Фантазии на тему гребных винтов с волнистыми лопастями

Александра Славгородская
К.т.н., доцент кафедры самолето и вертолетостроения, филиал Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), г.Арсеньев
Владимир Славгородский
ООО «ВладТехноМарин», г.Владивосток
Дмитрий Немкин
Аспирант Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) специальности «Проектирование и конструкция судов»

Гребные винты кораблей, построенных примерно до 1905 года, имели длинные лопасти, такие же, как на легендарном крейсере «Аврора», а корабли последующих лет постройки имели короткие и широкие лопасти. Сложилась парадоксальная ситуация: высокоэффективные винты времен «Авроры» были заменены винтами с более низкой эффективностью. Основными причинами отказа от длинных лопастей стали значительная вибрация и меньшая маневренность, особенно для кораблей, имеющих парусное вооружение.

В результате, в большей степени вследствие того, что навигация отечественных судов проходит в северных широтах, или из­за стремления к снижению нежелательной вибрации, но работоспособность винта всегда оценивалась в основном по прочности лопасти в комлевом сечении. Поэтому дальнейшее развитие формы лопастей происходило по сценарию увеличения ширины и толщины лопасти, а следовательно, и веса гребного винта, что также привело к снижению маневренности. Казалось, круг замкнулся, однако развитие маломерного флота за последние 20 лет потребовало появления новых форм гребных винтов, больше похожих на дизайнерские разработки, в которых самые смелые фантазии инженеров порой вступают в противоречие с теоретической гидродинамикой.

В истории техники случается, что теория проектирования бывает не в состоянии объяснить новые свойства, полученные в результате модернизации или создания совершенно новых моделей технических объектов. Существует исторический анекдот о случайном открытии новой формы гребного винта в результате поломки его первоначальной модели в виде шнека, подобного винту Архимеда, применявшемуся в древности для перекачки жидкости. Суть анекдота заключается в том, что испытуемый бот, запнувшись о подводное препятствие и потеряв часть винтовой поверхности, показал, к всеобщему удивлению экипажа, более высокую скорость. Необъяснимые открытия случаются и в автомобиле­, и в авиастроении, когда конструктор руководствуется только интуитивным восприятием, сложившимся в результате многолетнего поиска, либо эстетическими соображениями.

Красота — это целесообразность предмета без представления о цели. Можно сказать, что красота — это максимальное соответствие формы (организации, структуры) явления его назначению в жизни человека. Такое соответствие и есть целесообразность. Как сказал Антуан де Сент­Экзюпери, это по­настоящему полезно, потому что красиво.

Раковины моллюсков морского гребешка (Mizuhopecten yessoensis) имеют красивую форму, поэтому в древние и средние века они использовались в качестве украшений. Неслучайно на картине Боттичелли «Рождение Венеры» она — символ женского начала — стоит на раковине, тем самым олицетворяя собой жемчужину.

Современные технологии 3D­прототипирования позволяют воссоздать прототипы морской раковины — гребные винты с волнистыми лопастями. Что касается направления и шага волн, то, опять же, можно обратиться за помощью к природе и красоте (рис. 1­3).

Рис. 1. Красота спасет мир

Рис. 2. Гребной винт с волнистыми лопастями (компьютерная модель)

Рис. 3. Гребной винт с волнистыми лопастями (печатная модель)

Компьютерные модели запатентованных гребных винтов с волнистыми лопастями и устройств амортизации и демпфирования изгибно­крутильных колебаний [1­8] разработаны ООО «Дизайн­студия «Матильда» (www.art­matilda.ru) в соответствии с техническим заданием НИОКР рег. № 01201463646 «Разработка систем динамического позиционирования с упругодемпфирующими элементами на морском транспорте» (Контракт с ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно­технической сфере»
(www.fasie.ru) № 12004 р/21992).

На рис. 4 показана модель пуансона и матрицы литейной формы ступицы гребного винта с лопастями сложной формы — с обеими волнистыми кромками, поверхность которых образована поворотом цилиндрических сечений базовой лопасти относительно осевой линии.

Рис. 4. Литейная форма гребного винта средствами SolidWorks

Практически такая точность графического изображения теоретической модели может быть реализована только с помощью средств компьютерного моделирования.

По примеру борьбы с кавитацией, причиной которой стали высокие скорости, одним из способов оптимизации явилась та самая кавитация, которая привела к появлению суперкавитирующих винтов, используемых для быстроходных глиссирующих судов, причем при резком возрастании КПД кавитация так и осталась. Аналогично, для борьбы с вибрацией винтов, причиной которой является деформация лопастей, позволим себе предположить следующее. Значительная упругая деформация лопасти создает практически дополнительную, совершающую совместные с лопастью перемещения демпфирующую поверхность, образованную пограничным слоем воды, удерживаемой лопастью за счет вязкостного сопротивления, шероховатости и особой геометрии лопасти (в нашем случае волнистости, придающей эффект безотрывного обтекания). У природного движителя, такого, например, как хвост кита, нет кавитационных каверн, способствующих увеличению КПД, но, вероятно, именно упругость движений удерживает дополнительную несущую поверхность из пограничного слоя воды и обеспечивает скольжение кита в морской пучине без сопротивления (практически «глиссирование»).

Предполагая, что длинная лопасть заметно деформируется, исключается и эффект стесненного кручения, создающего дополнительные напряжения в металле. Количество волн, несомненно, влияет на деформацию лопасти. С повышением жесткости в одном направлении увеличиваются деформации в другом. Уменьшается ли в этом случае сопротивление усталости, если параметры прочности листовой стали выше литейной?

Для придания волнистого профиля предлагается технология изготовления гребных винтов прокатом листового метала как наиболее оптимальная, так как получение штамповкой или литьем материала с повышенными свойствами прочности и жесткости в заданных направлениях затруднительно (рис. 5).

Рис. 5. Модель волнистой лопасти, полученная прокатом листового металла

При работе гребного винта наблюдается сильное гидродинамическое сопротивление, создаваемое лопастью вблизи комля, которое рационально уменьшить сужением к основанию контура лопасти, но при этом, чтобы не потерять в прочности, увеличить толщину набором профилированных листов.

В соответствии с разрабатываемой методикой моделирования гребного винта с волнистой и (или) изогнутой определенным образом поверхностью лопастей в целях повышения их упруго­демпфирующих свойств сформированы трехмерные компьютерные модели гребных винтов [9­11] набором лопастей из листовой нержавеющей стали в программе SolidWorks (рис. 6).

Рис. 6. Моделирование наборного гребного винта в программе SolidWorks

Рис. 7. Моделирование перфорации наборного гребного винта в программе SolidWorks

Совместность деформаций лопасти с перемещениями пограничного слоя является одним из критериев устойчивости движения, идентичного безотрывному обтеканию [12, 13]. Объединив упругость листовой нержавеющей стали с искусственными вырезами, заодно и облегчающими конструкцию рессорного типа лопасти, получаем модель гребного винта с перфорацией лопастей (рис. 7), обеспечивающей постоянство пограничного слоя воды.

Можно создать начальную кривизну лопастей, обратную ожидаемой деформации, — по аналогии с кривизной рессор (рис. 8).

Рис. 8. Моделирование гибки наборного гребного винта
в программе SolidWorks

Передовые технологии компьютерного моделирования [14, 15] позволяют превратить любые фантазии на тему гребных винтов в конкретную надежную конструкцию, а использование гидроабразивной или лазерной резки экономичнее по стоимости и трудоемкости изготовления в сравнении с литьем или фрезерованием (рис. 9). 

Рис. 9. Опытный образец наборного гребного винта, изготовленный ООО  «ВладТехноМарин» (www.aeroboat.ru)

Литература:

1. Славгородская А.В., Китаев М.В. Конструкция гребного винта с волнистыми лопастями: Сборник трудов всероссийской научно­технической конференции «Вологдинские чтения». Владивосток: ДВФУ, 2011.
2. Патент на полезную модель RU № 109090 U1. Гребной винт. Славгородская А.В., Китаев М.В., Герман А.П., Журенко А.А. [заявка № 2011118400/11, 04.05.2011] B63H1/00. Опубл.: 10.10.2011. Бюл. № 28.
3. Патент на полезную модель RU № 109091 U1. Гребной винт. Славгородская А.В., Китаев М.В., Герман А.П., Журенко А.А. [заявка № 2011118401/11, 04.05.2011] B63H1/001. Опубл.: 10.10.2011. Бюл. № 28.
4. Патент на полезную модель RU № 109089 U1. Гребной винт. Славгородская А.В., Китаев М.В., Герман А.П., Журенко А.А. [заявка № 2011118097/11, 04.05.2011] B63H1/00. Опубл.: 10.10.2011. Бюл. № 28.
5. Славгородская А.В., Антоненко С.В., Китаев М.В. Гребной винт. Патент на полезную модель RU № 101 428 U1 [заявка № 2010132609/11, 03.08.2010] B63H3/00. Опубл.: 20.01.2011. Бюл. № 2
6. Славгородская А.В., Власов И.Б., Славгородский В.М. Гребной винт. Патент на полезную модель RU № 109092 U1 [заявка № 2011107923/11, 01.03.2011]. Опубл.: 10.10.2011. Бюл. № 28.
7. Славгородская А.В., Власов И.Б. Амортизирующее устройство ступицы гребного винта. Патент на изобретение RU № 2011117638А [заявка № 2011117638/11, 29.04.2011] B63H3/00. Опубл.:10.11.2011. Бюл. № 3.
8. Славгородская А.В., Лапшин А.В., Богаевский А.И., Китаев М.В., Молоков К.А., Немкин Д.В. Гребной винт. Патент на изобретение RU 2013143981 от 12.11.2013 [заявка на изобретение от 30.09.2013].
9. Патент на полезную модель RU № 126315. Гребной винт. Славгородская А.В., Богаевский А.И., Погодаев А.В., Молоков К.А. Гребной винт [заявка 2012138248 от 06.09.2012]. Опубл.: 27.03.2013. Бюл. № 3.
10. Патент на полезную модель RU № 129079. Гребной винт. Славгородская А.В., Богаевский А.И., Погодаев А.В., Молоков К.А. [заявка 2012138247 от 06.09.2012]. Опубл.: 20.06.2013. Бюл. № 17.
11. Патент на полезную модель RU № 1240150. Гребной винт. Славгородская А.В., Власов И.Б., Славгородский В.М., Немкин Д.В., Лапшин А.В. [заявка 2013145996/11 от 15.10.2013). Опубл.: 27.04.2014. Бюл. № 12.
12. Славгородская А.В., Молоков К.А., Погодаев А.В., Немкин Д.В. К разработке технологии проектирования и изготовления гребных винтов с повышенными упругодемпфирующими свойствами. Морские Интеллектуальные Технологии 3 (25). Т. 1, 2014. C. 51­58.
13. Славгородская А.В., Молоков К.А., Богаевский А.И., Славгородский В.М. Методика прогнозирования устойчивости поврежденной конструкции по данным термодиагностики // Электронное периодическое издание «Вестник Инженерной Школы ДВФУ». 2011. № 1(10). С. 35­39.
14. Прохоренко В.П. SolidWorks. Практическое руководство. М.: ООО «Бином­Пресс», 2004. 448 с.: ил.
15. Тику Ш. Эффективная работа: SolidWorks 2004. СПБ.: Питер, 2005. 768 с

САПР и графика 1`2015