СЭУ, Модуль 3.1., Чистяков А.Ю., 05.11.10

Судовые энергетические установки

Модуль 3.1.

3.1.1. Главные передачи. Основные понятия и классификация

Передача мощности от главного двигателя на движитель судна может осуществляться напрямую при равенстве частот вращения выходного вала главного двигателя и движителя, либо через один из видов передачи, при частоте вращения выходного вала главного двигателя большей, чем оптимальная частота вращения движителя.

Основным типом движителя для водоизмещающих судов различных типов и классов является гребной винт фиксированного или регулируемого шага. Оптимальные частоты вращения гребного винта, исходя из условий возникновения кавитации и обеспечения максимального КПД, лежат в диапазоне . Из всех типов судовых энергетических установок аналогичный диапазон скоростей вращения выходного вала способны обеспечить только МОД. Для СОД и ВОД необходимо применение понижающей передачи. Скорости вращения выходных валов паротурбинных и газотурбинных установок имеют еще более высокие значения, чем у ДЭУ: для паровых турбин – до 6000 ÷ 8000об / мин , для ГТУ – до 18000 об / мин . Для этих видов СЭУ передачи различных типов являются неотъемлемой энергетической установки.

Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что передача является промежуточным звеном между главным двигателем и движителем судна. Помимо функции передачи мощности и снижения числа оборотов, в некоторых установках передача может осуществлять изменение направления вращения гребного вала на противоположное и быстрое отсоединение двигателя от гребного вала. Кроме этого, от главной передачи во многом зависят массогабаритные, экономические и эксплуатационные показатели энергетической установки.

Современные судовые передачи имеют ряд особенностей, к которым относятся их способность передавать вращающий момент и частоту вращения без изменения их значений, изменять только частоту вращения или совместно оба показателя – и вращающий момент и частоту вращения. Эти особенности могут быть оценены следующими показателями:

1. Коэффициентом трансформации вращающего момента:

,

где: – вращающий момент на входном валу (валу двигателя);– вращающий момент на выходном валу.

2. Передаточным числом:

где: – частота вращения входного вала (вала двигателя); – частота вращения выходного вала.

С помощью этих показателей можно выразить величину КПД передачи, как отношение мощности на выходном валу к мощности на входном валу:

,

где: – мощность на входном валу (эффективная мощность двигателя); – мощность на выходном валу передачи.

Все передачи в зависимости от изменения указанных пока­зателей при различных режимах работы двигателей и гребных винтов можно разделить на три группы:

1. Передачи, обеспечивающие при всех условиях работы греб­ного винта и двигателя постоянство коэффициента трансформации момента и передаточного числа (, ). Это свойственно односкоростным механическим передачам, к которым от­носятся зубчатые редукторы, кулачковые и фрикционные муфты, шинно-пневматические муфты. Наиболее простой вариант такой передачи — непосредственное соединение МОД с судовым валопроводом, когда и (непосредственная, или прямая, пе­редача).

2. Передачи, обеспечивающие при всех условиях работы винта и двигателя постоянство коэффициента трансформации момента и переменное передаточное число (, ).Это гидро­динамические и электромагнитные муфты скольжения.

3. Передачи, обеспечивающие изменяемость передаточного чи­сла и коэффициента трансформации момента (,).Одновременное изменение и при различных условиях работы винта и двигателя наблюдается в гидротрансформаторах, гидростатических системах и электропередачах, а также в многоско­ростных зубчатых редукторах. В гидротрансформаторах и электропередачах иизменяются плавно, а в многоступенчатых ре­дукторах — ступенчато.

Обычно главные судовые передачи классифицируют так.

В зависимости от трансформации момента: прямые, при кото­рых не происходит трансформации передаваемого вращающего момента (); непрямые, предусматривающие трансформацию вращающего момента().

Прямые передачи могут быть жесткими, если фланец вала двигателя жестко соединен с фланцем судового валопровода, и эластичными, если между двигателем и валопроводом установ­лена эластичная муфта (электромагнитная, гидравлическая, пневматическая и т. п.).

Непрямые передачи могут быть механическими, если транс­формация вращающего момента двигателя производится посред­ством механических устройств (зубчатых редукторов), гидравли­ческими (гидродинамическими и гидростатическими) — при транс­формации вращающего момента с помощью гидродинамических трансформаторов или объемных насоса и мотора, электриче­скими — трансформации момента с помощью электрических машин.

Различают передачи и в зависимости от того, происходит ли в них трансформация вида энергии или нет:

- без трансформации вида передаваемой энергии (прямые и все типы механических передач);

- с трансформацией вида энергии (гидродинамические и электрические передачи);

- комбинированные, состоящие из элементов с трансформа­цией и без трансформации передаваемого вида энергии (различ­ные сочетания прямых, механических, гидродинамических и элек­трических передач).

В некоторых передачах, кроме того, может быть суммирова­ние мощности нескольких двигателей или, наоборот, разделение мощности одного двигателя на несколько (например, два) пото­ков. От типа передачи во многом зависят эксплуатационные свой­ства и показатели СЭУ в целом.

Таким образом, с учетом изложенных выше особенностей все судовые передачи можно разделить на следующие:

- прямые (непосредственные, , );

- механические (редукторные: — одноступенчатые, — многоступенчатые, многоскоростные; или );

- гидравлические (с применением гидромуфт и гидротранс­форматоров, гидравлического насоса, приводимого двигателем, и гидромотора, работающего на гребной винт; или , );

- электрические (дизель- или турбоэлектрические установки с главными дизель- или турбогенераторами и гребными электро­двигателями, , );

- комбинированные.

Прямые передачи применяются в установках главным обра­зом с МОД при (на небольших морских, а также речных судах, рыболовных траулерах и буксирах при­меняют МОД и СОД с, равным соответственноис прямой передачей). Возможны следующие ва­рианты: выходной фланец реверсивного дизеля жестко (или эла­стично) соединен через валопровод с ВФШ; выходной фланец не­реверсивного дизеля соединен через валопровод с ВРШ (в сту­пице ВРШ на валопроводе размещен МИШ).

Прямым передачам в ДУ при всех их достоинствах свой­ственны три существенных недостатка:

1) отклонение от опти­мального значения снижает пропульсивный КПД глав­ной ЭУ;

2) при использовании МОД уста­новки с прямыми передачами имеют неблагоприятные массогабаритные показатели;

3) сложность (или невозможность) привода вспомогательных механизмов (валогенераторов, насосов и др.) от ГД.

Несмотря на это, ДУ с МОД и прямой передачей занимают доминирующее положение в транспортном флоте, что объясня­ется следующими их достоинствами:

- конструктивной простотой и высокой надежностью передачи;

- высоким КПД передачи;

- высо­кой экономичностью ГД и возможностью использования высоко­вязких дешевых сортов топлива;

- низкими эксплуатационными расходами;

- вы­соким ресурсом.

В состав прямой передачи входят жесткие или упругие муфты и валопровод. Мощные крейцкопфные дизели обычно соединяются с валопроводом только с помощью жестких фланцевых муфт. В многовальных установках с МОД иногда используют соедини­тельно-разобщительные муфты, включать и выключать которые можно только на стоянке.