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;
ρ — 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 θ) 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 θ 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 2О÷ЗО%. 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 20÷30 %.
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 5÷8 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 1,5÷2 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 φ (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.
Для небольших углов скоса потока увеличение момента на валу можно объяснить уменьшением осевой составляющей скорости набегающего потока, а, следовательно, уменьшением абсолютной величины относительной поступи гребного винта, обуславливающим рост коэффициента момента. При больших углах скоса потока к указанному обстоятельству прибавляется и то, что боковая составляющая скорости набегающего потока, оказываясь одного порядка с аксиальной, существенно изменяет вихревую систему обтекания гребного винта, что и приводит к резкому увеличению крутящего момента.
Рис. 6.4. Режим работы ВРК в косом потоке
К сожалению, расчёт винтовых характеристик ПУ с ВРК, особенно в области углов скоса потока от 20° до 90°, в настоящее время не имеет точной и совершенной методики [8]. Решение данного вопроса позволит правильно осуществлять выбор оптимальных режимов работы ДВС, что обеспечит надёжную и эффективную эксплуатацию пропульсивных комплексов с ВРК.