2. Назначение и классификация судовых передач

В общем случае в СЭУ передачами называют устройства, с помощью которых механическая энергия двигателя передается ее потребителю – машине, движителю. Опыт постройки и эксплуатации судов показывает, что от типа передачи во многом зависят эксплуатационные свойства и показатели СЭУ в целом.

По принципу действия различают следующие виды передач: прямые (непосредственные), механические (редукторные), гидравлические, электрические и комбинированные.

В СЭУ различают главные и вспомогательные передачи.

Главные передачи предназначены для передачи энергии от главного двигателя к движителям, а вспомогательные – от вспомогательных двигателей (дизелей, турбин, электродвигателей) к машинам и механизмам вспомогательного назначения (электрогенераторам, компрессорам, насосам и т.п.).

Главные передачи по своему устройству, как правило, более сложны и часто в их состав входят элементы, не используемые во вспомогательных передачах, поэтому рассмотрим главные передачи как более сложные по конструкции.

Судовые передачи характеризуются способностью передавать вращающий момент и частоту вращения, а также мощность от входного к выходному валу - потребителю. Эти характеристики передач оцениваются следующими показателями:

- коэффициент трансформации момента

где М₁ и М₂ – моменты на входном и выходном валах передачи;

- передаточное число

где n₁ и n₂ – частота вращения входного и выходного вала.

С помощью этих основных показателей можно определить КПД передачи, мощность, подводимую к передаче, и частоту вращения гребного винта. Так, КПД передачи _п определяется по выражению

где N₁ и N₂– мощности на входном и выходном валах передачи.

Мощность, подводимая к ступице гребного винта

где _вп – КПД валопровода; N_e– мощность на валу двигателя.

Частота вращения винта:

n_в = n_д/i,

где n_д – частота вращения вала двигателя.

В зависимости от изменения рассмотренных показателей при различных режимах работы двигателей и гребных винтов все передачи делятся на три группы:

- односкоростные механические передачи, работающие при К = const и i = const. К таким передачам относятся зубчатые редукторы, кулачковые и фрикционные муфты, шинно-пневматические муфты. Наиболее простой вариант – непосредственное соединение малооборотного двигателя с судовым валопроводом – прямая передача;

- передачи, обеспечивающие постоянство коэффициента трансформации момента (К = const) и переменное передаточное число (i = var). К таким передачам относятся гидродинамические и электромагнитные муфты скольжения;

- передачи, обеспечивающие изменяемость коэффициента трансформации момента и передаточного числа (К = var, i = var). К таким передачам относятся: гидротрансформаторы, гидростатические и электропередачи, а также многоступенчатые зубчатые передачи. В гидротрансформаторах и электропередачах величины К и i изменяются плавно, а в многоступенчатых редукторах – ступенчато.

Таким образом, главные судовые передачи могут быть:

- прямые с жестким соединением валов двигателя и валопровода, и эластичные, когда между двигателем и валопроводом установлена эластичная муфта (электромагнитная, гидравлическая, пневматическая);

- непрямые передачи могут быть механическими (зубчатые, ступенчатые редукторы), гидравлическими (гидродинамические, гидростатические – с помощью гидронасосов, гидротурбин, гидромоторов,), электрическими – с помощью электрических машин.

В некоторых передачах могут осуществляться как суммирование мощности нескольких двигателей и передача ее на один вал, так и наоборот, разделение мощности одного двигателя на два потока (на два винта).

От принятого при проектировании пропульсивного комплекса типа передачи во многом зависят эксплуатационные свойства и показатели СЭУ и судна в целом.

3. Обоснование и выбор типа передачи

3.1. Прямая передача

Пример конструктивной схемы судового валопровода с прямой передачей приведен на рис. 3.1.

Данный тип передачи не обеспечивает трансформацию крутящего момента и частоты вращения ГД, а также не позволяет приспособить главную ЭУ к часто меняющимся условиям плавания (в случае применения ВФШ). Эти особенности предопределяют недостатки СДУ с прямой передачей:

• отклонение частоты вращения ГД от оптимальной для винта снижает пропульсивный КПД η_пр; так, например, на крупнотоннажных судах с прямой передачей частота вращения МОД на 20...30 мин^-1 превышает оптимальное значение частоты вращения винта (n_гд = 105...110 при n_вopt = 80...85 мин^-1), что снижает η_пр на 5...8 %;

• при использовании МОД ГЭУ с прямой передачей имеют место неблагоприятные малогабаритные показатели;

• сложность привода вспомогательных механизмов – валогенераторов, насосов и др. от ГД.

Рис. 3.1. Схема валопровода с прямой передачей:

1 - главный двигатель; 2 - фланец коленчатого вала двигателя; 3 - упорный вал;

4 - упорный подшипник; 5 - тормоз; 6 - промежуточный вал;

7 - опорный подшипник; 8 - гребной вал; 9 - дейдвудный сальник;

10 - дейдвудная труба; 11 - гребной винт

Достоинством ГЭУ с прямой передачей являются:

• конструктивная простота и высокая надежность передачи;

• высокий КПД передачи (0,98...0,99), частично компенсирующий возможное снижение пропульсивного КПД;

• возможность работы ГД на высоковязких сортах топлива;

• небольшой расход масла ГД;

• большой ресурс ГД.

В состав прямой передачи входят муфты, подшипники и валопровод. По конструктивному исполнению муфты могут быть жесткими и упругими. По назначению различают следующие муфты: соединительные, соединительно-разобщительные, включаемые и выключаемые во время работы и на стоянке; комбинированные, имеющие упругие соединительные элементы и соединительно-разобщительное звено.

Мощные крейцкопфные дизели обычно соединяются с валопроводом с помощью жестких фланцевых муфт. Установка упругих муфт в прямых передачах определяется следующими причинами – это:

• соединение валопровода с ГД, установленным на амортизаторах;

• уменьшение нагрузок на элементы валопровода и коленчатый вал при деформациях корпуса судна;

• облегчение прицентровки двигателя и валопровода;

• частичное демпфирование крутильных колебаний.

3.2. Механическая передача

3.2.1. Редукторная передача

В качестве механических передач в СЭУ чаще сего используют зубчатые передачи с постоянным передаточным числом. Зубчатые передачи, снижающие частоту вращения, называются редукторами, повышающие –мультипликаторами (их устройство не отличается от устройства редукторов, и они применяются для привода электрогенераторов и вспомогательных механизмов, требующих на валах большую частоту вращения).

Редукторы широко применяются в турбинных и дизельных установках со средне- и высокооборотными ДВС. Их достоинства состоят в относительно малой потере передаваемой мощности и высокой надежности.

Пример конструктивной схемы судового валопровода с суммирующим редуктором и двумя среднеоборотными ДВС приведен на рис. 3.2.

В главных редукторных передачах используются цилиндрические (прямозубые и косозубые), конические и планетарные зацепления.

В зависимости от назначения редукторные передачи подразделяют на три группы:

• изменяющие величину (трансформацию) крутящего момента, передаваемого от ГД к движителю, за счет редуцирования частоты вращения;

• суммирующие энергию нескольких двигателей с одновременной трансформацией крутящего момента;

• изменяющие направление вращения гребного вала (без реверса ГД) с одновременным редуцированием частоты вращения и возможным суммированием мощности более чем от двух двигателей.

Рис. 3.2. Дизель-редукторная энергетическая установка

С двумя среднеоборотными дизелями

1 - эластичная муфта; 2 - суммирующий редуктор;

3 - валопровод; 4 - гребной винт

Типы и конструкции судовых редукторов весьма разнообразны. Редуктор только с цилиндрическими ступенями внешнего зацепления называют переборным, только с планетарными ступенями - планетарным, а если он включает и те, и другие ступени - планетарно-переборным.

В зависимости от передаточного отношения применяют одно- (рациональное передаточное число 6...8, максимальное 12...15), двух- и трех-ступенчатые зубчатые передачи.

Переборные редукторы одномашинных СДУ обычно выполняют одноступенчатыми со смещением ведущего и ведомого валов в одной горизонтальной или в одной вертикальной плоскости. Однако, если необходимо соосное расположение двигателя и валопровода, применяют двухступенчатые конструкции редукторов, хотя передаточное число небольшое и этого не требуется.

Редукторы переборные одномашинной установки выпускаются в диапазоне мощностей от нескольких сот киловатт до 7...8 МВт 6...10 типоразмеров. При большой мощности двигателей (7...18 МВт) в целях повышения надежности и снижения габаритов применяют редукторы с разделением мощности на два потока и последующим их соединением на ведомый вал.

В многомашинных СДУ используют разнообразные конструкции суммирующих редукторов, объединяющих для работы на один винт от двух до четырех двигателей. Наиболее распространенные из этих редукторов двухмашинные - для судовых СОД. На судах преимущественно используются четырехтактные СОД в сочетании с механическими передачами - дизель-редукторные агрегаты (ДРА). ДРА с СОД значительно превосходят МОД по габаритным характеристикам. Они характеризуются удельной массой 9,5...16,5 кг/кВт, мощностной насыщенностью по длине 320...2200 кВт/м и по объему 85...100 кВт/м³. Удельные массы судовых переборных редукторов изменяются в диапазоне 6,5...11,0 кг/кВт, причем меньшие значения характерны для более мощных ДРА. Их мощностная насыщенность оценивается следующими значениями показателей: по объему - 110...280 кВт/м³, по площади - 275...680 кВт/м², по длине - 1400...4700 кВт/м, по ширине - 1100...3700 кВт/м. КПД современных зубчатых передач при полной нагрузке составляет для одноступенчатых передач около 98%, для двухступенчатых - 96...97%.

Преимущества и особенности планетарных зубчатых редукторов заключаются в соосности вала двигателя и валопровода. Планетарным редукторам свойственны также высокий КПД (0,99 - для одноступенчатых и 0,985 - для двухступенчатых), малые абсолютные и удельные массы по мощности - 3,5...4,5 кг/кВт и 0,15...0,71 кг/(Н∙м) - по моменту, умеренные габариты (энергонасыщенность по длине достигает 4500 кВт/м), плавность хода и бесшумность (уровень шума не превышает 86 дБ). Они обладают также рядом других достоинств, к числу которых относятся: распределение нагрузки между несколькими сателлитами, т.е. разделение передаваемой мощности на несколько потоков; рациональное использование пространства внутри эпицикла; значительно меньшие диаметры зубчатых колес, чем у обычных редукторов.

По сравнению с переборными редукторами, в планетарных несколько сложнее осуществить дополнительную передачу мощности к валогенераторам и валоповоротным устройствам. Отбор мощности на валогенераторы в планетарных редукторах осуществляется от входного вала посредством повышающей передачи с внешним зацеплением.