Судовым движителем называется специальное устройство для преобразования работы главного двигателя или другого источника энергии в полезную тягу, которая обеспечивает поступательное движение судна. К судовым движителям относят гребные винты, гребные колеса, водометные и крыльчатые движители. Гребной винт представляет собой гидравлических механизм, лопасти которого захватывают забортную воду и сообщают ей дополнительную скорость в направлении, противоположном движению судна. При этом гидродинамические силы, возникающие на лопастях, создают осевую равнодействующую силу, называемую упором движителя. Упор движителя передается корпусу судна через жестко связанный с ним упорный подшипник. У гребного винта с направляющими устройствами (насадками) упор создается как лопастями, так и грубой насадкой. Гребные винты – наиболее распространенный тип движителей. Они могут иметь 2-7 лопастей, расположенных на равных расстояниях по окружности ступицы, и представляют собой несущее крыло, образованное частью винтовой поверхности. В зависимости от конструкции различают следующие типы гребных винтов: с неотъемными лопастями (цельнолитные и сварные), со съемными лопастями и винты регулируемого шага (ВРШ) На речном флоте широко распространены цельнолитные гребные винты, имеющие наиболее простую конструкцию. Винты со съемными лопастями стали применять в последние годы в тех случаях, когда по условиям эксплуатации возможны частые поломки лопастей. Съемная лопасть имеет в корневом сечении фланец, с помощью которого ее крепят к ступице. Характеристику лопасти гребного винта и единичный элемент крыла (см. параграф 46) определяют одни и те же силы с той разницей, что у гребного винта рассматривают суммарный упор и результирующую силу сопротивления вращению всех лопастей. Если скорость набегающего на винт потока U p (рис. 57) , а радиальная скорость ωr, то угол атаки данного элемента сечения лопасти α л определяется углом между результирующей скоростью U 1 и линией нулевой подъемной силы (ЛНПС). Подъемная сила и сила любого сопротивления сводятся у результирующей Υ в. Одна из ее проекций дает силу полезного упора винта Р в, а вторая – силу сопротивления вращению R в p . Момент силы R в p относительно оси гребного винта преодолевается главным двигателем судна. Гребные винты имеют относительно малую массу, небольшие размеры, надежны в эксплуатации, недороги в изготовлении и позволяют использовать большинство малооборотных главных двигателей без редукторных передач; их КПД достигает 70%. Гребные колеса (рис 58) имеют горизонтальную ось вращения, перпендикулярную направлению движения, и, как правило, располагаются по бортам судна. У гребных колес сила упора создается на плице и на крыле. Пересечение плицы создает силу F H , проекция которой на направление движения создает полезный упор Р Н. Достоинство гребных колес – достаточно высокий КПД и возможность создания значительного упора при малых осадках. Гребные колеса с поворотными плицами имеют наивысшее значение КПД 50-60%. Недостатками гребных колес являются сложность и громоздкость конструкции, большая масса, вынужденное увеличение ширины судна, частые повреждения, особенно при движении на волнении и в ледовых условиях. В водометном движителе необходимая полезная сила тяги создается благодаря приращению количества движения, которое получает в водометном комплексе забортная вода. вода засасывается гребным винтом через приемное отверстие в днище судна и выбрасывается с повышенной скоростью через напорный участок водометной трубы, создавая реактивную полезную силу тяги, действующую в сторону, противоположную направлению выброса струи. На конце напорной части водометной трубы имеется специальное реверсивное устройство с балансирным рулем. Применение такого руля позволяет управлять судном, а также двигаться задним ходом (ЗХ) без реверса главного двигателя благодаря изменению направлению изменению направления выбрасываемой струи воды. Основными достоинствами водометных движителей является создание значительной полезной тяги при малой осадке судна, а также отсутствие движущихся частей снаружи корпуса, что дает возможность надежно защитить движитель от поломок при плавании судна на малых реках. Крыльчатый движитель –представляет собой вращающийся вокруг вертикальной оси диск, по окружности которого на равных расстояниях находятся крылообразные поворотные лопасти (у переменных крыльчатых движителей бывает 4-8 таких лопастей). Благодаря повороту лопасти обеспечивается оптимальных угол атаки и создается необходимый полезный упор движителя. Для этого лопасти, находящиеся на передней полуокружности ведущего колеса, располагают входящими кромками наружу, а на задней -внутрь. При таком движении лопастей все нормали к ним пересекаются в одной очке А-центе управления. Каждая лопасть находится в сложном движении: поворачивается вокруг собственно оси, вокруг вертикальной оси ротора и перемещается поступательно вместе с судном. При обтекании лопасти потоком воды со скоростью U 1 под углом атаки α л создается подъемная сила Υ Л, проекции которой на направление движения судна дают силу полезного упора лопасти Р Л и силу сопротивления вращению R в p . Перемещая центр управления, например, из точки А и А 1 , можно осуществлять поворот лопастей вокруг собственной оси, тем самым изменяя направление и значение силы суммарного упора движителя, а следовательно, обеспечивать изменение скорости движения судна и его поворот без применения рулей, не изменяя частоту вращения и направления вращения главного двигателя. Крыльчатые движители имеют большую массу, сложную конструкцию и уступают гребным винтам по эффективности действия, поэтому их применяют только на судах, к маневренности которых предъявляются особенно высокие требования(на морских портовых буксирах, паромах и т.д.).
32. Техническая эксплуатация флота. Основные задачи Основные задачи технической эксплуатации флота (ТЭФ) это совокупность научно обоснованных организационных технических и технологических способов ее обслуживания и использования. Технический способ обслуживания: Основные задачи ТЭ являются: 1. Повышение долговечности и надежности работы всех типов судов и сокращение простоев по техническим причинам 2. Сокращение эксплуатации расходов 3. Планомерное проведение мероприятий по модернизации флота
1. Комплекс работ, выполняемых экипажем в период эксплуатации судна, в соответствии с технико-эксплуатационными показателями Поддержание и контроль параметров технических средств и использование эксплуатационных материалов (топливо, масло) , расходная часть – обносится к эксплуатации содовой техники
ПЭТ – это совокупность следующих составляющих: 1) Техническое использование 2) Техническое обслуживание 3) Ремонт 4) Управление технической эксплуатации 2. В состав работ входит: внешний и внутренний осмотр соединений???? , регулирование (зазоров и размеров срабатывания), разборка, чистка узлов и деталей, снятие, отлажения наработок, частичная замена изношенных деталей, смачивание или смазка, уборка. 3. Комплекс работ, выполняемых экипажем и работниками береговых предприятий, которые обеспечивают восстановление работоспособности судна на определенных интервалах времени с выводом или без вывода судна без эксплуатации. * Плановый(капитальный, средний, текущий, гарантийный, поддерживающий) * Внеплановый (аварийный, восстановительный, межрейсовый)
К важнейшим составным частям судовых энергетических установок относятся элементы передачи мощности. Под этим понимаются все элементы, участвующие в передаче крутящего момента от коленчатого вала или ротора в турбинах к гребному винту. Типовая дизельная энергетическая установка с двумя среднеоборотными дизелями показана на рисунке. Она включает в себя муфты, одноступенчатый редуктор, валопровод и гребной винт. В энергетических установках с малооборотными дизелями редуктор отсутствует, в турбинных и энергетических установках с высокооборотными дизелями ставят двух- и трехступенчатые редукторы. В дизель- и турбоэлектрических энергетических установках предусмотрены электродвигатели.
Дизель-редукторная энергетическая установка со среднеоборотными дизелями
1 - муфте; 2 - редуктор; 3 - валопровод; 4 - гребной винт
Муфта соединяет узлы, выполняющие вращательные движения. Муфта предназначена для передачи крутящего момента от ведущего вала к ведомому, а также для сглаживания незначительных продольных, радиальных, угловых отклонений и крутильных колебаний. В зависимости от конструкции, назначения и принципа действия различают жесткие (глухие), упругие, фрикционные, гидродинамические и электромагнитные муфты. В судовых установках встречаются все виды муфт в зависимости от типа, мощности и конструкции главного двигателя. В установках, не имеющих передаточных механизмов (например, в малооборотных дизелях), чаще всего применяют жесткие муфты (рис. а, b). Фланцы жесткой муфты в разогретом состоянии запрессованы на вал или на конус и дополнительно зафиксированы призматической шпонкой. В энергетических установках с редуктором связь между редуктором и двигателем, а также с валом гребного винта осуществляется со стороны двигателя чаще всего через соединительную муфту, а со стороны гребного винта - через разобщительную. На рис. е показана упругая муфта. Она состоит из двух оснований, соединенных между собой гибкими прокладками, изготовленными из специальной резины. Такие муфты винтами крепятся к фланцам вала. Они могут передавать моменты независимо от направления вращения. За счет гибких вкладышей возможно выравнивание при перекашивании валов относительно друг друга.
Работа гидродинамических муфт основывается на гидравлическом принципе, схематично показанном на рис. с. Это можно представить себе так: насос, приводимый в движение двигателем, отсасывает жидкость из резервуара, и нагнетает ее в турбину. Жидкость под определенным давлением протекает через лопатки турбины, приводя ее в движение, и затем течет обратно в резервуар. При одинаковых размерах роторов насоса и турбины агрегат работает как гидравлическая муфта, при различных - он превращается в гидротрансформаторную передачу, позволяющую изменять частоту вращения ведомого вала. На практике роторы насосов и турбин находятся в специальном корпусе (рис. d). Действие гидродинамической муфты основывается на энергообмене между двумя полумуфтами (рис. d) с помощью рабочей среды и циркуляции жидкости. Эта циркуляция возникает только в том случае, когда первичная сторона и турбина имеют равные частоты вращения. У гидравлических муфт, используемых на судах, это скольжение составляет от 1,5 до 3%.
Судовые муфты
а, b - жесткие (глухие) муфты: 1 - полумуфта; 2 - фланец; 3 - шпоночная канавка со шпонкой. с - схема гидромуфты: 1, 2 - насосы; 3 - цистерна. d - схема гидромуфты (турбо-муфты); е - гибкая муфта. 4 - фланец; 5 - элемент муфты. f - электромагнитная муфта.
В судовых главных двигателях довольно часто применяют также электромагнитные индукционные скользящие муфты. Принцип действия подобной муфты состоит в использовании вращающего момента, возникающего вследствие воздействия вращающегося магнитного поля на индукционные токи. Внутренняя часть муфты расположена на ведущем вале. Обмотки полюсов через щетки и контактные кольца питаются постоянным током. Внешняя часть муфты имеет обмотку в виде беличьей клетки. Когда внешняя часть, приводимая в движение двигателем через вал, начинает вращаться и возбуждается, она вместе с валом, связанным с ней и ведущим, например, к редуктору, попадает в область вращения магнитного поля. За счет этого в обмотке типа беличьей клетки этой части муфты возникают индукционные токи. Эти токи, взаимодействуя с силовыми линиями магнитного поля, обусловливают возникновение момента вращения, вследствие чего внешняя часть муфты начинает вращаться вместе с внутренней. Таким образом вращение, мощность и момент вращения передаются от двигателя к валу редуктора. Часть муфты с обмоткой типа беличьей клетки должна - аналогично гидродинамической и электромагнитной муфте - вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, так как при одинаковой скорости вращения обеих частей не могли бы возникнуть индуктированные токи и передача вращающего момента была бы невозможна. Поэтому и в данном случае имеет место так называемое скольжение муфты. Редуктор главного двигателя должен передавать момент вращения и так изменять его частоту вращения, чтобы она имела оптимальную величину, необходимую для нормальной работы гребного винта. На судах чаще всего применяют механические редукторы, состоящие из зубчатых колес. С введением планетарного редуктора появилась возможность значительно уменьшить размеры и общую массу. В последнее время на новых судах все чаще используют планетарные редукторы в энергетических установках со среднеоборотными дизелями, газовыми или паровыми турбинами.
Механический судовой редуктор
а - суммирующий; b - планетарный. 1 - вал турбины высокого давления; 2 - вал турбины низкого давления; 3, 5, 8, 9 - центральные солнечные шестерни; 4 - водило; 6 - свободный эпицикл; 7 - вал; 10 - тормозной эпицикл; 11 - свободное водило; 12 - полый вал; 13 - зубчатые колеса (3-я ступень); 14 - приводное зубчатое колесо гребного вала; 15 - гребной вал; 16 - гребной винт
Валопровод соединяет приводной двигатель с гребным винтом. Гребной вал, который в зависимости от расположения машинного отделения на судне может состоять из одной или нескольких соединенных через глухие муфты частей, должен передавать момент вращения двигателя на гребной винт. Гребной вал опирается на радиальные подшипники. Концевая часть проходит в уплотнительном сальнике, который предохраняет туннель гребного вала от попадания морской воды. На конусообразной концевой части гребного вала закреплен гребной винт (рис. а). Осевое давление, действующее со стороны гребного винта и передаваемое дальше через вал, воспринимается упорным подшипником. Принцип действия упорного подшипника изображен на рис. d-е. Такой подшипник старого типа состоит из взаимодействующего с опорными поверхностями гребня давления; опорные поверхности залиты металлом. На переднем ходу функционирует одна поверхность гребня давления, на заднем - другая.
Валопровод
а - общий вид; b - полумуфта; с - упорный подшипник; d, e - принцип действия упорного подшипника. 1 - гребной вал; 2 - сальник; 3 - полу- подшипник; 6 - переборочный сальник; 7 - муфта; 4 - промежуточный вал; 5 - опорный упорный подшипник; 8 - упорный вал
Гребной винт в настоящее время является почти единственным типом движителя. Он состоит из нескольких лопастей, радиально укрепленных на ступице. Во время вращения гребного винта вокруг своей оси на лопастях возникает сила давления, которая в конечном итоге обусловливает движение судна. Характерной величиной гребного винта является шаг. Его теоретическое значение, т. е. без учета скольжения, зависит от угла атаки лопасти гребного винта. Для достижения хорошего взаимодействия между главным двигателем и гребным винтом необходимо, чтобы параметры и особенно шаг винта имели определенные значения. Оптимальное взаимодействие будет достигнуто лишь при определенном состоянии нагрузки судна и при определенных погодных условиях (ветер, волнение и т. д.). Если эти значения отклоняются от заданных, то взаимодействие двигателя и гребного винта не приносит результата, заложенного в проекте. На практике это означает, что взаимодействие двигателя и относящегося к нему гребного винта будет наиболее эффективным, например, при полной нагрузке судна и при хорошей погоде. На судах, работающих в изменяющихся условиях, таких как буксиры или рыболовные суда (свободный ход, ход с тралом), движитель должен быть приспособлен к соответствующим условиям работы. Вместе с тем стало бы возможным одновременное использование полной мощности приводного двигателя при различных состояниях его нагрузки.
Судовой движитель
а - гребной винт с неподвижными лопастями; b - винт регулируемого шага; с - гребной винт в насадке; d - соосные гребные винты
Лопасти винта фиксированного шага отлиты вместе со ступицей или прочно привинчены к ней (см. рис. а). Изменять шаг можно на гребных винтах регулируемого шага ВРШ (рис. b). Лопасти гребного винта расположены на криволинейных дисках и укреплены на ступице винта так, что они могут поворачиваться. Применение ВРШ позволяет использовать нереверсивные двигатели в качестве судовых. Они могут работать и при постоянной частоте вращения, так как в этом случае можно осуществлять все маневры путем изменения угла атаки, т. е. от самого большого шага винта на переднем ходу, когда лопасти находятся в таком положении, что несмотря на вращение гребного винта, тяга не появляется (и поэтому судно не движется), до положения лопастей, соответствующего заднему ходу. Вначале ВРШ применяли только на буксирах, рыболовных и специальных судах, и только позднее их начали устанавливать на судах торгового флота. За счет установки ВРШ достигаются большая экономичность энергетических установок, возможность использования полной мощности двигателя при различной нагрузке, а также возможность применения нереверсивных ДВС или паровых турбин без турбин заднего хода. К преимуществам следует также отнести и возможность осуществления заднего хода при полной мощности двигателя.
Иногда на судах (особенно на судах речного флота) гребной винт устанавливают в насадке (см. рис. с). Такая конструкция позволяет улучшить уелввия работы гребного винта и повысить КПД. Диаметр судового движителя может достигать 9 м, а масса - 50 т. Гребные винты регулируемого шага имеют меньший диаметр. Преобладающее число судов имеет только один гребной винт, устанавливаемый в диаметральной плоскости судна. Встречаются также двухвинтовые суда, которые приводятся в движение либо от двух малооборотных, либо от четырех среднеоборотных дизелей, причем в последнем случае один гребной винт приводится в движение двумя двигателями. В редких случаях строятся трехвинтовые суда, например торпедные катера, на которых два бортовых движителя, приводятся в движение от высокооборотных дизелей через редукторную передачу, а средний гребной винт - от газовой турбины. Некоторые большие пассажирские суда и боевые корабли, например авианосцы, снабжаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. В условиях постоянно растущих мощностей главных двигателей требуются гребные винты очень больших диаметров, что приводит к технологическим и производственным трудностям. Чтобы противодействовать этому и улучшить КПД, пытаются «устанавливать движители, вращающиеся в противоположных направлениях (см. рис. d). В этом случае необходимы сложные устройства, такие как полые гребные валы и специальные редукторные передачи. Наряду с гребными винтами в последнее время применяют крыльчатые движители. Они состоят из нескольких вращающихся навесных лопаткообразных лопастей изменяющегося профиля, укрепленных на плоском рабочем колесе. Рабочее колесо приводится в движение главным двигателем через гипоидный зубчатый редуктор. Вращающиеся лопаткообразные лопасти создают силу упора, действующую в направлении, зависящем от угла установки лопастей, как показано на рис. а. Во время работы движителя можно плавно изменять угол атаки лопастей.
Крыльчатый движитель
а - принцип действия; b - движитель Фойта-Шнейдера (вид сбоку); с - движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в носовой части судна; е - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в кормовой части судна
I - «Стоп»; 2 - «Передний ход»; 3 - «Задний ход»; 4 - «Поворот на левый борт»; 5 - «Поворот на левый борт» (на заднем ходу); 6 - «Поворот на правый борт»; 7 - управляющий механизм; 8 - привод; 9 - лопасти; 10 - распределительные рычаги и тяги
Крыльчатый движитель может служить как в качестве пропульсивного движителя, так и в качестве руля. Судно, оснащенное двумя симметрично расположенными движителями, может двигаться в любом направлении. Недостатком является частая повреждаемость лопаткообразных лопастей, выступающих ниже днища судна. Крыльчатый движитель в основном используется на портовых буксирах и лоцманских судах, а также на судах портовой службы. Мощность подобных установок невелика: максимально она составляет 2200 кВт.
Приступая к изучению существующих движителей судов необходимо дать определение этому понятию. Судовой движитель - это устройство для преобразования работы энергетической установки судна в тягу, обеспечивающую его поступательное движение. Тяга движителя образуется за счет реактивных сил, возникающих при отбрасывании рабочей среды в сторону, обратную направлению поступательного движения судна. По характеру рабочей среды движители в настоящее время условно делятся на гидравлические (рабочая среда - вода), воздушные (воздух) и газоводометные (водовоздушная смесь). В свою очередь гидравлические движители подразделяются на лопастные (весло, гребной винт, плицы гребного колеса и т.п.) и нелопастные (газоводометные движители). Промежуточное место в этой классификации отдается водометному движителю.
Гидравлические движители широко применяются на всех судах водоизмещающего типа, воздушные движители - на быстроходных судах типа СВП и экранопланах. Из перечисленных движителей более подробно в пособии рассмотрены гребной винт (как основной из движителей, применяющихся на судах) и водометный движитель движение. Тяга движителя образуется за счет реактивных сил, возникающих при отбрасывании рабочей среды в сторону, обратную направлению поступательного движения судна. По характеру
рабочей среды движители в настоящее время условно делятся на гидравлические (рабочая среда - вода), воздушные (воздух) и газоводометные (водовоздушная смесь). В свою очередь гидравлические движители подразделяются на лопастные (весло, гребной винт, плицы гребного колеса и т.п.) и не лопастные (газоводометные движители). Промежуточное место в этой классификации отдается водометному движителю. Гидравлические движители широко применяются на всех судах водоизмещающего типа, воздушные движители - на быстроходных судах типа СВП и экранопланах. Из перечисленных движителей более подробно в пособии рассмотрены гребной винт (как основной из движителей, применяющихся на судах) и водометный движитель.
В предыдущем параграфе мы сказали, что существует пять основных типов силовой установки на судне, при этом, каждый из них характеризуется своей схемой валопровода, т.е. механической системой передачи вращения коленчатого вала двигателя к движителю (винту). Рассмотрим по порядку (рис. 107):
1. На судне установлен обычный стационарный конвертированный высокооборотный двигатель, который размещен в центре кокпита, в районе мидель-шпангоута. Коленчатый вал соединен через редуктор (для уменьшения числа оборотов) прямым гребным валом с винтом (линейная схема валопровода). Установка удобна в обслуживании, эффективна, проста, не требует дополнительных конструкторских решений.
2. Тот же двигатель расположен в кормовой части судна. При такой компоновке теряется ряд преимуществ, появляются новые (место в кокпите, снижение шума в каюте).Крупный недостаток - постоянный дифферент на корму и необходимость применения углового редуктора (V- образная, или угловая схема валопровода).
3. Схема валопровода с поворотно-откидной колонкой (Z - образная передача) сочетая в себе преимущества стационарного двигателя и ПЛМ (большая мощность мотора, хорошая мореходность, откидывание колонки при наездах на препятствие, легкость работ с винтом и обслуживания колонки, выхлоп газов в воду и т.д.) обладает одним крупным недостатком - высокой стоимостью.
4. Применение водометного движителя облегчает судоводителю жизнь за счет отсутствия каких-либо деталей, выступающих ниже киля судна, но достаточно усложняет ее за счет изменения ходовых качеств судна и, прежде всего, ухудшения управляемости. Двигатель устанавливается несколько дальше от кормы, чем в предыдущих двух случаях, что уменьшает дифферент на корму, отпадает необходимость в сцепной и реверсивной муфте
5. Валопровод подвесных лодочных моторов имеет Г-образную форму, при которой связь двигателя с движителем (винтом) осуществляется через редуктор с помощью промежуточного, т.н. торсионного, вала (рессоры). ПЛМ не занимает полезной площади кокпита, удобен в обслуживании и достаточно дешев
В ряде рассматриваемых вариантов валопроводов применяемые редукторы позволяют одновременно осуществлять реверсирование движителей - изменение направления вращения на противоположное. В общем случае, реверсирование осуществляется тремя способами : реверсом главного двигателя, включением реверсивной передачи и реверсом самого движителя. Реверс главного двигателя - изменение направления вращения коленчатого вала двигателя на обратное, и соответственно, изменение направления тяги винта. Такой реверс обеспечивается реверсивным устройством самого двигателя, основной частью которого является передвижной распределительный вал, обеспечивающий заданную последовательность подачи топлива в цилиндры, в результате чего коленчатый вал двигателя начинает вращаться в обратном направлении. Реверсивная передача - это передача, с помощью которой изменяется направление вращения гребного вала (гребным называют вал, на котором закреплен гребной винт) на противоположное при неизменном направлении вращении коленчатого вала двигателя
Реверсирование достигается за счет реверсивных зубчатых редукторов, гидравлической передачи или соединительно-разъединительных муфт, позволяющих отключать часть редуктора с одним направлением вращения и подключать - с другим. На катерах применяются реверс - редукторы (реверсивная муфта) - специальный механизм, обеспечивающий изменение направления вращения гребного вала судна при неизменном направлении вращения коленчатого вала судового двигателя с включением в конструкцию редуктора для снижения или мультипликатора для повышения числа оборотов вала. Реверс-редуктор соединяется с коленчатым валом фланцевыми соединениями посредством промежуточного вала либо непосредственно (см. рис. 108), ведомый вал - с гребным валом. Полость редуктора заполняется маслом, для проверки наличия и уровня которого есть указатель уровня (мерная линейка). Реверс движителя - изменение направления упора, создаваемого гребным винтом, обеспечивается поворотом лопастей у винтов регулируемого шага (ВРШ).
Гребной винт - устройство, преобразующее вращение вала двигателя в упор - силу, толкающую судно вперед. Он состоит из ступицы и нескольких (две и более) лопастей. Лопасть судового гребного винта представляет собой гидродинамический профиль, работающий под определенным углом наклона к водному потоку, отбрасывая его и создавая таким образом упор. Лопасть имеет входящую и выходящую кромки
Рис. 108. Два вида углового редуктора для стационарного двигателя:
а - с коротким промежуточным карданным валом;
б - закрепленный на двигателе.
и рабочую (нагнетающую) поверхность. Физическая суть работы гребного винта достаточно проста - при вращении на поверхности его лопастей, обращенных в сторону движения судна образуется разрежение, а обращенных назад - повышенное давление воды. Разность давлений создает силу, одна из составляющих которой и двигает судно вперед. Упор в большой степени зависит от угла атаки профиля лопасти. Оптимальное значение этого угла для быстроходных катеров 4 - 8°.
Основные понятия при рассмотрении темы и характеристик гребного винта:
Шаг винта - геометрическое перемещение (расстояние) любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот гребного винта при условии, что он совершает его в условно твердой среде.
Диаметр винта - диаметр окружности в которую вписаны спрямленные лопасти гребного винта (рис.109)
Шаговое отношение - отношение шага винта к диаметру
Дисковое отношение - отношение площади спрямленных лопастей (без ступицы) к площади диска, диаметр которого равен диаметру гребного винта (рис. 111). Шаговое и дисковое отношения являются основными параметрами гидродинамических характе ристик гребного винта, от которых зависит степень использования мощности двигателя и достижение максимально возможной скорости судном. Каждому гребному винту конкретного размера и фиксированного шага присуща своя винтовая характеристика. В принципе, для каждого корпуса судна и двигателя должен подбираться свой оптимальный гребной винт. Процесс расчета гребного винте сложен и базируется на использовании существующих графиков и диаграмм определения диаметра и шага винта в зависимости от мощности на валу. Для малых нагрузок и больших скоростей обычно выбирается двухлопастной гребной винт, для нормальных нагрузок (на катерах) - трехлопастной, для больших нагрузок и малых скоростей - четырехлопастной. Применение пятилопастного гребного винта значительно уменьшает вибрацию.
Скольжение винта - явление, возникающее при работе гребного винта в водной среде под нагрузкой, представляет собой разность между расчетным шагом винта и фактически пройденным расстоянием за один оборот. Скольжение почти никогда не бывает менее 15% шага винта, в большинстве случаев равно 30%, иногда - около 45-50% шага винта.
Коэффициент полезного действия (КПД) винта – отношение полезно используемой мощности к затраченной мощности двигателя, зависит, в основном, от диаметра и частоты вращения винта. КПД является оценкой эффективности работы гребного винта, его максимальная величина может достигать 70-80%, на малых судах 45-50%. Знать КПД винта необходимо для производства расчетов проектируемой скорости судна. КПД гребных винтов рассчитывается также по многочисленным графикам и диаграммам, основой которых служит коэффициент мощности (коэффициент нагрузки) - отношение произведения мощности двигателя, отданной винту, на частоту его вращения к поступательной скорости винта в попутном потоке
Большинство гребных винтов работает с коэффициентами нагрузки в пределах от 1 до 10. Структура коэффициента нагрузки показывает, что к высокому КПД гребного винта приводят небольшая мощность двигателя, низкая частота вращения и высокая скорость. Направление вращения гребного винта (рис. 110) в судовождении (правое - по часовой стрелке, левое -против часовой стрелки) устанавливают глядя с кормы в нос при работе винта на передний ход и определяют только для переднего хода.
Кавитация - явление "вскипания" воды и образования пузырьков пара на засасывающей стороне лопасти винта. При разрушении пузырьков создаются огромные местные давления, что является причиной выкрашивания лопасти. При длительной работе эти разрушения достигают больших величин, сказывающихся отрицательно на работе винта. Вторая стадия кавитации - возникновение на лопасти сплошной каверны, которая иногда может замыкаться даже за ее пределами.
Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей. При изменении шага и диаметра винта больше или меньше оптимальных значений возникают моменты, когда двигатель или не в состоянии вращать винт с большей частотой оборотов (не развивает номинальной мощности), либо, наоборот, не только развивает, но и легко превышает значение номинальной частоты вращения коленвала, а поскольку упор винта мал -судно все равно не развивает большой скорости. В этом случае вступают в силу понятия легкий (тяжелый) винт, которые также относятся к числу винтовых характеристик, о. которых было сказано выше.
Гребные винты изготавливают из бронзы, латуни, нержавеющей и углеродистой сталей, чугуна. Для гребных винтов малых судов применяют пластмассу. Металлические винты делаются литыми с последующей доводкой (обработкой).
Задача учета меняющегося сопротивления корпуса судна при изменении его нагрузки и более эффективного использования двигателя в этих условиях достаточно успешно решается применением гребного винта изменяемого шага (винт "мультипитч", не путать с винтом регулируемого шага -ВРШ). Ступица винта - металлическая, взаимозаменяемые лопасти - из полиамидных смол (последнее время из них изготовлена и ступица винта). Лопасти имеют жестко закрепленные пальцы (рис. 112), которые проходят в отверстия в торце носовой части ступицы 6 и входят в пазы поводка 4, имеющего мерную шкалу.
При повороте любой лопасти вокруг ее оси происходит синхронный разворот всех лопастей в сторону увеличения (уменьшения) шага винта. Закрепление лопастей в выбранном положении осуществляется гайкой 3. Втулка 5 имеет внутренний диаметр, равный диаметру гребного вала мотора. От осевого перемещения во втулке винт фиксируется гайкой 3 и стопорным винтом 8. Операция смены шага занимает при навыке 3-5 мин и не требует подхода к берегу и снятия винта. Для ПЛМ "Вихрь" такие винты выпускал Черноморский судостроительный завод.
Гребные винты регулируемого шага отличаются сложностью устройства, массивной ступицей и большой стоимостью, поскольку разворот лопастей для изменения шага винта у них производится дистанционно, в процессе работы (вращения). О таких винтах шла речь, когда мы говорили об изменении режима движения судна от "полного вперед" до "стоп" и "полного назад" только с помощью движителя. Преимущества ВРШ: возможность использования полной мощности двигателя на различных режимах движения судна и получения всего диапазона скоростей без изменения направления и частоты вращения гребного вала; экономия горючего и увеличение моторесурса двигателя. Недостатки ВРШ: сложность конструкции, снижение КПД двигателя из-за увеличенного размера ступицы и искажения профиля лопастей при их развороте на промежуточных режимах работы, низкая эффективность на заднем ходу. Для повышения КПД гребного винта на тяжелых водоизмещающих судах достаточно часто применяется кольцевая профилированная насадка (рис. 113), представляющая из себя замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем.. Площадь входного сечения насадки больше площади выходного, винт устанавливается в наиболее узком месте и с минимальным (0,01 D винта) зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки. При работе винта засасываемый поток увеличивает скорость из-за уменьшения проходного сечения насадки, вследствие чего уменьшается скольжение винта. Дополнительный упор создается и на самой насадке (из-за обтекания водой подобно - крылу). Действие водометного движителя основано на известном законе Ньютона: масса воды, отброшенная движителем в корму, создает в виде реакции упорное давление, движущее судно вперед.
Водометный движитель (водомет) можно представить себе в виде мощного насоса, забирающего воду из-под днища и выбрасывающего ее за транцем из сопла над водой. От гребного винта водомет отличается только тем, что винт (колесо насоса) установлен в трубе внутри судна. Управление судном и движение задним ходом в этом случае осуществляется различными способами. Наиболее у нас применимый способ управления - поворотом струи в выпускном сопле с помощью двустворчатого реверсивно-рулевого устройства, состоящего из двух плоских пластин (рулей), соединенных между собой и шарнирно навешенных на реверсивную коробку. В этом случае на переднем ходу рули перекладываются параллельно друг другу, изменяя направление выбрасываемой струи в ту или другую сторону, на заднем ходу судно не управляется. Возможно применение поворотного сопла и реверсивной заслонки, а также, поворотного водомета (рис. 114), что значительно повышает маневренность судна. Водометы используют преимущественно на легких быстроходных катерах, где большая мощность сочетается с малым весом катера.
Воздушные винты находят очень редкое применение на маломерных судах из-за низкого КПД, больших размеров и большого количества других недостатков и проблем, с которыми встречаются конструкторы, проектируя судно с таким движителем. Воздушные винты незаменимы при изготовлении судов-амфибий (рис. 115, 116), судов на воздушной подушке, т.е. таких судов, для которых подстилающей поверхностью может быть болото, снег, лед, ровный песок и т.п. Чаще других применяются двухлопастные винты. Существуют соответствующие формулы для расчета тяги винта, ширины лопасти, шага, диаметра и др. характеристик винта. Воздушные винты для катеров чаще всего выполняют деревянными, клееными из реек.
Заканчивая тему движителей и подводя краткие итоги можно утверждать, что максимальную скорость, наибольшую экономичность и надежность, а также наибольшую тягу из существующих движителей создает гребной винт. Наименьшие осадка и материальные потери для судоводителя при касании грунта достигаются при использовании водометных движителей, а упрощенный монтаж и удобство при обслуживании возможны при эксплуатации подвесных моторов и поворотно-откидных колонок.
При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна, можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна. Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим результирующую сил трения - сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая -волновое сопротивление RB зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВ.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:
R = RТР + RB + RФ+ RВ.Ч. + RВОЗ (1)
Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:
R = C × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ), (2)
где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
SВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:
C = CТР + CB + CФ+ CВ.Ч. + CВОЗ или C = CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ
где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:
R = (CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ) × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ) (3).
Движущая сила Pe создается и поддерживается судовыми движителями, преобразующими механическую энергию поступательного движения судна.
В процессе работы движитель воздействует на окружающий судно поток, а корпус судна изменяет поток в районе расположения движителя.
Полезная мощность, которую развивает движитель: N=Pvp
Поторебляемая движителем мощность Np=Mw
(М-момент, передаваемый движителю от двигателя, w-угловая скорость вращения гребного винта)
Судовые движители по принципу действия являются гидравлическими или гидрореактивными. В последнее время применяются воздушные движители (суда на воздушной подушке оборудуют воздушными винтами).
Действие основано на отбрасывании в сторону, обратную направлению движения судна, масс окуржающей среды: воды или воздуха. Это осуществляется засчет сообщения массам, перерабатываемым рабочими элементами движителяколичества движения. Реакция отброшенных масс воспринимается деталями движителя. Ее составляющая в направлении движения судна ности назвоние упора движителя. Силы, возникающие на элементах движителей, могут создаваться как за счет сил сопротивления при движении движителя в окружающей среде, так и за счет подъемной силы- по природе аналогичной подъемной силе несущего крыла.
Гребные винты применяются на судах различного типа и назначения, они отличаются простотой конструкции, удовлетворительной эксплуатационной надежностью и относительно высоким КПД. Разновидностями гребного винта являются винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения,гребные винтытандем.
Крыльчатый движитель обладает специфическими свойствами.
Водометные движители
Существуют другие типы движителей, среди которых можно отметить газоводометные и роторные.
Судовыми движителями называются специальные устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к. они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную движению судна. В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и водометный движители. Гребной винт служит основным типом движителя
для морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш). Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта называется расстояние, на которое переместится точка винта за один полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме движения судна. Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей), обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному - наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом: возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что усложняет их крепление.
К основным геометрическим элементам и характеристикам, определяющим действие гребного лодочного винта, относятся:
1. Диамерт
винта D=2R, представляющий собой диаметр окружности, описываемой самой удаленной от оси винта точкой лопаси. Диаметр лодочного винта определяется площадью гидравлического
, или рабочего
, сечения движителя.
2. Радиус
лодочного винта R=0,5D - расстояние от оси гребного винта до наиболее удаленной точнки, называемой краем
лопасти.
3. Геометрический
, или конструктивный
, шаг винта - H, характеризующий возможное перемещение винта за один оборот при движении бе скольжения. Конструктивный шаг винта определяется шагом винтовых линий, образующих нагнетательную (кормовую) поверхность лопасти гребного лодочного винта, и находится по формуле: H=2πrtgѵ,
где r - радиус рассматриваемого сечения лопасти; tgѵ - тангенс шагового угла на радиусе r.
Различают лодочные винты постоянного шага
H = const и переменного
H = ϝ(r), у которых шаг вдоль радиуса лопасти изменяется по какому-либо закону.
4. Конструктивное шаговоре отношение
H/D - отношение конструктивного шага винта к его диаметру.
5. Дисковое отношение
Θ, представляющее отношение суммарной площади всех z лопастей к площади диска, ометаемого винтом, Θ=A/Ad=(2zbcp(D-dc))/(πDD),
6. Приведенный
, или относительный
, радиус лопасти, представляющий собой отношение радиуса ента давления лопасти R0 к наибольшему радиусу гребного винта R. Обычно принимается, что центр давления, характеризующий точку приложения к лопасти равнодействующей всех сил, совпадает с центром тяжести спрямленной поверхности лопасти.
7. Профиль сечения лопасти
, под которым понимается спрямленный на плоскость след сечения лопасти лодочного винта соосным с ним круговым цилиндром на заданном радиусе.
Для характеристики режима работы гребного винта в целом используют понятие поступи. Линейной поступью hp винта называется путь, проходимый винтом в осевом направлении за время одного оборота=vp/hp
Отношение линейной поступи к диаметру винта называется относительной поступью или просто поступью винта. λp=hp /D=Vp/nD
Шаг винта- расстояние, которое проходит винт за один оборот в твоердом теле.
Безразмерные гидродинамические характеристики гребного винта, представленные в виде кривых в функции от относительной поступи, называются кривыми действия. С их помощью можно определить упор, момент, КПД винта при различных режимах работы.
На графике изображается также λ1=H1/D- шаговое отношение нулевого упора или гидродинамическое шаговое отношение.
λ2=H2/D- шаговое отношение нулевого момента.
При λp ›λ2, k2‹ 0, винт работает в режиме турбины, создавая вращающий момент за счет энергии потока.
В диапозоне изменения относительной поступи λ1 ‹ λp‹ λ2 винт не может быть использован ни как движитель, ни как турбина. Рабочей областью гребного винта, как судового движителя является диапозон относительных поступей 0 ‹ λp ‹ λ1, где P› 0
В каждом конкретном случае на расчетных режимах гребной винт должен работать в диапозоне относительных поступей, соответствующих высоким значениям КПД, что обеспечивается надлежащим выбором геометрических характеристик гребных винтов.
Одна из наиболее важных целей модельных гидродинамических испытаний винтов- получить систематизированные экспериментальныематериалы, необходимые для проектирования гребных винтов. Эти материалы получают в результате испытаний определенных серий винтов. При разработке серий моделей стремятся получить систематическое изменение их важнейших конструктивных элементов, существенно влияющихна гидродинамические характеристики винта.
Такими элементами являются: шаговое отношение H/D, дисковое отношение A/Ad, число лопастей Z, относительная толщина лопасти Ω, форма сечений лопасти, ее контур.
Материалы испыьаний представляются на диаграммах, содержащих кривые действия винтов серии, отличющихся только шаговым отношением. На диаграмме изображаются кривые коэффициента упора К1 и КПД в функции относительно поступи.
Каждая серия винтов, отличающихся шаговым отношением, представляется двумя диаграммами: диаграммой, посторенной в осях k1-λp и диаграммой, построенной в осях k2- λp.
Первую диаграмму называют корпусной, она используется, когда исходными для расчета гребного винта служит буксировочное сопротивление корпуса судна, а мощность энергетической установки, необходимая для обеспечения указанной в техническом задании на проектировании скорости судна. Диаграмму, построенную в осях k2- λp, называют машинной. Эта диаграмма используется, когда мощность энергетической установки проектируемого судна задана, а достежимая скорость является искомой величиной.
Простейшей формой задания на проектирование винта, позволяющей однозначно определить геометрические элементы винта в пределах заданной серии, является случай, когда указаны частота вращения n, диаметр винта D, скорость поступательного движения винта Vp, а также требуемый упор или располагаемая мощность на винте Np. Ная эти величины, можно вычислить относительную поступь λp и коэффициент упора k2, определяющие на поле диаграмм единственную точку, которая однозначно определяет шаговое отношение и КПД винта.