Судовые движители

Движителем называют такое судовое устройство, которое, используя работу двигателя, создает в воде упор — силу, способную двигать судно в заданном направлении.

Движители судов с механическим двигателем делятся на лопастные и водометные.

К числу лопастных судовых движителей относятся гребные винты, крыльчатые движители и гребные колеса, создающие силу упора за счет отбрасывания своими лопастями струи воды в сторону, противоположную движению судна.

Водометные движители создают упор за счет отбрасывания воды, забранной специальным насосом. Так как и лопастные, и водометные движители создают движущую силу за счет реакции отбрасываемых назад масс воды, их называют реактивными. Среди судовых движителей наибольшее распространение получили гребные винты.

Гребной винт (рис. 130) имеет от трех до шести лопастей (чаще четыре-пять), установленных радиально на ступице.

Поверхности лопастей, обращенные в нос судна, называют засасывающими, обращенные в корму — нагнетающими.

В зависимости от направления вращения образующей винтовой поверхности различают винты правого и левого вращения. Если взгляд наблюдателя направлен перпендикулярно к диску винта, то у винта правого вращения правая кромка лопасти, расположенной вертикально вверх, будет находиться от наблюдателя дальше, чем левая. У винта левого вращения —

Рис. 130. Гребной винт (а) и схема его действия (б).

1 — ступица; 2 — лопасть; 3 — обтекатель. V_в — окружная скорость элемента

лопасти; ν — скорость поступательного перемещения гребного винта вместе с

судном; V — результирующая скорость от сложения скоростей Vв и ν; α — угол между результирующей скоростью V и хордой элемента лопасти (угол атаки); R — подъемная сила, возникающая на элементе лопасти; Р — упор гребного винта (горизонтальная составляющая силы R); Т — окружная составляющая сил, действующих на гребной винт

Гребные винты изготовляют из нержавеющей стали, бронзы, латуни и их сплавов, а также из капрона, нейлона и стеклопластика (в основном для малых судов).

Гребной винт характеризуют следующие геометрические элементы: диаметр — определяется в зависимости от возможной глубины погружения оси гребного вала (обычно, диаметр гребного винта не превышает 70 % осадки судна в полном грузу); наиболее крупные винты имеют диаметр до 9—10 м; дисковое отношение — отношение площади всех лопастей винта к площади диска винта; может быть больше единицы, но у винтов морских транспортных судов оно обычно равно 0,45—0,60; шаг винта — шаг винтовой поверхности, образующей нагнетающую поверхность лопасти винта.

На засасывающей стороне лопасти при быстром вращении винта благодаря увеличению скорости набегающего потока воды создается разрежение, причем по мере увеличения скорости вращения давление может понизится на столько, что даже в холодной воде начнется образование пузырьков воздуха (известно, что с уменьшением давления температура кипения воды понижается).

Рис. 131. Схема действия Рис. 132. Пропульсивная наделка

направляющей насадки на руль

Такое вскипание холодной воды на засасывающей стороне лопасти называется кавитацией. Начальная стадия кавитации очень опасна для гребных винтов, так как возникающие при вскипании воды пузырьки воздуха, попав в зону более высокого давления, мгновенно конденсируются и производят сильнейшие гидравлические удары по лопасти винта, вызывая эрозию (местное изъязвление поверхности). В этих условиях работа гребного винта недопустима. Однако по мере дальнейшего увеличения скорости вращения винта зона кавитации распространяется уже на всю лопасть и даже выходит за ее пределы — наступает так называемая вторая стадия кавитации, которая не представляет опасности для прочности винта, но зато несколько уменьшает его КПД.

Чтобы устранить кавитацию, увеличивают ширину (площадь) лопастей и глубже погружают сам винт; кроме того, делают гребные винты переменного шага (уменьшая его к комлю и концам лопасти). При проектировании быстроходных винтов, если устранить кавитацию полностью по техническим причинам невозможно, создают условия полностью развитой кавитации (во второй стадии).

Для повышения эффективности гребных винтов применяют направляющие насадки и пропульсивные наделки на руль.

Направляющие насадки бывают неподвижными и поворотными и применяются сейчас не только на малых судах и буксирах, где они особенно эффективны, но и на крупных транспортных судах. Насадка, имеющая в сечении профиль, аналогичный профилю крыла, создает при движении воды дополнительный упор, как это видно из схемы сил, приведенной на рис. 9.29. Кроме того, насадка улучшает условия - винта, в результате чего увеличивается скорость подтекающей воды, уменьшаются концевые потери от перетекания воды через край лопасти и, следовательно, повышается КПД винта (до 20—30 %). Применение направляющей насадки увеличивает скорость на 2—4 %.

Важным преимуществом насадки является выравнивание поля скоростей в диске винта, что уменьшает нагрузки на валопровод.

Пропульсивная наделка на руль (рис. 132) упорядочивает поток воды за ступицей и повышает КПД, а также улучшает условия работы руля.

Винт регулируемого шага (ВРШ) имеет лопасти, поворачивающиеся вокруг их вертикальной оси. Их можно устанавливать под любым углом, образуя шаг, необходимый для данного режима работы судна. ВРШ позволяет не только наивыгоднейшим образом использовать двигатель судна в разных условиях эксплуатации, но и удерживать его на месте, не выключая двигателя, если все лопасти расположены в плоскости диска винта в так называемом нейтральном положении, или осуществлять реверс (задний ход), не меняя направления вращения вала двигателя. Последнее обстоятельство особенно важно при использовании нереверсируемых главных двигателей (газовых и паровых турбин), так как позволяет отказаться от необходимых в этом случае турбин заднего хода или реверсивных муфт.

ВРШ состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) в кормовой оконечности судна и привода механизма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе.

Управляют МИШ дистанционно из рулевой рубки и с крыльев ходового мостика.

Механизм поворота лопастей (рис. 133) состоит из ползуна и шатунов, соединенных с кривошипными дисками, на которых закреплены лопасти. Усилие для поворота лопастей передается через шток в гребном валу на ползун, а от него через шатуны — кривошипным дискам, которые, вращаясь, поворачивают лопасти.

Рис. 133. Схема ВРШ.

1 — ползун; 2 — шатун; 3 — кривошипный диск; 4 — шток; 5 — поршень;

6 — золотниковый регулятор; 7 — привод управления; 8 — масляный насос;

9 — электродвигатель; 10 — масляная цистерна

Движение штоку, на конце которого расположен поршень, передается давлением масла (его можно подавать под одну или другую сторону поршня, в зависимости от необходимого направления изменения шага). Рабочее давление масла создается масляным насосом высокого давления (2,0 МПа или 20 кгс/см²), работающим от гребного вала или специального электромотора. Направление подачи масла изменяется золотниковым устройством, привод которого связан с постом управления в рулевой рубке.

Применение ВРШ позволяет за счет повышения КПД двигателя в разных условиях эксплуатации снизить на 10—15 % расход топлива и увеличить в среднем на 2—3 % среднюю рейсовую скорость. Возможность быстрого перехода с переднего на задний ход улучшает маневренные качества судна и примерно в 1,5 раза сокращает выбег при экстренном торможении, повышая тем самым безопасность плавания. Важным преимуществом ВРШ является и то, что его съемные лопасти можно легко заменять, не выводя судно из эксплуатации.

К недостаткам ВРШ относятся сложность конструкции, более высокая стоимость и несколько меньший (на 1—3 %), чем у винтов фиксированного шага, КПД из-за большего диаметра ступицы, в которой размещается механизм поворота. Однако, несмотря на эти недостатки, ВРШ является перспективным типом движителя не только для промысловых и технических, но и для крупных транспортных судов: на крупнотоннажных танкерах установлен ВРШ диаметром 7,5 м, на атомном лихтеровозе — 6,8 м, на сухогрузном газотурбоходе — диаметром 5,6 м. Диаметр наиболее крупных ВРШ достигает 9 м.

Рис. 134. Крыльчатый движитель и схема его работы

Крыльчатый движитель (рис. 134) представляет собой диск, вмонтированный заподлицо с днищевой обшивкой и приводящийся во вращение вокруг вертикальной оси судовым двигателем. По окружности диска перпендикулярно к нему расположены четыре — восемь погруженных в воду лопастей, каждая из которых вращается вместе с диском, а также вокруг своей оси. Путем соответствующей установки привода управления поворотом каждой лопасти вокруг своей оси можно при неизменном направлении вращения диска создать упор в любом направлении (см. схему на рис. 134). Поэтому суда, оборудованные крыльчатым движителем, не имеют рулей. Несмотря на сложность изготовления и невысокий КПД, крыльчатые движители незаменимы на тех судах, для которых необходима высокая маневренность при малых скоростях движения (на плавучих кранах, буксирах и пр.). Управление крыльчатым движителем осуществляется из ходовой рубки и с крыльев ходового мостика.