Продолжим сагу о гребных валах, винтах и вибрациях. Впрочем отдельно о винтах будет следующая статья. Но для начала я один умный вещь скажу, только вы не обижайтесь :)
Весь опыт развития технического прогресса говорит о том, что в основном технические решения есть компромисс, выбираемый между противоположными факторами. Например, хотелось бы, конечно, чтобы все суда ходили побыстрее, но для буксира важнее развивать максимальное тяговое усилие, нежели иметь скорость, как у трансатлантического лайнера. Отсюда совсем другие решения по геометрии его винтов, да и упорный подшипник гребного вала должен быть посолиднее, чем у яхты равного водоизмещения.
Это же касается и количества винтов (гребных валов). Давайте рассмотрим этот момент поподробнее.
Если говорить о военных кораблях, то один винт для них - плохое решение. Не будем уж напоминать о том, что повреждение его или гребного вала в боевых условиях делает корабль совершенно беспомощным, налетай и пускай его на дно. Впрочем, и просто выход из строя двигателя или валолинии по чисто техническим причинам тут же напоминает о разнице между хреном и редькой.
Второй момент - при снижении скорости ниже 10 узлов падает управляемость судна, оно хуже реагирует на повороты пера руля и чем ниже скорость, тем заметнее. Для одновинтовых кораблей это неприятный факт и зачастую приходится прибегать к помощи буксиров. Другое дело два винта - полно случаев, когда такие корабли вполне могли маневрировать даже при выходе из строя рулевого управления, просто разницей скорости вращения валов относительно друг друга.
Следующая проблема - на крупных кораблях киль является главной опорой конструкций, поддерживающих тяжёлые орудийные башни. Совместить эти конструкции с проходящей над килём линией вала очень непросто.
Вибрация. Как указывалось в предыдущей статье, помимо крутильных вибраций вала (а они по-любому будут передаваться корпусу), есть ещё вибрации , возникающие при работе винта в турбулентном потоке, создаваемом обводами корпуса и немедленно передаются через киль и распространяются по всей конструкции судна. И они тем больше, чем выше скорость, которую так любят военные корабли.
Для достижения истинной эффективности гребные винты должны работать на спокойной воде, а гребной винт в диаметральной плоскости по определению окружен турбулентным следом от корпуса корабля. Исследования показали, что от 15 до 45 процентов энергии, подаваемой на гребной винт в диаметральной плоскости корабля при высоких нагрузках теряется на создание вибрации этого винта и его окружения. Напротив, эквивалентные цифры для бортовых винтов составляют от одного до четырех процентов. С этим связан более фундаментальный момент. Как мы уже видели, гребные винты работают лучше всего при медленном вращении, то есть при легкой нагрузке. Их эффективность быстро падает по мере увеличения нагрузки. Таким образом, два медленно вращающихся и слегка нагруженных винта используют мощность более эффективно, чем один быстро вращающийся винт такого же размера.
На торговых судах эти проблемы не столь серьезны, хотя один вал на большинстве торговых судов действительно дает характерный и неприятный стук в кормовых секциях
Ну, вот и рассмотрим двух вальную установку.
Есть ли у неё недостатки? А то!
Во-первых, двухвальное решение требует дополнительного пространства в задней части корабля, чтобы гарантировать, что между винтами достаточно места для предотвращения неблагоприятных влияний друг на друга. Такая компоновка также означает, что винты будут находиться ближе к бортам корабля, а это означает, что их уязвимость увеличивается тем фактом, что эти валы находятся снаружи корпуса на значительную часть своей длины.
Хотя это и выгодно, поскольку снижает уровень вибрации, передаваемой корпусу, но увеличивает уязвимость по сравнению с центральным валом, зарытым в конструкцию корпуса. Спуск на воду броненосца "Князь Суворов", героически погибшего в Цусимском сражении. Виден ничем не прикрытый гребной вал
Двухвинтовому судну обычно требуется большее машинное отделение (для размещения двух двигателей, необходимых для его валов), чем то, которое необходимо для одновального судна. В случае затопления этот больший объем представляет большую опасность для судна. Однако этот момент часто преувеличивают. Самой главной опасностью, возникающей в результате повреждения машинных отделений, является не затопление, а потеря мощности генераторов, блэкаут, как нынче говорят. Время, необходимое для переключения на аварийные резервные генераторы, может быть критическим.
Вот интересный снимок - вам ничего странного в винтах не кажется?
Раньше мы уже отмечали, что двухвальная установка способствует заметному уменьшению вибраций за счёт их наложения друг на друга в противофазе (только это надо уметь делать). Также указывается, что это могло способствовать повышению живучести, поскольку разделённое переборкой по диаметральной плоскости машинное отделение затапливалось бы только с одного борта и половина механизмов продолжала бы работать. Такие решения любили японские конструкторы и отвергались американскими, поскольку приводили к возникновению большого крена.
В целом приведённые соображения приводят к выводу, что выгоды от использования двухвальной компоновки значительно перевешивают повышение веса при удвоении вала, винта и передачи.
Однако есть случаи, когда двухвальная установка очень затруднительна из-за очень узких обводах кормовой части, а именно на подводных лодках
Хотя наши конструкторы и это препятствие способны обойти:
Ну, раз двухвальная компоновка так хороша, то насколько же лучше будет четырёхвальная?
Вот наш авианосец "Адмирал Кузнецов"
Главным плюсом четырёх винтов является то, что такое расположение позволяет эффективно и активно подавлять крутильные колебания в валах. По сути, валы с каждой стороны могут быть спроектированы так, чтобы подавлять их крутильные колебания, а затем пары на противоположных сторонах сбалансированы, чтобы сгладить то, что осталось.
Большим плюсом является также возможность управлять манёврами корабля при выходе из строя рулевого управления ещё более надёжно, чем при двухвальной установке, плюс общая живучесть энергетической установки - при получении урона хоть что-то, да останется.
Против выступают аргументы о том, что кормовая часть должна быть ещё более широкой, чтобы исключить влияние винтов друг на друга. Кроме того, четыре небольших турбины весят больше, чем две более крупные с той же совокупной мощностью. Однако, если предположить, что винты имеют одинаковый размер с двухвальной установкой,, они могут быть гораздо менее нагружены и, следовательно, работать более эффективно.
После всего вышеперечисленного, если при заданной выходной мощности четыре винта эффективны, но установка требует много места и веса, а два винта дают выигрыш в весе, но показывают меньшую пропульсивную эффективность, будет ли трёхвальная компоновка хорошим компромиссом? (пропульсивная установка - это всё, что движет судно, начиная с двигателей и кончая винтом или что его заменяет).
Винты "Титаника"
Дело в том, что экономия веса — это только одна часть уравнения. Пропульсивная эффективность и вибрация имеют большее значение, как и влияние компоновки на судно в целом.
Здесь тройные валы объединяют все худшие проблемы одновальной и двухвальной компоновок. Единственное преимущество тройной компоновки в том, что она устраняет уязвимость одновальной компоновки к механическим повреждениям или несчастным случаям. Гидродинамика конструкции такова, что воздействие осевого винта фактически снижает эффективность бортовых винтов. Адмирал Шеер так писал о своих трёхвальных линкорах:
«Преимущество наличия трех двигателей, как у каждого из этих кораблей, было доказано тем фактом, что два двигателя в одиночку могли поддерживать пар почти на полной скорости; в то же время была очевидна очень несовершенная конструкция в расположении двигателей, которую, к сожалению, нельзя было исправить из-за ограниченного пространства».
Из чего следует подтверждение того, что немецкие корабли могли поддерживать необходимую скорость, используя только бортовые валы; это указывает на неэффективность и избыточность центрального вала. Следовательно, сам центральный вал рассматривался в основном как резерв против механических отказов и/или боевых повреждений.
Трёхвальные установки применимы лишь тогда, когда кормовая часть судна слишком узка, для размещения четырёх винтов, а два не обеспечат требуемой мощности. Так строились например английские авианосцы, когда на размеры военных кораблей накладывались ограничения межвоенного договора. Когда они были сняты, следующие строились уже с четырьмя валами.
В связи со всем этим, пятивальные установки вообще не применялись, зато была шестивальная - это наши известные в узких кругах броненосцы береговой обороны "поповки", круглые в плане как тарелки:
Вот у них были 6 винтов, видимо как раз, чтобы придать хоть какую-то маневренность этим чудесам конструкторской мысли
Более ничего не нашлось.
А в итоге, всё, выше написанное, можно заменить таким резюме:
Один вал
Преимущества
Хорошая экономия веса компонентов силовой передачи, вал заглублен в корпус для защиты, экономия на критически важных для войны узких местах производства.
Недостатки
Неэффективное использование мощности, высокий уровень шума и вибрации, отсутствие резервирования против механических или боевых повреждений. Отсутствие возможности управления двигателем. Серьезные проблемы с конструкцией других частей корабля.
Два вала
Преимущества
Установка относительно эффективна, имеет низкий уровень шума и вибрации, позволяет управлять двигателем и обеспечивает резервирование на случай повреждения.
Недостатки
Требуется более широкая секция в кормовой части. Предпочтительная конструкция для небольших военных кораблей — например, до размера легкого крейсера.
Три вала
Преимущества
Позволяет увеличить мощность за счет узкой кормовой части.
Недостатки
Неэффективное использование мощности, высокий уровень шума и вибрации. Серьезные проблемы проектирования в отношении взаимодействия конфигурации силовой передачи с другими частями судна.
Четыре вала
Преимущества
Очень эффективно благодаря благоприятному взаимодействию винтов с пониженным шумом и вибрацией, позволяет управлять кораблём и обеспечивает резервирование от повреждений. Также позволяет гибко разделять машинные помещения.
Недостатки
Требуется более широкая секция в кормовой части. Предпочтительная конструкция для крупных военных кораблей — от тяжелого крейсера до линкора.
Но кто же пишет романы, состоящие из одного послесловия?
*****
Это было продолжение статей
Отчего корабль трясётся - достаточно подробно и с долей юмора
О корабельных гребных валах и неприятностях, которые они могут доставить
......................................................................................................................................................................
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
