Казалось бы, ну что там может быть - вращается почти у самого днища судна металлическое бревно, к концу которого за кормой приделан винт, какие проблемы? Но, как говорил товарищ Саахов - "Э, нет, торопиться не надо..." Не будем торопиться и мы, а попробуем рассмотреть всё подробно.
Не надо быть знатоком сопромата, чтобы представить себе гребной вал в виде стержня, который запущенным двигателем начинает вращаться в каком-нибудь направлении вдоль геометрической оси. Но с другого конца находится гребной винт, который торможением воды первоначально препятствует этому вращению, т.е. вал начинает скручиваться, как выжимаемое хозяйкой полотенце (ну, конечно, не столь сильно :) В скрученном валу создаётся крутильное напряжение, которое высвобождается, когда винт набирает обороты.
Тогда эта энергия высвобождается, заставляя винт вращаться немного быстрее. Он обгоняет поворот вала со стороны двигателя, так что теперь есть крутильное напряжение в противоположном направлении - оно высвобождается путем замедления винта. Это быстро переходит в серию импульсов - крутильное колебание. Вот вам и крутильная вибрация!
Частота этого крутильного колебания довольно фиксирована и пропорциональна длине вала. Если один вал на половину этой частоты длиннее другого, крутильные колебания от них будут нейтрализованы, часто почти полностью. Вот почему двухвинтовые крейсеры (например) обычно имеют асимметричную длину валов. С четырехвинтовыми судами конструктор получает еще большее преимущество, поскольку длинами валов с каждой стороны можно манипулировать, чтобы обеспечить отмену частот крутильных колебаний с каждой стороны и затем между сторонами. Тот факт, что это невозможно сделать с тремя винтами, является веской причиной, чтобы не использовать эту компоновку, хотя есть другие обстоятельства, которые вынуждают её применять (у нас на ракетных катерах было как раз три вала. Не скажу, что вибрация корпуса создавалась только ими, но чувствовалась она весьма изрядно).
Валы также могут создавать поперечную вибрацию, буквально трясясь в своих туннелях. Это слишком, чтобы требовать от любого литейного завода изготовить вал длиной 60 метров, который идеально динамически сбалансирован по всей длине. Где-то будут отклонения, и это вызовет вибрацию. Вот например, старина Либерти, длина вала примерно такая
Напрашивающееся решение - заблокировать вал в нескольких точках опорами с подшипниками, физически не давая валу трястись. Однако эти устройства должны быть и упругими, чтобы поглощать вибрацию, иначе они просто передадут ее на корпус. Проблема в том, что каждый такой блок также поглощает мощность, и быстро возникает ситуация, когда её потеря станет неприемлемо высокой. Вот примерная конструкция гребного вала со всеми этими причиндалами:
Лучшее решение для уменьшения поперечной вибрации вала - сделать вал как можно короче (это также снижает крутильную вибрацию) и вывести его из корпуса в воду как можно раньше. Если двигатели невозможно переместить ближе к корме, то решение может быть таким:
Электричество - наше всё. Но всё же, лучше сместить машинное отделение в корму, что в массе грузовых судов нынче и делается. Но для военных кораблей это невозможно, так что или длинный вал, или электропривод.
И наконец, адский котёл проблем - сам гребной винт. Гидродинамически давление на винты изменяется поперек лопасти, по длине лопасти, и следуя контурам лопасти, - и всё вышеперечисленное изменяется в соответствии со скоростью вращения и относительной скоростью воды, воздействующей на лопасти. Короче, современные исследования показывают, что на каждую узловую точку лопасти воздействуют шесть разнонаправленных сил. Сколько таких точек? А сколько хотите.
В целом, винты работают лучше всего, когда они вращаются в ламинарном потоке
Но где же его в море взять, особенно в условиях течений и волнения?
Винты должны быть достаточно далеко друг от друга, чтобы возмущение водного потока от одного не влияло на другой. Они должны иметь достаточно большое расстояние от корпуса, чтобы поток воды между самым верхним кончиком винта и обшивкой корпуса был достаточным для обеспечения боле-менее ламинарного потока. Каждая лопасть винта должна быть спроектирована так, чтобы она чисто разрезала воду, оставляя ее гладкой для следующей лопасти. Каждый винт оставляет за собой спиральную дорожку — это вызывает вибрацию, когда она ударяется о корпус и рули (помещение пера руля в дорожку винта очень желательно для рулевого управления, но за это приходится платить потенциальной вибрацией).
Каждый винт генерирует свою собственную резонансную частоту. Это легко вычислить, умножив количество лопастей на винте на скорость вращения. Таким образом, пятилопастной винт, вращающийся со скоростью 300 об/мин, будет генерировать вибрацию с частотой 5x300=1500 импульсов в минуту или 25 Гц. Если собственная частота компонента корпуса составляет 25 Гц, будьте осторожны, надвигаются неприятности. Что случается с конструкциями, вступившими в резонанс, достаточно известно - ничего хорошего.
Если в воде есть полоса турбулентности, то каждый раз, когда лопасть ударяется о нее, эта лопасть будет трястись и передавать эту тряску гребному валу, откуда она будет распространяться вперед. Это называется биением лопасти.
И вот тут интересную вещь прочёл я в одном американском источнике.
"...Никто не знал о существовании этого явления до 1950-х годов, когда американские подводники обнаружили его и начали использовать для противолодочной обороны. Он был жизненно важен, потому что, излучаясь вперед, он обнаруживал местоположение русской подводной лодки, когда она приближалась сзади. Русские понятия не имели о существовании биения лопасти до середины 1970-х годов, когда Walkers (не нашёл, что это такое) раскрыли секрет. Лопасти в форме косы очень хорошо подавляют биение лопасти, поскольку изогнутый край лопасти ударяет по турбулентности постепенно (подобно тому, как изогнутый меч режет плоть эффективнее, чем прямой край)
На краю лопастей есть область низкого давления, которая может быть достаточно низкой, чтобы вызвать образование пузырьков водяного пара. Они расширяются и в конечном итоге схлопываются, ударяя по лопасти винта, как маленький молоток. Их тысячи. Они действительно заставляют винт "приятно" вибрировать. Кавитация также может образовываться в дорожке качения винта.
Если конструкторам действительно не повезло, они получают то, что называется листовой кавитацией, когда лопасть генерирует большой пузырь, который охватывает лопасть и часть ступицы; это может без проблем оторвать лопасть. Листовая кавитация является серьезной ошибкой проектирования. Небольшие, быстро вращающиеся многолопастные винты гораздо более склонны к кавитации, чем медленно вращающиеся, большие, с меньшим количеством лопастей.
Учитывая все возможные источники вибрации, неудивительно, что корабли вибрируют, и иногда эта вибрация превышает допустимые пределы. Сейчас эти пределы намного жестче, чем 30 лет назад, потому что электронное оборудование действительно не любит, когда его подбрасывают раз десять в секунду.
Ну что ж, вроде бы с вибрацией гребных валов разобрались, осталось рассмотреть, сколько же их надо иметь на корабле, а также - как спроектировать гребной винт получше.
Предыдущая статья о других источников тряски корпуса корабля:
Отчего корабль трясётся - достаточно подробно и с долей юмора
.................................................................................................................................................................
Полное оглавление журнала:
Журнал о моряках и флоте с 80 000 подписчиков. Оглавление, часть 1
Журнал о моряках и флоте с 80 000 подписчиков. Оглавление, часть 2
Журнал о моряках и флоте с 80 000 подписчиков. Оглавление, часть 3
