Винт фиксированного шага на судах что это
Обновлено: 17.05.2024
Судовые гребные винты изготавливают из антикоррозионных материалов, поскольку они работают в морской воде, являющейся катализатором коррозии. Материалами, используемыми для изготовления гребных винтов, являются алюминиевые сплавы и нержавеющая сталь. Другие используемые материалы - это сплавы никеля, бронзы и алюминия, которые на 10-15% легче других материалов и имеют более высокую прочность.
Процесс изготовления гребных винтов включает крепление определенного числа лопастей на ступице с помощью сварки, или же винт изготавливается из единой поковки. Кованые лопасти более надежны и обладают большей прочностью, но являются более дорогостоящими, по сравнению со сварными лопастями. При вращении в водной среде, за счет разности давлений на кромках лопастей, гребной винт создает упор, движущий судно.
Такой вид движителей, как гребные винты, постоянно развивается и усовершенствуется. Но сначала рассмотрим классификацию традиционных гребных винтов. Классификацию гребных винтов можно представить в следующем виде.
Типы гребных винтов
Количество лопастей гребного винта может варьироваться от трех до четырех и иногда даже до пяти. Однако наиболее частым случаем является наличие у винта трех или четырех лопастей.
Теоретически, наивысшей эффективностью обладал бы винт с двумя лопастями. Но из соображений прочности и необходимости выдерживать высокие нагрузки на судах не используются двухлопастные гребные винты.
Шаг гребного винта можно определить как перемещение, вызванное каждым круговым поворотом винта на 360 градусов.
Лопасти ВФШ стационарно закреплены на ступице. Гребные винты фиксированного шага литые, и позиция лопастей, а значит и шаг винта постоянны и не могут быть изменены в процессе эксплуатации винта. Такие винты обычно изготавливают из медных сплавов.
ВФШ прочны и надежны, поскольку не содержат механических деталей и гидравлики, в отличие от винтов регулируемого шага (ВРШ). Стоимость изготовления, монтажа и эксплуатации значительно ниже, чем у ВРШ. Однако маневренность судна с ВФШ ниже, чем у судна с ВРШ. Винты данного типа устанавливают на судах, не требующих высокой маневренности.
У ВРШ возможно менять шаг гребного винта за счет поворота лопасти вокруг вертикальной оси с использованием механических компонентов и гидравлики. Это позволяет избавиться от оборудования, необходимого для реверса. Повышается маневренность судна и эффективность работы двигателя.
Недостатком является возможность протечек гидравлики и загрязнения водной среды маслом. Кроме того, такой гребной винт сложен в изготовлении и монтаже на судне, а также требует особого внимания при эксплуатации судна.
Эффективность ВРШ несколько ниже, чем у ВФШ тех же размеров из-за большей ступицы, в которой нужно размещать механизм поворота лопастей и гидравлику. А гребные винты, как правило, более эффективны с увеличением их диаметра.
Для повышения эффективности работы гребные винты снабжают специальными насадками. Такие винты включают помимо самого винта кольцевую насадку, внутри которой размещается гребной винт. Винты с насадками успешно используются при необходимости создания дополнительного упора на малых скоростях хода. Обычно винты этого типа используются на буксирах-якорезаводчиках, на рыболовных траулерах, где за счет насадок обеспечивается от 40 до 50% упора винта при малых и близких к нулю скоростях хода. Иногда насадки делают поворотными. Но все это устройства, повышающие эффективность работы традиционных гребных винтов.
Усовершенствования в конструкциях винто-рулевого комплекса
Эффективность работы винто-рулевого комплекса может повышаться за счет добавления деталей как перед винтом, так и позади гребного винта. Добавление таких деталей в виде плавников или ребер является одним из способов снижения потерь мощности и экономии топлива. Большинство подобных устройств проходят предварительные испытания на моделях с тщательным замером всех характеристик и параметров перед установкой их на гребные винты коммерческих судов. Потери мощности винта, как правило, связаны с образованием спутных вихрей, устранить которые, и пытаются с помощью добавления таких деталей. Целью подобных инноваций является создание наиболее благоприятных условий для работы гребного винта. Насадки, плавники, сопла, бульбы и другие устройства используются для снижения требуемой мощности и повышения скорости судна.
Кольцевые насадки являются наиболее старым видом устройств, повышающих эффективность работы гребного винта. Такие насадки были изобретены немецким инженером Людвигом Кортом в 1930-е гг. и называются насадками Корта или кольцевыми насадками. В наши дни подобные насадки также продолжают использоваться на судах, где при малых скоростях хода требуется повышенный упор гребного винта.
Рис.4. Внешний вид насадки Мьюиса (слева) и полупреднасадка профессора Шнееклюта. Источник
Насадка Мьюиса и полупреднасадка проф. Шнееклюта являются двумя примерами устройств, устанавливаемых перед гребным винтом, использование которых основано на опыте, полученном при исследованиях и эксплуатации насадок Корта. Эти устройства используются на крупных коммерческих судах. Со времени ввода на рынок в 2010 г. насадка Мьюиса привлекла внимание как судовладельцев, так и судостроителей. Насадкой на настоящий момент оснащены 62 судна, и еще для 250 судов заказана установка данного устройства. Устройство используется на танкерах, балкерах и фидерных контейнеровозах.
Полупреднасадка проф. Шнееклюта была изобретена в 1980-х гг. С тех пор устройство применялось на 1500 судах океанского плавания. Это устройство идеально подходит для судов с полными обводами, таких как танкеры и контейнеровозы, эксплуатируемые при средней скорости хода 19 узлов. Проф. Шнееклют анонсировал экономию топлива в размере 12%, но на практике результаты были более скромными, хотя и значительными. Годовая экономия топлива в размере всего 3,5% на деле для контейнеровоза грузовместимостью 2500 ДФЭ означает ежегодную экономию 550 т топлива, а это представляет весьма существенную экономию для транспортной компании.
Инновации в конструкции винто-рулевого комплекса
Для повышения эффективности насадки могут монтироваться впереди гребного винта. Корпорация DSME разработала статор с лопатками на ступице гребного винта, который является альтернативой установке кольцевых насадок и тоннелей.
Разработка устройства, представляющего из себя ряд лопаток статор,а закрепленных в кормовой части корпуса перед гребным винтом, велась в течение десяти лет, и его установка создает дополнительное сопротивление движению судна. Однако создаваемый лопастями несимметричный поток создает более благоприятные условия для вращения винта и, таким образом, повышает его эффективность.
Так же, как и в случае насадок, данное устройство наиболее эффективно при установке на крупных судах, таких как танкеры и контейнеровозы. Установка первого устройства на крупнотоннажный танкер 3 класса дедвейтом 320000 т, принадлежавший компании Kristen Tankers, позднее переименованной в Maran, показала снижение потребления топлива на 4% и небольшое увеличение скорости. Крупная европейская судоходная компания заказала установку этих систем на 10 принадлежащих ей судов класса "Post-panamax" и сообщила об уменьшении потребления топлива и сокращении выбросов в результате этого.
Настолько же эффективны и доступны в установке и эксплуатации, устройства размещаемые за гребным винтом. Два из этих устройств - крыльчатая наделка с прямыми лопастями на ступице гребного винта (Propeller Boss Cap Fin - PBCF) и крыльчатая наделка с изогнутыми лопастями на ступице гребного винта (Propeller Cap Turbine - PCT) могут заменять обычный обтекатель гребного винта. Оба устройства используют вихревые потоки, образующиеся при вращении винта, для повышения его эффективности.
Рис.7. Внешний вид крыльчатой наделки с прямыми лопастями на ступице гребного винта (Boss Cap Fins). Источник
Крыльчатая наделка с прямыми лопастями на ступице гребного винта представляет собой закрепленные на обтекателе винта прямые лопасти, а в крыльчатой наделке с изогнутыми лопастями на обтекателе устанавливаются искривленные лопасти.
Впервые устройство PBCF было изготовлено в конце 80-х гг. и с тех пор было установлено более 2000 устройств, которые, по заявлениям экспертов, обеспечивают экономию в 3-5%. Однако на малых скоростях эффективность данных устройств снижается.
Так же как и системы, размещаемые перед гребным винтом, PBCF и PCT являются относительно недорогими и несложными системами, которые могут монтироваться в дополнение к уже установленной пропульсивной системе. А, по утверждениям экспертов, окупаемость инвестиций в PBCF составляет один год, при том, что установка устройства на винт может быть произведена в течение двух дней без захода судна в сухой док.
Таким образом, за счет установки этих простых легко монтируемых устройств может достигаться экономия топлива. А поскольку стоимость топлива растет, то эти системы обеспечивают быструю окупаемость, заняв за счет этого свою долю рынка.
Системы, размещаемые в дополнение к гребным винтам, старых и новых типов позволяют уменьшить расходы судовладельцев и судовых операторов без необходимости сдавать на слом старые суда и инвестировать в новые экологичные проекты.
Гребной винт - представляет собой ступицу с несколькими лопастями геликоидальной формы, закрепленными на ней. При вращении винт как бы ввинчивается в воду, опираясь на столб воды, через который он проходит. Упорное усилие через валопровод передается к упорному подшипнику, а через него — на корпус судна.
Рис. 11.5. Цельнолитой гребной винт:
1—лицевая сторона лопасти; 2 — обратная сторона лопасти; 3 — ступица винта; 4 — проектированный контур лопасти; 5 — развернутый контур лопасти; I — откидка лопасти; II — откидка лопасти в плоскости вращения; III — радиус; IV — сечение лопасти
На рис. 11.5 показан винт фиксированного шага, у которого лопасти выполнены заодно со ступицей. Хотя подобные винты называют винтами фиксированного шага, шаг их меняется по мере удаления от ступицы. Однако в каждой данной точке он постоянный, а для расчета берется некоторое усредненное значение шага.
Вращающийся по часовой стрелке винт, если смотреть на него со стороны кормы, называют винтом правого вращения. Большинство одновинтовых кораблей имеют винт правого вращения. У двухвинтовых судов винт правого вращения обычно располагается по правому борту, а винт левого вращения — по левому борту.
Крепление гребных винтов
Гребной винт крепится на коническом хвостовике гребного вала, и для передачи вращающего момента может быть применена шпонка. Встречаются, однако, конструкции без шпонки. На конец гребного вала навинчивается и фиксируется большая гайка. Затем при помощи болтов к торцу гребного вала крепится конус, служащий обтекателем для потока отходящей от винта воды.
Одним из способов бесшпоночной посадки винта на вал является посадка его на масле. На внутренней конической поверхности ступицы протачивается ряд аксиальных и поперечных кольцевых канавок. В конический зазор между ступицей и валом
а — при посадке винта на вал; б — при снятии винта с вала; 1— ступица гребного винта; 2 — прокладка; 3 — нажимное кольцо; 4— шина из нитриловой резины; 5 — соединительный шток; 6 — уплотнение; 7 — дистанционная трубка; 8 — гидравлический штуцер; 9 — пробка; 10 — стопорная пластина; 11 — гребной вал; 12 — шпилька; 13— съемная плита
В конический зазор между ступицей и валом подается масло под высоким давлением. Благодаря этому значительно снижается трение между ступицей и валом. Насадка винта производится при помощи кольцевого гидропрессового устройства. После того как винт установлен на место, давление в масляных каналах снимается, масло сливается, а винт остается плотно посаженным на вал.
Винты регулируемого шага
Эти винты состоят из ступицы и прикрепленных к ней лопастей. Механизм, расположенный внутри винта, позволяет производить одновременный поворот всех лопастей винта вокруг оси лопасти для изменения шагового угла, а следовательно, и шага винта. На рис. 11.7 показана типовая конструкция установки винта регулируемого шага.
Рис. 11.7. Винт регулируемого шага:
1 — шток поршня; 2 — поршень; 3 —- уплотнение лопасти; 4— болт крепления лопасти; 5 — лопасть; 6 — кривошип; 7 — цилиндр главного сервомотора; 8 — поворотное кольцо; 9 — золотник; 10, 12 — штоки золотника; 11 — гребной вал; 13 — главный насос; 14 — зубчатое колесо; 15 — зубчатое колесо с внутренними зубьями; 16 — невозвратный клапан; 17 — ползун; 18 — скользящий упор; 19 — штырь; 20 — вспомогательный сервомотор; 21 — корпус; 22 — уплотнение.
При получении сигнала на изменение шага приводится в действие золотниковый клапан, регулирующий подачу масла низкого давления во вспомогательный сервомотор. Последний служит для перемещения ползуна, через который движение передается к штоку золотника, проходящего внутри вала к ступице винта. Золотник в свою очередь служит для подачи масла высокого давления в ту или иную полость цилиндра главного сервомотора. Поступательное движение цилиндра через шатуны и поворотное кольцо преобразуется во вращательное движение лопастей вокруг своей оси. Все лопасти продолжают свое вращение до тех пор, пока сигнал обратной связи не уравновесит сигнала на изменение шага, и тогда подача масла низкого давление во вспомогательный сервомотор прекращается. Для аварийного изменения шага винта золотниковый клапан управления вспомогательным сервомотором имеет ручной привод. Масляные насосы приводятся во вращение от валопровода.
Механизм управления шагом винта обычно гидравлический, подача масла производится через гребной вал. Управление механизмом осуществляется непосредственно с мостика. Изменение шага винта вызывает изменение упора винта, и так как существует положение нулевого шага, то двигатель при маневрировании можно не останавливать. Лопасти винта могут поворачиваться, создавая упор для получения заднего хода, так что исчезает необходимость в реверсировании двигателя.
Кавитация
Сущность кавитации заключается в том, что на задней стороне лопасти винта при его вращении в результате изменений давления образуются и исчезают пузырьки водяного пара. Последствиями кавитации являются снижение упора винта, эрозия на поверхности лопастей, вибрация и шум в кормовой части судна. Однако эти явления возникают при вращении винта с большой частотой при высоких нагрузках на винт. Если же винт подобран удачно, то в обычных условиях эксплуатации кавитация не наблюдается.
Обслуживание гребных винтов
При стоянке судна в сухом доке появляется возможность тщательно осмотреть винт. Квалифицированный персонал дока выполняет все необходимые ремонтные работы. Особенно тщательно следует осматривать кромки лопастей для выявления трещин. Даже мельчайшие трещины нельзя упускать из виду, так как они являются причиной возникновения местных напряжений, и если винт подвергнется удару, то может сломаться лопасть. Трещины в лопастях необходимо заваривать с применением специальных, электродов.
Особое внимание следует обращать на погнутые лопасти. За исключением случаев, когда погнутость лопастей небольшая, ее следует устранять с применением нагрева. Однако после этого нужно произвести общий нагрев винта для снятия напряжений в ранее нагретом месте.
Используемая литература: "Основы судовой техники" Автор: Д.А. Тейлор
Судовой движитель преобразует подводимую к нему энергию в движение судна. К судовым движителям относятся гребное весло, парус, гребное колесо, гребной винт, крыльчатый движитель, водометный движитель и т. п. На подавляющем большинстве морских судов движителями являются гребные винты.
При вращении гребного винта на его лопастях возникают силы реакции воды Р, которые образуют упор винта Р, движущий судно. Создание упора гребного винта можно пояснить на примере (рис. 111): болт при вращении в гайке воспринимает давление поверхностей ее резьбы или упорную реакцию гайки и создает осевую силу Р.
Гребные винты могут быть с фиксированным шагом (ВФШ) и регулируемым шагом (ВРШ). Для изготовления гребных винтов применяют латунь, бронзу, углеродистую или легированную сталь. Конструкция гребных винтов фиксированного шага цельнолитого (а) и со съемными лопастями (б) показана на рис. 112. Цельнолитые гребные винты применяются только у небольших судов. Число лопастей винта может быть от трех до семи. Гребной винт имеет коническую посадочную поверхность, по которой пригоняется конус гребного вала. Со стороны дейдвуда на ступице винта предусматривается уплотнение, защищающее вал от проникновения воды. Винт с валом соединяют гидропрессовым способом или с предварительным подогревом ступицы. Гребной винт закрепляют на валу гайкой, которую надежно стопорят. Для уменьшения сопротивления гайку закрывают обтекателем и все монтажные вырезы на винте заделывают цементом.
Основные элементы гребного винта — диаметр D и шаг Н. Диаметр винта равен его удвоенному радиусу. Шаг винта — это расстояние, проходимое винтом за один оборот в плотной среде. Если бы винт вращался в твердой гайке, то путь, проходимый им в осевом направлении за один оборот, равнялся бы шагу. В действительности при работе в воде за счет скольжения путь винта за один оборот меньше шага.
Элементы гребного винта должны одновременно соответствовать силовой установке и преодолеваемому судном сопротивлению. Только в этом случае двигатель будет развивать наибольшую эксплуатационную мощность при номинальной частоте вращения, что обеспечит наивысшую скорость судна.
Винты регулируемого шага (рис. 113) лишены этого недостатка. Разворотом лопастей на нужный шаг достигают полного использования мощности дизеля при номинальной частоте вращения независимо от изменения сопротивления движению судна. Кроме этого, применение ВРШ позволяет использовать нереверсивные двигатели, что также является их достоинством.
Для изменения шага чаще всего применяют механизм гидравлического типа (рис. 114). Штанга 1, осуществляющая поворот лопастей, проходит внутри полого гребного вала и оканчивается поршнем 7. Поршень может перемещаться в гидравлическом цилиндре 8 под действием масла, поступающего в одну из его полостей. Гидравлический цилиндр вращается вместе с гребным валом и передает крутящий момент от двигателя к винту. Для уменьшения шага винта перемещают распределительный золотник 4, и масло, непрерывно подаваемое масляным насосом 3, поступает по сверлению в штанге или кольцевому зазору между штангой и валом в одну из полостей гидравлического цилиндра. Из другой полости масло через золотник сливается в бак 2. Под давлением масла поршень и связанная с ним штанга перемещаются в осевом направлении и осуществляют поворот лопастей. С поршнем связаны тяги 9, которые перемещают по валу скользящий подшипник 6 и зубчатую рейку 5. Рейка поворачивает зубчатое колесо и присоединенную к нему стрелку указателя шага.
К недостаткам ВРШ можно отнести их сложность и высокую стоимость, а также меньший к.п.д. и большую вероятность поломки при плавании во льдах.
На судах, требующих высокой маневренности (портовые буксиры, плавучие краны и т. п.), иногда применяют крыльчатые движители. Крыльчатый движитель (рис. 115) представляет собой вращающийся диск 1, который установлен в плоской части днища так, что в воде остаются только крылообразные поворотные лопасти 2. Вращаясь вместе с диском, лопасти одновременно могут поворачиваться вокруг своих осей специальным механизмом, соединенным с валом главного двигателя. У крыльчатых движителей можно изменять силу упора в любом направлении при всех скоростях хода (вплоть до нуля), благодаря чему отпадает необходимость в применении обычных судовых рулей и реверсивных главных двигателей. Однако к.п.д. крыльчатых движителей низок, они примерно в 10 раз тяжелее гребных винтов, сложнее и дороже.
Любой современный гребной винт — лопастной, и состоит из ступицы и лопастей, установленных на ступице радиально, на одинаковом расстоянии друг от друга и повёрнутых на одинаковый угол относительно плоскости вращения, и представляющих собой крылья среднего или малого удлинения.
Гребной винт насаживается на гребной вал, приводимый во вращение судовым двигателем. При вращении гребного винта каждая лопасть захватывает массу воды и отбрасывает её назад, сообщая ей заданный момент импульса, — сила реакции этой отбрасываемой воды передаёт импульс лопастям винта, лопасти, в свою очередь, — гребному валу посредством ступицы, и гребной вал, далее, — корпусу судна посредством главного упорного подшипника.
Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трёхлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить достаточную прочность лопастей двухлопастного винта. Поэтому наиболее распространены на малых судах трёхлопастные винты (двухлопастные винты применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно-моторных яхтах, где гребной винт — вспомогательный движитель). Четырёх- и пятилопастные винты применяют сравнительно редко, — в основном на крупных моторных яхтах и крупных океанских судах для уменьшения шума и вибрации корпуса.
Диаметр винта — диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта — современных винтов колеблется от десятков сантиметров до 5 метров (такие крупные винты характерны для крупных океанских судов).
Интерцептор — загнутая исходящая кромка — на гребных винтах способствует увеличению способности винта к захвату воды (особенно это важно на лодках с высоко установленным мотором и большими углами ходового дифферента). Интерцептор также обеспечивает дополнительный подъём носа катера в случае установки на линиях угла наклона лопасти. Применение интерцептора на исходящей и внешней кромках лопасти увеличивает шаг. Применение стандартного интерцептора обычно выражается в снижении оборотов на 200—400 об./мин. (это означает, что в случае замены обычного винта на винт с интерцептором потребуется снижение шага на 1-2 дюйма).
Скорость вращения гребного винта выгодно выбирать в пределах 200—300 об/мин или ниже — на крупных судах. Кроме того, при низкой скорости вращения существенно ниже механический износ нагруженных деталей двигателя, что весьма существенно при их больших габаритах и высокой стоимости.
Ось гребного винта на глиссерах расположена сравнительно близко к поверхности воды, поэтому нередки случаи засасывания воздуха к лопастям винта (поверхностная аэрация) или оголения всего винта при ходе на волне. В этих случаях упор винта резко падает, а частота вращения двигателя может превысить допустимый максимум. Для уменьшения влияния аэрации шаг винта делается переменным по радиусу — начиная от сечения лопасти на r = (0,63—0,7) R по направлению к ступице шаг уменьшается на 15~20 %.
Для передачи большой мощности часто применяют двух- и трехвальные установки, а некоторые большие корабли (например авианосцы, супертанкеры, атомные ледоколы) оснащаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами.
Гребные винты морских ледоколов арктического класса всегда имеют повышенную прочность, так как их вторая функция — дробление льда при движении ледокола задним ходом.
Разновидности винтов
Гребные винты различаются по:
Шагу — расстоянию, которое проходит винт за один оборот без учёта скольжения;
Диаметру — окружности, описываемой наиболее удалёнными от центра концами лопастей;
Дисковому отношению — отношению суммарной площади лопастей к площади круга с радиусом равным радиусу винта;
количеству лопастей — от 2 до 7 (изредка больше, но наиболее часто 3—4 лопасти);
Конструкционному материалу — углеродистая или легированная (напр. нержавеющая) сталь, алюминиевые сплавы, пластики, бронзы, титановые сплавы;
Конструкции ступицы (резиновый демпфер, сменная втулка, сменные лопасти;
Прохождению выхлопа — выхлоп через ступицу или под антикавитационной плитой;
Количеству шлицов втулки.
Преимущества и недостатки
Гребной винт все же проигрывает веслу (КПД ~60-65 %) по КПД.
В сравнении с гребным колесом у гребного винта выше КПД и гребной винт очень компактен и легок. Но поврежденное гребное колесо может быть легко отремонтировано, гребные винты же чаще всего неремонтопригодны, и повреждённый гребной винт заменяют новым. Также, гребной винт наиболее уязвимый в сравнению с другими судовыми движителями и наиболее опасный для морской фауны и упавших за борт людей. Вместе с тем, гребные колеса обеспечивают бо́льшую тягу с места (что удобно для буксиров, а также позволяло им иметь меньшую осадку). Однако при волнении они очень быстро оголяются (колесо одного борта вхолостую вертится в воздухе, тогда как колесо противоположного полностью погружается под воду, до предела нагружая ведущую тяговую машину), что делает их практически непригодными для мореходных кораблей (вплоть до конца третьей четверти XIX веке их использовали по большому счёту лишь ввиду отсутствия альтернативы, а также вспомогательной роли парового двигателя на парусно-паровых кораблях тех лет).
Особенно преимущества винтового движителя перед колесным несомненны для военных кораблей — снималась проблема расположения артиллерии: батарея вновь могла занимать все пространство борта. Также исчезала и очень уязвимая цель для неприятельского огня, — гребной винт находится под водой.
Определение шага винта.
Шаг гребного винта - это расстояние, на которое переместился бы гребной винт за один оборот в твердой среде (аналогично винту, ввертываемому в отверстие с резьбой); одна из важнейших характеристик гребного винта. При равных диаметрах винтов зависит от угла поворота его лопастей относительно плоскости вращения. Выбор значения шага гребного винта определяется типом корабля (судна), для которого предназначен данный гребной винт. Например, для тральщиков, буксиров и некоторых других кораблей и судов, условия движения которых имеют широкий диапазон, для повышения эффективности работы двигателей и гребных винтов применяются винты регулируемого шага.
Читайте также: