И винт, и руль: как работает необычный винт Шнайдера на морских судах

«Винт Шнайдера» — это не классический гребной винт с лопастями на горизонтальной оси, а крыльчатый движитель Фойта — Шнайдера (Voith Schneider Propeller, VSP) — круглая вращающаяся платформа с вертикальными лопастями, которая способна не только толкать судно вперёд и назад, но и мгновенно менять направление тяги на любое из 360 градусов. Фактически это движитель и руль в одном узле. Разберёмся ниже, как это устроено и почему такой механизм до сих пор востребован.

Судовой крыльчатый движитель (название по ГОСТ Р. ИСО 7255-2007) — движительно-рулевое устройство, в котором лопасти движутся по циклоидальной траектории. Направление создаваемого им упора может изменяться от 0 до 360 градусов в любую сторону простым изменением углов установки лопастей, причём величину упора можно менять мгновенно.

Главное отличие от привычного винта: у гребного винта тяга всегда направлена вдоль оси вращения, и чтобы её развернуть, поворачивают весь винт или руль. У крыльчатого движителя поворачиваются сами лопасти, и вектор тяги задаётся их взаимной ориентацией.

Изобретатель — австрийский инженер Эрнст Лео Шнайдер. Изначально он разрабатывал не движитель, а гидроэлектрическую турбину. В 1926 году Шнайдер познакомился с сотрудником компании Voith в Санкт-Пельтене. Тот заинтересовался изобретением, и Voith исследовала машину: по КПД турбина Шнайдера оказалась не лучше аналогов, но обнаружилось её неожиданное свойство — она могла менять направление потока воды. Отсюда родилась идея: управлять ориентацией лопастей, превратив устройство в комбинированный судовой движитель и руль.

Дальше события развивались быстро. 1928 — прототип установили на 60-сильный моторный катер Torqueo, испытания прошли на Боденском озере. 1931 — в эксплуатацию сдал первый судно с VSP: экскурсионный катер Kempten на Боденском озере. К концу 1930-х — по всему миру около 80 судов с VSP, включая недостроенный немецкий авианосец Graf Zeppelin, где два таких устройства работали в носовой части как вспомогательные, и японское судно Toyo-maru.

Устройство выглядит так: на днище судна установлен цилиндр (ротор), вращающийся вокруг вертикальной оси, с 6-8 вертикальными мечевидными лопастями. Каждая лопасть способна поворачиваться вокруг собственной вертикальной оси — это вращение задаётся маятниковым рычагом, управляемым из рулевой рубки. При вращении диска на лопастях, как на крыльях, возникает подъёмная сила, горизонтальная составляющая которой и создаёт упор.

Внутри ротора спрятан ключевой узел — кинематика управления. Лопасти связаны жёсткими штангами с точкой управления, которая не вращается вместе с ротором, но может смещаться относительно центра оси. Если точка управления совпадает с осью вращения, все лопасти стоят «по касательной» и не создают тяги. Стоит сместить точку управления и угол атаки каждой лопасти по отношению к касательной к окружности начинает меняться по мере её движения по кругу: на одном участке оборота лопасти отбрасывают воду в одну сторону, на другом «флюгерят», почти не сопротивляясь.

В литературе это описывается как закон пересекающихся нормалей: колебания лопастей синхронизированы с вращением ротора так, что каждая лопасть в каждый момент имеет оптимальную ориентацию по отношению к заданному направлению тяги. По своему характеру механика напоминает автомат перекоса вертолётного несущего винта — есть даже прямая аналогия: смещение точки управления задаёт «шаг», как наклон шайбы автомата перекоса. Физику проще всего понять через траекторию. Лопасть описывает не круг, а циклоидальную кривую, которую прочерчивает точка, смещённая относительно центра катящегося колеса.

Тяга рождается так — на лопасть набегает поток, скорость которого складывается из трёх составляющих: скорости судна вперёд, окружной скорости вращения ротора и скорости колебания самой лопасти вокруг своей оси. Сложение этих векторов определяет фактический угол атаки в каждый момент.

Разность давлений на двух сторонах профиля создаёт подъёмную силу, направленную поперёк потока. Тяга обычного гребного винта работает по тому же принципу: на засасывающей поверхности создаётся разрежение, на нагнетающей — повышенное давление.

За полный оборот подъёмная сила меняется по величине и направлению. Но благодаря циклоидальной симметрии составляющие сил, перпендикулярные желаемому направлению тяги, взаимно гасятся по всей окружности, а составляющие вдоль направления тяги — складываются. Суммарный вектор получается строго в нужную сторону. Тяга следует за движением рукоятки управления практически мгновенно и без перекладки реверса: от «полного вперёд» до «полного назад» и до полной остановки — без изменения скорости и направления вращения главного двигателя.

Ключевой параметр — эксцентриситет (смещение точки управления от оси). Чем больше эксцентриситет, тем выше амплитуда колебаний лопастей и тем больше тяга. В расчётной практике типичные рабочие параметры крыльчатого движителя — частота вращения 20-100 об/мин., 5 лопастей, эксцентриситет до 0,75.

Каковы сильные стороны этого механизма. Судно с двумя такими движителями (обычно в носу и корме) может двигаться боком, разворачиваться на месте, швартоваться практически без подруливания. Главный двигатель не нужно переводить на задний ход — меняется только геометрия лопастей. Лопасти вращаются на меньших скоростях, чем у обычных винтов той же тяги. Именно поэтому крыльчатые движители устанавливают на тральщиках и военных судах. Быстрое и точное управление вектором тяги делает устройство отличным инструментом для удержания судна в заданной точке (например, у буровой платформы). Под корпусом наружу выходят только лопасти, а вся механика утоплена заподлицо.

Но есть и минусы. Кинематика с механическим управлением каждой лопастью, уплотнения, гидравлика — всё это дороже и требовательнее в обслуживании. Выступающие вниз лопасти уязвимы: контакт с грунтом, льдом или посторонним предметом легко их повреждает. Вдобавок движителю нужен протяжённый участок плоского днища для установки. На быстроходных судах их нет. По эффективности на крейсерском ходу VSP примерно сопоставим с классическим винтом, но не превосходит его — а вот простота конструкции у винта на его стороне.

Классическая ниша VSP — суда, живущие на маневренности, а не на скорости. Буксиры. Особая разновидность — Voith Water Tractor, где VSP расположены в носовой части, а под ними установлена упорная пластина, работающая как сопло. Она усиливает тягу, защищает винты от касания дна и помогает при доковании. Такие буксиры используют для проводки танкеров по узким каналам. Паромы, например, лондонский Woolwich Ferry: три парома 1963 года постройки оснащены двумя VSP (на носу и корме). Тральщики и военные катера — из-за низкого шума. ВМС США в 1990-х построили двенадцать тральщиков типа Osprey с VSP, часть из них до сих пор служит в других флотах; во Франции VSP — основной движитель шестнадцати портовых буксиров типа RPC12. Плавучие краны и строительные суда. Рекордсмен — судно MV North Sea Giant с пятью VSP мощностью по 3800 кВт каждый: диаметр 4,5 м, длина лопасти 3,6 м. Пожарные катера, кабелеукладчики, подруливающие устройства. Идея обживается и в авиации: австрийская компания Cyclotech заявила о летательном аппарате Blackbird с крыльчатыми движителями CycloRotor. По данным производителей, это первый случай использования такого метода в авиации. Но попытки ставить VSP на летательные аппараты дальше опытных образцов пока не ушли.

Винт Шнайдера — редкий в технике случай, когда «неудачная» турбина оказалась великолепным движителем. Вместо грубого изменения вектора тяги поворотом всей машины он управляет ею через постоянно меняющиеся углы атаки лопастей, движущихся по циклоиде. Это делает его незаменимым там, где судно должно останавливаться, разворачиваться и держать позицию с точностью до метра: буксиры, паромы, тральщики, плавучие краны. Плата за это — сложная механика, высокая цена и уязвимые лопасти, поэтому на «обычных» судах VSP не прижился. Но в своей нише он уже почти сто лет вне конкуренции.

Спасибо за внимание.

Источник: wikipedia.org