Рис. 5.3. Режим Ne2<Ne1; п1=п2
Вариант 4.
У выбранного двигателя мощность Ne2 больше, чем у прототипа судна Ne1 т.е. Ne2>Ne1, а частоты вращения совпадают п2=п1 (рис. 5.4). На винтовой характеристике параметрам данного двигателя соответствует точка 2, которая расположена левее кривой I. Следовательно, ГВ для данного двигателя будет гидродинамически легким. Согласованность работы этого двигателя с ГВ характеризуется точкой 1, номинальная мощность двигателя при этом не используется полностью. В процессе естественного утяжеления ГВ двигатель при постоянной частоте вращения п1 может перейти на работу по новой винтовой характеристике -- кривая II.
Однако при этом придется снизить частоту вращения до п3, мощность двигателя уменьшится до величины Ne3, чтобы не перейти ограничительную характеристику по максимальному крутящему моменту для валопровода (линия III). Точка 3, лежащая на пересечении винтовой характеристики II с ограничительной характеристикой III, соответствует этому режиму работы двигателя.
Таким образом, избыточная мощность двигателя не может быть реализована. При таком режиме работы двигателя уменьшается скорость судна соответственно снижению частоты вращения гребного винта.
Рис. 5.4. Режим Ne2>Ne1; п2=п1
В практике судостроения выбираемые номинальные параметры Neн и псн устанавливаемого на судно дизеля обычно согласуются с исходной характеристикой винта (рис. 5.5, кривая I) для чистого нового корпуса судна в полном грузу таким образом, чтобы при п1= псн был обеспечен запас мощности 10... 15%.
Рис. 5.5. Облегченная и утяжеленная винтовые характеристики
Следовательно, в начальный период эксплуатации дизель работает по облегченной винтовой характеристике (кривая II), а запас мощности используется для поддержания скорости при обрастании корпуса, и винта (постепенный переход режима работы с винтовой характеристики II на винтовую характеристику I при постоянной частоте вращения п1 от точки 2 до точки 1).
В дальнейшем при работе двигателя по более утяжеленной винтовой характеристике (кривая III) также придется снижать частоту и мощность двигателя (точка 3) во избежание перегрузки по максимальному крутящему моменту (линия IV).
Этому режиму работы соответствует точка 3, для которой мощность Ne3<Ne1 и скорость судна v3< v1.
В случае увеличения сопротивления судна при переходе с исходной винтовой характеристики (кривая I), на работу с более гидродинамически утяжеленной винтовой характеристикой (кривая II), двигатель может работать на номинальной частоте вращения n2=ncн=const до ограничительной характеристики по максимальному крутящему моменту для валопровода, (линия III, точка 4), используя резерв мощности до величины Ne4.
В отличие от диаграммы (рис. 5.2) ходовая характеристика судна (см. рис. 5.7) дает дополнительную информацию о том, что работа двигателя при постоянной частоте вращения п2=const от точки 3 до точки 4 сопровождается снижением скорости от v3 до v4 вследствие уменьшения относительной поступи гребного винта лр.
В варианте подбора двигателя при п2 ?0,97 п1 и резерве мощности Ne1--Ne3?0,1Ne1 винт практически можно считать согласованным с главным двигателем, т.к. режим работы его мало отличается от исходного (точка 1), а резерв мощности может быть использован при утяжелении винтовой характеристики.
Для варианта 3 (Ne2<Ne1; n2<n1) на паспортной диаграмме судна (рис. 5.8) видно, что при работе по винтовой характеристике, кривая I, использование номинальной мощности Ne2 невозможно из-за ограничения по номинальному моменту двигателя (линия II, точка 3). При повышении сопротивления судна (утяжелении винтовой характеристики) недоиспользование мощности увеличивается пропорционально снижению частоты вращения вала.
Рис. 5.8. Режим Ne2<Ne1; n2<n1
В случае варианта 4 (Ne2>Ne1; п2=п1) при работе по исходной винтовой характеристике (рис. 5.9, кривая I) без превышения номинальной частоты вращения вала п3=п1 двигатель не может развить номинальную мощность Ne2, и его режим будет соответствовать точке 1 с меньшей мощностью, равной Nе1. С увеличением сопротивления судна переход двигателя на работу с винтовой характеристики (кривая I) на более утяжеленную винтовую характеристику (кривая II) может осуществляться без перегрузки при постоянном крутящем моменте -- линия III от точки 1 до точки 3 при уменьшении частоты вращения от п1 до п3 и снижении мощности двигателя с Ne1 до Ne3. Соответственно произойдет и снижение скорости судна от v1 до v3.
Если устанавливаемый на судно двигатель при работе по облегченной винтовой характеристике -- кривая II имеет резерв мощности 10...15% при номинальной частоте вращения п1 (рис. 5.10), его режим работы характеризуется точкой 2, мощность Ne2 ? 0,85 Ne1, то при увеличении сопротивления движению судна переход на режим работы с облегченной винтовой характеристики (кривая II) на расчетную винтовую характеристику
Рис. 5.9. Режим Ne2>Ne1; п2=п1
(кривая I) от точки 2 до точки 1 может осуществляться при постоянной номинальной частоте вращения п1 пока не реализуется резерв мощности, равный Ne1--Ne2.
Хотя в этом случае двигатель работает на режиме с постоянной частотой вращения п1, но скорость судна снизится при этом с v2 до v1 вследствие уменьшения относительной поступи винта лр. Это совершенно не отражается на диаграмме (рис. 5.5).В дальнейшем при увеличении сопротивления судна и переходе с расчетной винтовой характеристики (кривая I) на утяжеленную (кривая III) двигатель переходит с режима работы от точки 1 до точки 3 не превышая мощности при постоянном крутящем моменте (рис. 5.10, линия IV).
Рис. 5.10. Переход режима работы ПУ с облегченной характеристики на утяжеленную
5.4 Корректировка элементов гребного винта для согласования его с главным двигателем
В том случае, когда нет возможности подобрать двигатель, согласованный с установленным на прототипе судна гребным винтом, возникает необходимость в корректировке элементов ГВ. Согласование ГВ с ГД можно осуществить за счет изменения шага Н и диаметра D винта. Обычно на практике согласование ГВ с ГД производится за счет изменения шага винта при неизменном его диаметре. Этот способ корректировки элементов ГВ может применяться для любого несогласованного с двигателем винта (гидродинамически легкого или тяжелого). Согласования ГВ с ГД за счет изменения диаметра может привести к увеличению вибрации и повышению кавитации, а также значительному уменьшению коэффициента полезного действия винта. Поэтому этот способ корректировки винта, как правило, применяется в качестве временной меры, в основном для согласования с двигателем гидродинамически «тяжелых» винтов путем его «облегчения» -- уменьшения диаметра.
Как известно из теории движителей, винтовая характеристика двигателя, работающего на гребной винт, описывается следующей зависимостью:
где k2 -- безразмерный коэффициент момента;
с -- плотность забортной воды, кг/м3;
п -- частота вращения ГВ, с-1;
Dв -- диаметр винта, м.
Рассмотрим возможную методику корректировки ГВ для его согласования с ГД прототипа судна, основные данные которого по корпусу, ГВ и ГД известны. На судне установлен штатный двигатель номинальной мощностью Ne1,, обеспечивающий частоту вращения ГВ, равную п1 и скорость хода v1. Но этот двигатель устаревшей модификации и имеет низкую экономичность, в связи с этим его следует заменить на современную модель. По каталогам дизелестроительных фирм выбирается новый двигатель (ближайший по параметрам со штатным) номинальной мощностью Ne2 при частоте вращения вала п2. Эти параметры могут несколько отличаться от показателей исходного ГД прототипа судна. В этом случае, чтобы лучше использовать ходовые качества судна, можно прибегнуть к корректировке элементов ГВ для согласования его с ГД путем изменения шага Н или диаметра Dв, оставив остальные его характеристики (число лопастей Z и дисковое отношение и) неизменными. Для определения шага и диаметра согласованного с ГД винта целесообразно воспользоваться существующими расчетными диаграммами или так называемыми кривыми действия гребного винта, представляющими при известных Z и и графическое изображение следующей функции:
6. Пропульсивная установка судна с винторулевой колонкой
К недостаткам традиционных СЭУ следует отнести большую длину валопровода, особенно, при расположении МО не в корме судна, что требует места для туннеля гребного вала и соответственно уменьшает грузовместимость судна. Суда обладают плохой управляемостью на малых ходах, что особенно важно в реках, где даже при стоянке на месте скорость судна относительно воды не равна нулю. Кроме того «больным местом» судов с такой ПУ нередко является техническое состояние дейдвудного устройства из-за особенностей его конструкции, которое может интенсивно ухудшаться в неблагоприятных условия эксплуатации (в загрязнённых водах, на мелководье и т.п.). Ремонт дейдвудного устройства должен производится в доке, что требует значительных финансовых затрат, а также снижает эксплуатационный период работы судна
Альтернативой традиционным валолиниям является применение винторулевых колонок (ВРК) [7].
Винторулевая колонка представляет собой навешенный на корму судна движитель. Широко применяются на флоте ВРК фирмы «Schottel», Германия [13]. Конструкция ВРК подобна латинской букве Z и состоит из следующих главных частей:
верхней коробки передач и масляной уравнительной ёмкости для смазки и гидравлических систем;
баллера;
нижней коробки передач с винтом.
Для защиты от коррозии ВРК покрыта многослойной водостойкой краской с анодами.
Крутящий момент Ме от ГД (мощностью до 6000 кВт), установленного в корпусе судна, передается к ВРК (рис. 6.1) через силовой вход 1 к ее верхней коробке передач 2, вращающей баллер 3. Оттуда Ме передается через нижнюю коническую зубчатую передачу 4 к гребному валу 5 и винту 6.
Рис. 6.1. Винторулевая колонка
Нижняя коробка передач с винтом может вращаться вокруг оси баллера на 360°. Таким образом, гребной винт толкает судно в любом желаемом направлении. В результате достигается наилучший вариант совместной работы двигателя, рулевого устройства и винта.
Обычно пропульсивный комплекс с использованием ВРК состоит из двух среднеоборотных главных двигателей, соединённых с винторулевыми колонками промежуточными валами небольшой длины (рис. 6.2.).
Рис. 6.2. Судно с винторулевыми колонками
Концепция ВРК обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным пропульсивным комплексом.
Длина машинного отделения (МО) может быть сокращена на 2ОчЗО%. Это достигается за счёт короткого валопровода, отсутствия дополнительного редуктора (роль редуктора выполняет ВРК), а также вследствие того, что гребные винты могут быть расположены дальше в корме ввиду отсутствия рулей. Укороченное МО позволяет увеличить объём грузовых трюмов.
Масса пропульсивного комплекса с использованием ВРК ниже традиционного на 20ч30 %.
Полностью отсутствует дейдвудное устройство в традиционном понимании этого узла. Упрощается конструкция кормовой оконечности. Монтаж ВРК значительно проще, чем укладка валолинии, выполняется быстрее и требует менее квалифицированный персонал. При этом надёжность таких важных узлов как подшипники и уплотнения гребного вала выше, т.к. они собираются и тестируются в условиях завода изготовителя ВРК, а не в условиях верфи.
В целом ВРК обладают высокой надёжностью. При техническом обслуживании по фактическому состоянию замена уплотнений требуется раз в 5ч8 лет. Срок службы зубчатых передач более 25 лет [13].
В отличие от традиционного гребного вала и дейдвудного устройства, ремонт и периодическое освидетельствование которых требуют постановки судна в док, демонтаж и монтаж колонки может быть выполнен на плаву. Для серийных судов эффективно может применяться модульный ремонт ВРК без вывода судна из эксплуатации - замена колонки осуществляется во время стоянки с грузовыми операциями в течение одного дня.
Еще одним преимуществом ВРК является то, что при постройке судна колонки могут быть установлены после спуска судна на воду, что позволяет раньше освободить слип. Кроме того, закупка и монтаж оборудования вин-торулевого комплекса может быть осуществлена позже на несколько месяцев, что также приводит к экономии средств при постройке судна.
ВРК позволяет направить упор в любом направлении, обеспечивая отличную управляемость на всех режимах, включая режимы малого и заднего хода и тем самым, повышая безопасность судна.
Также повышается и манёвренность: судно способно развернуться на месте, а при развороте колонок на 180° с полного хода вперёд до остановки судно проходит всего 1,5ч2 длины корпуса (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Примеры маневров судна с двумя ВРК
Ещё одним достоинством ПУ с расположением ВРК в корме является то, что диаметры винтов могут быть увеличены, что приводит к повышению пропульсивного КПД, а, следовательно, к сокращению расхода топлива.
При развороте ВРК возникает режим работы винта в косом потоке, что приводит к изменению гидродинамических характеристик гребного винта и в частности к изменению потребляемой им мощности.
По мере увеличения угла скоса потока ц (рис. 6.4) момент на валу увеличивается, но при некотором, достаточно большом угле, произойдёт срыв потока, приводящий к колебательному изменению момента с последующим резким падением его значения. Эту особенность работы ПУ с ВРК необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации пропульсивного комплекса.