Для чего нужен редуктор на судне

Судовые двигатели, реверс-редуктор, главный редуктор — характеристики

Судовой двигатель – это центральная часть силовой установки, генерирующая энергию для вращения винта судна.

Наиболее распространенным типом судового двигателя является дизель, т. к. они экономичнее других вариантов.

Преимущества судовых двигателей:

Дизельные судовые двигатели применяются для широкого перечня кораблей, начиная от небольших пассажирских кораблей и заканчивая довольно крупными грузовыми судами. Другие менее распространенные варианты судовых двигателей – турбины на паре или газе.

Судовые дизеля, дизельгенераторы

Дизельные двигатели для современных судов являются наиболее распространенным вариантом, потому что они экономичны, неприхотливы, не требуют сложного обслуживания.

Классификация судовых дизельных двигателей:

Судовые дизельгенераторы – это резервный источник энергии, обеспечивающий корабль электричеством в чрезвычайных ситуациях. По мощности и производительности генераторы разделяются на аварийные и вспомогательные.

Дизельные генераторы применяются на судах различного назначения морского и речного флота.

Судовые редукторы

Судовой редуктор – агрегат, передающий крутящий момент двигателя к винту. Встречаются главные и вспомогательные редукторы, по способу размещения валов они разделяются на вертикальные или горизонтальные, а в зависимости по количеству ступеней бывают 1, 2 и 3-х ступенчатые.

Также установки различаются по типу гребного винта. Винт может иметь постоянный или регулируемый шаг, поэтому для них нужны различные редукторы.

Применение судовых редукторов:

Реверс-редуктор

Реверс-редукторы отличаются от обычного редуктора тем, что позволяют изменять направление вращения винта, то есть позволяют судну двигаться задним ходом.

Реверс-редукторы могут устанавливаться на любую модель корабельного дизельного двигателя, так как реверс-редуктор устанавливается непосредственно на силовую установку, нужно соблюдать полное соответствие их технических характеристик.

Главный редуктор

Главный редуктор – это компонент силовой установки, обеспечивающий передачу энергии от двигателя на гребной винт. От того, на какое судно будет устанавливаться редуктор, зависит выбор габаритов, массы и технических характеристик. Также главные редукторы могут иметь различные передаточные числа и количество ступеней.

Назначение главных редукторов:

Агрегаты для винтов с регулируемым ходом сложнее в производстве, потому что должны обеспечивать возможность изменения параметров вращения винта.

Источник

Иногда для улучшения маневренных качеств СЭУ реверсивные передачи снабжают тормозом фрикционного типа (для заторма­живания гребного вала), который включается сразу же после вы­ключения одной работающей муфты и выключается немедленно после остановки гребного винта до включения другой фрикцион­ной муфты. В этом случае время реверса гребного винта (от мо­мента выключения муфты переднего хода до начала вращения гребного винта в противоположном направлении) можно сокра­тить в 3-4 раза. Конструкция тормоза не отличается от конструк­ции многодисковых фрикционных муфт, за исключением того, что ведомые диски тормоза закреплены в неподвижном корпусе ре­дуктора. /10/

Наиболее отработаны в настоящее время реверсивные меха­нические передачи и комбинированные передачи на основе ре­версивных гидравлических преобразователей вращающего мо­мента (ГПМ). Уместно отметить, что хотя механические реверсредукторы известны давно, создание судовых реверсредукторов большой мощности связано с появлением всережимных ГТУ и главным образом комбинированных и смешанных СЭУ (рисунок 7.6)

Рисунок 7.6 – Типовые схемы реверсивных зубчатых передач:

а– с паразитной ше­стерней; б – с дифференциалом:

1 – маховик; 2 – эластичная муфта; 3 – ведущая шестерня заднего хода; 4 – паразитная шестерня; 5 – ведомая шестерня заднего хода; 6 – муфта заднего хода; 7 – муфта пе­реднего хода; 8 – ведомая шестерня переднего хода; 9 и 10 – шестерня и колесо редук­тора 2-й ступени; 11 – ведомый вал; 12 – ведущая шестерня переднего хода; 13 – диффе­ренциал

На рисунке 7.6 представлены две типовые схемы реверсивных зубчатых пере­дач. В одной из них (рисунке 7.6, а) для обеспечения заднего хода применена промежуточная (паразитная) шестерня 4, а в другой – дифференциал 13. Для ра­боты редуктора «Вперед» включается муфта 7 и выключается муфта 6, а для работы «Назад», наоборот, включается муфта 6 и выключается муфта 7. Осо­бенность рассматриваемой реверсивной передачи состоит в применении эластичной муфты 2, установленной между маховиком 1 (или фланцем) двигателя и редуктором. Она позволяет ограничить пик вращающего момента валопровода при его колебаниях и амплитуду вибрации при работе передачи с частотами вращения, близкими к критическим.

Схемы планетарных зубчатых редукторов представлены на рисунке 7.7. Их преимущество и особенность заключаются в соос­ности вала двигателя и валопровода. /10/

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Источник

Типы и конструкции судовых редукторов весьма

Страницы работы

Содержание работы

Типы и конструкции судовых редукторов весьма разнообразны. Они выполняются одно- или многоступенчатыми с цилиндриче­скими ступенями (колесами) с внешним зацеплением и с плане­тарными ступенями. Редуктор только с цилиндрическими ступе­нями внешнего зацепления называют переборным, только с пла­нетарными ступенями – планетарным, а если он включает в себя и те, и другие ступени – планетарно-переборным. /10/

Одно-, двух-, трех- и четырехмашинные дизель-редукторные установки одно- и двухвального исполнения могут отличаться на­личием отдельно установленного или встроенного в редуктор упорного подшипника, а также конструкцией встроенных или от­дельно установленных соединительно-разобщительных муфт (же­сткого, фрикционного, шинно-пневматического, гидродинамического или электромагнитного типов).

Переборные редукторы одномашинных агрегатов обычно вы­полняют одноступенчатыми со смещением ведущего и ведомого валов в одной горизонтальной (рисунок 7.1) или в одной вертикаль­ной (рисунок 7.2) плоскости. Однако, если необходимо соосное рас­положение двигателя и валопровода, применяют двухступенчатые конструкции редукторов (рисунок 7.3), хотя передаточное число не­большое и этого не требуется. /10/

Рисунок 7.1 – Одномашинный редуктор со смещением валов в одной горизонтальной плоскости:

1 – фланец ведомого вала; 2 – корпус; 3 – ведущий вал; 4 – плита (фланец) для установки редуктора на судовой фундамент; 5 – масля­ный насос

Конструкции основных узлов редукторов указанных типов при­мерно идентичны (за исключением корпусов). Корпус редуктора с расположением валов в одной вертикальной плоскости состоит из трех частей с горизонтальными разъемами по осям обоих ва­лов. Корпус редукторов, у которых валы расположены в горизон­тальной плоскости, выполняют из двух частей.

Шестерни (ведущие) и колеса (ведомые) изготовляют косозубыми с закалкой или азотированием по профилю и с последующим шлифованием. Осевые усилия, возникающие при работе косозубых колес, воспринимаются опорно-упорными роликоподшипни­ками. Главные упорные подшипники, встраиваемые в передачу, также могут быть роликовыми, шариковыми или типа Митчелл. Редукторы переборные одномашинной установки выпускаются в диапазоне мощностей от нескольких сотен кВт до 7-8 МВт 6-10 типоразмеров. При большой мощности двигателей (7-18 МВт) в целях повышения надежности и снижения габаритов применяют редукторы с разделением мощности на два потока и последую­щим их сведением на ведомый вал (рисунок 7.4).

Рисунок 7.2 – Одномашинный редуктор со смещением валов в одной вертикаль­ной плоскости:

1, 7 – ведущий и ведомый валы;

2 – корпус; 3, 5, 6, 10, 12 – опорно-упорные подшипники; 4, 11 – колесо и шестерня; 8 – масляный насос; 9 – привод масля­ного насоса

Рисунок 7.3 – Двухступенчатый

1 – корпус; 2, 7, 10, 17 – колеса и шестерни; 3, 6, 13 – ведущий, промежуточный и ведомый валы;

4, 5, 8, 9, 11, 12, 16 – опорно-упорные подшипники; 14 – масля­ный насос; 15 – привод насоса

Если не сводить на один ведомый вал разделенные потоки мощностей, то при соответствующем соотношении диаметров ве­дущей шестерни и колес можно получить редуктор одномашинной установки с разделением мощности на два валопровода, распо­ложенных симметрично относительно оси двигателя. Такие ре­дукторы применяют на судах с ограниченной осадкой.

Рисунок 7.4 – Схема редуктора с разделением передаваемой мощности на два потока

Вращающий момент ведущей шестерни 1, распределенный между двумя шестернями (колесами) 3 первой ступени, передается через торсионные валы 2 на шестерни 4 второй ступени и далее на главное колесо 6 редуктора. Оси всех шестерен и колес расположены в горизонтальной плоскости. В редуктор встроен упорный подшипник 5 типа Митчелл.

В многомашинных дизельных и других установках используют разнообразные конструкции суммирующих редукторов, объединяю­щих для работы на один винт от двух до четырех двигателей. Наиболее распространенные из этих редукторов двухмашинные – для судовых СОД (рисунок 7.5).

1 – фланец для присоединения к валопроводу; 2 – фрикционная муфта; 3 – вал отбора мощности; 4 – соединительно-разобщитель­ная кулачковая муфта; 5 – мультипликатор; 6 – вал ГД; 7 – упор­ный подшипник

Для большинства редукторов двухмашинных установок харак­терна простейшая схема зацепления: ведущие шестерни находятся в непосредственном зацеплении с зубчатым колесом, а оси всех валов размещены в горизонтальной плоскости разъема корпуса. При таком расположении валов обеспечивается максимальное рас­стояние между двигателями. Однако в случае, когда межосевое расстояние редуктора определяется не условиями прочности за­цепления, а шириной дизелей и размерами прохода между ними, иногда устанавливают промежуточные шестерни.

Источник

Судовые передачи мощности

К важнейшим составным частям судовых энергетических установок относятся элементы передачи мощности. Под этим понимаются все элементы, участвующие в передаче крутящего момента от коленчатого вала или ротора в турбинах к гребному винту. Типовая дизельная энергетическая установка с двумя среднеоборотными дизелями показана на рисунке. Она включает в себя муфты, одноступенчатый редуктор, валопровод и гребной винт. В энергетических установках с малооборотными дизелями редуктор отсутствует, в турбинных и энергетических установках с высокооборотными дизелями ставят двух- и трехступенчатые редукторы. В дизель- и турбоэлектрических энергетических установках предусмотрены электродвигатели.

Дизель-редукторная энергетическая установка со среднеоборотными дизелями

1 — муфте; 2 — редуктор; 3 — валопровод; 4 — гребной винт

Муфта соединяет узлы, выполняющие вращательные движения. Муфта предназначена для передачи крутящего момента от ведущего вала к ведомому, а также для сглаживания незначительных продольных, радиальных, угловых отклонений и крутильных колебаний. В зависимости от конструкции, назначения и принципа действия различают жесткие (глухие), упругие, фрикционные, гидродинамические и электромагнитные муфты. В судовых установках встречаются все виды муфт в зависимости от типа, мощности и конструкции главного двигателя. В установках, не имеющих передаточных механизмов (например, в малооборотных дизелях), чаще всего применяют жесткие муфты (рис. а, b). Фланцы жесткой муфты в разогретом состоянии запрессованы на вал или на конус и дополнительно зафиксированы призматической шпонкой. В энергетических установках с редуктором связь между редуктором и двигателем, а также с валом гребного винта осуществляется со стороны двигателя чаще всего через соединительную муфту, а со стороны гребного винта — через разобщительную. На рис. е показана упругая муфта. Она состоит из двух оснований, соединенных между собой гибкими прокладками, изготовленными из специальной резины. Такие муфты винтами крепятся к фланцам вала. Они могут передавать моменты независимо от направления вращения. За счет гибких вкладышей возможно выравнивание при перекашивании валов относительно друг друга.

Работа гидродинамических муфт основывается на гидравлическом принципе, схематично показанном на рис. с. Это можно представить себе так: насос, приводимый в движение двигателем, отсасывает жидкость из резервуара, и нагнетает ее в турбину. Жидкость под определенным давлением протекает через лопатки турбины, приводя ее в движение, и затем течет обратно в резервуар. При одинаковых размерах роторов насоса и турбины агрегат работает как гидравлическая муфта, при различных — он превращается в гидротрансформаторную передачу, позволяющую изменять частоту вращения ведомого вала. На практике роторы насосов и турбин находятся в специальном корпусе (рис. d). Действие гидродинамической муфты основывается на энергообмене между двумя полумуфтами (рис. d) с помощью рабочей среды и циркуляции жидкости. Эта циркуляция возникает только в том случае, когда первичная сторона и турбина имеют равные частоты вращения. У гидравлических муфт, используемых на судах, это скольжение составляет от 1,5 до 3%.

Судовые муфты

а, b — жесткие (глухие) муфты: 1 — полумуфта; 2 — фланец; 3 — шпоночная канавка со шпонкой. с — схема гидромуфты: 1, 2 — насосы; 3 — цистерна. d — схема гидромуфты (турбо-муфты); е — гибкая муфта. 4 — фланец; 5 — элемент муфты. f — электромагнитная муфта.

В судовых главных двигателях довольно часто применяют также электромагнитные индукционные скользящие муфты. Принцип действия подобной муфты состоит в использовании вращающего момента, возникающего вследствие воздействия вращающегося магнитного поля на индукционные токи. Внутренняя часть муфты расположена на ведущем вале. Обмотки полюсов через щетки и контактные кольца питаются постоянным током. Внешняя часть муфты имеет обмотку в виде беличьей клетки. Когда внешняя часть, приводимая в движение двигателем через вал, начинает вращаться и возбуждается, она вместе с валом, связанным с ней и ведущим, например, к редуктору, попадает в область вращения магнитного поля. За счет этого в обмотке типа беличьей клетки этой части муфты возникают индукционные токи. Эти токи, взаимодействуя с силовыми линиями магнитного поля, обусловливают возникновение момента вращения, вследствие чего внешняя часть муфты начинает вращаться вместе с внутренней. Таким образом вращение, мощность и момент вращения передаются от двигателя к валу редуктора. Часть муфты с обмоткой типа беличьей клетки должна — аналогично гидродинамической и электромагнитной муфте — вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, так как при одинаковой скорости вращения обеих частей не могли бы возникнуть индуктированные токи и передача вращающего момента была бы невозможна. Поэтому и в данном случае имеет место так называемое скольжение муфты. Редуктор главного двигателя должен передавать момент вращения и так изменять его частоту вращения, чтобы она имела оптимальную величину, необходимую для нормальной работы гребного винта. На судах чаще всего применяют механические редукторы, состоящие из зубчатых колес. С введением планетарного редуктора появилась возможность значительно уменьшить размеры и общую массу. В последнее время на новых судах все чаще используют планетарные редукторы в энергетических установках со среднеоборотными дизелями, газовыми или паровыми турбинами.

Механический судовой редуктор

а — суммирующий; b — планетарный. 1 — вал турбины высокого давления; 2 — вал турбины низкого давления; 3, 5, 8, 9 — центральные солнечные шестерни; 4 — водило; 6 — свободный эпицикл; 7 — вал; 10 — тормозной эпицикл; 11 — свободное водило; 12 — полый вал; 13 — зубчатые колеса (3-я ступень); 14 — приводное зубчатое колесо гребного вала; 15 — гребной вал; 16 — гребной винт

Валопровод соединяет приводной двигатель с гребным винтом. Гребной вал, который в зависимости от расположения машинного отделения на судне может состоять из одной или нескольких соединенных через глухие муфты частей, должен передавать момент вращения двигателя на гребной винт. Гребной вал опирается на радиальные подшипники. Концевая часть проходит в уплотнительном сальнике, который предохраняет туннель гребного вала от попадания морской воды. На конусообразной концевой части гребного вала закреплен гребной винт (рис. а). Осевое давление, действующее со стороны гребного винта и передаваемое дальше через вал, воспринимается упорным подшипником. Принцип действия упорного подшипника изображен на рис. d-е. Такой подшипник старого типа состоит из взаимодействующего с опорными поверхностями гребня давления; опорные поверхности залиты металлом. На переднем ходу функционирует одна поверхность гребня давления, на заднем — другая.

Валопровод

а — общий вид; b — полумуфта; с — упорный подшипник; d, e — принцип действия упорного подшипника. 1 — гребной вал; 2 — сальник; 3 — полу- подшипник; 6 — переборочный сальник; 7 — муфта; 4 — промежуточный вал; 5 — опорный упорный подшипник; 8 — упорный вал

Гребной винт в настоящее время является почти единственным типом движителя. Он состоит из нескольких лопастей, радиально укрепленных на ступице. Во время вращения гребного винта вокруг своей оси на лопастях возникает сила давления, которая в конечном итоге обусловливает движение судна. Характерной величиной гребного винта является шаг. Его теоретическое значение, т. е. без учета скольжения, зависит от угла атаки лопасти гребного винта. Для достижения хорошего взаимодействия между главным двигателем и гребным винтом необходимо, чтобы параметры и особенно шаг винта имели определенные значения. Оптимальное взаимодействие будет достигнуто лишь при определенном состоянии нагрузки судна и при определенных погодных условиях (ветер, волнение и т. д.). Если эти значения отклоняются от заданных, то взаимодействие двигателя и гребного винта не приносит результата, заложенного в проекте. На практике это означает, что взаимодействие двигателя и относящегося к нему гребного винта будет наиболее эффективным, например, при полной нагрузке судна и при хорошей погоде. На судах, работающих в изменяющихся условиях, таких как буксиры или рыболовные суда (свободный ход, ход с тралом), движитель должен быть приспособлен к соответствующим условиям работы. Вместе с тем стало бы возможным одновременное использование полной мощности приводного двигателя при различных состояниях его нагрузки.

Судовой движитель

а — гребной винт с неподвижными лопастями; b — винт регулируемого шага; с — гребной винт в насадке; d — соосные гребные винты

Лопасти винта фиксированного шага отлиты вместе со ступицей или прочно привинчены к ней (см. рис. а). Изменять шаг можно на гребных винтах регулируемого шага ВРШ (рис. b). Лопасти гребного винта расположены на криволинейных дисках и укреплены на ступице винта так, что они могут поворачиваться. Применение ВРШ позволяет использовать нереверсивные двигатели в качестве судовых. Они могут работать и при постоянной частоте вращения, так как в этом случае можно осуществлять все маневры путем изменения угла атаки, т. е. от самого большого шага винта на переднем ходу, когда лопасти находятся в таком положении, что несмотря на вращение гребного винта, тяга не появляется (и поэтому судно не движется), до положения лопастей, соответствующего заднему ходу. Вначале ВРШ применяли только на буксирах, рыболовных и специальных судах, и только позднее их начали устанавливать на судах торгового флота. За счет установки ВРШ достигаются большая экономичность энергетических установок, возможность использования полной мощности двигателя при различной нагрузке, а также возможность применения нереверсивных ДВС или паровых турбин без турбин заднего хода. К преимуществам следует также отнести и возможность осуществления заднего хода при полной мощности двигателя.

Иногда на судах (особенно на судах речного флота) гребной винт устанавливают в насадке (см. рис. с). Такая конструкция позволяет улучшить уелввия работы гребного винта и повысить КПД. Диаметр судового движителя может достигать 9 м, а масса — 50 т. Гребные винты регулируемого шага имеют меньший диаметр. Преобладающее число судов имеет только один гребной винт, устанавливаемый в диаметральной плоскости судна. Встречаются также двухвинтовые суда, которые приводятся в движение либо от двух малооборотных, либо от четырех среднеоборотных дизелей, причем в последнем случае один гребной винт приводится в движение двумя двигателями. В редких случаях строятся трехвинтовые суда, например торпедные катера, на которых два бортовых движителя, приводятся в движение от высокооборотных дизелей через редукторную передачу, а средний гребной винт — от газовой турбины. Некоторые большие пассажирские суда и боевые корабли, например авианосцы, снабжаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. В условиях постоянно растущих мощностей главных двигателей требуются гребные винты очень больших диаметров, что приводит к технологическим и производственным трудностям. Чтобы противодействовать этому и улучшить КПД, пытаются «устанавливать движители, вращающиеся в противоположных направлениях (см. рис. d). В этом случае необходимы сложные устройства, такие как полые гребные валы и специальные редукторные передачи. Наряду с гребными винтами в последнее время применяют крыльчатые движители. Они состоят из нескольких вращающихся навесных лопаткообразных лопастей изменяющегося профиля, укрепленных на плоском рабочем колесе. Рабочее колесо приводится в движение главным двигателем через гипоидный зубчатый редуктор. Вращающиеся лопаткообразные лопасти создают силу упора, действующую в направлении, зависящем от угла установки лопастей, как показано на рис. а. Во время работы движителя можно плавно изменять угол атаки лопастей.

Крыльчатый движитель

а — принцип действия; b — движитель Фойта-Шнейдера (вид сбоку); с — движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d — буксир с движителем Фойта-Шнейдера в носовой части судна; е — буксир с движителем Фойта-Шнейдера в кормовой части судна

I — «Стоп»; 2 — «Передний ход»; 3 — «Задний ход»; 4 — «Поворот на левый борт»; 5 — «Поворот на левый борт» (на заднем ходу); 6 — «Поворот на правый борт»; 7 — управляющий механизм; 8 — привод; 9 — лопасти; 10 — распределительные рычаги и тяги

Крыльчатый движитель может служить как в качестве пропульсивного движителя, так и в качестве руля. Судно, оснащенное двумя симметрично расположенными движителями, может двигаться в любом направлении. Недостатком является частая повреждаемость лопаткообразных лопастей, выступающих ниже днища судна. Крыльчатый движитель в основном используется на портовых буксирах и лоцманских судах, а также на судах портовой службы. Мощность подобных установок невелика: максимально она составляет 2200 кВт.

Источник

Судовые передачи

Содержание

Основные понятия. Классификация передач

Передача мощности от главного двигателя на движитель судна может осуществляться напрямую при равенстве частот вращения выходного вала главного двигателя и движителя, либо через один из видов передачи, при частоте вращения выходного вала главного двигателя большей, чем оптимальная частота вращения движителя.

Исходя из изложенного, можно сделать вывод, что передача является промежуточным звеном между главным двигателем и движителем судна. Помимо функции передачи мощности и снижения числа оборотов, в некоторых установках передача может осуществлять изменение направления вращения гребного вала на противоположное и быстрое отсоединение двигателя от гребного вала. Кроме этого, от главной передачи во многом зависят массогабаритные, экономические и эксплуатационные показатели энергетической установки.

Современные судовые передачи имеют ряд особенностей, к которым относятся их способность передавать вращающий момент и частоту вращения без изменения их значений, изменять только частоту вращения или совместно оба показателя – и вращающий момент и частоту вращения. Эти особенности могут быть оценены следующими показателями:

1. Коэффициентом трансформации вращающего момента:

где: М₁ – вращающий момент на входном валу (валу двигателя); М₂ – вращающий момент на выходном валу.

2. Передаточным числом:

где: n₁ – частота вращения входного вала (вала двигателя); n₂ – частота вращения выходного вала.

С помощью этих показателей можно выразить величину КПД передачи, как отношение мощности на выходном валу к мощности на входном валу:

где: N₁ – мощность на входном валу (эффективная мощность двигателя); N₂ – мощность на выходном валу передачи.

Все передачи, в зависимости от изменения рассмотренных показателей при различных режимах работы двигателей и движителей, можно разделить на три группы:

1. Передачи, обеспечивающие при всех условиях работы движителя и двигателя постоянство коэффициента трансформации момента и передаточного числа:

Такие условия характерны для односкоростных механических передач, к которым относятся зубчатые редукторы, кулачковые и фрикционные муфты, шинно-пневматические муфты. Наиболее простым вариантом такой передачи является прямая передача – непосредственное соединение двигателя с валопроводом.

2. Передачи, обеспечивающие при всех условиях работы двигателя и движителя постоянство коэффициента трансформации момента и переменное передаточное число:

К этим видам передач относятся гидродинамические и электромагнитные муфты скольжения.

3. Передачи, обеспечивающие одновременную изменяемость передаточного числа и коэффициента трансформации момента:

Одновременное изменение обоих показателей при различных условиях работы двигателя и движителя можно осуществить в гидротрансформаторах, гидростатических системах, электрических передачах, а также в многоскоростных зубчатых редукторах. При этом гидротрансформаторы и электропередачи могут обеспечивать плавное изменение передаточного числа и коэффициента трансформации момента, а многоступенчатые редукторы – только ступенчатое.

В зависимости от типа установки и назначения судна, в составе СЭУ могут применяться следующие виды передач:

Механические редукторные передачи являются основным видом механических передач, применяемых в судовых условиях. Зубчатые редукторы являются неотъемлемой частью судовых паро- и газотурбинных установок (за исключением судов с электродвижением и, в некоторых случаях, неводоизмещающих судов с воздушными винтами в качестве главного движителя). На судах с ДЭУ (дизельная энергетическая установка) широкое распространение, благодаря хорошим массогабаритным показателям, получили дизель-редукторные агрегаты, в состав которых входят один или несколько ВОД (высокооборотный дизель) или СОД (среднеоборотный дизель) и механический редуктор.

При большой разнице частот вращений главного двигателя и движителя, характерных для турбинных установок, передаточные числа находятся в диапазоне 20 ÷ 70. Однако при i ≥ 15 применение одноступенчатой передачи становится невозможным, так как зубчатое колесо получается слишком больших размеров. В таких случаях передача выполняется двухступенчатой. При этом общее передаточное число равно произведению передаточных чисел каждой ступени:

На рис. 47 показаны схемы одно- и двухступенчатого редукторов. Зубчатое колесо, передающее момент от двигателя, называется шестерней; зубчатое колесо, воспринимающее момент от шестерни – колесом редуктора. В двухступенчатых редукторах соответственно используются шестерня и колесо первой ступени, и шестерня и колесо второй ступени.

В составе установок турбинных судов имеющих, как правило, большие агрегатные мощности, для снижения нагрузок, передаваемых и воспринимаемых элементами редуктора (шестернями, колесами, торсионными валами) возможно использование редукторов с разделением потока мощности. Схема такого редуктора показана на рис. 48.

Вращающий момент на редуктор передается от турбин ТВД (турбина высокого давления) и ТНД (турбина низкого давления). Каждая турбина передает момент на свою шестерню первой ступени. Каждая шестерня первой ступени связана зацеплением с двумя колесами первой ступени, за счет чего поток мощности делится пополам между колесами и передается по торсионным валам на шестерни второй ступени. Все шестерни второй ступени передают момент на одно общее колесо второй ступени. Таким образом, на колесе второй ступени вращающие моменты от всех турбин (ТВД и ТНД) суммируются и передаются по выходному валу редуктора на линию вала судна. При необходимости дачи заднего хода вращающий момент от ТЗХ (турбина заднего хода) передается на шестерню первой ступени ТНД (ТЗХ обычно выполняется в одном корпусе с ТНД). При этом ротор ТВД вращается вхолостую.

К шестерням первой ступени редуктора присоединяются валоповоротное устройство, обеспечивающее проворачивание роторов турбин и валопровода, и тормоз, обеспечивающий стопорение роторов турбин.

К особенностям и преимуществам планетарных редукторных передач относятся соосность входного и выходного валов (т.е. вала двигателя и выходного вала) и меньшие, по сравнению с переборными, массогабаритные показатели. Планетарный редуктор состоит из трех основных звеньев: центральной (солнечной) шестерни, эпицикла с внутренним зубчатым зацеплением и водила, имеющего оси, на которых вращаются зубчатые шестерни – сателлиты (рис. 49). На этом же рисунке показаны передаточные отношения для каждого случая зацепления в зависимости от диаметров начальных окружностей солнечной шестерни и эпицикла.

Схема с неподвижным водилом отличается от остальных тем, что для нее направление вращения выходного вала является обратным по сравнению с валом двигателя.

Для увеличения передаточного отношения планетарные редукторы, как и переборные, могут выполняться двухступенчатыми. В этом случае при неподвижных эпициклах водило первой ступени приводит во вращение солнечную шестерню второй ступени. При этом еще более значительных преимуществ можно достичь при применении планетарных реверсивных редукторов, схема которого показана на рис. 50. В установках с реверс- редукторами, если они применяются в составе ГТУ или КТЭУ, отпадает необходимость в турбине заднего хода, за счет чего исключаются вентиляционные потери в неработающей части турбины, достигающие иногда значений 2 – 3 % от вырабатываемой мощности.

Потери мощности в зубчатых механических передачах являются минимальными, по сравнению с другими видами передач, и зависят от качества и чистоты обработки зубьев шестерен и подшипников, условий смазки зубчатого зацепления и подшипников, нагрузки, вентиляционных потерь при вращении шестерен.

В некоторых случаях в составе СЭУ могут использоваться разделительные передачи, когда мощность одного двигателя необходимо распределить между несколькими движителями (рис. 2 – в, г; рис. 3), и суммирующие передачи, когда на один движитель работает несколько главных двигателей (рис. 2 – а, б, е, ж; рис. 4; рис. 5 – а, б).

Гидравлическая передача представляет собой совокупность гидравлических механизмов, с помощью которых энергия ведущего вала (вала двигателя) передается ведомому (выходному) валу. Все передачи гидравлического типа можно разделить на следующие основные типы:

Схема работы гидродинамической муфты показана на рис. 51.

Колесо центробежного насоса жестко закреплено на ведущем валу двигателя. Для обеспечения герметичности гидромуфты колесо насоса с помощью болтов соединено с вращающимся кожухом, имеющим уплотнение по ведомому валу. Колесо гидротурбины насажено на ведомый вал и находится в непосредственной близости рядом с колесом насоса. Колеса насоса и турбины имеют плоские радиальные лопатки. Полость гидромуфты заполняется рабочей жидкостью, обычно – минеральным маслом.

Если гидромуфта заполнена рабочей жидкостью, то последняя, под действием центробежных сил при вращении колеса насоса, будет перемещаться вдоль лопаток от центра к периферии. При этом энергия вращения рабочего колеса преобразуется в кинетическую энергию потока жидкости. Из насосного колеса жидкость поступает на колесо гидротурбины, где, при силовом воздействии на лопатки гидротурбины, ее кинетическая энергия преобразуется в энергию вращения ведомого вала. Если из гидромуфты выпустить рабочую жидкость, то ведомый вал остановится при вращающемся ведущем вале. Герметичность гидромуфты обеспечивается уплотнениями валов относительно корпуса.

Вследствие отсутствия жесткой связи между рабочими колесами насоса и гидротурбины, частота вращения ведомого (выходного) вала всегда несколько меньше частоты вращения входного (ведущего) вала. Величину скольжения можно определить, как отношение вида:

где n₁ и n₂ – соответственно частота вращения ведущего и ведомого валов.

При полном заполнении гидромуфты рабочей жидкостью и номинальной нагрузке величина скольжения составляет 2 ÷ 3 %. При этом КПД гидромуфты определяется выражением:

и обычно находится в пределах 0,97 ÷ 0,98. При уменьшении наполнения муфты рабочей жидкостью величина скольжения увеличивается, а крутящий момент уменьшается.

При работе гидромуфты происходит постоянный нагрев рабочей жидкости, циркулирующей в рабочих колесах гидротурбины и насоса. Для поддержания температуры масла в допустимых пределах, гидромуфты оснащаются системами охлаждения рабочей жидкости.

Гидромуфты обладают следующими основными свойствами: независимостью вращения ведомого и ведущего валов; плавным троганием с места и плавным разгоном; ограничением крутильных колебаний; бесшумностью работы; высокой степенью надежности в эксплуатации; простотой автоматизации и управления.

Благодаря перечисленным положительным свойствам, гидромуфты находят широкое применение в судовых передачах и обеспечивают эластичную связь между двигателем и движителем. Наиболее часто гидромуфты применяют в дизельных энергетических установках в сочетании с зубчатыми передачами, или в сочетании с прямой передачей, когда существует необходимость быстрого отключения двигателя от линии вала.

Передачи с гидродинамическими трансформаторами имеют возможность изменения крутящего момента на выходном валу, а в некоторых случаях обеспечивают реверс ведомого вала. Схема и принцип действия гидротрансформатора показаны на рис. 52. От двигателя осуществляется привод ведущего вала, на котором закреплено рабочее колесо насоса. Основное отличие гидротрансформатора от гидромуфты состоит в том, что за рабочим колесом насоса перед гидротурбиной устанавливается неподвижный направляющий аппарат, жестко связанный с корпусом. В некоторых видах трансформаторов направляющий аппарат может устанавливаться после турбины перед колесом насоса, либо могут устанавливаться два направляющих аппарата одновременно. От формы лопаток направляющего аппарата зависит как передаваемый крутящий момент, так и направление вращения выходного вала. Некоторые варианты гидротрансформаторов могут выполняться с поворотными направляющими лопатками, позволяющими управлять величиной момента и направлением вращения выходного вала.

При соответствующих условиях работы направляющего аппарата вращающий момент на турбинном валу будет больше, чем на насосном валу. Изменение гидравлического момента при прохождении потока рабочей жидкости через направляющий аппарат происходит вследствие закручивания струи. Отношение вращающего момента турбинного вала к вращающему моменту насосного вала называется коэффициентом трансформации гидротрансформатора:

Коэффициент полезного действия гидротрансформатора определяется выражением:

где – передаточное число гидротрансформатора.

КПД гидротрансформаторов обычно находится в диапазоне 0,85 ÷ 0,92 на режимах переднего хода и 0,65 ÷ 0,7 на режимах заднего хода.

Применение гидротрансформаторов в судовых передачах позволяет обеспечить:

Основной проблемой при использовании гидротрансформаторов является сложность отвода большого количества тепла от рабочей жидкости при работе его на нерасчетных режимах.

Объемные гидростатические передачи применяют в СЭУ в тех случаях когда установка должна работать в условиях частого маневрирования (паромы, буксиры, катера и т.д.). При этом исключается протяженная линия вала, заменяемая магистральным трубопроводом с рабочей жидкостью. Гидростатическая передача состоит из насоса объемного типа, гидромотора и трубопроводов, соединяющих их. Гидромоторы и насосы обычно выполняются в виде однотипных многопоршневых механизмов с регулированием частоты вращения движителя за счет изменения расхода рабочей жидкости, подаваемой к гидромотору. В качестве насосов и гидродвигателей наиболее часто используются радиально-поршневые, аксиально-поршневые и пластинчатые гидромашины переменной производительности. Принцип действия гидравлических машин переменной производительности основан на регулировании хода рабочего органа (плунжера, поршня или пластины). При смещении вала относительно нейтрального положения, при котором производительность гидромашины равна нулю, происходит изменение величины хода рабочего органа и, соответственно, изменение объема перекачиваемой за один оборот вала жидкости. Схемы гидравлических машин (насосов и гидромоторов) переменной производительности и принцип их действия показаны на рис. 53.

Принципиальная схема гидростатической передачи показана на рис. 54. Двигатель приводит в действие насос переменной производительности. Рабочая жидкость по напорному трубопроводу поступает в гидромотор, связанный коротким гребным валом с движителем судна. Обороты гребного вала регулируются расходом рабочей жидкости в трубопроводе передачи. После гидромотора рабочая жидкость по сливному трубопроводу возвращается на всасывание насоса. Для обеспечения тепловых расширений рабочей жидкости при работе передачи, в системе может устанавливаться расширительный бак, являющийся одновременно цистерной для хранения рабочей жидкости.

В электрической передаче главный двигатель осуществляет привод генератора, вырабатывающего электроэнергию. Электроэнергия через коммутирующие и регулирующие устройства поступает к гребному электродвигателю, вращающему гребной вал.

Электрические передачи могут выполняться на постоянном и переменном токе, а также комбинированными – с генераторами переменного тока, ГЭД постоянного тока и безмашинными статическими преобразователями, преобразующими переменный ток в постоянный.

Электрические передачи на постоянном токе имеют более высокие маневренные характеристики, минимальное (по сравнению с передачами других типов) время реверса, обеспечивают высокие пусковые моменты и полное затормаживание линии вала с гребным винтом. Такие маневренные характеристики являются наиболее желательными для судов с высокой маневренностью: ледоколов, судов активного ледового плавания, буксиров, паромов и промысловых судов. В последнее время появились стойкие тенденции к широкому применению электродвижения и электрических передач постоянного тока в составе энергетических установок боевых кораблей ведущих флотов мира. Пропульсивные установки с электропередачами постоянного тока обеспечивают легкость и простоту схем маневрирования. Реверс и управление ГЭД производятся путем управления системой возбуждения генераторов, в которой используются токи относительно небольшой силы. Такие качества электрических передач постоянного тока позволяют создавать гибкие и надежные системы дистанционного управления движением судна.

Недостатками электрических передач постоянного тока являются большие массогабаритные показатели электромашин (генераторов и ГЭД), значительная стоимость и меньшая надежность по сравнению с электромашинами переменного тока.

По начальной стоимости, простоте конструкции, массогабаритным показателям, коэффициенту полезного действия электрические передачи на переменном токе превосходят передачи постоянного тока. Однако они лишены наиболее важного достоинства передач постоянного тока – улучшенных тяговых и маневренных характеристик. При этом системы управления изменением частоты вращения ГЭД переменного тока значительно сложнее, чем их аналоги для ГЭД постоянного тока. В силу этого электрические передачи переменного тока обычно применяют на судах, движители которых большую часть времени работают на постоянных режимах без значительных изменений скорости вращения, а также в сочетании с ВРШ.

Установки с электропередачами, в связи со значительными потерями, связанными с двукратным преобразованием энергии, по экономичности значительно уступают установкам с прямыми и механическими передачами. Величина потерь энергии в электрических передачах зависит от рода тока, мощности генераторов и электродвигателей и их конструкции. Средние величины потерь в электрических передачах приведены в таблице:

Установки с электрическими передачами обладают повышенной надежностью, так как в состав энергетической установки обычно входит несколько первичных двигателей. В случае выхода из строя части главных двигателей движение судна будет обеспечено с ограниченной скоростью под оставшимися в работе двигателями.

Так как электрогенераторы переменного тока имеют более простую конструкцию, меньшие массогабаритные характеристики, более высокие экономические показатели, более удобны в эксплуатации, чем генераторы постоянного тока, в последнее время все шире находят применение комбинированные электрические передачи, включающие в свой состав генераторы переменного тока, преобразователи тока и ГЭД постоянного тока. Такие электрические передачи позволяют в некотором роде совместить положительные свойства передач переменного тока с высокими тяговыми и маневренными характеристиками ГЭД постоянного тока. Однако необходимость использования сложных статических преобразователей электроэнергии снижает экономичность таких комбинированных передач и увеличивает их массогабаритные показатели.

В современных СЭУ достаточно редко можно встретить какой либо отдельный тип передачи. Более часто используется сочетание различных типов передач, которое позволяет наиболее полно использовать их положительные свойства и тем самым улучшить технико-экономические и эксплуатационные показатели СЭУ.

Наиболее часто встречающимися сочетаниями в комбинированных передачах являются гидрозубчатые передачи, включающие в свой состав гидравлическую передачу и механический редуктор, а также различные виды электромеханических передач.

Примеры гидрозубчатых передач показаны на рис. 55 – а, б. В первом случае два дизеля через суммирующий редуктор и гидротрансформатор работают на одну общую линию вала; во втором – два главных дизеля каждый через свой гидротрансформатор передают вращающий момент на один суммирующий редуктор, и далее на общую линию вала.

На рис. 55 – в, г показаны примеры электромеханических передач. В первом случае, с целью уменьшения массы ГЭД и удобства их взаимного размещения, применены четыре легких высокооборотных электродвигателя, работающих на один суммирующий редуктор. Во втором примере показано совмещение электрической передачи с прямой непосредственной передачей и МОД. Здесь возможны следующие варианты работы пропульсивной установки:

1) главный двигатель через муфту обеспечивает прямую передачу на линию вала и движитель судна; муфта ГЭД при этом отключена;

2) главный двигатель через муфту обеспечивает прямую передачу на линию вала и движитель судна; часть его мощности используется на выработку электроэнергии в ГЭД, работающем в режиме валогенератора (муфта ГЭД включена);

3) на линию вала судна через включенные муфты работают совместно главный двигатель и ГЭД, обеспечивая максимальную скорость движения судна. ГЭД при этом получает питание от дизельгенераторов;

4) Главный двигатель с помощью муфты отключен от линии вала. На линию вала работает только ГЭД, получающий питание от дизельгенераторов и обеспечивающий малые хода судна.

Литература

Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]

Источник