КРЫЛЬЧАТЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ

Юный моделист-конструктор 1963 №4

В первом выпуске нашего сборника было помещено описание судна на подводных крыльях - "Метеор". Но это не единственное применение "крыльев" на судах.

В современном морском порту вы можете увидеть странную на первый взгляд картину: судно, движущееся по воде... боком. Если вода прозрачна и вы сможете заглянуть под корму, то удивитесь ещё больше, не обнаружив у судна руля. Однако, несмотря на это, судно свободно маневрирует.

Перед вами не что иное, как судно с крыльчатыми движителями, заменяющими и гребной винт и руль.

Крыльчатый движитель не похож на другие знакомые нам движители - гребной винт или гребное колесо. Его лопасти слегка напоминают вёсла, поставленные вертикально.

Voith Schneider Propeller

Рис.1

Крыльчатый движитель (рис. 1) состоит из нескольких вертикальных лопастей, расположенных на равных расстояниях по окружности вращающегося диска. Диск этот установлен заподлицо с обшивкой судна а круглом отверстии в днище судна. За пределы корпуса судна выступают только лопасти движителя, создающие силу упора, а все вспомогательные части, приводящие в движение диск с лопастями и связывающие его с корпусом судна, находятся внутри корпуса.

На каком же принципе основана работа крыльчатого движителя?

Лопасти крыльчатого движителя при вращении диска совершают два движения одновременно: вращаются вместе с диском вокруг его оси, и каждая лопасть поворачивается вокруг своей вертикальной оси то в . одну, то в другую сторону, не делая полного поворота. Благодаря этому при вращении диска вокруг своей оси каждая лопасть движителя поворачивается своей передней кромкой наружу в одной половине окружности вращения и внутрь - во второй половине окружности. Так как лопасть перемещается в воде всё время одной и той же кромкой вперёд, для создания большей силы упора и большей обтекаемости ее делают в форме авиационного крыла. Именно поэтому движитель и называют крыльчатым.

Чтобы лопасти перемещались в воде все время одной и той же кромкой вперёд, все лопасти крыльчатого движителя соединены тягой с одной точкой, так называемой точкой управления N. Каждая лопасть всегда расположена перпендикулярно к линии, соединяющей точку N и ось лопасти.

Чтобы понять принцип работы лопастей движителя, вполне достаточно привести следующую упрощённую схему (рис. 2).

Voith Schneider Propeller

Рис.2

При вращении диска движителя лопасть входит в воду под каким-то углом к касательной к данной точке окружности диска, и на нее будет давить вода с силой R, которую по правилам параллелограмма сил можно разложить на две составляющих силы (рис. 2, I): P - силу упора лопасти, направленную наружу от центра диска, и W - силу лобового сопротивления лопасти. Направление отбрасываемой движителем струи воды противоположно силе упора. В точке III (рис. 2) создастся аналогичное положение, только угол атаки лопасти будет отрицательным, а поэтому сила упора будет направлена к центру движителя О и будет складываться с силой упора первой лопасти, создавая полный упор движителя, двигающий судно и всегда направленный перпендикулярно отрезку ОN. В точках (рис. 2,II и IV) плоскости лопасти будут расположены параллельно касательной к окружности диска и не создадут силы упора.

Точку управления N с помощью специального устройства можно установить в любое положение по отношению к центру диска движителя О, изменяя этим самым направление отбрасываемой движителем струи воды, а следовательно, и упора движителя. Если поставить точку N над центром движителя О (рис. 3, I), то плоскости всех лопастей будут расположены параллельно касательным к окружности диска, проведённым в точках, где проходят оси лопастей. Сила упора в этом случае равна нулю, и, несмотря на то, что диск движителя будет вращаться, судно не сдвинется с места. Переместив точку N влево от центра О (рис. 3, II), мы даём судну передний ход, переместив вправо (рис. 3, IV) - задний ход, а переместив точку N вперёд от центра движителя, мы заставим корму судна двигаться вправо (рис. 3, III) и т. д. Благодаря этому судно с крыльчатым движителем может двигаться вперед и назад и изменять направление своего движения, не имея руля, а если поставить на судно два движителя, то оно сможет перемещаться даже боком.

Voith Schneider Propeller

Рис.3

Внимательно рассматривая рисунок 3, можно заметить, что движитель все время вращается в одну и ту же сторону, а судно перемещается в разные стороны.

Пользуясь этим свойством движителя, на судах можно устанавливать более простые двигатели - нереверсивные, то есть не меняющие направления вращения. Такие двигатели легче по весу по сравнению с реверсивными, проще по устройству и уходу за ними и значительно дешевле реверсивных.

Однако у крыльчатых движителей имеются и недостатки, основным из которых является сложность передачи вращения от двигателя к движителю, благодаря чему двигатели больших мощностей (свыше 5000 л. с.) с крыльчатыми движителями использовать нельзя, а это ограничивает размеры судов, на которых такие движители применяются.

Тем не менее основные свойства судов с крыльчатыми движителями - возможность иметь боковой ход, поворачиваться на месте, быстро изменять направление движения - делают такие суда незаменимыми при плавании в "узкостях": в каналах, на реках и в портах. Крыльчатые движители с успехом применяют на речных пассажирских судах, на портовых кранах и буксирах; производятся эксперименты по применению крыльчатых движителей на рыболовных траулерах.

На судах крыльчатые движители устанавливаются в местах, которые наиболее удобны для данного типа судна. На пассажирских судах движители устанавливаются в корме, на буксирах - в корме или в носу, на портовых кранах - посередине корпуса.

За образец модели судна с крыльчатым движителем можно взять буксир с движителем, установленным в носовой части судна. Такой буксир (теоретический чертеж его приведен на рис. 4) длиной 24,6 м, шириной 7,6 м

Voith Schneider Propeller

Рис.4

имел осадку 3 м (с лопастями движителя 3,8 м) и развивал скорость 10,3 узла (19,9 км/час) при мощности двигателя 552 кет (750 л. с.) с 320 об/мин; число оборотов движителя составляло 65 в минуту, а его диаметр - 3,66 м.

Voith Schneider Propeller

Рис.5

Журнал ГДР "Modelbau und Basteln" № 10 за 1960 год приводит следующее описание модели крыльчатого движителя. К днищу судна (рис. 5) прикреплен круглый кожух 1, внутри которого расположен ротор движители 2 с верхним и нижним дисками 3. Сквозь диски ротора 3 пропущены оси 4, к которым прикреплены лопасти 5. Сквозь верхний диск ротора пропущен трубчатый гребной вал 6, который с помощью фланца прикреплён к диску снизу. Дальше вал проходит сквозь фигурную крышку 7, прикреплённую к кожуху 1. Поверх крышки на вал надето и прижато к валу установочное кольцо 8, а поверх установочного кольца надет и прикреплён к валу ведущий шкив 9. На шкив надевается приводной ремень 10, идущий от приводного шкива 11 сидящего на валу 12 двигателя 13 (рис. 6). Верхний конец вала 12 вращается в подшипнике 14. прикрепленном к палубе модели.

Voith Schneider Propeller

Рис.6

Сквозь трубчатый гребной вал 6 пропущен рулевой вал 15, на котором поверх шкива 9 надето установочное кольцо 8а. На верхний конец рулевого вала насажено червячное колесо 16, приводимое во вращение червячным приводом от маленького электродвигателя 17. Червячная передача подбирается с таким расчётом, чтобы червячное колесо 16, а с ним и вал 15 могли бы делать 8-10 об/мин. Тогда модель сможет изменить ход с "полного вперёд" до "полного назад" через 6-8 сек. На нижний конец рулевого вала 15 насажен эксцентрик 18 с пальцем 19. На палец надеты концы тяг 20, идущих к кривошипам 21, поворачивающим лопасти. На оси 4 лопастей 5 надеваются втулки 22, на которых держатся кривошипы.

При таком устройстве эксцентрика 18 (рис. 7) модель будет перемещаться вперед и поворачивать в заданном направлении. Изменять же скорость движения и останавливать судно можно, только изменяя число оборотов двигателя или останавливая его.

Voith Schneider Propeller

Рис.7

Это происходит потому, что величина OA (в данном случае расстояние от оси 15 до пальца 19) остаётся все время постоянной. Изменять величину упора, передвигая точку N ближе к центру О или же в самый центр О, и тем останавливать движение судна (рис. 3, I) невозможно. Величину ON в этой модели берут в пределах 1/6 - 1/3,5 радиуса диска движителя. При большей или меньшей величине эксцентрицитета угол атаки будет или слишком велик, или слишком мал, поэтому лопасти не создадут необходимой силы упора.

Лопасти движителя делают из тонкого металлa (рис. 8), причём передний валик, на котором загибают металл, берут вдвое толще оси лопасти.

Voith Schneider Propeller

Рис.8

В описании этой модели никаких рекомендаций относительно числа лопастей, их размеров и формы не даётся, поэтому лучше обратиться к расчетам настоящих движителей.

Для простоты модели число лопастей лучше всего принять равным 4, так как у настоящих движителей число лопастей меняется в пределах от 4 до 8. Длину лопасти определяют по размерам диаметра диска движителя (около 0,7 этого диаметра), а ширину лопасти берут в пределах 0,3 её длины. Эта ширина принимается в самой верхней части лопасти, так как форму лопасти принимают за половину эллипса с полуосями, равными длине лопасти и половине её наибольшей ширины (ширины у корня).

Величина полного упора движители T выражается формулой:

T=F*D2*n2,

где:

F - общая площадь лопастей,
D - диаметр ротора движителя,
n - число оборотов движителя.

Отсюда видно, что наиболее выгодно принимать возможно больший диаметр ротора, так как с его увеличением растёт и площадь лопастей. Например, на буксире, приведённом на рисунке 4, диаметр ротора движителя равен почти половине ширины буксира. В техническом кружке вы вполне сможете изготовить модели движителя с полной регулировкой управления, подобной применяемой в настоящих движителях.

Voith Schneider Propeller

Рис.9

В такой модели (рис. 9) для перемещения пальца 19 в положение над центром движителя (то есть для того, чтобы у лопастей не было упора и судно останавливалось) или для перемещения в какое-то промежуточное положение между крайним и центральным (чтобы изменить угол атаки лопастей и величину упора), рулевой вал 15 также делают трубчатым и сквозь него пропускают регулировочный вал 23, на верхнем конце которого насажено червячное колесо 24, приводимое во вращение вторым небольшим электродвигателем 25 с помощью червяка 26 (рис 10). На нижнем конце регулировочного вала 23 крепят кронштейн 28, в котором палец 19 эксцентрика перемещается с помощью ползунка 29. Эксцентрик 18 делается составным. Рулевой вал 15 поворачивает эксцентрик вместе с кронштейном 28, а при повороте регулировочного вала 23 эксцентрик 18а начинает поворачиваться и перемещать ползунок 29 с пальцем 19 по кронштейну 28, устанавливая его в нужное положение (рис. 11, 1-4). Для упрощения эксцентрик 18 можно сделать не составным, а в виде вилки (рис. 11, 5).

Voith Schneider Propeller

Рис.10

Voith Schneider Propeller

Рис.11

В связи с тем, что палец 19 должен перемещаться и по тягам 20, эти тяги делают в виде вилок (рис. 12).

Voith Schneider Propeller

Рис.12

Модель судна с крыльчатым движителем должна иметь или программное управление, или управление по радио, так как иначе будет невозможным выявить на ходу все качества крыльчатого движителя. Попробуйте в своем кружке построить модель судна с крыльчатым движителем и напишите нам в редакцию, что у вас из этого получилось.

Н. ГРИГОРЬЕВ, капитан дальнего плавания

BACKHOME