Прямая передача, когда коленчатый вал жестко соединяется с гребным валом и частоты вращения гребного винта и вала двигателя равны, применяется у мощных малооборотных дизелей и у большинства дизелей средней и небольшой мощности.
Преимущество прямой передачи заключается в ее простоте, поскольку отсутствуют промежуточные механизмы, усложняющие энергетическую установку. К недостаткам следует отнести невозможность получить высокие к. п. д. гребного винта, так как к. п, д. в значительной мере зависит от частоты вращения. Это заметно ощущается при использовании дизелей средней и особенно небольшой мощности.
Механическая (редукторная) передача включает редуктор, состоящий из комплектов передаточных зубчатых колес и валов. Подбором передаточного числа можно получить наивыгоднейшую частоту вращения гребного винта при заданной частоте вращения главного двигателя. Выигрыш в к. п. д. гребного винта покрывает те 1—2% потерь мощности, которые имеют место в зубчатой передаче.
Так как с увеличением частоты вращения удельная масса (кг/кВт) и размеры двигателя уменьшаются, использование механической передачи приводит к уменьшению габаритов и массы установки в целом. Кроме этого, такая передача позволяет передавать мощность двух и более главных двигателей на один гребной вал, а в сочетании с реверсивной муфтой — применять нереверсивные двигатели, обеспечивая наряду со снижением частоты вращения изменение направления вращения гребного вала (реверс-редукторы).
работа винта под водой
Механическая передача применятся у высокооборотных дизелей малой мощности и среднеоборотных достаточно большой мощности.
Реверс-редуктор (рис. 93) состоит из разобщительной муфты, фрикционного типа и редуктора, сблокированных между собой. При вращении коленчатого вала двигателя вращается нажимной диск 1, присоединенный к маховику.
При помощи муфты 11, связанной системой тяг с вильчатыми рычагами 12, диск 1 можно перемещать до сцепления с дисками 2 или 3. Диск 2 связан с валом 4 заднего хода, а диск 3 — с полым валом 5 переднего хода. На валы 4 и 5 насажены ведущие шестерни 6 и 7. Ведомые шестерни 9 и 10 жестко закреплены на ведомом валу 8, который соединен с гребным валом судна. Шестерня 6 находится в непосредственном зацеплении с шестерней 10; а шестерня 7 связана с шестерней 9 через паразитную шестерню (на рис. 93 не показана).
При сцеплении нажимного диска 1 с диском 3 происходит вращение полого вала 5 и через шестерни 6 и 10 ведомого вала 8 в направлении переднего хода.
Для получения заднего хода диск 1 перемещают до сцепления с диском 2. В этом случае вращается вал 4, который через шестерню 7, паразитную шестерню и шестерню 9 приводит во вращение ведомый вал 8. Благодаря наличию паразитной шестерни вращение вала будет происходить в обратном направлении, т. е. в направлении заднего хода.
При нахождении нажимного диска 1 в нейтральном положении сцепление его с дисками 2 и 3 не происходит, что соответствует холостому ходу.
Почему прокручивается винт
Гидравлическая передача представляет собой объединенные в одном агрегате центробежный насос и гидравлическую турбину, работающую с использованием как динамического, так и статического напора жидкости, создаваемого центробежным насосом. Таким образом, жесткое соединение валов заменяется силовым замыканием через жидкость.
Гидравлические передачи подразделяются на гидравлические муфты (гидромуфты) и гидравлические трансформаторы (гидротрансформаторы). Первые выполняют только функцию механизма сцепления, а вторые — редуктора.
Гидравлическая муфта (рис. 94) представляет собой наиболее возможное сближение центробежного насоса и турбины. Проточная часть турбины является продолжением проточной части насоса. При работе двигателя энергия от ведущего вала 1 передается на закрепленное на нем рабочее колесо насоса 3 с лопатками.
Насосное колесо закручивает жидкость, преобразуя энергию двигателя в кинетическую энергию потока жидкости. Эту энергию жидкость передает на лопатки турбинного колеса 6, заставляя его вращаться. Вместе с турбинным колесом вращается ведомый вал 9, который связан с гребным валом. Направление движения жидкости в гидромуфте показано стрелками. Для предотвращения протекания жидкости через зазор между насосным и турбинным колесами предусмотрена чаша 5, которая соединена с насосным колесом и, охватывая турбинное колесо, центрируется в подшипнике 11. Рабочая жидкость подается питательным насосом через отверстие 8 и сливается через отверстие 7.
Для отвода тепла, образующегося от трения жидкости о стенки муфты, а также от трения частиц самой жидкости, в чаше предусмотрено отверстие 4, через которое определенная часть жидкости постоянно вытекает и сливается в кожух 12. Отсюда жидкость направляется в холодильник и затем после фильтрации подается питательным насосом обратно в муфту.
Возникающие при работе муфты осевые усилия воспринимаются упорными подшипниками 2 и 10.
Частоты вращения насосного и турбинного колес не равны. Частота вращения турбинного колеса за счет скольжения на 2—3% меньше, чем частота вращения насосного колеса. Коэффициент полезного действия гидромуфты 97—98%.
Основное достоинство гидромуфты — это способность к скольжению, предотвращающая внезапную остановку главного двигателя при заклинивании гребного винта.
Гидравлический трансформатор (рис. 95) отличается от гидромуфты тем, что имеет неподвижный направляющий аппарат 4, представляющий собой лопастное колесо, жестко связанное с корпусом гидропередачи. При вращении ведущего вала 1 закрученный в насосном колесе 5 поток жидкости поступает на неподвижный направляющий аппарат, на лопатках которого возникает реактивный момент.
Этот момент складывается с моментом на насосном колесе и передается на турбинное колесо 3. Если сопротивление движению судна повышается, то частота вращения гребного вала и вместе с ним ведомого вала 2 и турбинного колеса снижается, что приводит к увеличению реактивного момента. В этом случае крутящий момент на турбинном колесе, передаваемый гребному валу, будет увеличиваться по сравнению с крутящим моментом на валу двигателя. При уменьшении сопротивления частота вращения ведомого вала увеличивается, в связи с чем снижается реактивный момент и уменьшается суммарный момент на турбинном колесе.
Таким образом, гидротрансформатор выполняет роль бесступенчатого редуктора, позволяя автоматически изменять передаточное число и одновременно крутящий момент на ведомом валу в зависимости от величины сопротивления движению судна.
Применение гидротрансформаторов дает ощутимый эффект на судах, осуществляющих буксировочные операции, и особенно на ледоколах при плавании во льдах. Однако коэффициент полезного действия гидротрансформаторов не превышает 65—80 %.
Электрическая передача осуществляется двумя способами. При первом способе главный двигатель (главный дизельгенератор) вырабатывает электрическую энергию, которая через распределительное устройство поступает на гребной электродвигатель, вращающий гребной винт. Суда с таким способом электрической, передачи называются дизель-электроходами.
При втором способе между валом двигателя и гребным валом устанавливается электромагнитная муфта.
Дизель-электрическая передача обладает высокой маневренностью, дает возможность применять нереверсивные двигатели, допускает работу гребного винта на наиболее выгодной частоте вращения при неизменной частоте вращения главного двигателя, позволяет удобно и компактно разместить главные двигатели в машинном отделении судна. При использовании быстроходных дизелей масса и габариты дизельэлектрической установки меньше, чем у обычной дизельной установки с непосредственной передачей на винт.
Однако существенным недостатком дизель-электрической передачи является двойное преобразование энергии — сначала механической в электрическую, а затем электрической в механическую. При этом потери энергии достигают 15%. Другой существенный недостаток состоит в том, что дизель-электрическая передача дает существенный эффект в случае применения быстроходных дизелей.
Однако быстроходные дизели имеют небольшой моторесурс, их работа сопровождается повышенным шумом, в них не используют дешевые топлива. Кроме этого, при такой передаче увеличивается число лиц, обслуживающих установку. В связи с этим применение дизель-электрической передачи ограничивается морскими паромами, ледоколами и отдельными транспортными судами.
Электромагнитная муфта , принципиальное устройство которой показано на рис. 96, может использоваться как соединительное устройство при ходе судна или как генератор трехфазного электрического тока на стоянке. Муфта состоит из внутренней и внешней частей.
Внутренняя часть муфты, соединенная с ведущим валом 9, выполнена в виде диска 2 с двенадцатью полюсами 7, на которых расположены обмотки возбуждения. На эти обмотки через контактные кольца 8 подается постоянный ток от вспомогательного источника электроэнергии. Внешняя часть муфты, связанная с ведомым валом 1, состоит из диска 4 и обода, на котором находится трехфазная обмотка 6. При вращении ведущей части муфты, представляющей собой чередующиеся полюса разноименных электромагнитов, в трехфазной обмотке индуктируется ток.
При работе в режиме муфты трехфазная обмотка замыкается накоротко. В результате взаимодействия магнитного поля трехфазной обмотки с вращающимися электромагнитами трехфазная обмотка вместе с ведомым диском и ведомым валом вращается. За счет скольжения частота вращения ведомой части муфты примерно на 1,5% меньше, ведущей. В случае выхода из строя электрической части муфты во время движения судна соединение обеспечивается при помощи блокировочных штифтов 3.
При работе муфты в качестве генератора ведомая часть муфты закрепляется неподвижно стопором 10. Трехфазная обмотка статора размыкается, и концы ее выводятся на клеммы 5. Снимаемый с клемм трехфазный ток используется для обеспечения судна электроэнергией. Возможность использования электромагнитной муфты в качестве электрического генератора особенно ценна для судов, имеющих мощные электрифицированные грузовые механизмы.
- Рабочие циклы двухтактных двигателей
- Рабочие циклы четырёхтактных двигателей
- Основные данные двигателей: рабочий объем цилиндра
- Классификация и маркировка двигателей
- Дейдвудное устройство: подшипники, трубы, сальник
- ДВС
- Прямая передача
- Механическая передача
- Гидравлическая передача
- Гидравлическая муфта
- Электрическая передача
Источник: mirmarine.net
Направление вращения двигателя и гребного винта
Крутящий момент. Известно, что крутящий момент двигателя в конце концов передается от гребного винта на воду, реакция которой отражается на самом катере и вызывает обычно незаметный крен. Если винт правого вращения (глядя с кормы в нос), то весь катер кренится влево (на левый борт), У узких катеров с большим диаметром гребного винта может появиться заметный крен. Нередко он усиливается из-за несимметричного расположения сиденья рулевого или другого веса.
Если двигатель имеет мощность 100 л. е., а гребной вал вращается со скоростью 1000 об/мин, то на корпус катера действует кренящий момент, равный 71,6 кгс-м. Это соответствует весу в 71,6 кг, находящемуся на расстоянии 1 м от диаметральной плоскости судна, а для данного случая (с винтом правого вращения) — с левого борта.
Если при проектировании катера обнаруживаются значительные крутящие моменты на валопроводе, то при распределении весовых нагрузок заботятся о создании противоположного крена для выравнивания катера.
Вращение гребных винтов. Часто спрашивают, должны ли гребные винты двухмоторной установки вращаться наружу, т. е. должен ли винт правого борта (если смотреть с кормы) вращаться вправо, а левого борта —влево. Объяснить это поможет следующий случай.
Управление водной полиции по своим чертежам построило инспекторский катер длиной 15 м с двумя двигателями. Согласно правилу постройки больших судов двигатели установили таким образом, что гребные винты вращались внутрь, т. е. правый винт был левого вращения, а левый — правого. Это правило для крупного судостроения обосновано тем, что между обоими гребными винтами находится кормовая часть киля, проходящая глубоко вниз; гребные винты, вращающиеся внутрь, лучше используют попутный поток.
Когда на ходовых испытаниях скорость катера оказалась гораздо ниже рассчитанной, нашелся советчик, который заявил, что направление вращения гребных винтов неправильное. Оба двигателя были демонтированы и снова установлены на противоположных бортах, что из-за переделки выпускной системы вызвало значительные расходы. Гребные винты поменяли местами. В результате повторных ходовых испытаний получили ту же скорость.
Не стоит прислушиваться к мифу о правильном или неправильном направлении вращения винта. Для обычных катеров с плоским или умеренно выгнутым днищем вообще не существует никакой разницы. Рекомендуется предусматривать вращение гребного винта наружу. Однако из-за формы выпускной трубы, например, топливного насоса возможно и другое расположение двигателей.
Многие считают, что у двухмоторных установок оба гребных винта должны вращаться в противоположные стороны.
Рис. 1. Катер «Грэнд-Бэнкс» (длина 12,75 м, ширина 4,2 м, дальность плавания —2200 км). Катера типа «Грэнд-Бэнкс» благодаря высокой мореходности получили широкое распространение. Строятся серийно.
Рис. 2. Быстроходный туристский катер «Рэпиа 3500» (длина 10,7 м, ширина 3,75 м) с двумя дизелями «Перкинс» мощностью по 115 л. с. Катер имеет скорость 42 км/ч. Строится серийно в Англии.
Даже если оба двигателя и оба гребных винта имеют одинаковое направление вращения, ходовые качества катера на ухудшаются. Если по каким-либо соображениям желательно одинаковое направление вращения винтов, тогда понадобится лишь один запасной винт. При этом могут быть взаимозаменяемыми и некоторые части двигателя (топливный насос или распределитель зажигания, осветительный генератор, насос охлаждающей воды, кулачковый распределительный валик и выпускной коллектор), что невозможно при противоположном вращении винтов.
Рис. 3. Катер с роторным двигателем Ванкеля мощностью 135 л. с. В 1969 р. во Франции занял третье место в 24-часовых гонках.
Рис. 4. Небольшой катер с водометным движителем (длина 2,3 м, ширина 1,22 м). Приводится в движение при помощи двигателя и насосного агрегата весом 16 кг.
Нередко говорят, что управляемость катера с двумя гребными винтами, вращающимися в одну сторону, была бы плохой. В таком случае у катера с одним винтом она должна быть еще хуже. Поскольку одновинтовое судно может иметь отличные маневренные качества, то у двухвинтового судна сгребными винтами одинакового направления вращения они еще лучше, так как все несимметричные явления, возникающие у одновинтового двигателя, почти исчезают у двух винтов, вращающихся в одном направлении.
Многие моторные катера были оборудованы двигателями и гребными винтами с одинаковым направлением вращения. Однако даже опытные судовладельцы могли установить направление вращения винтов лишь при включении заднего хода (по кривой выбега).
Рис. 5. Корма спортивного катера с водометным движителем Гамильтона. Видны водозаборник на днище и выпускное сопло, слева и справа от которого находятся створки управления, а сверху «раковина» для заднего хода.
Рис. 6. Двухлопастные стальные гребные винты «Рекорд-Пропеллере» (слева) и «Лугано» (справа) для гоночных катеров (Швейцария).
Одностороннее вращение винтов на двухвальном судне отвергать так же необоснованно, как отказываться от одновинтового судна вообще.
На рис. 2—6 показаны катера с различными двигателями, на рис. 6 — двухлопастные гребные винты.
Источник: sea-technics.ru
Суда с винтом фиксированного шага
Основное назначение гребных винтов — это создание силы тяги для поступательного движения судна с определенной скоростью.
Для этого необходимо создать движущую силу, преодолевающую сопротивление движению.
Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.
Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой:
где R — сила сопротивления; V — скорость движения.
Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус — движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.
Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход).
Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70 — 80 % от тяги винта в режиме полного хода.
На судах морского флота преимущественно установлены четырехлопастные винты (рис. 1.21). В зависимости от направления вращения они разделяются на винты правого и левого вращения (шага). Винт правого вращения у судна, идущего передним ходом, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения — против часовой стрелки.
Рис. 1.21. Четырехлопастной гребной винт
Одновинтовые суда чаще всего имеют винты правого вращения; двухвинтовые с левого борта — винт левого вращения, с правого — правого вращения.
Работа гребного винта
При вращении гребной винт образует за кормой струю воды, закрученную в сторону его вращения. Совершенно очевидно, что этот спиральный вихревой поток воды действует на перо руля и корпус, оказывая влияние на управляемость судна.
Рассмотрим качественную сторону этого влияния при совместной работе винта и руля при различных ходах и положениях пера руля (рис. 1.22).
Гребной винт левого шага
Судно неподвижно относительно воды. Перо руля находится в диаметральной плоскости. Как только машине будет дан ход вперед и винт начнет вращаться, нос судна вначале будет незначительно уклоняться влево.
Объяснить это можно тем, что при малых оборотах винт своими развернутыми лопастями как бы загребает воду и забрасывает корму вправо, а нос идет влево.
По мере увеличения оборотов винта нос судна установится на первоначальный курс и затем уклонится вправо.
Происходит это потому, что при работе винт набрасывает воду на перо руля, причем струя воды, набрасываемая винтом на нижнюю часть руля, создает гидродинамическое давление, которое уклоняет корму влево, а нос — вправо.
Следовательно, при работе винта правого шага вперед, при положении «прямо руль», нос судна в конечном итоге уклоняется в сторону вращения винта.
Судно имеет ход вперед, винт работает назад. Руль прямо. Винт одновинтового судна, начавший вращаться на задний ход, своими развернутыми лопастями как бы загребает воду с левой стороны, обтекает правый борт и, оказывая на него давление, заставляет корму разворачиваться влево, а нос — вправо.
Судно имеет ход назад, винт работает назад. До тех пор, пока судно не приобретет достаточную скорость заднего хода, положение пера руля на поворотливость судна влияния не оказывает.
Как отмечалось ранее, на поведение судна оказывает влияние струя воды от винта, направленная в правую часть обводов корпуса, вследствие чего нос судна идет вправо. Как только судно разовьет определенную скорость заднего хода и перо руля будет находиться в массе встречного потока воды, образованного движением судна, положение пера может заставить судно пойти кормой в сторону переложенного руля.
В этом случае на руль будут действовать две силы: сила встречной воды, возникающая от движения судна назад, и сила всасываемой струи, порождаемая засасывающим действием винта при его работе на задний ход.
Одновинтовые суда слушаются руля на заднем ходу лучше, когда винт не работает и судно движется назад с наибольшей скоростью. Однако рассчитывать на непогрешимость работы руля одновинтового судна на заднем ходу (особенно для поворота носа судна влево) можно только в штилевую погоду при достаточной осадке.
Судно имеет ход назад, винт работает вперед. При положении «прямо руль» нос судна может уклоняться или вправо, или влево (обычно вправо). При положении «право на борт» нос судна уклоняется вправо.
При положении «лево на борт» нос судна уклоняется влево. Струя воды от гребного винта создает гидродинамическое давление на перо руля значительно большей силы, чем от встречного потока при движении судна назад.
Рис. 1.22. Поведение одновинтового судна при работе гребного винта правого вращения
Из всего сказанного можно сделать следующий вывод, что судно, двигающееся передним или задним ходом, круче и быстрее разворачивается в сторону шага винта.
Таблица поведения одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения
Поведение одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения в штилевую погоду приведены в табл. 1.1.
Источник: seaman-sea.ru