Особенности работы в системе многовальных и многомашинных установок состоят в том, что улучшается использование мощности установки при возможности отключения отдельных двигателей. В качестве соединительно-разобщительных муфт часто используются гидравлические муфты.
В гидродинамической передаче энергия от ведущего вала передается за счет скоростного напора циркулирующей жидкости. Гидродинамическая передача включает центробежный насос, приводимый двигателем, и гидротурбины, сближенные так, что их колеса образуют торообразную полость, заполняемую рабочей жидкостью. Гидротурбина связана с валом движителя. Моменты на входном и выходном валах одинаковы и равны крутящему моменту ГД, а снижение частоты обусловлено только потерями энергии в муфте.
Общий КПД гидромуфты это отношение мощности развиваемой гидротурбиной к подведенной мощности насоса и равен отношению частот вращения роторов турбины и насоса или иначе произведению их КПД.
Муфта должна быть заполнена жидкостью (водой, маслом или специальными смесями для гидромашин). Для включения муфты следует открыть золотник подвода рабочей жидкости из напорной цистерны на всасывание насоса гидромуфты. Энергия циркулирующей жидкости используется в турбине.
Часть жидкости сливается в сточную цистерну, откуда она забирается насосом и через фильтры и маслоохладитель подается в напорную цистерну.
При обслуживании надо обеспечить чистоту фильтров, подачу забортной воды в охладитель, чистоту забортной воды (в южных широтах на входе в охладитель следует установить ловушки для ракушек).
Следует контролировать уровни рабочей жидкости в цистернах и обеспечить надежную работу насоса.
При снижении частоты вращения ведомого вала и неизменной частоте вращения ведущего вала момент на турбинном колесе может значительно возрастать, что в случае сохранения равенства моментов на ведомом и ведущем колесах приводит к перегрузке двигателя.
Таким образом, гидромуфта не предохраняет двигатель от перегрузок, но имеется устройство для ограничения нагрузки. При заклинивании гребного винта ГД следует немедленно остановить.
Гидромуфты имеют следующие основные свойства: независимость вращения ведомого и ведущего валов, плавное трогание с места и плавный разгон, ограничение крутильных колебаний, бесшумность работы, надежность в эксплуатации, высокий КПД на номинальном режиме, простота автоматизации и управления.
Гидромуфты применяют обычно в дизель-редукторных агрегатах для эластичной связи между двигателем и движителем, демпфирования крутильных колебаний в системе валопровод-двигатель, для включения и отключения движителя, для снижения частоты вращения с целью уменьшения скорости судна.
Демпфирующая способность гидромуфт особенно значима при плавании во льдах. Элементы пропульсивного комплекса испытывают меньшие динамические нагрузки при ударах винта об лед.
При эксплуатации следует обеспечить исправность автомата безопасности, наличие которого обязательно по требованиям Морского Регистра судоходства при использовании в составе гидромуфт в составе ПК.
Автомат безопасности страхует регулятор и защитит двигатель от разноса при внезапном отключении муфты [2].
Гидропередачи способны обеспечить высокие тяговые характеристики на пониженных частотах ГВ без превышения нагрузки на двигатели.
Гидропередачи по сравнению с редукторной имеют меньший К. П. Д. и большую массы и габариты. Наиболее эффективна комбинация гидродинамической и редукторной передач. На рис. 2.2. приведена типичная схема смазки редукторного агрегата и управления гидравлической муфтой.
Рис. 2.2. Схема системы смазки редуктора и управления гидромуфтой:
1 вал отбора мощности на винт; 2 главный упорный подшипник; 3 управляемый клапан гидромуфты; 4 фильтры; 5 отсечной клапан гидромуфты; 6 шестерня; 7,8 роторы гидромуфты; 9 управляемый сливной клапан; 10 трубка подачи масла; 11 упорный подшипник; 12 поплавковое устройство включения резервного масляного насоса; 13,18 напорная и маслосборная цистерны; 14,16 терморегулировочный и невозвратно-запорный клапаны; 15 охладители масла; 17 резервный масляный насос с электроприводом и автоматическим управлением; 19 основной масляный насос; 20 опорные подшипники; 21 зубчатое колесо
При работе масло из гравитационной цистерны поступает к отсечному клапану 5 управления гидромуфтой, который управляется пневматически дистанционно с помощью управляемого клапана 3. Масло от клапана 5 идет к сливным каналам 9, которые поддерживаются в закрытом состоянии. Затем по наполнительному каналу в ведомом валу оно поступает в межлопаточные полости ротора гидромуфты, вводя ее в действие. При перемещении золотника отсечного клапана в верхнее положение масло сливается в картер освобождая клапаны. Одновременно доступ масла к гидромуфте прекращается, а имеющееся там масло сливается в картер в течение 1015 секунд. Таким образом муфты разобщаются
Необходимо обеспечить применение качественных масел рекомендуемой вязкости. При эксплуатации температуру масла не рекомендуется повышать более 60 С, давление масла в системе надо поддерживать в рекомендуемых пределах (обычно 0,130,30 МПа), для чего в гравитационной цистерне предусмотрены поплавковые ограничители уровней. Необходимо своевременно очищать фильтры и отстойники, контролировать качество масла.
Характер распределения нагрузки на работающие двигатели в одновальной двухмашинной пропульсивной установке иллюстрируется рисунком 2.3 [1].
Предполагается, что вращающий момент, поглощаемый винтом, равномерно распределяется между двумя ГД, работающими на один вал. Кривые изменения крутящих моментов при различных частотах коленчатого вала двигателей n1 изображены для случаев подключения одной (линии 1) и двух (линии 2) муфт. Кривая I представляет собой винтовую характеристику, приведенную к ведомому валу гидромуфты.
Рис. 2.3. Определение режимов совместной работы двигателей с ГВ в двухмашинной одновальной установке с гидромуфтами [1].
Линии I и II являются характеристиками по максимальному крутящему моменту при работе соответственно двух и одного ГД. По точкам пересечения кривых определяют частоту вращения ведомого вала гидромуфты и гребного винта по известной частоте вращения двигателя n
1
При работе двух двигателей на номинальном режиме рабочая точка режима, находится в точке А. Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна n
2ном
n1
n2
Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна
n2 = n1 ηгм,
где n
1
η
гм
Частота вращения гребного вала,
nв = n2 i,
где i коэффициент редукции частоты вращения.
Имея совмещенный график, изображенный на рисунке 2.4 можно вычислить при какой частоте вращения гребного вала необходимо включать в работу два двигателя, а также оценить скорость судна при работе одного двигателя.
Управление двигателями в многовальных установках имеет свои особенности. Современные ГД, как правило, комплектуются регуляторами частоты вращения реализующими защиту по перегрузке и давлению наддува. Степень неравномерности для ГД, работающих в одновальных установках выставляется в пределах 1,53,0 %. В двухвальных установках она не может быть меньше 3 %, так как возможно возникновение обменных колебаний.
Повысить надежность и безопасность эксплуатации энергетических установок с двумя гребными винтами можно, если предусмотреть в системе управления обеспечение фазовой синхронизации гребных валов, которая приводит к значительному снижению вибрации на многовальных судах [5].
2.2.4. Режим работы ГД в установках с электрической передачей
Режим работы дизеля определяется при совместном рассмотрении винтовых характеристик потребителя, характеристик тягового электродвигателя и внешней характеристики дизеля.
На рис. 2.4 приведены характеристики пропульсивного комплекса буксира-спасателя. Кривые 1, 2, 3, 4 показывают механические характеристики тягового электродвигателя при различных частотах вращения дизеля. За ограничительный параметр принимают постоянство мощности электродвигателя. Если кривая изменения крутящего момента электродвигателя при постоянной его мощности (кривая III) проходит ниже механической характеристики, то на таких режимах возможна перегрузка ГД.
Гребные электрические установки постоянного тока применяют на судах с тяжелыми режимами работы (частое реверсирование, резкое изменение момента сопротивления ГВ вплоть до заклинивания, необходимость создания значительного момента на малых оборотах винта).
Реверсирование ГВ на полном ходу происходит очень быстро и имеется возможность работы на самом малом числе оборотов (45 % от номинального числа оборотов).
В настоящее время активно используются вынесенные электрические винторулевые комплексы типа Azipod. Принципиально эта новая система не отличается от традиционной передачи на винт. Управляемость и маневренность судов значительно улучшилась за счет повышения эффективности работы винта, который вынесен за пределы возмущенного корпусом судна потока воды.
Рис. 2.4. Характеристики ПК буксира-спасателя на номинальном и частичных режимах работы [1]:
I, II винтовые характеристики судна на свободном ходу и на швартовых;
III характеристика при постоянной мощности электродвигателя. 112 тяговые характеристики при различных частотах вращения ГД (14), при различных токах возбуждения (58), при комбинированном способе управления (912)
Система обеспечивает полный упор винта в любом направлении, освобождая судно от традиционной массивной линии вала и рулевого устройства.
Типовая схема главного ВРК Azipod с электродвигателем, размещенным в гондоле, и непосредственно вращающем ГВ представлена на рисунке 2.6 [27].
Конструктивно гребной электродвигатель колонки «Азипод» встроен в стальной корпус подводной части колонки. Гребной электродвигатель имеет воздушное охлаждение, причем воздух подается из румпельного помещения (при необходимости через холодильники). Передача крутящего момента от электродвигателя к гребному винту производится через гребной вал, установленный на опорно-упорных подшипниках качения и имеющий уплотнения. Электроэнергия на привод гребного электродвигателя подается от судовой системы электропитания.
Рис. 2.5. Типовая схема ВРК с электродвигателем в гондоле [3]:
1 электродвигатель; 2 упорный подшипник; 3 установочный блок; 4 вентиляционная установка; 5 воздухоохладитель; 6 токосъемник; 7 гидравлическая система поворота колонки; 8 подшипник и уплотнения ГВ; 9 винт фиксированного шага;
10 гребной вал
Используются эластичные кабели, с ограничением угла разворота «Азипода», либо кольца скольжения (в этом случае колонка может вращаться вокруг вертикальной оси свободно без ограничений). Рулевая система «Азипода» гидравлическая.
В гондоле колонки располагается электродвигатель переменного тока, частота вращения которого регулируется частотным преобразователем.
Движительные комплексы «Азипод» могут выполняться в различных компоновках: в тянущем варианте, когда винт расположен впереди гондолы и толкающем с расположением винта за гондолой, а также двухвинтовом варианте с винтами впереди и сзади гондолы при расположении винтов в насадке или без нее.
Важным положительным качеством ГВРК является хорошая управляемость судна на заднем ходу, благодаря большой поперечной силе, условиям обтекания корпуса, когда струя винта не натекает на него. Для обеспечения заднего хода ГВРК разворачивается на 180°, при этом гребной винт не реверсируется.
Рулевое устройство включает два или три гидравлических двигателя. Система контроля «Азипода» включает контроль всех электрических цепей на мостике вместе с главными электрическими панелями.
В отличие от ВРК с механическим приводом требуется обслуживание системы воздушного охлаждения. Воздух подается в рулевую колонку из румпельного помещения и может при необходимости предварительно охлаждаться в охладителях водой.
В качестве приводных двигателей применяются высокооборотные или среднеоборотные дизели, приспособленные для работы на средневязких топливах.
2.3. Установившиеся режимы совместной работы ГД с ВРШ
Область эксплуатационных режимов СДУ с ВРШ за счет изменения шагового отношения H/D существенно шире, чем в установках с ВФШ. Так, например, при n=0,6 можно получить увеличение мощности за счет разворота лопастей гребного винта с до
[1]. Однако справедливости ради следует отметить, что фактическая мощность будет значительно ниже, из-за ограничений по допустимой нагрузке, так как ограничительная характеристика по теплонапряженности будет проходить существенно ниже внешней номинальной характеристики.
Винт регулируемого шага позволяет подобрать такое шаговое отношение для данной частоты вращения, при котором удельный расход топлива будет минимальным, а КПД винта максимальным, что невозможно достигнуть при ВФШ. Зона используемых мощностей при установке ВРШ значительно больше.
ВРШ сложнее и дороже, чем ВФШ, но имеет ряд существенных преимуществ:
1. Имеется возможность более полно использовать мощность ГД в любых условиях плавания;
2. Улучшается маневренные качества судна, так как можно обеспечить любые малые скорости движения судна и его остановку при номинальной частоте вращения коленчатого вала ГД;
3. Повышается ресурс ГД, который во многом зависит от числа и продолжительности пусков;
4. Обеспечивается реверс при неизменном направлении вращения коленчатого вала ГД. При реверсировании нет необходимости преодолевать положительный вращающий момент гребного винта на ходу судна, как это имеет место в установках с ВФШ, где винт будет работать в режиме гидротурбины и при подаче контрвоздуха в цилиндры будут возникать дополнительные механические напряжения в валопроводе и ГД;
5. Можно применять более дешевые и надежные нереверсивные двигатели. Однако следует отметить, что ВРШ применяются в основном в установках с реверсивными СОД и редукторной передачей. При заклинивании лопастей и отказе ВРШ можно использовать его как ВФШ. Предусматриваются различные способы разворота и фиксации лопастей в определенном положении на передний ход (при помощи отжимных болтов или встроенных в ступицу пружин, которые при падении давления масла выводят поршень МИШ в положение переднего хода);
6. Обеспечивается эффективное управление ВРШ с мостика;
7. Можно начать движение судна с места при номинальных мощностях и частоте вращения коленчатого вала двигателя, а, следовательно, с максимальной тягой винтов без какой-либо перегрузки главных двигателей. Повышение скорости судна будет плавным и значительно быстрее, чем у судна с ВФШ. Это важно для судов, к которым предъявляются повышенные требования в отношении маневрирования (буксиры, ледоколы, паромы);
8. Обеспечивается простота реализации схемы с отбором мощности на привод валогенератора за счет возможности работы двигателя в режиме n=const.