Види суднових двигунів (Кораблі
Для перетворення механічної роботи суднової силової установки на рухову, тобто в таку, коли долається опір води і створюється поступальний рух судна, необхідні певні пристрої — рушії .
За своїм принципом дії сучасні рушії діляться на активні і реактивні, а останні, у свою чергу, - на гідрореактивні і повітряно-реактивні.
Активний рушій - вітрило, що створює рушійну силу за рахунок енергії вітру. Двигуни, що створюють рушійну силу за рахунок реакції мас води, що відкидаються назад, називаютьсягідрореактивними. До них відносяться весло, гребне колесо, гвинт, крильчатий та водометний рушії. Повітряно-реактивний рушій - повітряний гвинт.
Тепер ознайомимося з короткими характеристиками різних двигунів.
З незапам'ятних часів до сьогодні користується людина найпростішим рушієм — гребним веслом. З його допомогою рух відбувається за рахунок реакції мас води, що відкидається убік, протилежний руху судна.
Одним з найдавніших рушіїв є і вітрило (рис. 50). Проекція на діаметрально протилежну площину підйомної сили У, прикладеної до вітрила, є рушійною силою Р (Т — сила дрейфу). Якщо швидкість вітру зобразити вектором І швидкість вітру щодо судна — вектором W, то вектор V буде рівним за величиною і протилежним у напрямку швидкості судна.
Перші вітрила були одинарні. Виготовляли їх спочатку зі шкіри тварин, а потім з папірусу і тонких бамбукових дранок. Шити вітрила з полотна (парусини) люди навчилися набагато пізніше, коли зуміли отримувати з різних матеріалів полотно.
XVI-XVIII століття - період найбільшого розвитку вітрильногофлоту. На той час з'явилося дуже багато окремих частин вітрил, назви яких вибиралися не довільно, а відповідали певної класифікації. Вони залежали від того, на якій щоглі чи в якому ярусі вітрил знаходилася снасть. Цілком зрозуміло, що керувати таким «господарством» було нелегко. Принагідно слід сказати, що не просто і запам'ятати всю вітрильну термінологію. Проте знати її потрібно, особливо тим, хто збирається робити моделі вітрильних суден.
На закінчення розповіді про вітрила відзначимо, що вітрильники існують і досі. Це — навчальні, спортивні та невеликі промислові судна. Тут доречно згадати відоме вітрильне судно «Товариш», на якому проходять практику майбутні штурмани річкового та морського флоту.
Наступним, досконалішим рушієм у судноплавстві сталигребные колеса. Розташовувалися вони, зазвичай, бортами судна і мали горизонтальну вісь обертання, перпендикулярну напрямку руху. Були дві їх конструктивні схеми: з нерухомими та поворотними плицами (лопатями) (рис. 51, 52). Останні застосовувалися для ненаголошеного входу у воду.
Принцип ходу судна при цих рушіях ось у чому. Втоплені частково колеса відкидають лопатями воду назад і створюють упор, який через вал передається судну, і воно починає рухатися.
ККД гребних коліс порівняно високий, і наголос вони створюють потужний. Але сама їхня вага та вартість набагато більша, ніж гребних гвинтів. До того ж, гребні колеса набагато збільшують габарити судна, і, що найголовніше, вони малоефективні на хвилюванні. З цієї причини колеса встановлювали тільки на великих річкових буксирах і вантажопасажирських суднах, осідання яких незначне, завдяки чому вони могли плавати на мілководді.
Простота пристрою та роботи,надійність в експлуатації та високий коефіцієнт корисної дії — ці характеристики зробили гребний гвинт найпоширенішим у суднобудуванні (рис. 53).
Щоправда, конструкція перших гребних гвинтів суттєво відрізнялася від нинішньої.
Проект судна з гвинтом Архімеда вперше 1752 року розробив член Петербурзької Академії наук Данило Бернуллі. Він мав вигляд двозахідного черв'яка, що встановлювався у трубі за кормою судна перед кермом. Через три чверті століття, 1826 року чеський інженер Йосип Рессел запатентував гвинт з повною гвинтовою поверхнею. Цікаво відзначити, що при випробуванні такої конструкції англійцем Генрі Смітом частина гвинта від удару об камінь відламалася. Але після аварії судно пішло. швидше. Цей випадок навів на думку використовувати для гребного гвинта лише частину гвинтової поверхні, а саме лопаті.
1843 року корабелом І. А. Амосовим було збудовано перший український пароплав «Відважний» із гвинтовим рушієм.
Сучасні гребні гвинти за своєю конструкцією поділяються на два типи:цілісні(у них маточини з лопатями виготовляються спільно) ігвинти зі знімними лопатями. Останні використовуються на суднах, що плавають у льодах. Ці гвинти мають ще одну назву - гвинти фіксованого кроку (ВФШ), а гвинт з механізмами, що повертають лопаті в ступиці і змінюють його крок, називаються гвинтом регульованого кроку (ВРШ).
ВФШ (див. рис. 53) бувають цільними, литими, звареними або штампованими. Складаються вони з таких елементів: маточини, що є втулкою, що насаджується на конус шийки гребного валу, і лопатей, розташованих на маточині. Та частина лопаті, яка з'єднує її зі маточицею, називається корінням лопаті, а верхня — вершиною, або кінцем. Мають свої назви таповерхні лопат. Та, що звернена в бік судна, поверхня, що засмоктує. Протилежна їй — нагнітальна, що здебільшого є правильною гвинтовою поверхнею. Перетин засмоктує і нагнітає поверхонь утворюють кромки лопатей.
Діаметр кола, описаного вершиною лопаті, називаєтьсядіаметром гребного гвинтаD. У великих суден він доходить до 6 м і більше.
Розрізняють гребні гвинти правого та лівого обертання. Правила їх відмінності такі: якщо гвинт загвинчується обертанням за годинниковою стрілкою, це гвинт правого обертання, а якщо проти лівого.
Щоб зрозуміти, як виникає сила, що рушить судно під час обертання гвинта, треба розглянути ті сили, які діють на елементарному майданчику лопаті гребного гвинта. А відбувається таке. При обертанні лопаті відкидають масу води одну зі сторін. Реакція маси сприймається поверхнею, що нагнітає, що створює упор гвинта, який через маточину і гребний вал передається на завзятий підшипник. Все це перетворюється на силу, яка і рухає судно.
Високий ККД (до 0,7-0,8), невелика вага і велика надійність - такі відмінні характеристики гребних гвинтів. Розміщують їх зазвичай у кормовому краю. А на криголамах, поромах та деяких інших судах, крім кормових, встановлюють носові гвинти. Найчастіше на судні є один у діаметральній площині, або два гвинти, встановлені симетрично по бортах. Рідше бувають три- і чотиригвинтові судна.
Передача потужності гребному гвинту від двигуна відбувається через горизонтальний або похилий вал гребний. Потрібно зауважити, що у одногвинтових суден вал спирається на підшипник, розташований у кормовому краю, а бортові вали — на кронштейни або на так звані кружки гребних валів.
Якправило, кожному гребном валу є один гвинт. Але іноді, з метою підвищення ККД застосовують конструкцію з двох співвісних гвинтів, які обертаються в протилежні сторони. При цьому всередині порожнистого валу поміщають другий вал. Один із гвинтів обертає зовнішній вал, а другий — внутрішній (рис. 54). Бувають, але рідко конструкції з двома гвинтами, що обертаються в один бік. Їх називаютьгвинтами тандем- спареними (рис. 55).
Щоб змінювати напрямок обертання гвинта (для реверсування), потрібно змінювати напрямок обертання вала двигуна на протилежне або привести гребний вал у обертання за допомогою спеціального двигуна заднього ходу. Для спрощення цих операцій використовують гвинти з поворотними лопатями - ВРШ (рис. 56). Такі гвинти мають конструкцію, що дозволяє забезпечувати поворот лопатей у маточині під час роботи гвинта на ходу судна з посади управління, розташованого в рубці. Цей поворот змінює крок гвинта, що, у свою чергу, змінює величину упору, що створюється ним. В результаті швидкість ходу судна при незмінному числі обертів гребного валу може збільшуватися або зменшуватися. Ці гвинти можуть також змінювати напрям руху судна.
Судна з ВРШ мають більш високі маневрені якості порівняно з суднами, які мають ВФШ. Крім того, використання ВРШ дозволяє застосовувати нереверсивні двигуни зі спрощеною системою обслуговування. Все це скорочує зношування їх циліндрів приблизно на 30-40%, а також дозволяє повніше використовувати потужність машин, підтримувати високий ККД гвинта.
Диск з вертикальною віссю обертання і з 4-8 сталевими лопатями, які обертаються навколо своїх поздовжніх осей, паралельних осі диска, що обертається, являє собою крильчатий рушій (рис. 57). Монтується він так, що з корпусу виступаютьодні тільки лопаті. Під час обертання диск наводиться головним двигуном. Лопаті можуть повертатись навколо своєї поздовжньої осі на деякий кут за допомогою ексцентрикового пристрою, що знаходиться всередині диска.
На лопатях при обертанні диска, як на крилі, виникає підйомна сила. Її складова і створює наполегливий тиск. Коли лопаті повертаються, змінюються величина упору та його напрямок. Завдяки цьому можна змінювати напрямок судна без керма. Залишаючи незмінними швидкість та напрямок обертання головної силової установки, можна також варіювати величину упору або зупиняти судно.
Конструкція крильчатого рушія складна, а ціна більша. Вага його теж набагато більша за вагу гребного гвинта. Розміщується цей рушій лише у кормі спеціальної форми. Його лопаті часто пошкоджуються, при кільовій хитавиці працює він погано. Недоліком крильчатого рушія є і те, що через великі механічні втрати в передачах його ККД зазвичай не перевищує 0,5-0,6. Застосування такого рушія доцільно на портових буксирах, поромах, плавучих кранах, днопоглиблювальних снарядах, тобто тих судах, котрим особливо важливі високі маневрені якості.
І нарешті,водометні рушії(рис. 58), які складаються з водопроточних труб або каналів. Усередині цих труб (каналів) розташовується насос, що засмоктує воду через прийомний отвір і викидає її через напірний трубопровід. Струмінь води, що прямує убік, протилежну руху, і створює ту силу, яка дає хід судну. Водомети бувають двох видів: в одних струмінь прямує під воду, в інших - в атмосферу.
Зазвичай робочим органом водометних рушіїв є осьові пропелерні насоси. Вони можуть бути одно- і багатоступінчастими, рідше відцентровими.
Для повороту струменя, що викидається, водометні рушії обладнуються пристроями, виконаними у вигляді насадок, а також спеціальними заслінками, які служать для зміни напрямку струменя. Завдяки цьому судно має реверсування ходу без зміни напрямку обертання гребного валу.
У водометних рушіїв ККД менше, ніж у гребних гвинтів, тому вони застосовуються тільки на суднах, які плавають у забруднених акваторіях і на мілководді. У таких умовах найкраща захищеність робочого органу судна та його мала осідання мають позитивне значення. Слід зазначити, що останнім часом водомети застосовуються і на швидкохідних суднах, серед яких судна на підводних крилах. Використовуються водомети не тільки як рушії, а і як підрулюючі засоби. Для цього в носовій частині встановлюють трубу і розташовують її поперек судна. Насос, що приводиться в дію електродвигуном, розміщують у трубі. Він і створює акцент, що повертає судно, коли викидає воду на той чи інший борт.
Всі названі вище рушії, за винятком вітрил, створюють акцент за рахунок відкидання мас води. Але є й такі судна, які під час свого ходу не мають контакту із водою. Це — екраноплани та судна на повітряній подушці. Двигунами у них є повітряні гвинти, що знаходяться в насадці або у вільному потоці. Оскільки принцип дії названих рушників абсолютно схожий з дією гребного гвинта, що працює у воді, обмежимося лише згадкою подібних суден.