Na U-Bootach podstawowym pędnikiem były śruby okrętowe, które wprawione w ruch obrotowy przez urządzenia napędowe [silniki diesla lub silniki elektryczne] wprawiały okręt w ruch. Prędkości uzyskiwane przez poszczególne typy U-Bootów zarówno w położeniu nawodnym jak i podwodnym były różne i zależały od wielu czynników. Podobnie było ze sprawnością napędową śruby - w skrócie można tylko powiedzieć, że najbardziej niekorzystnym zjawiskiem była kawitacja śruby, która jako zagadnienie techniczne również i dzisiaj stanowi wcale nie mały problem dla projektantów i konstruktorów tego typu pędników.

Aby spróbować to wyjaśnić trzeba kilka słów wyjaśnień dotyczących geometrii i działania śruby. Śruba z uwagi na swój kształt i budowę wykonuje ruch obrotowy ze stałą prędkością kątową w oraz każdy punkt usytuowany na płacie śruby porusza się równolegle do osi śruby z prędkością v, kreśląc tzw. linię śrubową, w oparciu o którą można wyznaczyć jeden z istotnych parametrów śruby - skok śruby H.

Płat śruby zwrócony w kierunku ruchu okrętu [statku] to strona ssąca, natomiast przeciwna do niej to strona cisnąca. Krawędź płata śruby skierowana w kierunku jej obrotu to tzw. krawędź natarcia, a przeciwna do niej to krawędź spływu. Najbardziej oddalony od osi śruby punkt na jej płacie określany jest wierzchołkiem płatu - ten punkt wyznacza skok śruby. Płat śruby ma na swoich profilach [przekrojach] kształt zbliżony do profilów skrzydeł samolotów - jest to niezbędne, by w czasie pracy śruby została wytworzona siła hydrodynamiczna P [różnica drogi opływu wody na płacie i wytworzonych tym ciśnień], która rozkłada się na składową osiową T i obwodową K, tworząc napór śruby gwarantujący ruch okrętu i siłę skierowaną przeciwnie do kierunku obrotu śruby. W oparciu o te składowe wyznacza się bezwymiarowe współczynniki przedstawiane na wykresach określanych charakterystykami hydrodynamicznymi.

Poza tym należy uwzględnić fakt, iż śruba porusza się w warstwie wody, której kierunek jest zgodny z kierunkiem ruchu okrętu [statku] i która już posiada pewną prędkość [opór ciśnienia wody w części dziobowej i rufowej, warunkujący rodzaj opływu wody wokół kadłuba, który może być uporządkowany - laminarny lub burzliwy - turbulentny, a to z kolei wpływa pośrednio na zjawisko kawitacji]. Jeżeli warstwa ta ma prędkość c, i jest zgodna z kierunkiem ruchu okrętu płynącego z prędkością v, to śruba okrętowa ma prędkość względem otaczającej jej wody równą: V = v - c

Z kolei stosunek c/v [tzw. współczynnik strumienia nadążającego] ma ważne znaczenie przy określaniu sprawności napędowej śruby.

Dodatkowymi parametrami ważnymi przy projektowaniu śruby są: skok śruby H, średnica śruby D, stosunek H/D, ilość płatów z oraz pola: kręgu śruby, powierzchni rzutu normalnego, rozwiniętego i wyprostowanego płata śruby.

W trakcie projektowania śruby wyznacza się trzy etapy :

• określanie napędu z odpowiednią mocą i liczbą obrotów [uzyskane zadanej prędkości i uciągu], ten etap wstępnie wyznacza geometryczne wymiary śruby,
• prawidłowy dobór wymiarów śruby jako funkcji maksymalnego naporu i najwyższej sprawności,
• wyznaczenie charakterystyk napędowych okrętu [statku], tj. wykresów naporu śruby, momentu obrotowego i mocy na śrubie dla zadanych obrotów w funkcji prędkości.

Powyższe pokazuje, jak wiele czynników wzajemnie od siebie zależnych, ma wpływ na prawidłową i optymalną pracę śruby.

Do wyznaczenia współczynnika strumienia nadążającego i charakterystyk hydrodynamicznych istotnych w trakcie projektowania śruby przeprowadza się badania modelowe, przy czym ważne jest zachowanie wiernego podobieństwa geometrycznego modelu i śruby a także podobieństwa przepływu wody na modelu i śrubie [określane jako podobieństwo kinematyczne].

Badania te przeprowadza się jako badania modeli śrub swobodnych lub jako modeli okrętu [statku] z własnym napędem. Badania samych śrub przeprowadza się w tunelach kawitacyjnych lub hydrodynamicznych [stanowiskach przepływowych], gdzie nie występuje swobodna powierzchnia wody [śruba jest całkowicie zanurzona w przepływającej wodzie] i jest możliwość regulowania w nich ciśnienia atmosferycznego. Mają one odwzorować rzeczywiste warunki pracy śruby.

W przypadku śrub okrętowych istotnym zagadnieniem podczas jej pracy jest problem kawitacji śruby okrętowej - terminem tym określa się zjawisko wrzenia cieczy występujące na powierzchni ciała stałego w stałej temperaturze, wywołane obniżeniem ciśnienia. W odniesieniu do śruby napędowej zjawisko to tworzy się, gdy na płacie po stronie cisnącej wytwarza się zwiększone ciśnienie wody, a po stronie ssącej płata ciśnienie wody zostaje zmniejszone i staje się równe ciśnieniu krytycznemu wydzielania się gazów z wody, które przyjmuje się jako równe ciśnieniu pary wodnej nasyconej. Od tego momentu pomiędzy powierzchnią płata od strony ssącej a wodą wytwarza się obszar wypełniony parą wodną - mieszaniną kropelek wody i pęcherzyków gazu. Kawitacja jest wysoce niekorzystnym i szkodliwym zjawiskiem, zmieniając opływ wody wokół płatów śruby, zmniejszając wydatnie siłę naporu a tym samym i sprawność [zmiana rozkładu ciśnienia na profilu płata] i jest przyczyną mechanicznej erozji [wżery korozyjne doprowadzające do urwania np. płata śruby].

Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte niemal jednocześnie przez Barnaby'ego na niszczycielu HMS "Daring" w 1894 r. oraz przez Ch. Parsonsa na wybudowanym przez siebie pierwszym okręcie z napędem turbinowym "Turbinia". Jednostka ta była wyposażona w dwupłatową śrubę o średnicy fi 760 mm i pomimo dużej mocy turbiny i dużej prędkości obrotowej uzyskała niewielką prędkość z uwagi na wystąpienie zjawiska kawitacji. Cztery lata później Ch. Parsons próbując rozwikłać ten problem przeprowadził pierwsze badania modelowe śruby z uwzględnieniem kawitacji - po wyprowadzeniu wzoru Parsons doszedł do wniosku, że spełnienie warunków wzoru może nastąpić pod warunkiem obniżenia ciśnienia statycznego, a to było niemożliwe do uzyskania w tradycyjnych basenach modelowych. Rozwiązaniem tego problemu było zbudowanie przez Parsonsa hermetycznie zamkniętego kanału obiegowego o średnicy przekroju fi 150 mm, umieszczenie tam modelu śruby i obniżeniu ciśnienia wewnątrz kanału przez zastosowanie pompy próżniowej. Dalsze próby zostały przeprowadzone ze zwiększeniem ciśnienia pary wodnej nasyconej przez podgrzewanie wody w kanale - pozwoliło to na uzyskanie obniżenia liczby kawitacji. W wyniku tych badań Parsons zwiększył liczbę śrub napędowych i zmniejszył ich średnicę osiągając jak na tamte czasy rekordową prędkość "Turbinii" równą 34 węzłom (!!!). Zachęcony tymi wynikami Parsons wybudował drugi większy tunel kawitacyjny w 1910 r.

Do wybuchu II w. ś. powstał trzeci, ale znacznie ulepszony tunel kawitacyjny o średnicy przestrzeni pomiarowej [badawczej] fi 500 mm i prędkości przepływu równej 13 m/s, który wybudowano w 1930 r. w Niemczech w zakładzie badań modelowych HSVA w Hamburgu [Hamburgische Schiffbau-Versuchs-Anstalt]. Niemcy wzorowali swój tunel nie na prototypie Parsonsa, lecz poszli zupełnie inną drogą myślową - tunel ten wzorowany był na konstrukcji tuneli aerodynamicznych. Ponieważ tuneli aerodynamicznych w owym czasie było znacznie więcej niż tuneli wodnych, przyjęcie takiego założenia pozwoliło na wykorzystanie już ogromnego doświadczenia nabytego w projektowaniu tych urządzeń.

Jako ciekawostkę warto podać fakt, iż w trakcie montowania w zakładzie badań modelowych Admiralicji Brytyjskiej w Haslar dużego tunelu kawitacyjnego, którym był właśnie ów tunel wywieziony ze zniszczonego działaniami wojennymi zakładu badań modelowych HSVA w Hamburgu, badano przy okazji montażu nowe elementy tego tunelu, uruchamiając go ostatecznie jako tunel aerodynamiczny [chodziło o sprawdzenie, czy niektóre elementy z uwagi na zmianę przeznaczenia mogą mieć lżejszą konstrukcję].

Wspomniałem o tym dlatego, ponieważ np. na brytyjskich o.p. typu "U" występowało zjawisko tzw. "śpiewania" śruby okrętowej podczas jej pracy w określonych rejestrach prędkości obrotowej, które na U-Bootach nigdy nie miało miejsca. To prawdopodobnie jest częścią odpowiedzi, dlaczego w odniesieniu do niemieckich okrętów podwodnych [i nie tylko zresztą podwodnych] zjawisko "śpiewania śruby" nie występowało. Nie wspomina o tym także literatura wspomnieniowa, odnosząca się do U-Bootwaffe [głównie wyd. FINNA - "Seria z kotwiczką"] oraz opracowania i wydania innych wydawnictw : MAGNUM, AJ-Press i inne. Prawdopodobnie problem ten nigdy nie miał miejsca, z uwagi na nowatorskie podejście do problemu i przewagę w stosowanej metodologii tak badań jak i samych obliczeń - przynajmniej w tej dziedzinie niemieccy konstruktorzy okrętowi musieli być o duży krok do przodu w stosunku do innych krajów.

Dzisiaj trudno jest chyba o pozyskanie pełnych danych dotyczących głównych parametrów śrub okrętowych stosowanych do napędu na niemieckich jak i angielskich okrętach podwodnych, charakterystyk hydrodynamicznych, wartości współczynnika strumienia nadążającego i innych, które pozwoliłyby na przeprowadzenie porównań i występujących rozbieżności. Ale to zadanie dla specjalistów w tej dziedzinie.

Poniżej nieco danych o śrubach montowanych na różnych typach U-Bootów, ich prędkościach obrotowych i materiałach stosowanych do ich budowy.

Typ IA:
Posiadał dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1650 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typy IIA, IIB, IIC i IID:
Posiadały dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 850 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ III:
[Projekt z 1933 r.] Przewidywano dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1650 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ VIIA:
Posiadał dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1230 mm.
Liczba obrotów SG [silniki główne spalinowe napędu nawodnego] : 470÷485 obr/min.
Liczba obrotów SE [silniki elektryczne napędu podwodnego] : 322 obr/min.

Typy VIIB, VIIC, VIIC-41, VIIC-42, VIID oraz VIIF:
Posiadały dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1620 mm. Śruby te wykonywano w postaci jednolitego odlewu - wykonane były one z żeliwa stalowego [symbol Stg 45.81 BK - norma KM 9106/01-42], które jest materiałem tanim charakteryzującym się małą wytrzymałością i stosunkowo małą odpornością na korozję [zjawisko kawitacji śruby]. Prawdopodobnie o wyborze takiego materiału zadecydował jego niski koszt [co musiało być istotne w warunkach gospodarki wojennej] oraz ilość, jaką trzeba było wykonać dla najliczniej budowanego typu U-Boota - każda "siódemka" posiadała 2 śruby napędowe [693 U-Booty x 2 = 1.386 szt.].

Typ VIIB:
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 295 obr/min.

Typ VIIC:
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 295 obr/min.

Typ VIIC-41:
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 295 obr/min.

Typ VIIC-42:
Liczba obrotów SG : 530 obr/min.
Liczba obrotów SE : 295 obr/min.

Typ VIID:
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 295 obr/min.

Typ VIIF:
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 295 obr/min.

Typ IXA:
Posiadał dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1920 [1720] mm. Materiał : stop mosiądzu o symbolu SoGMs.
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 205÷275 obr/min.

Typy IXB, IXC, IXC-40:
Posiadały dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1720 [1920] mm. Materiał : stop mosiądzu o symbolu SoGMs. Od roku 1942 stosowano żeliwo stalowe [symbol Stg 45.81 BK - norma KM 9106/01-42].

Typ IXC :
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 205÷275 obr/min.

Typ IXC-40:
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 205÷275 obr/min.

Typ IXD-1:
Posiadał dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1900 mm [1850 mm po przebudowie na okręty transportowe i zmianie systemu napędowego] mm. Materiał : żeliwo stalowe [symbol Stg 45.81 BK - norma KM 9106/01-42].
Liczba obrotów SG : 470÷490 obr/min.
Liczba obrotów SE : 205÷275 obr/min.

Typy IXD-2 oraz IXD-42:
Posiadały dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1850 mm. Materiał : żeliwo stalowe [symbol Stg 45.81 BK - norma KM 9106/01-42].

Typ XB:
Posiadał dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1900 mm. Materiał : żeliwo stalowe [symbol Stg 45.81 BK - norma KM 9106/01-42].

Typ XI:
[Projekt] Dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 2180 mm.

Typ XIV:
Posiadał dwie trójpłatowe śruby. Brak danych o średnicy śrub oraz zastosowanym do ich wykonania materiale.

Typ "V 80":
[Jednostka eksperymentalna, nie otrzymała nr typu] - Jedna śruba czteropłatowa. Brak danych o średnicy śruby oraz zastosowanym materiale.

Typ "V 300" [typ XVIIA]:
Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 1750 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ "Wa 201" [typ XVIIA]:
Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 2000 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ "WK 202" [typ XVIIA]:
Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 2000 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ XVIIB:
Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 1750 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ XVIIG:
Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 1900 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ XVIIK:
Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 1800 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ XVIII:
Dwie śruby trójpłatowe o średnicy fi 1900 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ XX:
Brak danych o ilości śrub, ilości łopat na śrubie, średnicy i materiale.

Typ XXI:
Dwie śruby trójpłatowe o średnicy fi 2150 mm. Materiał : żeliwo stalowe [symbol Stg 45.81 8K].
Liczba obrotów SG : 520 obr/min.
Liczba obrotów SE : 330 obr/min.

Typ XXII:
[Projekt] Dwie trójpłatowe śruby o średnicy fi 1900 mm.

Typ XXIII:
Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 1780 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ XXIV:
[Projekt Walter U-Boot] Dwie trójpłatowe śruby o średnicy i materiale nieokreślonym.

Typ XXVIA:
[Projekt Walter U-Boot] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy i materiale nieokreślonym.

Typ XXVIB:
[Projekt Walter U-Boot] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy i materiale nieokreślonym.

Typ XXVI E1:
[Projekt] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy i materiale nieokreślonym.

Typ XXVI E2:
[Projekt] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy i materiale nieokreślonym.

Typ XXVI W:
[Walter U-Boot] Jedna śruba trójpłatowa o średnicy fi 2150 mm. Brak danych o materiale śruby.

Typ XXVIII:
[Projekt Walter U-Boot] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 1780 mm [?] i materiale nieokreślonym.

Typy XXIXA, XXIXB, XXIXB2, XXIXC, XXIXD:
[Projekty] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy i materiale nieokreślonym.

Typy XXIXF, XXIXGK, XXIXH:
[Projekty] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 1900 mm [?] i materiale nieokreślonym.

Typ XXIXH:
[Projekt] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 1950 mm[?] i materiale nieokreślonym.

TypyXXXA, XXXB:
[Projekty] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 2150 mm [?] i materiale nieokreślonym.

Typ XXXI:
[Projekt] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 2150 mm [?] i materiale nieokreślonym.

Typ XXXIII:
[Projekt] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 1750 mm [?] i materiale nieokreślonym.

Typ XXXIV:
[Projekt] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 1750 mm [?] i materiale nieokreślonym.

Typ XXXV:
[Projekt] Jedna trójpłatowa śruba o średnicy fi 1750 mm [?] i materiale nieokreślonym.

UWAGA: podana przy niektórych typach liczba obrotów nie odnosi się do liczby obrotów urządzenia napędowego [diesel - SG i silnik elektryczny - SE] tylko do liczby obrotów śruby okrętowej uzyskanych za pomocą tych napędów.

Śruby okrętowe jednostki Typu XXI

Śruby okrętowe jednostki Typu IXC

Śruby okrętowe jednostki Typu IIB

Śruby okrętowe jednostki V80

Plany stoczniowe śruby dla jednostki Typu VIIC

Plany stoczniowe śruby dla jednostki Typu XXI

Plany stoczniowe śruby dla jednostki Typu XXVI

Więcej informacji na:
http://www.ubootwaffe.pl/index.php?option=com_jmrphpbb&jview=topic&Itemid=59&f=38&t=2103