поворот изменяет шаг винта, что, в свою очередь, изменяет величину создаваемого им упора. В результате скорость хода судна при неизменном числе оборотов гребного вала может увеличиваться или же уменьшаться. Эти винты могут также изменять и направление движения судна.
Суда с ВРШ имеют более высокие маневренные качества по сравнению с судами, пользующимися ВФШ. Кроме того, использование ВРШ дает возможность применять нереверсивные двигатели с упрощенной системой обслуживания. Все это сокращает износ их цилиндров примерно на 30—40 %, а также позволяет полнее использовать мощность машин, поддерживать высокий КПД винта.
Диск с вертикальной осью вращения и с 4—8 стальными лопастями, которые вращаются вокруг своих продольных осей, параллельных оси вращаемого диска, представляет собой крыльчатый движитель (рис. 57). Монтируется он так, что из корпуса выступают одни только лопасти. Во вращение диск приводится главным двигателем. Лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси на некоторый угол при помощи эксцентрикового устройства, которое находится внутри диска.
На лопастях, при вращении диска, как на крыле, возникает подъемная сила. Ее составляющая и создает упорное давление. Когда лопасти поворачиваются, изменяются величина упора и его направление. Благодаря этому можно изменять направление судна без руля. Оставляя неизменными скорость и направление вращения главной силовой установки, можно также варьировать величину упора или останавливать судно.
Конструкция крыльчатого движителя сложная, а стоимость большая. Вес его тоже намного больше веса гребного винта. Размещается этот движитель только в корме специальной формы. Его лопасти часто повреждаются, при килевой качке работает он плохо. Недостатком крыльчатого движителя является и то, что из-за больших механических потерь в передачах его КПД обычно не превышает 0,5—0,6. Применение такого движителя целесообразно на портовых буксирах, паромах, плавучих кранах, дноуглубительных снарядах, то есть на тех судах, для которых особенно важны высокие маневренные качества.
И наконец, водометные движители (рис. 58), которые состоят из водопроточных труб или каналов. Внутри этих труб (каналов) располагается насос, засасывающий воду через приемное отверстие и выбрасывающий ее через напорный трубопровод. Струя воды, устремляющаяся в сторону, противоположную движению, и создает ту силу, которая дает ход судну. Водометы бывают двух видов: у одних струя направляется под воду, у других — в атмосферу.
Обычно рабочим органом водометных движителей являются осевые пропеллерные насосы. Они могут быть одно-и многоступенчатыми, реже — центробежными.
Для поворота выбрасываемой струи водометные движители оборудуются устройствами, выполненными в виде насадок, а также специальными заслонками, которые служат для изменения направления струи. Благодаря этому судно обладает реверсированием хода без изменения направления вращения гребного вала.
У водометных движителей КПД меньше, чем у гребных винтов, поэтому они применяются только на тех судах, которые плавают в загрязненных акваториях и на мелководье. В таких условиях лучшая защищенность рабочего органа судна и его малая осадка имеют положительное значение. Надо отметить, что в последнее время водометы применяются и на быстроходных судах, среди которых — суда на подводных крыльях. Используются водометы не только как движители, а и в качестве подруливающих средств. Для этого в носовой части устанавливают трубу и располагают ее поперек судна. Приводимый в действие электродвигателем насос размещают в трубе. Он и создает упор, поворачивающий судно, когда выбрасывает воду на тот или иной борт.
Все названные выше движители, за исключением парусов, создают упор за счет отбрасывания масс воды. Но есть и такие суда, которые во время своего хода не имеют контакта с водой. Это — экранопланы и суда на воздушной подушке. Движителями у них являются воздушные винты, располагающиеся в насадке или в свободном потоке. Поскольку же принцип действия названных движителей совершенно схож с действием гребного винта, работающего в воде, ограничимся только упоминанием подобных судов.