За кормой, в пенной струе

Химия и жизнь 1976 №10

Юркий гоночный скутер и полукилометровой длины танкер, атомная подводная лодка и речной буксир - эти непохожие друг на друга суда и еще десятки других движутся в воде и под водой с помощью гребного винта. Девять современных самоходных судов из десяти - винтовые.

Гидробиологи изучили сотни обитателей рек, озер и океанов - от креветки до кальмара, от тюльки до кита, тщательно исследовали способы их передвижения в воде. Ни одного из них природа не наделила чем-либо напоминающим гребной винт. Как и колесо, главный движитель современного флота не имеет аналогов в природе. Корабельный винт -потомок созданного гениальным Архимедом винта для подъема воды. Если вспомнить еще и закон Архимеда, окажется, что судоходство сегодня дважды обязано великому сиракузцу...

В 1793 году французский математик Понтон предложил использовать для движения судов гребной винт. Спустя три десятилетия чешский изобретатель И. Рессель создал первую конструкцию винта - шнек. А в 1836 году случайная авария привела к тому, что шнек уступил место винту сегодняшней формы - лопастному. Во время испытаний длинный, как у мясорубки, шнек обломился, и судно пошло быстрее.

В 1849 году преимущества гребного винта были доказаны в честной борьбе. Английские пароходы - винтовой "Нигер" и колесный "Базилиск", оба с машинами по 400 л.с., связанные тросами, направились в противоположные стороны. Это было нечто вроде состязания по перетягиванию каната. Больше часа винтовой корабль тянул своего соперника со скоростью 1,5 узла.

Правда, после этого состязания колесные пароходы строили еще не одно десятилетие. Но скорее всего, по инерции...

Лидер мирового танкерного флота "Глобтик Токио" имеет на борту двигатели общей мощностью 45 000 л. с., мощность двигателей ледокола "Ермак" - 42 0 л. с., пассажирского лайнера "Куин Элиэабет-2" - 11 000 л. с. Но получить энергию-это еще не все: её надо использовать.

Судно движется, отбрасывая потоки воды, иными словами, все самоходные суда - гидромёты. Колеса отбрасывают воду, нажимая на нее лопастью - плицей. У винта этот процесс сложнее. Каждая его лопасть служит своеобразным крылом. При вращении лопасти в толще воды на одной поверхности крыла образуется зона разрежения, а на другой - сжатия. Перепад давлений и создает подъемную сипу попасти, а сумма подъемных сил лопастей - упор винта. В отличие от обыкновенного шурупа, головка которого перемещается при каждом обороте на шаг винтовой пинии, гребной винт как бы снимает нарезку, отбрасывая назад массу воды. Чем больше эта масса, тем сильнее упор и тем лучше винт.

Казалось бы, для увеличения упора достаточно увеличить обороты. Но при этом происходит уже не смятие, а разрыв невидимой водяной нарезки. Давление на передней кромке лопасти падает еще больше, и вода вскипает, образуя многочисленные пузырьки. Как только пузырёк вылетает из зоны пониженного давления, он схлопывается: его сжимает толща воды. Гибель каждого пузырька сопровождается микровзрывом.

Взрывные удары пузырьков о лопасть винта вызывают не только шум и вибрацию. С металла срывается защитная окисная пленка, начинается кавитационная эрозия. Лопасть винта, подверженного кавитации, напоминает изрешеченную пулями мишень.

Кавитация возникает при определенных оборотах винта. Чтобы избавиться от этого крайне неприятного явления, нужно обороты уменьшить. Но тогда упадет упор винта, его тяга.

Борьба с навигационной эрозией металла привела к парадоксальному техническому решению: кавитацию решили усилить. Были созданы винты с лопастями специального профиля. При сверхвысоких оборотах навигационные пузырьки стали покрывать всю рабочую поверхность лопасти, образуя огромный паровой пузырь. Повышение оборотов такого винта почти не изменяет давления в паровом пузыре, а давление сзади лопасти и общий упор возрастают. Такие винты получили название суперкавитирующих. Для обычных судов они малоэффективны, ко незаменимы, когда нужно достичь скоростей, превышающих 40 узлов. Например, советский газотурбоход на подводных крыльях "Тайфун" снабжен суперкавитирующим винтом.

Лопасти кружатся в непрерывном хороводе. Достаточно одной из них "сбиться с такта", чтобы начал вибрировать весь винт, а за ним и вся корма. Случалось, что из-за вибрации винта приходилось перестраивать судно. Вот почему винты с особой тщательностью балансируют, форму лопастей и их наклон выверяют специальными шаблонами, поверхность шлифуют до зеркального блеска не реже одного раза в год. Если при осмотре проработавшего какое-то время винта на его поверхности обнаруживают выбоины глубже одного миллиметра, их зашпаклевывают эпоксидными компаундами и вновь шлифуют до зеркального блеска.

Особая проблема - выбор металла для винта. Из-за сильной коррозии в морской воде обычные стали практически неприемлемы. Достаточно сказать, что на ледоколе "Мурманск" за два года эксплуатации каждая винтовая лопасть потеряла в весе 200 килограммов. Это - попасти из специальных легированных сталей!

В последние годы все чаще корабельные винты делают из латуни или бронзы. Коррозионная стойкость латуни в сто раз больше, чем у обычной стали. Но в морской воде и латунь подвержена коррозии - из неё вымывается цинк. Участки с пониженным содержанием цинка покрываются трещинами, прочность лопастей падает. Небольшая трещина при каждом повороте винта то открывается, то закрывается, продукты коррозии шлифуют ее края, расширяют ее. И вот наступает момент, когда металл не выдерживает и разламывается...

Латунь - металл не очень прочный. Для высокооборотных винтов чаще используют марганцовистую алюминиевую или никель-алюминиевую бронзу, прочность которой близка к прочности легированных сталей, а стойкость в морской воде в несколько раз выше, чем у латуни. Из таких бронз отливают винты весом больше 50 тонн для современных контейнеровозов и супертанкеров.

Однако такие сплавы не выдерживают столкновения даже с легкими льдами. Поэтому для ледоколов приходится изготовлять винты из легированной нержавеющей стали, в которую входят и медь, и марганец, и никель, и титан и еще ряд добавок.

Рассказ о современных материалах для корабельных винтов будет неполным, если не упомянуть о пластмассах. На судах уже устанавливают литые нейлоновые винты. Но только на судах небольших. Даже окантованные стальными листами нейлоновые лопасти не выдерживают гигантских механических нагрузок, которые несут винты крупных кораблей. Но ведь гребной винт существует полтораста лет, а первые опыты с пластмассовыми лопастями начались всего лишь лет десять назад...

Р. КОРОТКИЙ, М. НЕЙДИНГ