книги из ГПНТБ / Эпельман Т.Е. Судовые теплоэнергетические установки и их оборудование учеб. пособие

гребня и износом упорных подушек. Для сохранения жидкостной смазки трущихся пар гребень и корпус подшипника должны иметь большую жесткость, а конструкция упорных подушек должна поз­ волять им автоматически изменять свое положение относительно гребня при изменении режима работы установки.

В зависимости от расположения упорного гребня (в отдельном корпусе подшипника, в корпусе двигателя или редуктора), величины упора и удельного давления подшипники выполняют с форсирован­ ной или индивидуальной смазкой и независимой или сопряженной установкой упорных подушек в корпусе подшипника. Если удель­ ные давления, испытываемые упорными подушками, невелики, то на линии вала располагают упорные подшипники с независимой установкой каждой подушки и с индивидуальной смазкой. Иногда применяют упорные подшипники с установкой подушек на месдозах, позволяющих измерять упорное давление.

При использовании опорных подшипников качения целесообразно упорный подшипник также выполнять в виде шарикового или роли­ кового подшипника качения. Это уменьшает потери в валопроводе и облегчает уход за ним в процессе эксплуатации судна. В настоя­ щее время такие подшипники устанавливают даже на валах боль­ ших диаметров, а передаваемые ими упоры превышают 40—50 т. Смазка таких подшипников — принудительно-циркуляционная.

Вспомогательный упорный подшипник является принадлежно­ стью многовальных установок большой мощности. Конструкция подшипника предусматривает возможность его работы как упор­ ного или как опорного подшипника валопровода. Для этой цели упорные подушки можно отодвигать от упорного гребня (на 10— 20 мм) или придвигать к нему при помощи червячной пары. На одновальных грузовых судах вспомогательные упорные подшипники обычно не устанавливают.

Размещение валопровода. На морских судах, строящихся под наблюдением Регистра СССР, при расположении машинных отделе­ ний в средней части судна валопровод прокладывают в водонепро­ ницаемом туннеле. Для наблюдения за дейдвудным сальником, а также для удобного расположения и обслуживания тормоза греб­ ного вала и вспомогательного упорного подшипника, если он имеется, , в кормовой оконечности судна туннель выполняют уширенным, переходящим в рецесс. Рецесс используют для хранения запасных частей валопровода, а также _для устройства запасного выхода из туннеля на верхнюю палубу через шахту, оборудованную верти­ кальным скобтрапом.

Туннель выполняют достаточно высоким и широким для удобного обслуживания и частичного демонтажа проходящих через него промежуточных валов и их опор. Вращающийся вал ограждают по­ ручнями: От машинного отделения туннель отделяют водонепрони­ цаемой дверью, а в месте прохода вала через кормовую переборку машинного отделения устанавливают водонепроницаемый перебороч­ ный сальник.

Главный упорный подшипник располагают в машинном отделении.

300

Туннели уменьшают полезную кубатуру трюмов, усложняют конструкцию судна. Отсутствие туннелей является одним из пре­ имуществ судов с кормовым расположением машинного отделения. Особенно выгодно располагать энергетические установки в кормовой части на нефтеналивных судах; в противном случае туннели должны быть нефте- и газонепроницаемыми, чего достигнуть труднее, чем водонепроницаемость. Кормовое расположение машинного отделения повышает пожарную безопасность судна.

Валопроводы с винтами регулируемого шага (ВРШ). В установках с ВРШ конструкция валопровода усложняется независимо от того, где расположен механизм изменения шага (МИШ) — в ступице винта или в валопроводе, так как в любом случае силовая или уп­ равляющая штанга проходит внутри гребного и части промежуточ­ ных валов. Изменяется также способ соединения гребного вала со ступицей винта. В случае ВРШ пустотелая ступица винта соеди­ няется с пустотелым гребным валом при помощи фланцевого соеди­ нения.

§ 56

Усилия, действующие на судовой валопровод

Судовой валопровод на ходу судна подвержен действию сил и моментов, вызывающих сложные деформации и на­ пряжения в сечениях валов и соединительных деталей. Нагрузки, действующие на валопровод, можно подразделить на основные, дополнительные и случайные.

К основным нагрузкам следует отнести:

—усилия от собственной массы валопровода и массы насажен­ ного на него гребного винта;

—упор гребного винта, передаваемый валопроводом упорному подшипнику;

—крутящий момент, передаваемый от двигателя гребного винту.

—возникающие в результате механической и гидродинамической неуравновешенности гребного винта;

—возникающие при деформации корпуса судна;

Общую массу валопровода можно представить состоящей из равномерно-распределенной массы на участках постоянного' сече­ ния и сосредоточенных масс деталей, насаженных на вал (фланцы,

301

где 0 — масса участка валопровода одного диаметра без учета массы фланцев или муфт;

/ — длина участка.

Усилия от равномерно-распределенной и сосредоточенных масс вызывают реакции в опорных подшипниках валопровода. Реакции можно считать приложенными в плоскостях, проходящих через середины опор перпендикулярно линии вала.

Упор гребного винта

ВПТУ и ГТУ крутящий момент на валопроводе при неизменном режиме работы установки сохраняется постоянным и может быть вычислен по передаваемой мощности и частоте вращения валопро­ вода:

ВДУ крутящий момент на валопроводе, даже при постоянном

режиме работы установки, является периодической функцией от угла поворота коленчатого вала дизеля. Крутящий момент на валу дизеля

М = TZR,

где — периодически изменяющееся суммарное касательное уси­ лие на окружности кривошипа;

R — радиус кривошипа.

В ДУ по передаваемой мощности и частоте вращения валопровода можно определить только среднее значение крутящего момента.

Периодическое изменение крутящего момента дизеля является основной причиной возникновения крутильных колебаний судового валопровода. При резонансе, т. е. при таких частотах вращения валопровода, когда частоты свободных крутильных колебаний вало­ провода и частоты возмущающих импульсов (крутящих моментов дизеля) совпадают (или кратны), амплитуды колебаний могут стать опасными и вызвать поломку вала от скручивания.

В ПТУ и ГТУ крутильные колебания могут появиться вследст­ вие неравномерности поля скоростей потока воды около гребного винта. Однако эти колебания менее опасны. При вращении вало­ провода возможны также поперечные колебания его из-за несовпа­ дения центров тяжести вращающихся масс с геометрической осью вращения вала. При совпадении частоты вращения валопровода с частотой его собственных (свободных) поперечных колебаний также наступает резонанс и вибрация может привести к разрушению вала от изгиба.

302

Одной из задач при проектировании валопровода является на­ хождение его резонансных (критических) частот вращения по по­

пазона частот вращения валопровода, расчет позволяет установить

женно может быть определена путем замены действительного много­

эта замена не приводит к большой ошибке вследствие преобладаю­ щего влияния на частоту колебаний валопровода пролета, имеющего наибольшую длину, а также консоли, несущей гребной винт.

Усилия, действующие на валопровод, и вызываемые ими дефор­ мации зависят от направления упора гребных винтов. При ходе судна вперед действующие на валопровод основные нагрузки вызывают кручение, поперечный и продольный изгиб, при ходе судна назад — кручение, растяжение и поперечный изгиб его валов. Критические частоты вращения по поперечным колебаниям также зависят от на­ правления упора винтов: при ходе назад (деформация растяжения валопровода) они увеличиваются, при ходе вперед уменьшаются.

Внешние усилия, действующие на валопровод в эксплуатации не могут быть определены с достаточной точностью, особенно в ус­ ловиях штормового или ледового плавания. Поэтому размеры вало­ провода регламентируются Правилами классификационных обществ, в частности, Морского Регистра СССР. Правила Регистра СССР

определяют порядок расчета основных размеров валопровода д л я . установок всех типов. Для полного расчета необходимы подробные данные о двигателе, валопроводе и гребном винте.

Основным расчетным диаметром валопровода является диаметр

энергии в передаче и в подшипниках валопровода. Потери в пере­

303

струкции и системы смазки опорных и упорных подшипников, сте­ пени затяжки переборочного и дейдвудного сальников, а также от мощности, передаваемой винту.

На режиме полного хода для коротких валопроводов г)в = 0,97 ч-0,98, для длинных валопроводов г)в = 0,95 -4-0,97. Большие зна­ чения к. п. д. соответствуют установкам большей мощности.

При изменении нагрузки на двигатель по винтовой характери­ стике изменяется значение к. п. д. валопровода из-за изменения абсолютных и относительных потерь на преодоление трения в под­ шипниках и сальниках валопровода.

§ 58

Торзиометрирование валопроводов

Определение мощности, передаваемой гребному винту от главных двигателей в ДУ, обычно производится путем индицирования или осциллографирования рабочих процессов в цилин-

Рис. 202. Схема установки для тарировки вала.

драх дизеля. Дополнительно необходимо знать значения механиче­ ского к. п. д. дизеля, к. п. д. передачи и валопровода.

В установках с электрической передачей искомая мощность мо­ жет быть определена по показаниям щитовых электроприборов греб­ ного электродвигателя и по значениям к. п. д. электродвигателя, зубчатой передачи (если таковая имеется) и валопровода.

В ПТУ и ГТУ вследствие постоянства крутящего момента на уста­ новившемся режиме, передаваемую мощность с высокой степенью

304

точности можно найти посредством торзиометрирования, используя выражение для угла закручивания вала

Непосредственное использование приведенной формулы не дает приемлемых по точности результатов вследствие неоднородности материала вала, обусловливающей нестабильность значения модуля

Крутящий момент создается грузами или гидравлическими дом­ кратами в зависимости от сечения вала и длины / базы торзиометра. Обычно / = 0,5 ч-1,5 м. На тарированный участок валопровода уста­ навливают специальный прибор-торзиометр, позволяющий измерять угол закручивания вала на длине / во время работы установки. По показаниям торзиометра определяют среднее значение крутящего момента на данном режиме работы установки, а по крутящему мо­ менту и частоте вращения — искомую мощность. Торзиометры вы­ полняют различными по конструкции и принципу работы. Они бы­ вают механическими, акустическими и электрическими

2.0 т. Е.

Глава XIII

СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ДВИГАТЕЛЕЙ С Г Р Е Б Н Ы М ВИНТОМ

§ 59 Классификация режимов

Режим работы энергетической установки характе­ ризуется совокупностью рабочих параметров функционально взаимо­ связанных ее элементов. Режим работы определяется положением органов управления установки и внешними условиями: температу­ рой воздуха и забортной воды, состоянием поверхности моря и т. д.

Если в течение длительного времени рабочие параметры эле­ ментов установки остаются неизменными, то режим работы назы­ вается установившимся или стационарным. Если при неизменном положении органов управления рабочие параметры элементов уста­ новки под действием внешних условий претерпевают изменения во

кационных режимов может быть несколько (на переднем и заднем ходу). Важнейшим спецификационным режимом является номиналь­ ный, обычно соответствующий полному ходу судна при расчетной осадке и спокойном состоянии моря.

Совокупность всех установившихся режимов работы установки, за исключением номинального, принято называть переменными режимами. Таким образом, любой переменный режим является ста­ ционарным. Мощность установки на переменных режимах может быть меньше номинальной (режимы частичных нагрузок) или больше (перегрузочные режимы).

Переход установки в процессе эксплуатации с одного установив­ шегося режима на другой вследствие изменения положения органов управления называется переходным процессом. Переходные про­ цессы являются процессами неустановившимися. При медленном протекании переходного процесса, когда изменения параметров во времени пренебрежимо малы, его можно рассматривать как сово­ купность последовательно сменяющих друг друга мало различаю-

306

щихся стационарных режимов. Такой переходный процесс назы­ вается квазистационарным.

Важнейшими эксплуатационными режимами транспортных судов являются следующие:

— ходовые режимы: на самом малом, малом, среднем, полном и самом полном ходах (вперед или назад). Указанные режимы можно осуществлять ночью и днем, в условиях спокойной воды при слабом ветре или в условиях шторма при сильном ветре, в чистой воде или в битом льду, на глубокой или мелкой воде, на ровном киле или при ходе с креном или дифферентом, при буксировании воза или без него, на прямом курсе или при циркуляции, в открытом море или при ходе в узкостях, при полном или частичном водоизмещении и т. д. На номинальном режиме главный двигатель устойчиво развивает номи­ нальную мощность при номинальной частоте вращения;

— стояночные режимы: с погрузочно-разгрузочными операциями или без них. Потребность в энергии на стояночных режимах опреде­ ляется загрузкой грузовых средств и вспомогательных механизмов, обслуживающих энергетическую установку и общесудовые нужды.

судна и т. п. Указанные режимы связаны с операциями пуска и реверса двигателя, разгона и торможения судна. Нагрузка энерге­ тической установки при маневрировании колеблется в широких пре­ делах. Она зависит от характера маневра и времени, отводимого на его осуществление.

Ходовые режимы, осуществляемые на прямых курсах в открытом море в условиях штиля или при небольшом (не более 2—3 баллов) волнении и неизменном положении органов управления двигателя,

Каждому установившемуся режиму работы энер­ гетической установки соответствует определенная частота вращения гребного винта и потребляемая им мощность. Эти величины связаны закономерностями, вытекающими из взаимодействия главного дви­ гателя, гребного винта и корпуса судна.

В теории гребных винтов доказывается, что режим работы винта однозначно определяется значением его относительной поступи:

Д ля изолированных (работающих в свободной воде) винтов зна^ чение относительной поступи Хр определяет безразмерные коэф­ фициенты упора ki и момента &2 :

pn2D* '

( П О )

М

2 — p«a D5 '

где Р и М — соответственно, упор, создаваемый винтом при его вращении, и потребляемый при этом крутящий мо­ мент;

Для неизолированного винта, т. е. работающего вблизи корпуса судна, эти зависимости несколько изменяются. В процессе работы винт отсасывает воду от кормовой оконечности судна, вследствие чего давление воды на нее уменьшается и гребному винту нужно преодолевать сопротивление воды движению судна и дополнитель­ ную силу, вызванную перераспределением давления воды на кор­ пусе судна. Поэтому эффективный упор, или тяга винта, Ре оказы­ вается меньше упора Р. Это уменьшение оценивается коэффициен­ том засасывания /:

ре = Р ( 1 - о.

При движении судна возникает попутный поток воды, движущийся в направлении движения судна. Скорость vp гребного винта, находя­ щегося в попутном потоке, меньше скорости судна v относительно берега на величину скорости Ду попутного потока. Уменьшение скорости оценивается коэффициентом попутного потока <о

Vp = V (1 — со).

Эффективность комплекса винт — корпус судна оценивается пропульсивным к. п. д., численная величина которого отличается от к. п. д. изолированного винта и равна

308

называется коэффициентом влияния корпуса. Таким образом пропульсивный к. п. д. равен

0

Рис. 203. Кривые действия гребного винта: а — совмещенные, в абсо­ лютных единицах; б — кривые kx = / (Яр ) в относительных единицах для винтов с различными геометрическими параметрами.

/ — гидродинамически легкий винт; 2 — гидродинамически тяжелый винт.

Аналогично понятию коэффициента упора kx коэффициентом эффективного упора или тяги ke называется отношение

графически в виде кривых действия гребного винта в свободной воде, а кривые ke, k2 и пропульсивный к. п. д. т| — в виде кривых действия гребного винта за кормой судна. Указанные кривые действия греб­ ного винта совмещены на рис. 203, а.

Кривые действия гребного винта дают возможность строить су­

Приведенные на рис. 203, а кривые действия гребного винта представлены в абсолютной системе координат: kx — кр, k2—Хр

309