Взаємозв’язок між роботою гребного гвинта і двигуном
Двигун, що працює на гвинт, не є незалежним: його потужність може змінюватися тільки за гвинтовий характеристиці Nе (n), яка визначає для нього величину протидіє моменту. Потужність на валу двигуна Nе. що забезпечує потужність Nр споживану гвинтом:
де # 951; ст. # 951; п - ККД валопровода і передачі.
При заданих буксировочном опорі і Пропульсивную коефіцієнті швидкість судна v залежить від частоти обертання гвинта n. Можна вважати, що v змінюється пропорційно n, тобто відносна хода # 955; р = const. Так як в цьому випадку також є постійною величиною, можна записати, що Nе = Сn 3. де С - постійний коефіцієнт.
З викладеного випливає, що зі зміною буксирувального опору гвинтова характеристика змінюється. При збільшенні опору гвинтові характеристики будуть різко зростати, оскільки зменшення відносної ходи гвинта # 955; р призведе до зростання коефіцієнта моменту і, отже, коефіцієнта С. Найбільш круту кручені характеристику судно матиме на швартові режимі. При зниженні опору гвинтові характеристики
внаслідок збільшення # 955; р і зменшення стають більш пологі ми. Найбільш пологу кручені характеристику судно має при плаванні в баласті. Як бачимо, в процесі експлуатації судна його гвинтові характеристики змінюються в широких межах.
Ріс.120. Взаємодія гребного гвинта з двигуном
Для оцінки зв'язку між гвинтом і двигуном, крім гвинтових характеристик, необхідно мати характеристики двигуна, які отримують при стендових випробуваннях і представляють в координатах Nе - n вигляді кривих, що визначають поле можливих поєднань Nе і n. Розглянемо характеристики найбільш поширеного на промислових судах двигуна внутрішнього згоряння. Робота двигуна даного типу характеризується наступними кривими (ріс.120): крива 1 встановлює мінімально стійку частоту обертання двигуна; крива 2, звана верхньої обмежувальної характеристикою. визначає залежність Nе від n при постійному положенні апаратури подачі палива, відповідному отриманню номінальної потужності Nе.н при номінальній частоті обертання n н; крива 3, іменована регуляторної характеристикою. показує частоту обертання двигуна при зниженні навантаження; крива 4 є характеристикою холостого ходу. Верхня обмежувальна характеристика є лінією постійного номінального крутного
моменту М кр.н. визначальною верхня межа тривалої механічної напруженості деталей двигунів.
Щоб встановити режими спільної роботи гвинта і двигуна, необхідно накласти гвинтові характеристики на характеристики двигуна (ріс.120). Якщо гвинтова характеристика для розрахункового режиму плавання (крива I) проходить через точку Н з координатами Nе.н і nн. то гребний гвинт відповідає двигуну. З ростом опору через збільшення осадки судна, обростання корпусу, хвилювання і тому подібного змінюється гвинтова характеристика (крива II), тому при нормальній експлуатації двигуна, що не допускає його завантаження вище верхньої обмежувальної характеристики, взаємозв'язок між гвинтом і двигуном буде спостерігатися в точці Т . В даному випадку гвинт стає гидродинамически «важким». При важкому гвинті частота обертання nт двигуна менше номінальної. Зі зменшенням опору судна гвинт виявляється гидродинамически «легким». Гвинтові характеристика (крива III), побудована на цей випадок, перетне регуляторну характеристику двигуна в точці Л, якій відповідає частота обертання nл. рівна або трохи більше номінальної. Як видно з ріс.120, всяке невідповідність гвинта двигуна пов'язано зі зменшенням располагаемой потужності двигуна і приводить до зниження швидкості судна. Узгодженість гвинта і двигуна остаточно перевіряється при натурних (швидкісних) випробуваннях судна. Практично слід вважати, що гвинт узгоджений з двигуном, якщо двигун при роботі на гвинт розвиває номінальну потужність при частоті обертання, яка відрізняється від номінальної не більше ніж на 1 3%. Для узгодження гвинта з двигуном коригується його крокові відношення: для «легкого» гвинта - збільшується, а для «важкого» - зменшується Н / D. Зазвичай гребні гвинти проектують кілька полегшеними порівняно з потрібними для ідеальних умов експлуатації (при цьому мають на увазі, що в міру обростання корпусу і збільшення опору в реальних експлуатаційних умовах гвинт стає «важче» і більш відповідає головному двигуну).
У зв'язку з тим, що прийнятий крок гвинта відповідає тільки певного режиму експлуатації судна, на судах, які часто змінюють режим ходу (промислові судна, буксири, пороми), замість гвинтів фіксованого кроку (ВФШ) застосовують гвинти регульованого кроку (ГРК).
Гвинти регульованого кроку
Для промислових суден в експлуатаційних умовах характерні часті зміни буксирувального опору, швидкості і опади при застосуванні знарядь лову, підйомі улову на борт, прийомі і витрачання палива і води і інших операціях. У цих умовах, що змінюються плавання ВФШ не дозволяють знімати з двигуна повну потужність, що призводить до зниження швидкості тралення і вільного ходу. Крім того, на видобувних судах з ВФШ за одну добу промисловий роботи доводиться десятки разів реверсировать двигун, в результаті чого різко знижується термін його служби. При дрифтерному і ярусном лові, підйомі улову і т.п. судно повинно рухатися з малою швидкістю, проте на судах з ГРК це практично неможливо, так як мінімально стійка частота обертання двигуна задоволена велика. Тому доводиться з інтервалом в декілька хвилин запускати і зупиняти двигун. Така робота двигуна викликає прискорений знос її рухомих частин, тобто зменшує моторесурс двигуна.
Ріс.121. Принципова схема ГРК
1 лопать; 2 - маточина; 3 - повзун; 4 - штанга; 5 - гребний вал;
6 - поршень; 7 - циліндр
Гвинти регульованого кроку (ГРК), лопаті яких спеціальним механізмом повертаються щодо осей, перпендикулярних осі вала, не мають більшості недоліків, властивих ВФШ. Шляхом розвороту лопаті (змінивши крокові відношення), завжди можна привести гвинт у відповідність з двигуном; без зміни напрямку обертання двигуна здійснити реверс судна і напів
чить найменші, і навіть нульову швидкості судна при будь-якій частоті обертання гвинта.
ГРК (ріс.121) складається з маточини, поворотних лопатей, механізму повороту лопатей, розташованого в ступиці, механізму зміни кроку (МИШ) і приводу механізму повороту лопатей, наявного в Валопроводи. Управління ГРК здійснюється з місцевого поста і дистанційно. Пост дистанційного керування ГРК встановлюється в ходовій рубці.
Механізм повороту лопатей управляється механізмом зміни кроку. Найбільш поширені механізми повороту лопатей показані на ріс.122. На морських судах застосовуються зазвичай механізми двох останніх типів, як найбільш надійні. У механізмі кулисного типу (ріс.122, в) з поступально рухається штангою МИШ пов'язаний повзун, по напрямних якого переміщається сухар. У сухар вставлений ексцентрично закріплений на лопаті палець. При поступальному русі штанги повзун пересуває палець і розгортає лопать. У механізмі шатунного типу (ріс.122, г) рух штанги передається шатуну, який повертає лопать.
Ріс.122. Механізм повороту лопатей: а - шестерний; б - гвинтовий; в - кулісні; г - шатунний
Механізми зміни кроку за типом приводу можуть ручними, механічними, гідравлічними, електромеханічними і електрогідравлічними. Ручні і механічні приводи застосовуються на гвинтах невеликих розмірів. Більшість ГРК мають гідравлічні приводи, так як вони мають простоту, високу надежно-
стю, малими габаритами і розвивають великі зусилля. Механізм зміни кроку гвинта розміщують всередині маточини, всередині валопровода і поза валопровода і гвинта. На промислових судах МИШ встановлюється, як правило, в Валопроводи, рідше в ступиці. На ріс.49 наведена схема ГРК з МИШ, розташованим в Валопроводи. Штанга, що повертає лопать, проходить через порожнистий гребний вал. Кормової кінець штанги пов'язаний з повзуном, носової - з поршнем, який під тиском робочої рідини, яка подається в одну з порожнин циліндра, передає через штангу поступальний рух повзуна. При великій довжині штанги і значних деформаціях валопровода може виникнути небезпека неспрацьовування механізму повороту лопатей і аварії МИШ. Цей недолік усувають, розміщуючи МИШ в ступиці кілька великих розмірів або в кормовому облямівки судна.
ГРК мають наступні переваги в порівнянні з ВФШ:
- забезпечують повну потужність двигуна при широкому діапазоні зміни швидкостей, що важливо при русі судна в льодах, при різних водотоннажністю, при траленні, при буксируванні інших судів і т.п .;
- забезпечують будь-яке значення швидкості від найбільшого переднього до найбільшого заднього ходу, без реверсування двигуна і зміни напрямку і частоти обертання гребного гвинта;
- реалізують економічний хід судна по заданій оптимальну програму, що забезпечує явного переможця кроку і частоти обертання.
Крім перерахованих, ГРК дозволяють отримати і інші менш важливі, але важливі переваги в порівнянні з ВФШ, що полегшують керування судном з містка. До них відносяться:
- істотне скорочення часу і відстані, яку проходить судном при екстреної зупинки (в 1,5 рази менше вибіг) і реверсі;
- забезпечення тільки дистанційного керування з містка;
- застосування підвищеного рівня автоматизації управління системою судно - двигун - ГРК;
- підвищення маневрених якостей судна, зокрема полегшення швартовок, виняток ривків при буксируванні і т.п .;
- полегшення пуску двигунів, який здійснюється при положенні лопатей ГРК в нульовому кроці; при цьому зменшується число пусків і збільшується моторесурс двигуна;
- можливість судна, обладнаного ГРК, тривалий час стояти на місці в очікуванні лоцмана, для орієнтації в обстановці, не зупиняючи обертання гребних гвинтів і прогріваючи двигуни; це забезпечує установкою кроку лопатей в нульове положення;
- можливість заміна знімних лопатей, не вивільняючи судно з експлуатації.
До недоліків ГРК відносяться наступні:
- ККД ГРК на розрахунковому режимі за рахунок підвищення діаметра маточини нижче ККД ВФШ на 1 2%;
- маса ГРК істотно перевищує масу ВФШ;
- складність конструкції і дорожнеча.
Слід зазначити, що підвищена вартість ГРК окупається за два - три роки експлуатації судна за рахунок основних переваг ГРК.