Винт фиксированного шага на судах что это

Обновлено: 03.05.2024

Механической характеристикой гребного винта (ВФШ) называется зависимость вращающего момента от частоты вращения при неизменной скорости судна.

Полученные зависимости близки к квадратичным параболам. Каждой скорости судна соответствует своя кривая (рис. 1): 1 - зависимость вращающего момента (или момента сопротивления) от частоты вращения на полном ходу судна в свободной воде Мсв = f1(n), т.е. на гладкой поверхности воды без встречного ветра; 2 - одна из промежуточных характеристик Мпр = f2(n) при пониженной скорости судна вследствие ледовой обстановки или по другим причинам; 3 - швартовная характеристика гребного винта Мшв = f3(n) при неподвижном судне, т. е. если судно при работающем двигателе стоит во льду или пришвартовано; 4 — механическая характеристика при работе в шуге («ледяная каша») Мш = f4(n).

С увеличением скорости судна растет скорость встречного потока воды относительно корпуса. Встречный поток воды подкручивает винт, поэтому при номинальном вращающем моменте Л/н с увеличением скорости хода растет частота вращения винта, что ясно из сравнения характеристик на рис. 6. При работе гребного винта в шуге момент сопротивления может оказаться больше, чем при швартовном режиме, так как возрастает вязкость среды, в которой работает винт, и, следовательно, сила лобового сопротивления (см. рис. 3).

Реверсом судна называется такой маневр, при котором направление движения судна вперед изменяется на противоположное путем изменения направления упора гребного винта. Изменение направления упора ВФШ достигается реверсом двигателя. При достаточно большом водоизмещении судна время реверса винта значительно меньше времени реверса судна, так как последнее обладает большой инерцией. Это положение особенно близко к действительности на судах с ГЭУ постоянного тока, где время реверса винта исчисляется несколькими секундами.

Поэтому практически можно считать, что реверсирование винта происходит при неизменной скорости хода судна вперед.

При реверсе винта с полного переднего хода на полный задний и обратно на лопастях винта возникают силы и моменты, значительно превышающие силы и моменты при работе винта в установившемся режиме переднего или заднего хода. Гребной винт должен быть рассчитан на возникающие перегрузки по механической прочности, а гребной двигатель должен выдерживать перегрузки по моменту.

Изменение момента сопротивления при реверсе винта выражается графически реверсивной характеристикой винта, которая снимается при постоянной скорости судна (рис. 2). Кривая 1 — реверсивная характеристика полной скорости судна.

В точке А - установившийся режим хода судна вперед, номинальные момент и частота вращения. При реверсировании двигателя момент резко падает до нуля (точка В), частота вращения уменьшается до 0,75.

Это частота вращения называется буксировочной и создается встречным потоком воды, вращающим винт как гидравлическую турбину при отключенном двигателе и буксировании судна с полной скоростью. Для остановки гребного винта двигатель должен развить тормозной момент, превышающий вращающий момент, развиваемый винтом в режиме гидравлической турбины.

В четвертом квадранте момент сопротивления на винте отрицательный, т. е. винт раскручивает двигатель. Максимальный момент сопротивления достигает почти номинального значения (точка С) при частоте вращения около 0,35 номинальной. Под действием тормозного момента двигателя гребной винт останавливается (точка D), при этом момент сопротивления достигает примерно 0,4 номинального. На участке кривой DЕ гребной винт вращается в противоположную сторону, причем при номинальном моменте двигателя частота вращения составляет примерно 0.4 (точка Е). Это объясняется тем, что судно идет полным ходом вперед и встречный поток воды тормозит винт при вращении.

В третьем квадранте гребной винт работает как гидравлический тормоз и создает эффективное торможение движению судна вперед, при этом действие встречного потока воды ослабевает и частота вращения гребного винта растет (точка F). После остановки судно начинает идти назад. Появляется новый встречный поток, который теперь подкручивает винт, частота вращения возрастает.

Частота вращения винта заднего хода меньше, чем переднего. Это объясняется тем, что на заднем ходу сопротивление движению судна возрастает примерно на 16 — 20% и уменьшается пропульсивный коэффициент винта. На рис. 2 приведены также реверсивная характеристика винта 2, снятая при уменьшенной скорости судна, и кривая 3, снятая на швартовах (судно неподвижно).

Из сравнения характеристик ясно, что с уменьшением скорости хода судна гребной винт в режиме гидравлической турбины (четвертый квадрант) развивает меньший вращающий момент и для его остановки двигатель затрачивает меньшую мощность. При реверсе на швартовах исключается режим турбины, так как отсутствует встречный поток воды. Таким образом, наиболее тяжелый режим реверса для гребного двигателя - это реверс на полном ходу судна.

Для определения маневренных качеств судна при реверсе применяют следующие характеристики: время выбега — время, истекшее с момента подачи команды об изменении направления хода судна до полной остановки судна; путь выбега — путь, проходимый судном за время выбега; время реверса винта - время, затраченное на изменение частоты вращения до остановки винта; время развития заданной частоты вращения заднего хода, время развития заданной скорости судна заднего хода.

Лучшими маневренными качествами при реверсе судна обладают электроходы с гребным электродвигателем постоянного тока. Время реверса винта составляет 3 - 8 с и растет с увеличением инерции судна. Для теплохода с ВФШ реверс с полного хода считается аварийным режимом и время реверса составляет десятки секунд.

Основное назначение гребных винтов - это создание силы тяги для поступательного движения судна с определенной скоростью.

Для этого необходимо создать движущую силу, преодолевающую сопротивление движению.

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.

Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой:

где R - сила сопротивления; V - скорость движения.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус - движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход).
Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70 - 80 % от тяги винта в режиме полного хода.

На судах морского флота преимущественно установлены четырехлопастные винты (рис. 1.21). В зависимости от направления вращения они разделяются на винты правого и левого вращения (шага). Винт правого вращения у судна, идущего передним ходом, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения - против часовой стрелки.

Рис. 1.21. Четырехлопастной гребной винт

Одновинтовые суда чаще всего имеют винты правого вращения; двухвинтовые с левого борта - винт левого вращения, с правого - правого вращения.

Работа гребного винта

При вращении гребной винт образует за кормой струю воды, закрученную в сторону его вращения. Совершенно очевидно, что этот спиральный вихревой поток воды действует на перо руля и корпус, оказывая влияние на управляемость судна.

Рассмотрим качественную сторону этого влияния при совместной работе винта и руля при различных ходах и положениях пера руля (рис. 1.22).

Гребной винт левого шага

Судно неподвижно относительно воды. Перо руля находится в диаметральной плоскости. Как только машине будет дан ход вперед и винт начнет вращаться, нос судна вначале будет незначительно уклоняться влево.

Объяснить это можно тем, что при малых оборотах винт своими развернутыми лопастями как бы загребает воду и забрасывает корму вправо, а нос идет влево.

По мере увеличения оборотов винта нос судна установится на первоначальный курс и затем уклонится вправо.

Происходит это потому, что при работе винт набрасывает воду на перо руля, причем струя воды, набрасываемая винтом на нижнюю часть руля, создает гидродинамическое давление, которое уклоняет корму влево, а нос - вправо.

Следовательно, при работе винта правого шага вперед, при положении «прямо руль», нос судна в конечном итоге уклоняется в сторону вращения винта.

Судно имеет ход вперед, винт работает назад. Руль прямо. Винт одновинтового судна, начавший вращаться на задний ход, своими развернутыми лопастями как бы загребает воду с левой стороны, обтекает правый борт и, оказывая на него давление, заставляет корму разворачиваться влево, а нос - вправо.

Судно имеет ход назад, винт работает назад. До тех пор, пока судно не приобретет достаточную скорость заднего хода, положение пера руля на поворотливость судна влияния не оказывает.
Как отмечалось ранее, на поведение судна оказывает влияние струя воды от винта, направленная в правую часть обводов корпуса, вследствие чего нос судна идет вправо. Как только судно разовьет определенную скорость заднего хода и перо руля будет находиться в массе встречного потока воды, образованного движением судна, положение пера может заставить судно пойти кормой в сторону переложенного руля.
В этом случае на руль будут действовать две силы: сила встречной воды, возникающая от движения судна назад, и сила всасываемой струи, порождаемая засасывающим действием винта при его работе на задний ход.

Одновинтовые суда слушаются руля на заднем ходу лучше, когда винт не работает и судно движется назад с наибольшей скоростью. Однако рассчитывать на непогрешимость работы руля одновинтового судна на заднем ходу (особенно для поворота носа судна влево) можно только в штилевую погоду при достаточной осадке.

Судно имеет ход назад, винт работает вперед. При положении «прямо руль» нос судна может уклоняться или вправо, или влево (обычно вправо). При положении «право на борт» нос судна уклоняется вправо.
При положении «лево на борт» нос судна уклоняется влево. Струя воды от гребного винта создает гидродинамическое давление на перо руля значительно большей силы, чем от встречного потока при движении судна назад.

Рис. 1.22. Поведение одновинтового судна при работе гребного винта правого вращения

Из всего сказанного можно сделать следующий вывод, что судно, двигающееся передним или задним ходом, круче и быстрее разворачивается в сторону шага винта.

Таблица поведения одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения

Поведение одновинтовых судов при комбинированной работе руля и винта правого вращения в штилевую погоду приведены в табл. 1.1.

Сегодняшний рассказ ТГД об обязательном элементе практически любого судна или корабля – гребном винте. В зависимости от конструкции все винты можно разделить на две большие группы: винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ). В свою очередь винты фиксированного шага делятся на цельно литые и винты со съёмными лопастями.

Общим у всех типов гребных винтов, является наличие ступицы и лопастей. Отличие в том, что у ВРШ положение лопастей относительно ступицы меняется во время работы, у ВФШ – остаётся постоянным.

Винты фиксированного шага используются, как правило, для равномерной работы с большой нагрузкой. Например, они незаменимы для перемещения огромных масс на судах большого водоизмещения – гигантских контейнеровозах или танкерах. Также ВФШ часто можно встретить на ледоколах, где гребной винт должен выдержать противостояние с арктическим льдом.

Регулируемый шаг хорошо подходит для ситуаций, когда нужна динамика. Главным отличием ВРШ от "фиксированных" коллег является наличие встроенного в ступицу механизма поворота лопастей. Благодаря этому меняется величина и даже направление упора (гребной силы) винта. Таким образом, не меняя направление вращения, ВРШ может обеспечивать передний или задний ход.

Чаще всего поворот лопастей осуществляется благодаря гидравлической системе, управляемой с капитанского мостика.

Например, вот так выглядит винт регулируемого шага, установленный на новейший многофункциональный буксир-спасатель проекта MPSV12. Винт изготовлен из латуни.

А вот общий вид винторулевого комплекса судна MPSV12, который включает в себя два винта регулируемого шага и два полуподвесных руля.

Для чего нужен ВРШ? Такое техническое решение даёт сразу несколько преимуществ. Во-первых, главные двигатели переходят в нереверсивный режим работы, что положительно сказывается на ресурсе. Во-вторых, использование ВРШ сокращает расход топлива. В-третьих, быстрая (время полного разворота лопастей обычно менее 20 сек) смена направления упора винта позволяет значительно сократить тормозной путь судна или корабля.

Разумеется, как и у любого технического решения, у ВРШ есть обратная сторона. Конструкция такого винта и вала намного сложнее в создании и обслуживании, чем ВФШ. Кроме того, ВРШ гораздо более чувствителен к механическим повреждениям.

Впрочем, винты фиксированного шага не спешат сдаваться. В некотором смысле второе рождение они пережили с появлением полноповоротных винторулевых колонок. В России такие движители часто именуют "азиподами" из-за популярной винторулевой колонки Azipod швейцарской фирмы ABB. В данном техническом решении в одном вынесенном за корпус судна узле находятся двигатель (электромотор) и движитель (гребной винт фиксированного шага). Управление винторулевой колонкой осуществляется с капитанского мостика с помощью джойстика.

За счёт электропривода винторулевая колонка вращается на 360 градусов и позволяет избавиться не только от стандартного гребного винта, но и руля. В последнее время винторулевые колонки всё чаще появляются на круизных лайнерах и транспортных судах, например, газовозах.

Винт регулируемого шага - это гребной винт, у которого регулируется угол разворота лопастей.

Лопасти такого винта разворачиваются специальным механизмом в любое положение в диапазоне «полный вперед - стоп - полный назад», т. е. в зависимости от степени разворота лопастей, не изменяя работы главного двигателя, судну можно придать или движение вперед, или остановиться на месте, или создать движение назад.

При эксплуатации всех видов ВРШ применяется принципиально одинаковая система управления. Гидравлическая система управления ВРШ дает возможность широко использовать в качестве главного двигателя нереверсивные силовые установки (турбины, дизели большой мощности и т. д.).

Внедрение ВРШ на судах позволяет улучшить маневренные качества судов. К ним в первую очередь относится уменьшение тормозного пути (за счет быстрого перевода лопастей винта на режим работы заднего хода) и периода торможения.

Гашение инерции начинается почти немедленно после дачи команды «Полный назад» (отдельные суда с полного хода останавливаются за 1 минуту при тормозном пути 1−1,5 корпуса).

На судах с ВРШ облегчается выполнение многих видов маневров при съемке с якоря и постановке на якорь, при швартовке судна к причалу и лагом к другому судну, при расхождении судов для предотвращения столкновений и т. д. Для выяснения влияния ВРШ на управляемость судна рассмотрим различные режимы его работы.

Судно неподвижно относительно воды. Руль прямо. При даче переднего хода корма уклоняется влево, а нос идет вправо. При перекладке руля вправо или влево судно будет уклоняться в сторону переложенного руля.

С разворотом лопастей в диапазоне переднего хода меняется сила попутного потока и сила набрасываемой струи от винта на руль, в результате чего будет изменяться скорость движения судна вперед, а следовательно, и управляемость.

Судно имеет ход вперед, винт работает назад. Руль прямо. Струя от винта (вращающегося в прежнюю сторону, но имеющего повернутые лопасти, соответствующие заднему ходу) будет действовать не в правый подзор, как у фиксированного винта, а в левый, уклоняя корму вправо, а нос − влево.
Уклонение кормы вправо будет увеличиваться еще за счет того, что сила набрасываемого спирального потока начнет действие на перо руля и кормовой подзор слева.
Дополнительно сила попутного потока будет воздействовать на винт, уклоняя также корму вправо. Под суммарным воздействием этих сил корма резко пойдет вправо, а нос - влево.

Судно имеет ход назад, винт работает назад. При установившемся движении судна назад и положенном прямо руле на поведение судна оказывает влияние струя воды от винта ВРШ, которая действует в левый подзор, отклоняя постоянно корму вправо.

Судно имеет ход назад, винт работает вперед. При переходе с заднего хода на передний (реверс ВРШ) основное влияние на судно будет оказывать струя от винта, набрасываемая на руль справа, в результате корма пойдет влево, а нос - вправо. При перекладке руля влево или вправо нос судна всегда будет уклоняться в сторону переложенного руля.

Анализ эксплуатационной деятельности судов с ВРШ показывает значительные преимущества их перед судами с фиксированными винтами, так как ВРШ:

дает возможность изменять направление движения судна без изменения направления вращения винта, что важно при нереверсивных двигателях;

позволяет применять дистанционное управление ходами с мостика;

дает возможность сократить время на реверс судна до 30 %;

увеличивает моторесурс дизельных установок уменьшением числа реверсов двигателя.

Для перекладки лопасти современных ВРШ используются гидравлические, электромеханические, механические и ручные приводы. Наибольшее распространение на современных морских судах получили гидравлические приводы.

Поворот лопасти и, соответственно, изменение шага винта производятся перемещением штанги, которая расположена в полом гребном валу. Гидравлические приводы отличаются местом расположения цилиндра с поршнем, который перемещает штангу. Для ВРШ гидравлического типа наиболее характерно расположение силового органа в линии валопровода внутри судна. В ВРШ некоторых зарубежных фирм силовой орган расположен в ступице, а внутри гребного вала проходит штанга золотника и подается масло под давлением. Иногда силовой цилиндр с поршнем находится вне гребного вала.

По характеру работы ВРШ могут быть двухпозиционными и всережимными. Двухпозиционный винт имеет только два положения лопастей для экономического и полного хода. В настоящее время двухпозиционные винты используются только на судах старой постройки. Всережимные ВРШ обеспечивают получение всех ходов — от полных вперед до полны: назад, включая положение «Стоп» с работающим винтом.

Основными агрегатами всякого ВРШ с гидравлическим приводом являются винт с поворотными лопастями (ВПЛ), гребной вал, механизм изменения шага (МИШ), который используется, если силовой орган находится в линии валопровода внутри судна. Если цилиндр с поршнем расположены в ступице, то в линии валопровода монтируется масловвод. Систему ВРШ обслуживает гидравлическая установка с масляными насосами и специальная система управления, связанная с постом управления в рулевой рубке.

На рис. 1 изображена конструкция ВПЛ пла ВР-394С. В полом гребном валу расположена штанга, которая под действием МИШ может в определенных пределах перемещаться вдоль вала.

Штанга перемещает ползун 8, в сухаре 9 которого крепится палец 10 лопасти. Палец на подпятнике лопасти расположен эксцентрично, при перемещении ползуна оси вала сухарь ходит в поперечном направлении и заставляет палец разворачивать лопасть вокруг своей оси.

В конструкцию лопасти входят шайба 6, стопорная втулка 5, упорная шайба 4. Переднее положение ползуна ограничивается носовым фланцем 7. Вся конструкция монтируется в корпусе ступицы 3 с обтекателем 1, который крепится болтами к корпусу. При перемещении ползуна в шлицах ходит шлицевая втулка 2.

При конструировании ВПЛ необходимо обеспечить надежное уплотнение узла подшипника и комля лопасти (комлевой заделки), так как это подвижное соединение ВРШ непосредственно соприкасается с забортной водой. Для улучшения условий работы уплотнения комлевой заделки устанавливается компенсатор объема 12, предотвращающий колебания давления масла внутри ступицы при перекладке лопастей. Внутри ступицы в масляной системе предусмотрен предохранительный клапан 11.

Гребные валы для ВРШ имеют внутреннюю полость для размещения силовой штанги, соединяющей механизм поворота лопастей в ступице с силовым поршнем МИШ. ВРШ в отличие от обычного ВФШ устанавливается чаще всего не на конус, а на фланец гребного вала, который при постройке судна заводится с кормы.

МИШ (рис. 2) представляет собой цилиндр 6 с поршнем 7. Цилиндр с помощью полумуфты 3 соединяется с гребным валом 1 гайкой 18 гребного вала. В полости гребного вала ходит штанга 2, внутри которой есть канал 5 для прохода масла в ступицу винта.

Для ее перемещения служит поводок 14. Штанга 2 для управления ВПЛ перемещается в подшипнике скольжения 4. В носовой части цилиндр крепится к валу 8 МИШ. На кормовой полумуфте 3 установлены балансировочные грузики 17. В конструкцию МИШ входят: пневмодатчик 11 системы управления шагом винта, телемотор 12, гидроусилитель 13, коромысло 15 и масляный насос 16 с приводом от гребного вала.

Букса, на которой смонтированы эти элементы, удерживается от вращения реактивной штангой. На случай отказа гидравлической системы МИШ имеет два обратных клапана, запирающих полости цилиндра при падении давления масла. При срабатывании этих клапанов лопасти оказываются зафиксированными в том положении, которое они занимали в момент отказа гидросистемы. Если это положение лопастей не обеспечивает переднего хода, на остановленном валу поршень МИШ отжимается в переднее положение специальными отжимными болтами. На ВРШ, имеющих силовой цилиндр в ступице винта, применяются пружины, которые автоматически выводят лопасти в положение переднего хода при падении давления масла.

Применение ВРШ позволяет производить пуск гребного двигателя при минимальном моменте сопротивления, так как лопасти для пуска устанавливаются в положение «Нулевой упор». Это позволяет ускорить процесс запуска дизелей, паровых и газовых турбин, а также гребных электродвигателей переменного тока.

На швартовном режиме ВРШ дает возможность работать в широком диапазоне частоты вращения и мощности, предусмотренных для данного двигателя, в то время как ВФШ вынуждает ограничивать их исходя из допустимых тепловых и прочностных нагрузок двигателя.

Это качество ВРШ наиболее ценно для тепловых гребных двигателей. При страгивании с места и разгоне судна ВРШ позволяет получить от двигателя номинальную мощность при номинальной частоте вращения, что сокращает время разгона судна. ВФШ при страгивании может взять от двигателя только около 75% о номинальной мощности.

При наличии ВРШ реверсирование двигателя используется как аварийная мера при отказе гидравлической системы управления перекладкой лопастей. Минимальная скорость судна с ВРШ не зависит от минимальной устойчивой частоты вращения теплового двигателя, которая составляет для дизеля 30%, а для паровой турбины 25% номинального значения.

Практически судно с ВРШ может двигаться с какой угодно малой скоростью или даже остановиться при вращающемся винте. На буксире с ВРШ натяжение буксирного троса можно производить чрезвычайно плавно, что позволяет исключить обрыв троса.

Полная мощность главного двигателя используется на любых передних и задних скоростях судна, так как лопасти ВРШ могут быть установлены в любое требуемое для этого положение.

ВРШ дает возможность использовать автоматическое регулирование для поддержания постоянной частоты вращения или наивыгоднейшего режима работы двигателя при минимальном удельном расходе топлива. Автоматическое регулирование позволяет предохранять двигатель от перегрузки, поддерживая постоянство вращающего момента или натяжения буксирного троса. При наличии ВФШ малый ход создается путем снижения частоты вращения двигателя и мощности, при этом удельный расход топлива увеличивается.

На контейнеровозах используются два среднеоборотных дизеля, работающих на ВРШ через редуктор. Экономический ход может обеспечиваться работой одного дизеля, и ВРШ позволяет получить наиболее экономичный режим. При отказе одного двигателя ВРШ по сравнению с ВФШ дает возможность идти с большей скоростью благодаря полному использованию мощности работающего двигателя.

К недостаткам ВРШ следует отнести сложность конструкции и. как следствие, высокую строительную стоимость, которая выше стоимости такого же ВФШ в 3 — 4 раза, а также сложность обслуживания и ремонта. Однако перечисленные преимущества дают возможность полностью окупить установку за два-три года эксплуатации.

Надежность работы ВРШ подтверждается опытом эксплуатации многих тысяч таких винтов на различных судах во всем мире.

Читайте также:

  
• Налоговая политика государства лекция
  
• Документ удостоверяющий что лицо или его имущество состоят под особой охраной государственной власти
  
• В каком порядке обжаловались судебные акты в период с 1918 по 2000 годы
  
• Что представляет собой форма государства право
  
• Действия адвоката по подготовке к возбуждению гражданского дела