Материал: Учеб.пособие. Выбор передачи

Рис. 3.12. Схема гидравлического трансформатора

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%.

Гидротрансформаторы могут быть многоступенчатым, т.е. с рядом турбинных колес в одной рабочей полости. Если применить два гидротрансформатора (переднего и заднего хода), то получается гидрореверсивная муфта.

Гидротрансформаторы обладают рядом достоинств - это:

- возможность изменения передаточного числа в широких пределах;

- отсутствие жесткой связи между ведущим и ведомым валами;

- высокие маневренные качества;

- низкий уровень шума и другие достоинства.

Гидростатическая передача (рис. 3.13) отличается тем, что энергия вращения ведущего вала преобразуется в гидростатическое давление рабочей жидкости (насосом объемного типа), которое по трубопроводу передается к гидравлическому двигателю, где преобразуется в энергию вращения ведомого вала.

Гидростатическая передача передает мощность дизеля винту через жидкость, циркулирующую в замкнутом объеме. В данном случае используется принцип вытеснения или замещения небольших объемов жидкости при больших рабочих давлениях. В этих передачах скорость движения жидкости сравнительно невелика (не превышает 10 м/с), поэтому в них величина потенциальной энергии (энергии статического давления) значительно больше, чем величина кинетической энергии (энергии скоростного напора).

Рис. 3.13.. Схема гидростатической передачи:

1 - ведущий вал; 2 - гидронасос; 3 - вспомогательный насос;

4 - клапан ограничителя давления (перепускной);

5 - гидромотор; 6 - ведомый вал

В гидростатических передачах гидравлическими машинами являются гидронасос и гидромотор, выполненные в виде поршневых или роторных машин, в которых изменение объема происходит принудительно. Работа происходит за счет высоких давлений жидкости при неизменных ее расходах.

Давление рабочей жидкости может составлять до 20 МПа, что определяет компактность и малую массу гидропривода. Насос переменной производительности обеспечивает хорошие тяговые свойства, КПД составляет 0,85...0,9, причем значение КПД сохраняется в широком диапазоне частоты вращения. Передача может иметь достаточно высокое передаточное число, что позволяет использовать ВОД (i = 1,2...12). Насосы и гидромоторы отличаются высокой надежностью.

Реверс гидромотора осуществляется поворотом специального золотника, меняющего направление движения рабочей жидкости. Продолжительность реверса не превышает 10 с. Достоинством гидростатических передач является то, что в этом случае из состава судового пропульсивного комплекса исключается длинный валопровод, так как он заменяется трубопроводом рабочей жидкости; передача проста в обслуживании.

Гидростатические передачи применяются в ГЭУ мощностью 1500…2000 кВт и более на судах, требующих частое маневрирование и буксировку (паромы, буксиры, катера, малые промысловые суда), а также для привода подруливающих устройств и активных рулей.

Гидростатические передачи не нашли широкого применения в качестве силовых передач на судах из-за различных технических трудностей: большие потери на трение, наличие утечек при высоких давлениях, технологическая и конструктивная сложность поддержания больших давлений при длительной эксплуатации, отсутствие производства надежных гибких соединений трубопроводов, рассчитанных на высокие давления.

3.4. Электрические передачи

Электрические передачи осуществляют двойное преобразование энергии: механическая энергия главных двигателей в электрогенераторах преобразуется в электрическую, которая передается гребным электродвигателям, преобразующим ее в механическую энергию гребного вала и движителя (рис. 3.14).

При этом сокращаются потери энергии в опорных подшипниках валопровода и самом валопроводе за счет сокращения его длины. Это является основным достоинством электропередачи. Такая передача похожа по своей структуре на гидростатическую, только вместо трубопровода применена электросеть, а вместо гребного гидромотора - гребной электродвигатель.

Электрические передачи бывают на постоянном и переменном токе, а также комбинированные: с генератором переменного тока, гребным электродвигателем постоянного тока и безмашинными статическими преобразователями переменного тока в постоянный.

В зависимости от типа главного двигателя различают дизель-электрические и турбоэлектрические установки.

Основным достоинством электропередач является возможность обеспечивать высокие тяговые характеристики на малых частотах вращения гребного винта, не превышая допустимые нагрузки на двигатели.

Рис. 3.14. Схема судовой электропередачи:

1 - гребной вал; 2 - упорный вал;

3 - гребной электродвигатель; 4 - главный распределительный щит;

5 - генератор; 6 – двигатель

Электрическая передача позволяет использовать мощность турбо- или дизель-генераторов для привода одного или нескольких малооборотных гребных электродвигателей. Это повышает надежность СЭУ и позволяет применять высоко- и среднеоборотные нереверсивные первичные двигатели.

Благодаря отсутствию механической связи между главным электрогенераторами и гребными электродвигателями их частоту вращения можно выбирать оптимальной, а первичные двигатели в этом случае защищены от внешних ударных и других воздействий со стороны гребного двигателя и винта.

Еще одним достоинством электропередачи является возможность использования главных генераторов для прочих судовых потребностей.

Электропередачи на постоянном токе имеют высокие маневренные качества, самый быстрый реверс, высокие пусковые моменты. Так, полное затормаживание гребного винта осуществляется за 5…16 с, а выбег судна при его расчетной начальной (перед торможением) скорости обычно не превышает 6…7 длин корпуса.

СЭУ с электропередачами постоянного тока управляются достаточно просто, например, применяя реостатное регулирование. Это позволяет применять высокоманевренную систему дистанционного управления.

Электропередачи постоянного тока, благодаря указанным достоинствам, применяются на судах, требующих частое изменение скорости и режимов работы с изменением мощности (на ледоколах, буксирах и промысловых морских судах, транспортных судах ледового плавания).

Электропередачи переменного типа применяются на судах, движители которых большую часть времени работают на постоянных режимах без изменения скорости, а также на судах с ВРШ.

Поскольку генераторы переменного тока проще по конструкции, меньше по габаритам, имеют более высокий КПД и удобнее в эксплуатации, чем генераторы постоянного тока, в последние годы все чаще применяются комбинированные электропередачи, когда генераторы ставятся переменного тока, а гребные электродвигатели - постоянного.

На практике электрическая передача может осуществляться двумя способами.

При первом способе главный двигатель (главный дизель-генератор) вырабатывает электрическую энергию, которая через распределительное устройство поступает на гребной электродвигатель, вращающий гребной винт.

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 дизель-электрической 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 (генератор), а затем электрической в механическую (гребной электродвигатель). При этом потери энергии достигают 15%.

Другой недостаток определяется тем, что дизель-электрическая передача комплектуется в основном на базе высокооборотных двигателей, которые имеют небольшой моторесурс, их работа сопровождается повышенным шумом, они требуют дорогого высококачественного топлива.

Кроме этого, при такой передаче увеличивается штат машинной команды, обслуживающей электроэнергетическую установку.

В связи с этим применение дизель-электрической передачи ограничивается морскими паромами, ледоколами и отдельными транспортными судами.

3.5. Комбинированные передачи

Комбинированные передачи применяют в целях улучшения технико-экономических и эксплуатационных показателей СЭУ, а также обеспечения качеств, которые требуются в соответствии с назначением судна.

Технико-экономические и эксплуатационные показатели СЭУ можно улучшить при использовании комбинированных передач:

- комбинация гидравлической и зубчатой передач;

- комбинация электрической и зубчатой передач;

- комбинация электрической и прямой передач.

В некоторых корабельных установках применяется комбинированная передача энергии от дизеля и форсажной газовой турбины.

Анализ различных способов передачи мощности гребным винтам показывает, что правильный выбор передачи в процессе проектирования судна основывается на учете особенностей назначения и будущих районов плавания судна, а также на специфических требованиях к энергетической установке.

Выбор типа передачи считается обоснованным, если в соответствии с условиями эксплуатации можно широко использовать ее достоинства, а недостатки не окажут существенного влияния на технико-экономические характеристики СЭУ.

В качестве примера комбинированной гидромеханической передачи рассмотрим двухступенчатую гидрозубчатую передачу (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Гидромеханическая передача:

1 - гидротрансформатор; 2,4 - тормозные механизмы;

3 - фрикцион; 5,6 - планетарные механизмы

Передача состоит из гидротрансформатора 1, механического планетарного редуктора с многодисковым фрикционом 3 и двумя ленточными тормозными механизмами 2 и 4 и гидравлической системы управлениях кнопочным переключением передач. Кнопки соответственно означают нейтральное положение, задний ход, первую передачу и движение с автоматическим переключением передач. В двухступенчатой механической коробке имеются два одинаковых планетарных механизма 5 и 6.

В нейтральном положении фрикцион 3, а также тормозные механизмы 2 и 4 выключены. Вращение выходного вала происходит при включенной первой передаче. В этом случае масло под давлением поступает в цилиндр тормозного механизма 2, лента которого затягивается, и солнечная шестерня планетарного механизма 6 останавливается.

Если включена кнопка «Движение», то при разгоне судна происходит автоматическое переключение на вторую передачу, что обеспечивается одновременным выключением тормозного механизма 2 и включением фрикциона 3. В этом случае планетарные механизмы 5 и 6 блокируются и вращаются как одно целое.

При необходимости реверсирования выходного вала включается только тормозной механизм 4.

4. Определение параметров и выбор редуктора

4.1. Порядок выбора редуктора

Выбор передачи для проектируемого дизель-редукторного агрегата (ДРА) условно состоит из двух этапов.

На первом этапе выбирается конструктивный тип редуктора, например, для одномашинного агрегата одноступенчатый горизонтальный или двухступенчатый соосный и т.д., а для двухмашинного агрегата – без промежуточных шестерен и с промежуточными шестернями.