МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА»

С.Н. Зеленов, п.В. Семашко судовые энергетические установки

ГЛАВНЫЕ СУДОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ

Рекомендовано Ученым советом Нижегородского государственного

технического университета им. Р.Е. Алексеева в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению

26.03.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры»

Нижний Новгород 2018

УДК 621.12

ББК 39.455

З 485

Авторы: с.Н. Зеленов, п.В. Семашко

Рецензент

Главный конструктор ОАО «ЦКБ «Лазурит»

А.Б. Акинчиц

З 485 Судовые энергетические установки. Главные судовые передачи: учеб. пособие / С.Н. Зеленов, П.В. Семашко; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2018. -101 с.

ISBN 978-5-

Приводятся общие сведения о судовом пропульсивном комплексе, устройстве отдельных элементов главной судовой передачи и анализируются условия их совместной работы. Изложены основы выбора типа передачи. Большое внимание уделено определению параметров и выбору редукторов из существующих типоразмерных рядов.

Предназначено для студентов и магистрантов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры».

Рис. 69. Табл. 16. Библиогр.: 9 назв.

УДК 621.12

ББК 39.455

Isbn 978 – 5 - © Нижегородский государственный

технический университет

им. Р.Е. Алексеева, 2018

© Зеленов С.Н., Семашко П.В., 2018

Оглавление

Введение.............................................................................................................4

1.Совместная работа винта и двигателя. Согласование их характеристик......................................................................................................................6

1.1. Согласование путем изменения характеристик винта.........................6

1.2. Согласование путем применения ВРШ...............................................16

1.3. Согласование путем применения редуктора.......................................18

2. Назначение и классификация передач.……………………….…........21

3. Обоснование и выбор типа главной судовой передачи......................23

3.1. Прямая передача...……………….........................................................23

3.2. Механическая передача…...….............................................................24

3.2.1. Редукторная передача.....................................................................24

3.2.2. Реверс-редукторная передача........................................................26

3.2.3. Винторулевые колонки..................................................................27

3.3. Гидравлическая передача…………………….………..……………...36

3.4. Электрическая передача...……………….….………………………...40

3.5. Комбинированная передача....……..………………………................42

4. Определение параметров и выбор типа редуктора.............................45

4.1. Порядок выбора редуктора...................................................................45

4.2. Выбор типа редуктора...........................................................................46

4.2.1. Редукторы для одномашинных агрегатов....................................46

4.2.2. Редукторы для многомашинных агрегатов..................................50

4.3. Технические характеристики редукторов для одномашинных

агрегатов....................................................................................................59

4.3.1. Одноступенчатые вертикальные редукторы................................59

4.3.2. Двухступенчатые соосные редукторы..........................................64

4.4. Определение параметров редуктора и выбор его из типоразмерных

рядов...........................................................................................................66

5. Определение параметров и выбор элементов электропередач.........76

6. Определение параметров и выбор элементов гидропередач.............79

7. Выбор соединительных муфт...................................................................81

7.1. Общие сведения и классификация муфт.............................................81

7.2. Параметры и выбор муфт.....................................................................85

Заключение....................................................................................................105

Библиографический список.....................................………......................107

Введение

Судовая энергетическая установки – сложный и ответственный комплекс на судне, в значительной степени определяющий эффективность и безопасность его эксплуатации.

К важнейшим составным частям судовых энергетических установок относятся элементы главной передачи. Под этим понимаются все элементы, участвующие в передаче крутящего момента от коленчатого вала ДВС или ротора в турбинах к гребному винту. Передача вместе с главным двигателем во многом определяют планировку и размещение оборудования в машинном отделении.

В общем случае главная передача включает в себя муфты, редуктор, валопровод и гребной винт.

В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы, связанные с определением основных параметров системы передачи мощности, выбором типа и конструкции элементов системы (муфты и редукторы) из имеющегося размерного ряда с учетом типа судна и его энергетической установки.

Муфта в составе передачи соединяет узлы и детали, выполняющие вращательные движения. Она предназначена для передачи крутящего момента от ведущего вала к ведомому, а также для сглаживания незначительных продольных, радиальных, угловых отклонений и крутильных колебаний, которые возникают во время эксплуатации судна.

В зависимости от конструкции, назначения и принципа действия различают жесткие (глухие), упругие, фрикционные, гидродинамические и электромагнитные муфты. В судовых установках встречаются все виды муфт в зависимости от типа, мощности и конструкции главного двигателя.

Редуктор главного двигателя должен передавать крутящий момент и так изменять его частоту вращения, чтобы она имела оптимальную величину, необходимую для эффективной работы гребного винта.

На судах чаще всего применяют механические редукторы, состоящие из зубчатых колес. В установках с малооборотными дизелями редуктор отсутствует, в турбинных и в установках с высокооборотными дизелями ставят двух- или трехступенчатые редукторы. С освоением и развитием производства планетарных редукторов появилась возможность значительно уменьшить размеры и общую массу. В последнее время на новых судах в энергетических установках с высоко- и среднеоборотными дизелями, газовыми и паровыми турбинами все чаще используют планетарные редукторы.

В пособии приведены примеры выполнения расчетов по согласованию характеристик движителя (гребного винта) и двигателя, практические рекомендации по выбору конкретной марки редуктора, соединительных муфт, по определению их размеров.

Содержание учебного пособия помогает студентам более обоснованно принимать конструкторские решения при выполнении курсового проекта по дисциплине «Основы судовой энергетики». Необходимо отметать также, что приведенная в достаточно большом объеме техническая информация приближает студентов к их будущей профессиональной деятельности в условиях реального проектирования судового пропульсивного комплекса.

1. Совместная работа гребного винта и главного двигателя. Согласование их характеристик

1.1. Согласование путем изменения характеристик винта

Двигатель, работающий на винт, не является независимым агрегатом: его мощность может изменяться только по винтовой характеристике N_е = (n), которая определяет для него величину противодействующего момента. Мощность на валу двигателя N_е, обеспечивающую мощность N_р, потребляемую винтом, находят по формуле

N_е = N_р/ η_вη_п = 2πk₂ρn /η_в η_п, (1)

где η_в, η_п – соответственно КПД валопровода и передачи; k₂ –безразмерный коэффициент момента; n – частота вращения гребного винта, сек^-1; D_в – диаметр винта, м; - плотность забортной воды, кг/м³.

Можно считать, что при заданных буксировочном сопротивлении и пропульсивном коэффициенте скорость судна v меняется пропорционально n, т.е. относительная поступь винта λ_р = = const. Так как k₂ также является постоянной величиной, то можно записать N_е = Сn³, где С – некоторый постоянный коэффициент.

Из изложенного следует, что при увеличении сопротивления винтовые характеристики будут круто возрастать, так как уменьшение относительной поступи винта λ_р приведет к росту коэффициента момента k₂ и, следовательно, коэффициента С. Наиболее крутую винтовую характеристику судно будет иметь на швартовом режиме. При снижении сопротивления винтовые характеристики вследствие увеличения λ_р и уменьшения k₂ становятся более пологими. Наиболее пологую винтовую характеристику судно имеет при ходе в балласте. Как видно, в процессе эксплуатации судна его винтовые характеристики изменяются в широких пределах.

Для анализа связи между винтом и двигателем, помимо винтовых характеристик, необходимо иметь характеристики двигателя, которые получают при стендовых испытаниях и представляются в координатах N_е - n в виде кривых, определяющих поле возможных сочетаний N_е и n.

В общем случае работа двигателя данного типа характеризуется следующими кривыми (рис. 1.1): кривая 1 устанавливает минимально устойчивую частоту вращения двигателя; кривая 2, называемая ограничительной характеристикой по номинальному крутящему моменту М_кр.н, соответствующему номинальной мощности N_ен при номинальной частоте вращения n_н и определяющая верхний предел длительной механической напряженности деталей двигателя; кривая 3 - регуляторная характеристика предельной частоты вращения вала двигателя, показывает частоту вращения двигателя при снижении нагрузки; кривая 4 является характеристикой холостого хода (минимальной мощности) двигателя.

Рис. 1.1. Взаимодействие гребного винта с двигателем

Внутреннего сгорания

Чтобы установить режимы совместной работы винта и двигателя, необходимо наложить винтовые характеристики на характеристики двигателя (рис. 1.1). Если винтовая характеристика для расчетного режима плавания (кривая I) проходит через точку Н с координатами N_е.н и n_н, то гребной винт соответствует двигателю. С ростом сопротивления из-за увеличения осадки судна, обрастания корпуса, волнения и тому подобного изменяется винтовая характеристика «утяжеляется» (кривая II), тогда при условии недопущения перегрузки двигателя рабочая точка должна будет соответствовать точке Т. В рассматриваемом случае винт считается гидродинамически тяжелым. При «тяжелом винте» частота вращения n_т двигателя меньше номинальной. С уменьшением сопротивления судна винт оказывается гидродинамически легким. Винтовая характеристика (кривая III), построенная для этого варианта, пересечет регуляторную характеристику двигателя в точке Л, которой соответствует частота вращения n_л, несколько больше номинальной.

Как видно из рис. 1.1, всякое несоответствие винта двигателю связано с уменьшением располагаемой мощности двигателя и приводит к снижению скорости судна. Согласованность винта и двигателя окончательно проверяется при натурных (скоростных) испытаниях судна. Практически следует считать, что винт согласован с двигателем, если двигатель при работе на винт развивает номинальную мощность при частоте вращения, которая отличается от номинальной не более чем на 1...3%.

Для согласования винта с двигателем корректируется его шаговое отношение Н/D_в: для легкого винта – шаг увеличивается, а для тяжелого - уменьшается. Обычно гребные винты проектируют несколько облегченными по сравнению с требуемыми для идеальных условий эксплуатации (при этом имеют в виду, что по мере обрастания корпуса и увеличения сопротивления в реальных эксплуатационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).

В связи с тем, что принятый шаг винта соответствует только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (промысловые суда, буксиры, паромы), вместо винтов фиксированного шага (ВФШ) применяют винты регулируемого шага (ВРШ).

Для рыбопромысловых судов в эксплуатационных условиях характерны частые изменения буксировочного сопротивления, скорости и осадки при применении орудий лова, подъеме улова на борт, приеме и расходовании топлива и воды, и других операциях. В этих изменяющихся условиях плавания ВФШ не позволяют снимать с двигателя полную мощность, что приводит к снижению скорости траления и свободного хода.

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). Однако согласование ГВ с ГД за счет изменения диаметра может привести к увеличению вибрации и повышению кавитации, а также значительному уменьшению КПД 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.

Рассмотрим возможную методику корректировки ГВ для его согласования с ГД прототипа судна, основные данные которого по корпусу, ГВ и ГД известны [1].

Пусть на судне установлен штатный двигатель номинальной мощностью N_e1, 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 N_e2 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 D_в, оставив остальные его характеристики (число лопастей Z и дисковое отношение θ) неизменными. Для определения шага и диаметра согласованного с ГД винта целесообразно воспользоваться существующими расчетными диаграммами - кривыми действия гребного винта, представляющими при известных Z и θ графическое изображение следующей функции: