3.2.2. Реверс-редукторная передача

При мощности ДУ до 3000...4000 кВт с нереверсивными двигателями, имеющими частоту вращения коленчатого вала 500 мин^-1 и выше применяют реверс-редукторы. Реверс-редуктор позволяет не только реверсировать гребной вал, но и отсоединять валопровод от двигателя, обеспечивая его пуск без нагрузки.

Реверсивные зубчатые редукторы бывают двух типов: переборные с включением паразитной шестерни при работе на задний ход и планетарные с изменением остановленного (заторможенного) звена при работе на задний ход.

Реверсирование ведомого вала в редукторе с внешними цилиндрическими зацеплениями достигается применением двух переборов шестерен: одного - для переднего хода, другого - для заднего, включаемых в работу посредством дисковых фрикционных муфт.

По сравнению с простыми редукторами реверс-редукторы менее экономичны, их КПД составляет от 0,90...0,92 - для трехступенчатых до 0,965...0,975 - для одноступенчатых; они менее надежны и ограничены по величине передаваемой мощности.

Вместе с тем, такие установки имеют целый ряд преимуществ по сравнению с установками с малооборотными дизелями и прямой передачей мощности гребному винту:

- меньший объем и масса агрегата ДЭУ, что важно для машинных отделений с небольшой высотой;

- более эффективная работа дизелей при снижении скорости хода судна;

- обеспечивает взаимозаменяемость и ремонтопригодность дизелей на ходу судна и другие преимущества.

На морских транспортных судах часто применяются дизельные энергетические установки (ДЭУ), состоящие из нескольких среднеоборотных дизелей, передающих мощность на гребной вал через суммирующий редуктор (рис. 3.2).

Рассматриваемые энергетические установки выгодно применять на автомобильных и железнодорожных паромах, на танкерах, газовозах и фруктовозах потому, что от редуктора приводятся в действие не только главные двигатели, но и генераторы и грузовые насосы.

3.2.3. Поворотные винторулевые колонки

Поворотно-выдвижные откидные колонки различных конструкций с зубчатыми передачами получили распространение в последние годы для ГСЭУ мощностью до 736 кВт. Такие колонки являются средством активного управления судном. Главный двигатель устанавливают в кормовой части судна: через Z-образную зубчатую передачу он приводит во вращение гребной винт. Поворотно-откидная колонка обеспечивает поворот винта в горизонтальной плоскости на 360⁰ и подъем его из воды, который приводится специальным двигателем.

На рис. 3.3 представлен пример такой откидной поворотной колонки фирмы «Вольво Пента».

Рис. 3.3. Колонка фирмы «Вольво Пента» модели 280:

1 - маслобак гидросистемы; 2 - гидросистема откидывания и силового удержания;

3 - рулевой рычаг; 4 - опорная плита; 5 - двойной универсальный шарнир;

6 - масломер; 7 - корпус колонки; 8 - антикавитационная плита; 9 - регулируемый триммер; 10 - гребной винт; 11 - цинковое кольцо (протектор); 12 - масляный насос; 13 - нижняя коническая пара; 14 - заборник охлаждающей воды

Все поворотно-выдвижные откидные колонки можно разделить на две группы:

а) колонки с Z-образной передачей традиционной формы, в которой

все три вала расположены под прямыми углами друг к другу;

б) колонки с наклонным под углом 110...130° к гребному и промежуточным валам.

Наибольшее распространение в настоящее время получили колонки первого типа (рис. 3.3).

Преимущества установок с Z-образной передачей перед обычными установками, снабженными наклонным валопроводом:

- кормовое расположение Z-образной передачи увеличивает полезную площадь и грузоподъемность катера, облегчает его обслуживание; оно и более гигиенично, поскольку обеспечивает чистоту, отсутствие запаха и дыма, а также снижение шумности;

- поскольку гребной вал Z-образной передачи расположен горизонтально, а такие выступающие части, как дейдвудная труба, гребной вал с кронштейном и руль, отсутствуют, то пропульсивный коэффициент катера повышается, а скорость (при той же мощности) возрастает на величину до 10...15%;

- неоценимое преимущество угловой колонки заключается в том, что она при встрече с подводным препятствием на ходу откидывается, а также может быть откинута (поднята), когда это понадобится водителю (например, при высадке на берег). Катер с такой колонкой обладает меньшей габаритной осадкой и большей проходимостью, что особенно ценно в туристских походах;

- поворот колонки вправо и влево на ходу при помощи рулевого устройства (штурвала или румпеля) меняет направление упора гребного винта. Таким образом, колонка служит эффективным рулем;

- монтаж угловой колонки на катере значительно проще, так как устраняются трудоемкие и сложные работы по разметке и сверлению днища, установке дейдвудного устройства, центровке линии вала и т. п.;

- при повреждении подводной части колонки ее ремонт производится на месте, но в удобных условиях колонку поднимают в верхнее положение. При этом не требуется ни особых приспособлений, ни поднятия катера на берег, ни подъема его кормовой части.

Типичным примером конструкции такой колонки является модель фирмы «Вольво Пента» 280, схема установки которой на катере приведена на рис. 3.4.

На модели 280 впервые применен механизм для подъема и силового удержания колонки, встроенный в опорную плиту. С водительского места можно менять угловое положение колонки в зависимости от нагрузки и скорости катера. Антикавитационная плита имеет отверстие для выхлопа отработавших газов и снабжена регулируемым триммером для корректировки хода судна по курсу. У колонки усилена противокоррозионная защита - корпусные детали изготавливаются из специального противокоррозионного сплава, а поверхности покрываются не менее чем шестью слоями различных антикоррозионных красок. Кроме того, применяются протекторы - цинковое кольцо, установленное перед гребным винтом, и цинковая пластина под установочным кольцом.

Рис. 3.4. Схема установки поворотно-откидной колонки на катере:

1 - румпель; 2 - штуртрос; 3 - штурвал; 4 - рычаг реверса; 5 - рычаг

дистанционного управления реверсом; 6 - рычаг подъема колонки;

7 - трос подъема; 8 - рычаг дистанционного управления дроссельной

заслонкой; 9 - рычаг дроссельной заслонки; 10 - тяга;

11 - промежуточный рычаг; 12 - кронштейн подвески колонки

Еще одна отличительная особенность колонок «Вольво Пента» - конусные реверс-муфты, устанавливаемые в верхнем редукторе колонки и обеспечивающие бесшумность и плавность переключения передач на передний или задний ход.

Принудительное откидывание и опускание колонок «Меркруйзер» производится двумя силовыми гидроцилиндрами, расположенными параллельно друг другу с обеих сторон колонки; они же смягчают удары при наезде на подводные препятствия.

Для всех колонок фирмы «Меркюри» характерен выпуск отработавших газов через ступицу гребного винта, что значительно снижает шум и уменьшает кавитацию.

В последние годы в судостроении стали широко применяться поворотные винторулевые колонки (ВРК). Они представляют собой гребной винт (или комплекс гребной винт-насадка), направление тяги которого может быть изменено в широких пределах за счет поворота устройства относительно вертикальной оси. ВРК могут использоваться в качестве главных или вспомогательных движителей и обеспечивать как ходовые, так и маневренные качества судна. Основными изготовителями поворотных ВРК являются фирмы AQUAMASTER (Финляндия), KaMeWa (Швеция), SHOTTEL (Германия), ZETPELLER (Япония). На рис. 3.5 приведены схемы установок.

а) б)

Рис. 3.5. Внешний вид ВРК (а) и Shottel (б)

В таких колонках крутящий момент от двигателя, жестко соединенного с корпусом судна, передается на гребной винт (открытый или в насадке) через вертикальный вал. Механизм поворота колонки позволяет осуществить ее разворот на угол 180⁰ за 9...10 с, поэтому двигатель может быть нереверсивным. Силу упора можно ориентировать в любом направлении, что обеспечивает судну самую высокую поворотливость.

ВРК могут применяться на различных морских и речных судах: пассажирских, грузовых, ледоколах, паромах, буксирах. Они имеют высокую надежность, позволяют уменьшить объем машинного отделения (тем самым увеличить грузоподъемность или уменьшить габариты судна), сравнительную простоту обслуживания, хорошую маневренность при любых скоростях хода. Их установка уменьшает уровень шума и вибрации. Установка ВРК с винтами противоположного вращения приводит к росту пропульсивного коэффициента (до 15%). На рис. 3.6 показана такая винто-рулевая колонка. К недостаткам ВРК можно отнести относительно высокую стоимость.

Рис. 3.6. Схема привода на гребные винты противоположного вращения

С середины 80-x годов прошлого века на судах начали применяться винторулевые комплексы Azipod (рис. 3.7), что означает вынесенный электрический винторулевой комплекс (ВЭВРК). С момента появления идеи Azipod мощность единичной установки выросла с 1500 до 19000 кВт.

Рис. 3.7. Пропульсивный комплекс Azipod

Принципиально новая система не отличается от традиционной электропередачи на винт. Однако конструкторы вышли на новый уровень: применение современных материалов, использование высокого напряжения в десятки киловольт позволило устранить главный недостаток электропередач - громоздкость гребного электродвигателя и силовых электрических элементов - кабелей, коммутаторов. Габариты электродвигателя стали такими, что стало возможным вынести его за пределы корпуса в специальную гондолу, укрепленную на консоли. Такое решение позволило уменьшить габариты машинно-котельного отделения (MKO). повысить эффективность работы винта, вынесенного за пределы возмущенного корпусом потока. Комплекс обеспечивает полный упор винта в любом направлении, освобождая судно от традиционной линии вала и рулевого устройства. Во время морских испытаний комплекса на теплоходе Elaton была получена добавка к гидродинамической эффективности в 8%, что выразилось в снижении расхода топлива на 10%.

На судне для размещения электродвигателя переменного тока, питающегося от дизель-генератора через преобразователь частоты, были предусмотрены гондолы, что позволило при всех условиях плавания развивать полный крутящий момент. Электродвигатель приводит во вращение гребной винт фиксированного шага, толкающего или тянущего типа. На одной оси с электродвигателем располагается главный упорный подшипник, уплотнения, опорные подшипники. Охлаждающий электродвигатель воздух подается от вентилирующего блока во внутреннюю полость обтекателя.

При использовании Azipod у проектировщиков появилась гибкость компоновок судна. МКО с учетом габаритов применяемых высоко- или среднеоборотных дизелей может располагаться где угодно - в носовой части, по бортам и даже на верхней палубе, освобождая место для груза.

Электрическая эффективность установки Azipod (на номинальной нагрузке) оценивается следующими данными: КПД генератора - 0,97; КПД циклоконвертора - 0,99; КПД электродвигателя - 0,96, в итоге КПД на винте - 0,92.

Реверсирование винта фиксированного шага позволяет на заднем ходу получить 60...80% упора переднего хода. Увеличить упор до 100% можно, повернув вокруг вертикальной оси установку Azipod на 180⁰, что потребует затратить 20...25 с.

На основании разработок компании ABB создан целый ряд установок, их зависимости мощности от частоты вращения показаны на рис. 3.8. Размеры Azipod с толкающим винтом представлены на рис. 3.9, а с тянущим винтом на рис. 3.10. Система Compact Azipod была разработана финскими специалистами для приводов в диапазоне мощностей от 500 до 5000 кВт. Улучшение маневренности и экономичности стало основным требованием в развитии проекта Compact Azipod.

Рис. 3.8. Мощностной ряд установок, разработанных компанией ABB

Применение в последних моделях ВЭКВР моторов с постоянными магнитами позволило изготовить более компактные обтекатели и отказаться от охлаждаемого ротора, в то время как статор охлаждается обтекающей его водой.

Отечественное судостроение также осваивает применение ВЭКВР. ФГУП «Адмиралтейские верфи» завершило постройку двух челночных танкеров дедвейтом 70000 т по проекту Aker Arctic Technology Inc (Финляндия). Суда длиной около 260, шириной 34 и осадкой 13,6 м будут иметь дизель-электрическую ЭУ, состоящую из четырех ДГ общей мощностью 25000 кВт. Пропульсивная установка включает две ВЭВРК мощностью по 8500 кВт. Особенностью их эксплуатации является возможность движения в ледовых условиях кормой.

Рис. 3.9. Размеры установки Azipod с винтом толкающего типа

Рис. 3.10. Размеры установки Azipod с винтом тянущего типа