О количестве лопастей винта

Механика, стоящая за количеством лопастей у гребного винта. Были ли трёхлопастные винты лучше четырёхлопастных? Были ли пятилопастные винты лучше для скорости?

Итак, давайте разберём основы проектирования гребных винтов.

Прежде всего, большее количество лопастей у винта не означает большую скорость. На самом деле — всё наоборот.

В большинстве случаев, чем меньше лопастей имеет винт, тем он эффективнее. Одна большая лопасть толкает воду более эффективно, чем несколько более мелких лопастей на высоких скоростях. Это связано с рядом причин, но мы сосредоточимся на двух основных:

1 — Они, как правило, лучше взаимодействуют с потоком воды вокруг них. Это затрагивает тему кавитации, которая сама по себе является темой отдельной статьи.

2 — Винты с меньшим количеством лопастей легче вращать силовой установке, поскольку они создают меньшие лобовое сопротивление. Это означает, что они требуют меньше мощности.

Например, если корабль работал наиболее эффективно с трёхлопастными винтами, замена их на четырёхлопастные на самом деле ухудшила бы его характеристики. Дополнительный вес и сопротивление фактически «съедали» бы часть мощности корабля.

Это не означает, что большее число лопастей не имеет никаких преимуществ. На самом деле, они дают некоторые преимущества, включая:

1 — Большую начальную тягу. Начальное ускорение может быть лучше благодаря тому, что дополнительные лопасти «захватывают» большее количество воды. Однако это происходит за счёт максимальной скорости по причинам, рассмотренным выше.

2 — Они позволяли использовать более мощные силовые установки. Хотя многолопастные винты были тяжелее и создавали большее сопротивление, это можно было компенсировать более мощными механизмами, вращающими их. Эта дополнительная мощность нивелировала некоторые ограничения конструкции.

3 — В зависимости от применения, некоторые винты с большим количеством лопастей могут иметь уменьшенный диск винта (что приводит к меньшему размеру) по сравнению с аналогичным винтом с меньшим количеством лопастей. Однако это преимущество относится только к определённым случаям/конструкциям.

Все эти сведения вместе означают, что идеальное количество лопастей у винта на самом деле зависит от внешних факторов гораздо больше, чем от самого винта. Проектная скорость корабля, силовая установка, размеры корпуса, предполагаемая роль, влияние на рабочие обороты (торговое судно, идущее почти всё время 15 узлов, в отличие от эсминца, который постоянно меняет скорость и направление), масса, требования к зазору винта и многое другое — вот что определяет оптимальное количество лопастей.

Это поиск оптимального баланса между эффективностью (меньше лопастей) и тягой (больше лопастей).

Так почему же на более поздних линкорах было больше лопастей на винтах?

В этой ситуации вы, вероятно, вспоминаете случаи, когда линкоры переоснащались винтами с большим числом лопастей:

— Класс North Carolina, заменивший свои трёхлопастные винты на четырёх- и пятилопастные.
— Класс South Dakota, экспериментировавший с трёх-, четырёх- и пятилопастными винтовыми схемами на протяжении всей войны.
— HMS Vanguard, заменивший свои внутренние трёхлопастные винты на пятилопастные.

Это имело мало отношения к скорости или эффективности. Вместо этого изменения были почти полностью связаны с проблемами вибрации.

Когда лопасти винта проходят через воду, они создают мощную волную давления. Эта волна проходит через воду и ударяет в корпус, вызывая вибрации, которые можно ощутить. Эти вибрации могут быть настолько сильными, что реально мешают работе на корабле, особенно системе управления огнём и общему комфорту экипажа.

Винты с меньшим количеством, но более крупными лопастями создают более крупные волны давления, что приводит к более серьёзным вибрационным проблемам. Конструкторы пытались устранить это путём замены винтов на модели с большим количеством лопастей. Хотя такие винты всё ещё создавали волны давления, их количество увеличивалось, а индивидуальная сила каждой волны снижалась.

Это означало, что винты с большим количеством лопастей работали более плавно!

Однако это не было однозначным решением. Оно могло привести к потере скорости и ухудшению характеристик, но снижение вибрации считалось оправданным.

Также стоит отметить, что то, как волны давления взаимодействовали с корпусом, зависело и от других факторов, включая расположение винтов, длину валов, форму корпуса, кронштейны валов, наличие скегов и так далее. Некоторые корабли могли выигрывать от большего числа лопастей на внешних валах, в то время как внутренние обеспечивали лучшую работу с меньшими лопастями. Возможна была и противоположная ситуация.

Иногда проблемы были настолько серьёзными, что решить их было невозможно. Хотя класс South Dakota добился значительного успеха в снижении вибраций, проблемы оставались постоянными на кораблях класса North Carolina и на HMS Vanguard. Они продолжали испытывать вибрации на протяжении всей службы в разной степени.

В целом, это была неточная наука, требовавшая множества экспериментов.