ГРЕБНОЕ УСТРОЙСТВО
3.2.1. Назначение, составные части и принцип действия
Для обеспечения движения судна необходимо приложить к нему какую-то движущую силу. Такую движущую силу сообщает судну движитель, получающий энергию от установленного на судне двигателя.
В качестве движителя человек использовал вёсла, применяя при этом мускульную силу, паруса - используя природу, затем начал использовать энергию механических двигателей, передавая её на различные типы движителей - гребные колёса, гребные и воздушные винты, крыльчатые движители, водомётные и реактивные движители и т.п.
Наиболее широкое применение нашли движители - гребные винты. Гребные винты устанавливают как на малых судах ограниченного района плавания, так и на самых крупных судах неограниченного района плавания.
Работа движителя, его коэффициент полезного действия во многом зависит как от самого движителя - его формы, размеров, количества движителей, конструкции, материала так и от сочетаемого с ним корпуса судна, рулевого устройства, числа оборотов вала, от числа лопастей гребного винта, его шага, профиля.
Работа гребного винта основана на реактивном процессе отбрасывания воды в сторону, противоположную движению судна.
Если рассматривать воду как идеальную твёрдую среду, то винт должен "врезаться" в эту среду, ввинчиваясь наподобие винта по резьбе. Но вода не является идеальной средой, поэтому винт проходит за один оборот меньшее расстояние, чем то, которое он мог бы пройти в твёрдой среде, здесь происходит как бы скольжение гребного винта. Приведение воды в движение за винтом, закручивание воды ввиду вращения винта и потери энергии на трение лопастей винта о воду, перетекание воды по кромкам лопастей - всё это потери энергии, передаваемой на гребной винт валом - двигателем.
Ввиду значительных потерь передаваемой на гребной винт энергии, мощность главного двигателя должна значительно превышать так называемую буксировочную мощность, т.е. мощность, необходимую для преодоления сил сопротивления воды, тому движению судна, которое может создать гребной винт, т.е. ту скорость, с которой должно двигаться судно. Отношение этих мощностей друг к другу (буксировочной мощности к подведенной к движителю мощности) называется пропульсивным коэффициентом полезного действия гребного винта.
Значение пропульсивного коэффициента полезного действия для морских судов широко колеблется от 0,3 до 0,7.
В основу гребного винта положена винтовая линия. Шагом гребного винта называется шаг той винтовой поверхности, которая положена в основу построения лопасти винта.
Обычно гребные винты состоят из двух основных составных частей: ступицы и лопастей. Однако конструктивное исполнение этих составных частей различно и зависит от целого ряда факторов – от исполнения винта - винт фиксированного или регулируемого шага, количества лопастей, съёмные или несъёмные лопасти и т.д. и т.п.
Что касается крыльчатых движителей, то последние десятилетия они находят довольно широкое распространение на судах, к которым предъявляются требования хорошей маневренности (буксиры, паромы, плавкраны).
3.2.2. Конструкция дейдвудных устройств
Дейдвудное устройство предназначено для вывода гребного или концевого вала наружу из корпуса судна, а также для возможности передачи крутящего момента гребного вала гребному винту.
Дейдвудное устройство состоит из дейдвудной трубы (1), закреплённой в дейдвудной яблока ахтерштевня (2) у одновинтовых судов и судов, имеющих трёхвальную установку (центральный вал проходит через яблоко ахтерштевня) или закреплено в мортирах бортовых винтов (см. рис 3.2.2.1 и 2.4.4). Второй конец дейдвудной трубы обычно крепится на переборке ахтерпика. Таким образом, дейдвудная труба является с яблоком ахтерштевня и корпусом судна хорошо скрепленной жёсткой конструкцией.
Крепление дейдвудной трубы обычно выполняется либо приваркой к яблоку ахтерштевня и переборке ахтерпика, либо соединяется с помощью фланцев или гаек. Последнее время на крупнотоннажных судах чаще выполняют крепление дейдвудных труб при помощи гайки, на резьбовом соединении с прокладкой (3).
Находит всё более широкое применение также установка дейдвудной трубы в яблоко ахтерштевня с помощью полимеров. После изготовления дейдвудная труба испытывается гидравлическим давлением 0,2 МПа (2 кгс/см 2).
В зависимости от подшипников, на которых работает гребной вал, дейдвудное устройство можно классифицировать на два типа: дейдвудное устройство с водяной смазкой и дейдвудное устройство с масляной смазкой.
Дейдвудное устройство с водяной смазкой обычно работает в подшипниках скольжения.
Дейдвудное устройство с масляной смазкой работает как с подшипниками скольжения, так и качения.
В этой связи, находится и конструктивное исполнение дейдвудного устройства, которое имеет свои как положительные качества, так и недостатки.
В дейдвудную трубу вставляются дейдвудные втулки, набранные антифрикционными материалами (или залиты ими). Так, материалом дейдвудных втулок служит: сплав меди – бронза или латунь, чугун, залитый баббитом.
Дейдвудные втулки запрессовывают по определённой посадке. До недавнего времени широкое применение получила скользящая посадка дейдвудных втулок АЗ/СЗ, однако такая посадка приводила к случаям просачивания воды, коррозии мест насадки на дейдвудной втулке и даже к аварийному износу или проворачиванию дейдвудных втулок у средне- и крупнотоннажных судов. В связи с чем последнее время получила широкое применение посадка дейдвудных втулок прессовая с гарантированным натягом, а также посадка дейдвудных втулок на полимерном материале. Такой метод посадки повысил надёжность дёйдвудного устройства.
Дейдвудные втулки, являясь подшипниками или корпусом для набора заливки подшипника, конструктивно выполняются в зависимости от материала подшипника.
При водяной смазке подшипников, в качестве антифрикционного применяются различные материалы: бакаут, древеснослоистый пластик (ДСП), текстолит, резина, капролон, а также ряд иностранных материалов: туфнол, лигнит и др.
Набор таких дейдвудных втулок осуществляется обычно четырьмя способами: "набор в бочку", "ласточкин хвост", с помощью крепёжных болтов (резино-металлические планки] или цельной втулкой (текстолит, капролон) (см. рис. 3.2.2.2).
При масляной смазке, в качестве антифрикционного материала применяют баббит, т.е. втулка дейдвудная заливается баббитом - "белым металлом". Однако такой тип подшипников требует уплотнения, как со стороны кормы так и со стороны носовой части, для предохранения подшипника от попадания воды в масло и для невозможности вытекания масла во внутрь судна или наружу, в воду.
Современным типом уплотнения для дейдвудного устройства является распространённый тип уплотнения "Симплекс" в довольно широком диапазоне разновидностей. Впервые этот тип уплотнения получил применение в 1948 году на гамбургской верфи "Дойче Верфт".
Кроме указанного типа уплотнения дейдвудного устройства с масляной смазкой существует целый ряд более простых но менее надёжных устройств, таких как уплотнение "Сальник Цедерваля" и др.
Со стороны машинного отделения, для защиты от проникновения воды или масла во внутрь судна также устанавливаются разные типы уплотнений. Так, уплотнение со стороны машинного отделения (носовая часть гребного вала) при водяной смазке устанавливают в виде сальника с мягкой набивкой (см. рис. 3.2.2.3). Состоит такое уплотнение из дейдвудной трубы (1), нажимного сальника (2), набивки (3). Под цифрой 4 указан гребной вал.
Что касается кормовой части дейдвудного устройства, то здесь остаётся свободный проход для воды. Вода может поступать из-за борта для смазки и охлаждения подшипников, а также вытекать - при дополнительной прокачке дейдвудных подшипников забортной водой. Обязательным условием прокачки подшипников забортной водой при давлении не менее 0.2 МПа (2,0 кгс/см 2) является установка при материале подшипников из пластических масс (капролона, новотекса и др.), а также из некоторых других материалов в зависимости от диаметра подшипника. В дейдвудных устройствах с водяной смазкой недостатком является значительный износ облицовки вала в районе сальника носового от трения набивки, а в кормовой части износ подшипников, а также и повреждение облицовки вала от попадания в воду (снаружи) механических взвешенных частей, особенно на мелководье.
При масляной смазке гребной вал работает в основном в условиях жидкостного трения, износ при работе вала бывает незначителен и наличие устойчивого масляного клина даёт возможность работать гребному устройству без разборки 4-6 лет., в то время когда износ неметаллических подшипников (при водяной смазке) достигает предельных величин за более короткий период эксплуатационного времени. Уплотнения типа "Симплекс" или "Симплекс-компакт" применяются более 40 лет и показали себя, в основном, как надёжные уплотнительные современные устройства. Особенно такое уплотнение получило широкое применение на крупно- и среднетоннажных судах, на судах рыбопромыслового флота.
Значительным преимуществом дейдвудного устройства с надёжной масляной смазкой является меньшая длина подшипников по сравнению с подшипниками на водяной смазке, более высокая надёжность конструкции, отсутствие дорогостоящих облицовок на гребных валах и ряд других преимуществ.
На ряде мелких судов применяют более упрощённое уплотнение, такое например как уплотнение типа "Цедерваля" и др. (см. рис. 3.2.2.4)
В таком уплотнении непроницаемость достигается за счёт плотного прилегания прижимного кольца и притёртого кольцевого подшипника залитого белым металлом. Прижатие колец подшипников достигается за счёт сжатой пружины - тип "а" или сжатым резиновым кольцом - тип "б". Такие уплотнения применяются на малых судах.
Последнее время они всё меньше и меньше стали применяться ввиду нарушения экологической среды - всё же значительная часть масла вытекает, засоряя акватории, т.к. давление масла всегда должно превышать несколько давление воды создаваемое статическим столбом воды над дейдвудным устройством. А на волнении возможно также попадание воды в подшипник дейдвуда.
Этим недостатком не обладает современный тип уплотнения "Симплекс" (см. рис. 3.2.2.5; 3.2.2.6)
На рисунке 3.2.2.5 показаны кормовой и носовой сальник типа "Симплекс-компакт" типоразмера 670 фирмы "Вокеша-Лилс БВ".
На рисунке 3.2.2.6 показаны кормовой и носовой сальники типа "Симплекс" советского производства.
На рисунке 3.2.2.7 показана уплотнительная манжета сальника типа "Симплекс".
В зависимости от диаметра втулки, надетой на гребной вал и прикрепленной к ступиц гребного винта определяется предварительный натяг манжет, изготовленных из специальной маслостойкой, термостойкой и износоустойчивой резины на основе синтетического каучука.
Для замера просадки гребного вала в кормовом дейдвудном подшипнике служит прибор ("замерник"), показанный на рис. 3.2.2.6 (пункт (1), который вставляется в специальное peзьбовое отверстие на сальнике.
3.2.3. Классификация, геометрия и конструкция гребных винтов и крыльчатых движителей
Гребные винты можно разделить на два основных типа: винты фиксированного шага и гребные винты регулируемого шага.
Винты фиксированного шага по конструкции можно разделить на два подтипа:
винты фиксированного шага цельнолитые
винты фиксированного шага со съёмными лопастями.
В соответствии со стандартом на изготовление гребных винтов для судов гражданского флота гребные винты по качеству изготовления разделяют на два класса: высший и обычный.
Гребные винты высшего класса обладают более высокой степенью чистоты поверхности, большей точностью размеров, формы и массы; а также более высокой стойкостью против коррозии и эрозии.
Гребные винты состоят из ступицы и лопастей. Ступицы бывают цилиндрические и квадратные, конусные и обтекаемые. Число лопастей обычно может составлять от 2 до 6.
2-х лопастные винты обычно применяют у лодок, шлюпок, на парусномоторных судах. 5-ти лопастные винты чаще применяют у крупных судов, во избежание вибрации. 6-ти лопастные винты применяют довольно редко на крупных судах. Оптимальное число лопастей определяется специальным расчётом. По направлению вращения винты подразделяются на винты левого и правого вращения. В сечении лопасти бывают различных профилей (см. рис. 3.2.3.1).
По форме контуров спрямлённой поверхности гребные винты могут быть симметричной и несимметричной формы (см. рис. 3.2.3.2).
Конструкция гребных винтов зависит от его назначения, способа изготовления, материала, формы профиля, сечения лопастей, числа лопастей, соответствия винта корпусу судна и механической установке.
По назначению винты могут быть изготовлены как для скоростных судов, которым необходимо создавать судну определённую скорость, так и для буксирных или буксирующих судов, которым необходимо создавать определённый упор винта или тяговое усилие (буксир-ледоколы, толкачи и т.п.)
Крыльчатые движители и движительные колонки применение нашли на целом ряде судов, особенно на буксирах, паромах, плавкранах и подобных судах.
Крыльчатый движитель даёт возможность судну перемещаться в любом направлении и объединяет в себе редуктор, собственно движитель, рулевое устройство, дейдвудное устройство и упорный подшипник.
На рисунке 3.2.3.3 показана схема крыльчатого движителя (КД).
Недостатком такого движителя является значительная осадка за счёт выступающих в днище лопастей КД, опасность их повреждения на мелководье. Работа движительной колонки, как и ее конструкция, связаны с вращением гребного винта, получающего вращение от вала не проходящего через дейдвуд и через передачу, напоминающую подвесные моторы (на шлюпках, лодках).
3.2.4- Материалы гребных винтов и крыльчатых движителей
Жизненно важным условием безаварийной и длительной эксплуатации судов являются живучесть, стойкость и надёжность движителей судна.
Гребные винты, в зависимости от класса - высший или обычный, применяемые для гражданских судов, изготовляются из того либо иного материала. Так, в качестве материала гребных винтов применяют чугун, углеродистую сталь, нержавеющую сталь, железо- марганцевистую латунь, алюминиевую латунь, бронзы, марганцевисто-алюминиевые, никель-алюминиевые бронзы, высоко-марганцевистые бронзы, специальные медно-никелевые сплавы, пластмассы и др.
Чугун - применяется для гребных винтов обычного класса, бывает с шаровидным графитом, высокопрочный чугун (ВЧ) с пластинчатым графитом (серый чугун - СЧ).
Преимуществом чугунных гребных винтов является их низкая стоимость и несложная технология отливки. У высокопрочных чугунов большая коррозионная стойкость.
Недостатком является их хрупкость, низкая прочность, при ударах о подводные препятствия лопасти отламываются. Последнее время чугунные гребные винты почти не находят применения.
Сталь - применяется для гребных винтов обычного и высшего класса в зависимости от категории стали.
Для винтов обычного класса применяются углеродистые стали. Регистр не рекомендует применение углеродистой стали для судов ледового плавания для гребных винтов. Допускается применение высоколегированных и низколегированных сталей, имеющих механические свойства и химический состав в пределах требуемых Правилами Регистра.
Нержавеющая сталь. Применение нержавеющих сталей для гребных винтов обычного и высшего класса даёт существенное повышение коррозионной и эрозионной стойкости, а также механических свойств для винтов обычного класса взамен углеродистых сталей. А для винтов высшего класса взамен сплавов цветных дефицитных металлов и также с целью повышения механической прочности.
Гребные винты из нержавеющей стали стойки против коррозии и эрозии, стойки против коррозионного растрескивания, против кавитационного разрушения. Обработка механическая гребных винтов из нержавеющей стали сопряжена с большими трудностями, чем механическая обработка винтов из углеродистой стали или медных сплавов.
Цветные сплавы. Подавляющее большинство гребных винтов высшего класса изготовляется из цветных сплавов на базе меди. Гребные винты из цветных сплавов имеют ряд преимуществ перед винтами из других материалов, особенно перед винтами из углеродистой стали. Они обладают большой коррозионной стойкостью, лучше обрабатываются, обладают хорошими литейными качествами, хорошей поверхностью. Однако большой расход цветных дорогостоящих металлов, недостаточная прочность, высокая стоимость изготовления и склонность к коррозионным растрескиваниям приводят к необходимости поисков новых сплавов, исключающих указанные недостатки.
К современному изготовлению гребных винтов предъявляются повышенные требования не только к качеству изготовления винтов, но особое внимание уделяется выбору материалов для изготовления винтов Опыт эксплуатации гребных винтов, изготовленных из никель-алюминиевых бронз показал, что такие бронзы обладают целым рядом преимуществ перед латунями так как латунные винты склонны к обесцинкованию и, следствием этого, является их коррозионное растрескивание в морской воде и коррозионно-усталостное разрушение.
Применение специальных алюминиевых бронз освобождает гребные винты от указанных (для специальных латунных винтов) недостатков. Применение легированных алюминиевых бронз типа "Новостон", "Нивелит", "Суперстон", "Никалиум", "Куниал" и других показало их повышенную износостойкость. Однако все гребные винты из цветных сплавов имеют один серьёзный недостаток - применение дорогостоящих дефицитных материалов.
Пластмассы. Последние годы определённое применение получили пластические массы (нейлон, стеклопластик и другие) для изготовления небольших гребных винтов (диаметром 1,2-2-2,5 м). Цельнолитые пластмассовые гребные винты в определённой степени не уступают латунным. Но пока промышленность изготовляет их небольших размеров и в небольшом количестве.
Пластмассовые винты в 3-4 раза легче металлических, обладают хорошей стойкостью против коррозии и кавитации, хорошими демпфирующими свойствами, предохраняя гребной вал от поломок при ударе лопастей о твёрдое препятствие.
Изготовляют гребные винты также из металлической ступицы со съёмными пластмассовыми лопастями. Некоторые фирмы начали изготовлять винты с окантованными металлосъёмными пластмассовыми лопастями.
Некоторые пластмассовые винты на армируют стеклотканью, что придаёт им повышенную ударостойкость кромок лопастей.
В качестве связующих используют низковязкие эпоксидные компаунды.
Пластмассовые винты изготовляют в специальных формах при высоком давлении (до 75-80 атм). После изготовления винты из пластмасс не требуют дополнительной механической обработки и полировки лопастей.
Гребные винты движительных колонок изготовляются обычного класса, реже высшего класса. Следовательно, материал для изготовления применяется как y для гребных винтов, устанавливаемых на судах с классическим вариантом гребного устройства.
Для крыльчатых движителей применяются материалы, выдерживающие не только нагрузки от нагнетания и засасывания воды, но и испытывающие большие нагрузки от изгиба. Обычно применяется материал - хромистая сталь или применяют специальные сплавы по техническим условиям.
3.2.5. Способы крепления гребных винтов.
Передача крутящего момента от двигателя на движитель осуществляется с помощью валопривода при классической схеме, в отличие от передач на крыльчатый движитель, на гребное колесо и т.д.
От надёжного соединения гребного винта на валу зависит безаварийная работа судна. Посадка гребного винта, в основном, на валу коническая. Правилами Регистра предусматривается конусность гребного вала при применении шпонки 1:12, а при бесшпоночном соединении – 1:15 при применении концевой гайки и 1:50 при применении для бесшпоночного соединения посадки без концевой гайки.
Гребной вал испытывает напряжение не только от передачи крутящего момента от двигателя, но и от изгибающего момента, создаваемого весом гребного винта, а также от циклической нагрузки на винт, создаваемой штормовыми условиями.
Таким образом, и винт и вал работают в тяжёлых условиях. Все эти условия и сам характер эксплуатации определяют возникающие повреждения как гребных винтов так и гребных валов. Соединение винтов с гребным валом при шпоночной посадке создавало много неприятностей, выражавшихся в появлении трещин в местах окончания шпоночного паза на валу у большого конуса. Эти дефекты привели к тому, что сейчас шпоночный паз выполняется в окончании в виде "ложки" и называется ложкообразное окончание шпоночного паза (см. рис. 3.2.5.1)
Конструктивное исполнение соединения гребного винта с гребным валом на шпонке, из-за появления трещин усталостного характера не удовлетворяет современным требованиям. Поэтому все большее количество фирм и предприятий переходят на бесшпоночное соединение гребных винтов с гребным валом, что обеспечивает снижение уровня концентрации напряжений. Однако применение бесшпоночных соединений требует не только лучшей, более точной обработки конусов, но и требует определённых условий натяга гребного винта на конус гребного вала по сравнению с натягом для соединения со шпонкой.
Степень натяга и осевого перемещения зависит от целого ряда факторов - от материала, от контактного давления на сопрягаемых поверхностях винта и вала, от диаметра конуса вала, а для винтов, изготовленных на медной основе, большое влияние оказывает и температура окружающей среды.
Для снижения напряжений в конусном соединении, для уменьшения образования усталостных трещин на валах многие заводы и фирмы предлагают различные способы соединения гребного винта с гребным валом.
Так классическое (или обыкновенное) соединение гребного винта с гребным валом показано на рис. 3.2.5.2
Здесь осевое обжатие колец, создаваемое затяжкой гайки, вызывает упругую деформацию внутренних и наружных колец в противоположных радиальных направлениях. Кольца после смещения по конической поверхности относительно друг друга обжимают вал и винт. Силы трения, возникающие под действием радиальных усилий между коническими поверхностями колец, передают значительные крутящие моменты. Таким образом, можно передать большие мощности силовой установки на движитель крупного современного судна.
Некоторые заводы начали применять эластомер (ГЭН-150(В) для защиты конического соединения от фреттинг-коррозии (места повышенного циклического контакта двух сопряжённых деталей). Процесс фреттинг-коррозии - это взаимодействие продуктов износа от контактно-циклического трения с окружающей средой двух сопряжённых деталей.
Перспективным методом для бесшпоночного соединения гребного винта с гребным валом может оказаться применение насадки винта на вал с использованием эпоксидно-полимерного клея (ЭП-1) (см. рис. 3.2.5.4.)
Определённый интерес представляет установка гребного винта на гребной вал на промежуточной чугунной втулке (см. рис. 3.2.5,5). Установка гребного винта на гребном валу при помощи конусной чугунной втулки, запрессованной в ступицу винта, имеет целый ряд преимуществ, особенно для винтов из цветных сплавов - латуни и бронзы. Чугунную втулку в ступицу винта можно посадить горячей посадкой. В этом случае, при охлаждении посаженной втулки из чугуна из-за значительной разницы коэффициента расширения чугуна и цветного металла, натяг посадки сохранится при любых температурных изменениях среды. А вследствие более высокого коэффициента трения пары сталь (вал) - чугун (втулка), нежели пары - сталь (вал) - бронза (винт) или латунь, то возникает возможность передачи большего крутящего момента на валу при том же натяге, при посадке.
Многие фирмы пытаются применить целый ряд новых способов соединения гребного винта с валом. Существует гребной вал с утолщенной частью в районе ступицы (рис. 3.2.5.6)
Вал для гребного винта "тандем" (рис. 3.2.5.7), существует фланцевое соединение гребного винта с валом. Ряд конструктивных исполнений предусматривает снижение изгибающего момента. Применяется гребной вал с цельнокованной ступицей и съёмными лопастями, (рис. 3.2.5.8).
Стопорение и крепление гребного винта на валу осуществляется концевой гайкой. Для крепления, а также для насадки гребного винта на вал применяются различные типы гаек. Момент затяжки гаек регламентируется нормативными документами. Затяжка концевой гайки осуществляется определённым моментом, зависящим от размеров винта, вала, передаваемой мощности, способа насадки гребного винта на вал, шпоночное или бесшпоночное соединение и т.д.
После насадки гребного винта на конус гребного вала (после обеспечения требуемого осевого перемещения, которое регламентирует качество посадки - соединения сопрягаемых деталей) навинчивается концевая гайка до упора в ступицу винта и с помощью ключа под гайку осуществляется затяжка за счёт создаваемого момента плечом ключа и усилием, прилагаемым к ключу. Обычно, на средних и крупных судах усилие создаётся талями.
После затяжки гайка должна плотно прилегать к торцевой поверхности ступицы гребного винта. Допускается зазор в 0,05 мм до 0,1 мм между торцом гайки и ступицей винта на длине не более 2/3 периметра гайки. Обычно момент затяжки гайки не превышает 20-30 КНм (2-3 тс. м).
Для обеспечения надёжной работы соединения насадку гребного винта на конус гребного вала выполняют с обеспечением определённого натяга.
Существует, в основном, два способа посадки и создания натяга в соединении: гидропрессовый с затяжкой гайки, либо напрессовки винта на конус с помощью клиньев (винтов) т.п.
При выборе величины натяга, что определяется осевым перемещением винта по конусу вала, для гребных винтов большое влияние оказывает температурное воздействие, особенно для гребных винтов из цветных сплавов.
Гидропрессовый способ предусматривает специальную оснастку и подготовку гребного винта под такой способ посадки. Здесь необходим домкрат, обычно гидравлический, насос, подающий в разъём между ступицей гребного винта и конусом гребного вала масло (рис.3.2.5.9).
После монтажа гребного винта на гребной вал со стороны кормовой части устанавливается кольцевой гидравлический домкрат и крепится специальной гайкой на хвостовике гребного вала. После установки нулевого положения гребного винта масло под расчётным давлением подаётся в разъём между ступицей гребного винта и конусом гребного вала, что как "раздвигает" ступицу и после этого подаётся масло под определённым давлением в домкрат. Таким образом, ступица перемещается в сторону носовой части по конусу вала.
Стопорение и крепление гребного винта на валу осуществляется концевой гайкой. Для крепления, а также для насадки гребного винта на вал применяются различные типы гаек. Момент затяжки гаек регламентируется нормативными документами. Затяжка концевой гайки осуществляется определённым моментом, зависящим от размеров винта, вала, передаваемой мощности, способа насадки гребного винта на вал. шпоночное или бесшпоночное соединение и т.д.
После монтажа гребного винта на гребной вал со стороны кормовой части устанавливаем ся кольцевой гидравлический домкрат и крепится специальной гайкой на хвостовике гребного вала. После установки нулевого положения гребного винта масло под расчётным давление! подаётся в разъём между ступицей гребного винта и конусом гребного вала, что как i "раздвигает" ступицу и после этого подаётся масло под определённым давлением в домкрат. Таким образом ступица перемещается в сторону носовой части по конусу вала.
Это перемещение контролируется, оно расчётное, рассчитывается для каждого типового винта, вала, а также в зависимости от шпоночного или бесшпоночного соединения винта с валом. После перемещения винта на нужную величину давление из полости ступицы снимается, винт плотно "обжимает" конус гребного вала, после чего снимается давление с домкрата и наворачивается концевая гайка. Иногда вместо домкрата применяется специальная ганка-домкрат.
При обжатии винта не гидропрессовым способом, а с помощью гайки, клиньев и т.п., то перемещение гребного винта по конусу вала может осуществляться нагревом ступицы винта и обжатием гайки и т.п. методом.
Для крупных современных судов всё чаще используется гидропрессовый способ посадки винта на вал.
После затяжки концевой гайки она обязательно стопорится относительно ступицы гребного винта.
Все ступицы гребных винтов имеют специальное отверстие для заполнения свободных полостей между ступицей и конусом вала инертной массой в отношении коррозии. Такой же массой заполняется и полость под обтекателем, который прикрывает гайку и является как бы продолжением ступицы винта (см. рис. 3.2.5.10)
В качестве инертной массы применяется смазка ПВК, либо пушечная смазка, подаваемая при температуре 70-80 о С, через отверстие в ступице.
Обтекатель крепится к ступице винта болтами, которые должны быть застопорены от самоотдачи. Стопорение осуществляется шплинтовкой или с помощью контргаек. Весь крепёж уплотнений должен быть надёжно застопорен от самоотдачи.
Устанавливаемый обтекатель не только придаёт ступице обтекаемую форму, но также защищает концевую гайку от проникновения воды и образования коррозии на резьбохвостовике гребного вала. Герметизация достигается за счёт уплотнения соединения обтекателя и торцевой кормовой части ступицы винта. На обтекателе делается буртик, входящий в углубление на ступице с установленной резиновой прокладкой. Полость обтекателя заполняется смазкой ПВК или пушечной смазкой подогретой до 70-80°С через специальные отверстия, впоследствии закрываемые пробкой (также как и полость ступицы) (см. рис. 3.2.5.П).
Со стороны носовой части ступицы также предусматривается специальное уплотнение.
Такие уплотнения предохраняют поверхности конусов гребного вала и винта от попадания морской воды, а также создают герметичность при гидропрессовой посадке гребного винта на вал.
Типов уплотнений большое многообразие (см. рис.3.2.5.12 А, Б, В, Г, Д, Е).
В зависимости от конструкции гребного устройства, дейдвудного устройства Регистр требует предъявления в разобранном виде этих устройств для осмотра с определённой периодичностью.
Осматривается гребной вал, подшипники, замеряются зазоры в подшипниках, замеряется износ в трущихся деталях. Ступица ВРШ должна быть вскрыта. Периодичность разборки следующая: для валов со сплошной облицовкой или масляной смазкой в дейдв; выемка гребного вала с детальным предъявлением подшипников, снятие винта с конуса вала; для пассажирских судов и судов, выполняющих ледокольные работы и систематически плавающих в ледовых условиях - в 3 года один раз, для всех остальных судов - один раз в 4 года и более.
Если облицовки вала составные - не сплошные и при водяной смазке –один раз в 2 года. Инспектор Регистра проверяет работу гребного устройства на швартовных и ходовых испытаниях.
Гребной вал и его работа
Спортивные, учебные и гоночные моторные суда имеют в качестве движителей почти исключительно гребные винты. Назначение движителя - создание за счет энергии (мощности), получаемой от двигателя, упорного давления (упора), преодолевающего сопротивление воды движению судна.
Гребной винт представляет собой реактивный движитель, поскольку развиваемый им упор создается реакцией масс воды, отбрасываемых гребным винтом в направлении, противоположном направлению движения судна.
Конструктивно гребной винт (рис. 144) состоит из ступицы 1 и
расположенных на ней лопастей 2. Та часть лопасти, которая соединяется
со ступицей, называется корнем лопасти.
Рис. 143. Валопроводы катеров: А - Валопровод быстроходного катера с кронштейном гребного вала: 1 -полумуфта для присоединения гребного вала к выходному валу двигателя; 2-гребной вал; 3-кронштейн гребного вала; 4-гребной винт; .5-обтекатель гребного винта; 6-дейдвудная труба; 7-дюритовое соединение; 8-сальник дейдвуда; 9- втулка сальника; 10-пружина сальника; 11 -кронштейн для крепления сальника; 12-грундбукса; 13-фланец выходного валаБ - Валопровод тихоходного катера с опорами гребного вала в дейдвудекорпуса катера: 1 -гребной вал; 2-сальник дейдвуда; 3-дейдвудная труба; 4-гребной винт; 5- обтекатель; 6 -резиновые подшипники; 7-шпора
Рис. 144. Типы катерных гребных винтов и сечения их лопастей:а-сегментная форма; б-авиационная (каплевидная) форма
Поверхность лопасти 3 обращенную вперед к носу судна, называют засасывающей. Противоположная, обращенная назад, поверхность 4 лопасти называется нагнетающей. Заостренная грань сопряжения этих двух поверхностей, являющаяся контуром лопасти, носит название кромки лопасти. Входящей кромкой называется кромка, направленная в сторону перемещения лопасти при вращении винта. Противоположную кромку называют выходящей.
Поверхности лопастей образованы из винтовых поверхностей более или менее сложной конфигурации.
К основным геометрическим характеристикам гребных винтов относятся: диаметр винта, шаг винта, число лопастей, направление вращения, ширина лопасти, площадь лопастей, форма и толщина сечения лопастей, диаметр ступицы.
Диаметром гребного винта называется диаметр окружности, описываемой теми точками кромок лопастей винта, которые наиболее удалены от оси вращения винта.
Шагом гребного винта называется путь, на который продвинулся бы гребной винт за один оборот, если бы он вращался не в воде, а в жесткой гайке.
Многие гребные винты имеют шаг, различный в разных участках лопасти. У таких винтов основной характеристикой принято считать некоторый средний шаг, например измеряемый на радиусе, равном 0,7 полного радиуса винта.
Число лопастей у гребных винтов, применяемых на спортивных моторных судах, обычно 2 или 3, иногда их бывает 4.
Гребные винты делятся на правые и левые - по направлению вращения. Правым называется винт, который вращается на переднем ходу по часовой стрелке, если смотреть на винт с кормы в нос судна. Гребной винт, который в этих же условиях вращается против часовой стрелки, называется левым.
Рис. 145. Проектирование лопастей винта на плоскость
Ширина лопасти измеряется от входящей до выходящей кромки лопасти на одном и том же радиусе. Основной характеристикой ширины лопасти обычно принимают ширину, измеренную на радиусе, равном 0,7 полного радиуса винта.
Для характеристики гребного винта и его работы большое значение имеет также дисковое отношение, т. е. отношение площади проекции всех лопастей винта на плоскость, перпендикулярную оси вращения гребного винта (рис. 145), к площади диска, отметаемого винтом, т. е. площади окружности диаметра, равного диаметру гребного винта.
Сечения лопастей гребных винтов имеют форму круговых сегментов или форму сечений самолетного крыла (авиационные профили) или специальные клиновидные профили, применяемые для винтов особо быстроходных, гоночных мотосудов с весьма высокими числами оборотов гребного вала.
Наибольшая толщина сегментного профиля находится на 1/4 ширины сечения; у авиационных профилей наибольшая толщина располагается на расстоянии около 1/3 ширины сечения от входящей кромки; у клиновидных профилей наибольшая толщина смещена к выходящей кромке лопасти.
Кроме формы (профиля) сечения лопасти, для характеристики существенна ее относительная толщина, т. е. отношение наибольшей толщины профиля лопасти к ширине. Для обеспечения прочности лопасти относительная толщина ее профиля делается наибольшей у корня (до 0,2-0,25) и уменьшается к концу лопасти до полного заострения, т. е. до абсолютной величины 0,02-0,05 мм.
Диаметр ступицы гребного винта обычно находится в пределах 1,8-2,0 диаметров гребного вала, но одновременно не должен превышать 0,15-0,20 диаметра гребного винта.
Гребной винт при работе по созданию упора полезно преобразует в упор лишь часть энергии, получаемой от двигателя. Это неизбежно связано с бесполезной затратой энергии на закручивание потока, трение, образование вихрей, сбегающих с концов лопастей, и т. д. В связи с этим мощность работающего на гребной винт двигателя моторного судна всегда больше той полезной мощности, которую гребной винт отдает на движение судна.
Отношение полезной мощности, которую гребной винт отдает в виде упора, двигающего судно, к мощности двигателя, передаваемой через гребной вал на вращение гребного винта, представляет собой основную характеристику качества работы (эффективности) гребного винта. Это отношение называется коэффициентом полезного действия (КПД) гребного винта.
У самых лучших гребных винтов коэффициент полезного действия не превосходит величины 0,65-0,75, т. е. по меньшей мере 1/3 мощности двигателя судна бесполезно утрачивается. Однако у многих гребных винтов, которые могут считаться удовлетворительными, величина потерь близка к половине мощности, затрачиваемой двигателем на вращение винта.
Величина КПД гребного винта зависит главным образом от расчетного выбора оптимальных (наивыгоднейших) соотношений между мощностью двигателя, числом оборотов гребного винта, геометрическими характеристиками винта (диаметром, шагом и площадью лопастей) и скоростью хода моторного судна, максимально достижимой судном с заданным или выбранным двигателем.
Расчет таких оптимальных соотношений для гребного винта представляет собой задачу довольно значительной трудности. Кроме того, для ее решения необходимо знание таких величин, как, например, сопротивление воды движению судна на различных скоростях, влияние корпуса судна на характеристики потока, набегающего на гребной винт, и т. д.
Практически при постройке спортивных мотосудов собственными силами спортсменов или отдельных коллективов получение таких данных является обычно невозможным. В этих случаях расчет гребных винтов для туристских и спортивных моторных судов выполняется упрощенными, приближенными методами.
На туристских катерах со скоростью хода до 15-20 км/час лучшие результаты дает установка гребных винтов с числом оборотов 600-1200 в минуту. Нижний предел указанного числа оборотов применяют для гребных винтов катеров с меньшими скоростями или для относительно больших катеров с более мощными двигателями, для которых нужны гребные винты больших диаметров.
На спортивных катерах средней мощности (25-70 л. с.) со скоростью хода 30-50 км/час целесообразно иметь число оборотов гребного вала в пределах 2000-3000 в минуту. При этом пределы выгоднейших чисел оборотов при прочих равных условиях уменьшаются с уменьшением скорости и увеличением мощности.
Оптимальные числа оборотов гребных винтов для весьма быстроходных гоночных моторных судов со скоростями 70 км/час и выше достигают 4000-5000 оборотов в минуту, а иногда оказываются даже более высокими.
Весьма многооборотные гребные винты наиболее быстроходных, гоночных, мотосудов работают в особых условиях, характеризуемых наличием кавитации - вскипания воды на передней (обращенной к носу судна), засасывающей поверхности лопастей. При этом вода как бы отрывается от поверхности лопастей, образуя пузыри, пустоты ("каверны"), ухудшающие работу винта, нередко разрушающие лопасти и приводящие их к эрозионному износу. Именно для борьбы с кавитацией и ее последствиями применяются лопасти с клиновидным сечением.
Если представить себе, что гребной винт вращается не в воде, а в твердой среде, как болт в гайке, то очевидно, что за один оборот он передвинулся бы на величину геометрического шага винта Н. Но в реальных условиях гребной винт вращается в жидкой податливой среде - воде, перемещаясь за один оборот на меньшее расстояние Л, которое называется поступью гребного винта. Разность между геометрическим шагом винта и поступью Н-h называется путем скольжения.
Путь скольжения Н-h, отнесенный к геометрическому шагу винта H , называется коэффициентом скольжения S = (Н-h)/H
Очевидно, что скорость судна v = h* n, где n - число оборотов гребного винта. Приведенное выше выражение для коэффициента скольжения 5 может быть легко преобразовано в болееудобное S =1-V/Hh ,где связаны легко измеряемые величины:
Скорость хода судна, число оборотов и геометрический шаг гребного винта. Для гребных винтов спортивных и туристских мотосудов величина S обычно находится в пределах 0,1-0,2, причем большая величина S относится к более тихоходным судам.
Имея расчетную (ожидаемую) скорость хода мотосудна и число оборотов гребного вала и задавшись величиной S, можно, преобразовав приведенное выше выражение, получить приближенно величину геометрического шага винта:
H=v/n/(1-S) , где
Н - шаг винта в м,
V -скорость хода судна в м/сек,
П -число оборотов винта в секунду,
S - относительное скольжение (коэффициент скольжения).
Понятно, что такое определение величины шага винта является приближенным и не может считаться расчетом этой важнейшей характеристики гребного винта.
Диаметр винта D, в общем, увеличивается с увеличением мощности двигателя и уменьшается с увеличением числа оборотов гребного винта. Величина шага гребного винта должна
Лежать в пределах от 0,8 до 2 D. Величина, называемая шаговым отношением, у гребных винтов спортивных и туристских мотосудов равна 0,8-2^2. При этом винты быстроходных спортивных и гоночных мотосудов имеют шаговое отношение более высокое, чем гребные винты относительно тихоходных туристских или прогулочных мотосудов.
Какого-либо простого соотношения между диаметром гребного винта, его числом оборотов и мощностью двигателя, работающего на винт, не может быть установлено, но для предварительной, весьма приближенной, оценки диаметра гребного винта (трехлопастного) при известной мощности двигателя и известном числе оборотов в минуту, с которым будет вращаться гребной винт, можно воспользоваться графиком, приведенным на рис. 146.
Для определения диаметра винта по этому графику следует найти на нижней, горизонтальной, линии число, соответствующее числу оборотов гребного винта, и, двигаясь от этой точки вертикально вверх, найти точку пересечения вертикальной линии с наклонной линией, на которой указано число, соответствующее мощности двигателя. Проводя через эту точку горизонтальную линию до крайней левой или правой вертикальной линии, ограничивающей график, находят па них число, показывающее диаметр гребного винта. На рис. 146 дан пример определения диаметра гребного винта для моторного судна, имеющего двигатель мощностью 30 л. е., вращающий гребной винт с числом оборотов, равным 1200 в минуту.
При этом искомый диаметр гребного винта получится равным 425 мм.
Изготовляются гребные винты из чугуна, латуни, бронзы, алюминия, стали и пластмасс.
На спортивных мотосудах чугунные гребные винты применяются весьма редко. Лучше всего отливать гребные винты из прочных марок латуни, так как латунь легко отливается в форму, не корродирует в морской воде, легко обрабатывается и полируется, хорошо сохраняя полировку, что очень важно для гребных винтов быстроходных мотосудов.
Рис. 146. График для определения диаметра гребного винта
На спортивных мотосудах с двигателями относительно малой мощности и на подвесных лодочных моторах часто устанавливают гребные винты из алюминия. При этом сечении лопасти у корня делают относительно более толстыми, чем у таких же латунных винтов. Алюминиевые гребные винты просты в отливке и легко обрабатываются. Литые стальные гребные винты на спортивных мотосудах не используются из-за трудности их изготовления. Некоторое применение на таких судах находят сварные стальные гребные винты, ступицы которых вытачиваются из стальной поковки. Лопасти вырезают из листовой стали, кромки лопастей заостряют. Затем лопасти изгибают по шаблонам. Заготовки лопастей приваривают к ступице, после чего опиливают и выверяют.
Часто возникает необходимость в обмере изготовленного гребного винта, например, для установления его характеристик, проверки равенства шага каждой из лопастей и т. д. Делается это следующим образом (рис. 147).
Подлежащий обмеру гребной винт помещают строго горизонтально на чертежную доску или ровный лист фанеры, так, чтобы ось ступицы винта точно совпала с центром предварительно начерченной на доске окружности, имеющей диаметр около 0,7 диаметра обмеряемого гребного винта. Затем измеряют угольниками, как показано.на рисунке, высоты а и b кромок лопасти в точках, лежащих точно над начерченной на доске окружностью. При этом на упомянутой окружности отмечают точки А и В, от которых измеряли высоты а и Ь.
Рис. 147. Измерение шага готового гребного винта.
Далее винт снимают с доски, прочерчивают на ней центральный угол а и измеряют транспортиром величину этого угла в градусах. По полученным величинам а, а и в вычисляют шаг гребного винта (для обмеряемой лопасти) по формуле:
И H=360*(a-b)/a , где а
Н-шаг винта (лопасти),
А - высота кромки лопасти от поверхности доски (большая),
В - высота кромки лопасти от поверхности доски (меньшая),
А - величина угла АОВ в градусах.
Следует отметить, что величина шага отдельных лопастей гребного винта не должна отличаться более чем на 0,01 величины шага Н.
Кроме описанных выше обычных гребных винтов с неизменяемым (фиксированным) шагом, в судостроении получают все более и более широкое распространение винты регулируемого шага (ВРШ).
На катерах в настоящее время ВРШ применяются относительно редко, но в дальнейшем можно ожидать большое их распространение, так как, изменяя положение лопастей, можно получать передний и задний ход судна, а также останавливать судно, не реверсируя двигателя. Кроме того, изменяя величину шага, можно обеспечить выгоднейшие условия работы гребного винта для различных случаев нагрузки, скорости хода и т. д. Несложная конструкция винта регулируемого шага для катера показана на рис. 148. Она состоит из устройства, непосредственно передающего усилие от вращения маховика управления 1 механизму 2, в ступице винта, которым осуществляется поворот лопастей 3 при продольном перемещении штанги 4, проходящей внутри сверления полого гребного вала. Слева внизу показано положение "верхней" лопасти при переднем ходе (п. х.), заднем ходе (з. х.) и правом вращении гребного вала. Такая конструкция может применяться на небольших и средних катерах с двигателями мощностью до 70-100 л. с. и с относительно небольшой скоростью (до 20-25 км/час).
Рис. 148. Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) для катера
Более совершенные ВРШ, у которых поворот лопастей осуществляется гидравлическим или механическим приводом с управлением электродвигателем или за счет отбора мощности от гребного вала, могут применяться на катерах всех типов и скоростей Хода, кроме особо быстроходных (гоночных), где использовать BPLL1 нет необходимости, так как из-за увеличенного диаметра ступицы КПД таких винтов все же несколько ниже КПД обычного винта, специально рассчитанного на один режим максимальной скорости.
Двигатель устанавливается на фундамент, представляющий собой систему продольных и поперечных балок, надежно прикрепленных к набору судна. С одним из вариантов такой конструкции, рассчитанной на установку двигателя весом до 350 кг, можно ознакомиться по чертежам катера «Суперкосатка» (см. стр. 187). Конструкция этого фундамента предназначена для размещения двигателя в корме, у самого транца судна. Такая планировка привлекательна тем, что механическая установка, во-первых, занимает минимум полезного места, а во-вторых, в пассажирском помещении в меньшей степени ощущаются и шум от ее работы, и запах бензина и масла. Плохо то, что в этом случае никак не обойтись без реверсредуктора или угловой колонки, приобрести которые в настоящее время можно только случайно, а изготовить самим довольно сложно. С простейши ми конструкциями этих устройств мы познакомимся ниже, а сейчас рассмотрим более доступный для любительского исполнения вариант крепления двигателя, при котором гребной вал соединен с двигателем напрямую.
С конкретной конструкцией фундамента можно ознакомиться по чертежам катера «Тюлень» (см. стр. 196). Фундамент этого катера принципиально не отличается от фундамента катера «Суперкосатка». Наибольшее применение прямое соединение двигателя с гребным валом находит на водоизмещающих катерах и яхтах. На судах этого типа двигатель располагается на уровне ватерлинии либо даже ниже ее. Гребной вал благодаря этому можно установить горизонтально либо с незначительным уклоном в корму и пропустить прямо через ахтерштевень. Не представляет трудности выбрать и место для двигателя: его можно расположить в любой точке по длине судна, сообразуясь с требованиями планировки помещений и центровки.
Другое дело, если речь идет о глиссирующем судне. Чтобы не слишком смещать двигатель в нос (это неприемлемо по условиям центровки), приходится устанавливать гребной вал с изломом в вертикальной плоскости. Такие изломы могут быть выполнены либо с помощью упругих муфт, либо за счет шарниров Гука. Эффективная работа таких соединений обеспечивается при изломе на угол, не превышающий 5-7°. Если требуется изогнуть вал под большим углом, приходится ставить два шарнира и больше.
Монтаж валопровода во всех случаях представляет собой ответственную задачу. Имеет смысл разобраться в этом поподробнее. Предварительно, однако, следует остановиться на некоторых деталях валопровода.
Одной из основных деталей валопровода является гребной вал, опорами которого служат резинометаллическая втулка (подшипник) кронштейна и упорно-опорный подшипник, установленный в месте соединения вала с двигателем или редуктором.
Резинометаллический подшипник, работающий на водяной смазке„ имеет несложную конструкцию и может быть изготовлен с помощью приспособления, показанного на рис. 148. Сначала вытачивается латунная, стальная или бронзовая втулка 3 подшипника. Внутрь ее вваривается резина 5. Для более надежного сцепления резины с металлом на втулке нужно просверлить с десяток отверстий диаметром 4 мм и раззенковать их с наружной стороны.
Для осуществления вулканизации резины нужно изготовить приспособление, которое состоит из втулки 2, предотвращающей распира-ние корпуса подшипника в момент запрессовы-вания сырой резины, донышка 4, закрывающего
подшипник снизу, и плунжера / для запрессовыва-ния резины. Сырую резину, обычно применяемую для ремонта автомобильных шин, нужно нарезать кусочками примерно 20x20 мм и набить ими втулку 3, так чтобы они немного выступали сверху. Затем втулку помещают в приспособление, которое ставят под пресс. Постепенно увеличивая давление, добиваются того, что резина заполняет все пустоты, после чего устройство ставят на варочную плиту и выдерживают на ней не менее 2,5 час. Втулка 3 должна целиком заполниться резиной. Теперь остается просверлить в ней отверстие под гребной вал, диаметром на 2 мм меньше диаметра вала. Вдоль отверстия прорезают четыре продольные канавки треугольного сечения для подтока смазывающей воды к валу.
Очень удобен для монтажа кронштейн с регулируемым наклоном оси гребного вала по отношению к днищу катера (рис. 149). Такая конструкция дает возможность точно отцентровать вал, не прибегая к клиновым прокладкам под лапы двигателя, изготовление которых требует точных фрезерных или строгальных работ. При монтаже кронштейна его основание / сначала крепят на один винт 3, относительно которого шпора 4 имеет возможность поворачиваться на некоторый угол - до точного совпадения отверстия подшипника с гребным валом. Затем ставят винты 2, просверливая отверстия для них в шпоре 4 на месте. Шпору от смещения во время эксплуатации катера предохраняет штифт 5.
Дейдвудные сальник и труба могут быть выполнены по-разному. На рис. 150, например, показана конструкция, состоящая из самоподжимного сальника 5 (рис. 151), эластично, с помощью дюритовой муфты, прикрепленного к металлическому кожуху вала, который монтируется на днище. За счет дюритового соединения компенсируются неточности монтажа вала.
Диаметр d гребного вала выбирается в зависимости от мощности N двигателя, числа его оборотов п и коэффициента В, характеризующего прочность металла на скручивание (для углеродистой стали В = 82, для легированной - 69), по формуле
Наибольший допустимый пролет гребного вала между опорами определяется в зависимости от его диаметра по формуле
При большей длине пролета необходимо устанавливать дополнительные опорные подшипники.
Для установки двигателя сначала необходимо сделать эскиз его расположения, положения вала и подшипников, по эскизу отметить точку выхода гребного вала на киле или на ахтерштевне и в этой точке просверлить центровочное отверстие под дейдвудную трубу. Чтобы не ошибиться в направлении, следует, пользуясь сделанным эскизом, прикрепить к килю кронштейн-кондуктор / (рис. 152, а) с отверстием для сверла 2. Если сверлить киль 3 придется под очень острым углом, лучше сде-
Рис. 152. Приспособление для сверления отверстия под дейдвудную трубу: а - кронштейн-кондуктор; б - расточка.
1 - направляющие крокштенн-конд! и.гор, 2 - сверло. 3 - киль с вырубкой, 4 - направляющий стержень, 5 - резец, 6"- стопорный винт.
лать в нем вырубку с таким расчетом, чтобы сверло входило в древесину под прямым углом.
Для рассверливания на полный размер используются либо специальные расточки (рис. 152, б) с направляющим стержнем по диаметру центрового отверстия, либо надетая на сверло фреза, либо труба с заточенными по торцу зубцами. Отверстие под трубу большого диаметра приходится растачивать за два и за три раза, соответственно применяя расточки все большего диаметра.
Имеется два способа монтажа гребного вала. Первый, наиболее простой, заключается в следующем. В соответствии с эскизом, по возможности точнее, устанавливается дейдвудная труба. Она и задает направление оси гребного вала. В трубу вставляется втулка опорного подшипника и дейдвудный сальник, которые и будут в дальнейшем строго фиксировать положение гребного вала.
На вставленный в дейдвудную трубу вал надевают по очереди кронштейн, опорный и упорный подшипники, следя за тем, чтобы не было провеса. Затем с использованием прокладок крепят кронштейн и подшипники так, чтобы вал легко проворачивался вручную. На балках фундамента размечают места крепления угольников под опоры двигателя. Рама двигателя должна иметь возможность перемещаться по угольникам в пределах, обеспечивающих центровку.
Соосность гребного вала и выходного вала двигателя проверяют при помощи стрелок (рис. 153, а), укрепленных на фланцах обоих
Рис. 153. Определение неточности установки гребного вала; а - смещение осей; б - излом линии вала.
валов. Сначала фланцы поворачивают так, чтобы стрелки вверху оказались на одном уровне, затем оба вала поворачивают на 180° и замеряют расстояние h между стрелками в этом положении по высоте. Замеренное расстояние и будет показывать смещение валов по вертикали, которое устраняется путем установки прокладок под лапы двигателей. Подобным же образом замеряется горизонтальное смещение / валов, которое устраняется перемещением двигателя поперек фундаментных угольников.
Теперь остается устранить возможный излом линии вала. Для этого устанавливают на одном уровне стрелки, замеряют расстояние 1г между их концами (рис. 153, б) и поворачивают валы за фланцы на 180°. Замеряют расстояние /2 между концами стрелок. Если расстояния окажутся разными, то это будет означать, что линия вала имеет излом. Излом устраняют перемещением двигателя.
Рассмотрим монтаж двигателя. Наметив отверстия в угольниках фундамента, снимают двигатель и просверливают эти отверстия. Устанавливая двигатель на свое место, надо не забыть положить все подрамные прокладки.
Поставив гайки на все болты, постепенно затягивают их, проворачивая вал и следя за тем, чтобы его не заедало.
Другим, более точным способом монтаж гребного вала осуществляется с помощью струны, которая, будучи натянутой по линии вала, определит положение его опор (рис. 154). Практически работа выполняется в следующем порядке. В отверстие под дейдвудную трубу вставляется деревянная втулка, к которой снаружи прикрепляется металлическая пластинка (дейдвудная мишенька) с центровочным отверстием диаметром 3 мм, которое является первой контрольной точкой. По эскизу находится вторая контрольная точка - на носовой переборке 7 машинного отделения либо на временно установленной доске. В этой точке также крепится металлическая пластинка (монтажная мишенька) с отверстием 1 мм. Для определения места крепления кронштейна гребного вала нужно установить еще одну мишеньку (мишеньку /) в самой кормовой части корпуса - на транце или ахтерштевне. В отличие от двух пречыду-
щих, эта мишенька подвижная, она представляет собой тонкую металлическую пластинку с миллиметровым отверстием в центре и четырьмя отверстиями по углам для крепления гвоздиками по месту. Устанавливается эта мишенька при помощи монтажного щита 2, который крепится на транце так, чтобы плоскость его была перпендикулярна оси вала. В месте установки мишеньки в щите выпиливается отверстие диаметром 75 мм.
Струну пропускают через отверстие в подвижной мишеньке и в кормовом щите, а чтобы она не выскакивала, на конце ее привязывают гвоздь. Далее струна протягивается через кронштейн с вставленным в него макетным валиком (рис. 155), дейдвуд и носовую мишеньку. За переборкой машинного отделения струна перебрасывается через установленный здесь блок 8 и натягивается с помощью привязанного к ее концу груза 9. Передвигая кормовую мишеньку /, нужно установить струну так, чтобы она не касалась краев отверстия дейдвудной мишеньки 4. После этого кормовую мишеньку необходимо прикрепить к щиту гвоздиками.
После того как линия вала будет обозначена струной, остается установить промежуточные мишеньки всех центрируемых частей вала и закрепить их.
Для установки кронштейна гребного вала необходимо сделать из твердого дерева макетный валик 3 в размер втулки кронштейна, в центре валика просверлить отверстие диаметром 3 мм под струну (чтобы заводить струну в отверстие, можно прорезать валик, как показано на рис. 155). Сдвигая кронштейн, добиваются того, чтобы струна проходила через отверстие в макетном валике с одинаковым радиальным зазором. После этого кронштейн крепят к корпусу окончательно, подложив под его опоры пропитанную суриком парусину или, если надо, прострогав обшивку (прокладка нужна и в этом случае).
Аналогичным образом, с помощью макетного валика, устанавливается и дейдвудная труба. Рассверливать отверстия для нее в киле до окончательного размера лучше не сразу, а после предварительной центровки по струне. Вначале же можно сделать отверстие диаметром на 5- 10 мм меньше, это даст возможность при центровке сдвигать трубу в любом радиальном направлении в пределах допусков. Сначала центровку ведут с помощью макетного валика. Надев валик на натянутую струну, рассверливают по его размерам киль или ахтерштевень. Затем на валик надевают дейдвудную трубу. Фланец трубы подгоняют рубанком по месту к корпусу судна.
Отцентрованная дейдвудная труба сначала прикрепляется шурупами. Затем по имеющимся отверстиям в дейдвудной плите просверливают во фланце отверстия для болтов. Болты перед постановкой обматывают паклей, обмазывают суриком и затягивают в порядке, указанном на рис. 156.
Центровка подшипников также проводится по мишенькам, с помощью макетных валиков.
Центровку самого двигателя удобнее производить до его установки в корпус, при помощи фундаментной рамы. Делается это так. На собранный из двух продольных (углового сечения, например) и нескольких поперечных балок фундаментной раме монтируют двигатель. К концевым поперечным балкам фундаментной рамы крепят фанерные щитки с наклеенными листами ватмана на сторонах, обращенных к двигателю. К храповику и маховику двигателя прочно привязывают карандаши, которые при проворачивании вала двигателя вычерчивают на ватмане окружности.
Снимают двигатель с фундаментной рамы, а саму фундаментную раму ставят на место в корпус судна. Находят центры окружностей на листах и сверлят по ним отверстия диаме-
Монтаж гребного вала следует вести от кронштейна к двигателю. Вал нужно при этом постоянно проворачивать, одновременно производя затяжку болтов на соединительных фланцах.
При использовании шарнирных соединений монтаж вала упрощается. В этом случае достаточно только наметить линию вала. Двигатель устанавливается по шарниру. Для этого он вместе с фундаментной рамой ставится на место, но не крепится, а подвешивается на талях, чтобы его можно было легко перемещать в любом направлении. Затем монтируется шарнир, соединяющий гребной вал с валом двигателя (нужно, чтобы опорный подшипник гребного вала был расположен возможно ближе к фланцу, на котором крепится шарнир). Теперь остается расклинить двигатель прокладками и отдать тали. Если после этого двигатель и гребной вал будут легко прокручиваться, их закрепляют окончательно. В противном случае центровку нужно будет повторить.
Главное назначение валопровода - передавать крутящий момент от главного двигателя гребному винту (движителю), а также воспринимать и передавать корпусу судна упор, создаваемый гребным винтом. Количество валопроводов на судах может быть от одного до трех. На некоторых катерах применяют четырехвальные установки. Для лучшей работы гребного винта валопровод устанавливают с наклоном в корму (до 5°). В трехвальных установках, а иногда и в двухвальных, валы правого и левого бортов могут быть установлены под углом (до 2°) и к диаметральной плоскости судна.
Длина валопровода зависит от размеров судна и места расположения главных двигателей. Валопровод обычно состоит из нескольких частей, жестко соединенных между собой и уложенных на опорные подшипники. Каждая из этих частей в зависимости от назначения имеет свое название.
На рис. 67 показан судовой валопровод, состоящий из упорного вала 17, промежуточных валов 11 и гребного вала 3 с гребным винтом 1. Опорами промежуточных валов служат опорные подшипники 10 и 12, а опорами гребного вала - подшипники (втулки) дейдвудной трубы 6 и кронштейна 2. Дейдвудная труба носовой частью крепится в наварыше 9, а кормовой в мортире 4; ее средняя часть лежит в опорных кольцах 5 и 7. Для обеспечения водонепроницаемости на носовой части дейдвудной трубы установлен дейдвудный сальник 8, а на переборках в местах прохода валопровода - переборочные сальники 16, обеспечивающие водонепроницаемость. Упорный вал 17 соединен с главным двигателем 19 с помощью упорного подшипника 18. В дополнение к нему иногда устанавливают вспомогательный упорный подшипник: 15. Для стопорения вала предусмотрен тормоз 14; в паротурбинных установках для определения мощности, передаваемой на вал, устанавливают торсиометр 13.
Рис. 67. Судовой валопровод.
Гребной вал является концевым валом валопровода и устанавливается в дейдвудной трубе или в специальном кронштейне. Кормовой конец вала, выходящий наружу, выполнен конусным; на него напрессовывают гребной винт. Если предусмотрена установка винта регулируемого шага (ВРШ), то гребной вал вместо конуса имеет фланец для присоединения ступицы ВРШ. Носовой конец гребного вала с помощью муфты соединен с первым промежуточным валом. Соединение гребного и дейдвудного валов часто осуществляют с помощью двух конусов: наружного - на носовом конце гребного вала и внутреннего - в специально утолщенной части кормового конца дейдвудного вала. Установка специальной чеки и плотная посадка конусов обеспечивают совместную работу обоих валов без проворачивания в конусном соединении. Рабочие шейки концевых валов облицованы бронзовыми рубашками, если вал работает во втулках, набранных из планок текстолита или лигнофоля.
Промежуточные валы изготовляются обычно пустотелыми вместе с соединительными фланцами; их соединяют между собой болтами. Каждый промежуточный вал, как правило, лежит на одном опорном подшипнике. Во время монтажа устанавливают так называемый монтажный подшипник. Для опорного и монтажного подшипников на каждом валу предусмотрены шейки, обработанные с большой точностью. Когда в качестве опор применяют роликовые подшипники, то валы имеют съемные муфты для соединения между собой. Это позволяет напрессовать роликовые подшипники на валы.
Назначение опорных подшипников - воспринимать нагрузку от массы валопровода, обеспечивать правильное расположение валопровода но отношению к корпусу судна, а также длительное и надежное вращение валопровода на всех режимах работы главного двигателя. Обычно применяют опорные подшипники скольжения для длинных валопроводов и роликовые подшипники качения для коротких. Валопровод условно считают коротким, если его длина от носовой дейдвудной втулки до кормовой опоры вала двигателя не превышает 22 √d, где d диаметр вала в метрах. Обычно опорный подшипник скольжения имеет литой стальной корпус с горизонтальным разъемом. Нижняя половина корпуса отлита заодно с лапами, которыми подшипник крепится к судовому фундаменту. В нижнюю и верхнюю половину (крышку) корпуса устанавливают вкладыши из двух половин, рабочая поверхность которых залита антифрикционным сплавом. Обе половины подшипника соединяются болтами. Смазка подается в подшипник под давлением. Нагретое масло отводится через отверстия в нижней части корпуса подшипника.
С торцов подшипника устанавливают крышки, имеющие канавки, в которые вставляют фетровые или войлочные полукольца, препятствующие просачиванию масла из подшипника по шейке вала наружу.
Корпус роликового подшипника состоит из двух половин (верхней и нижней), соединенных болтами. В корпусе устанавливается роликовый подшипник. С торцов корпус закрывается крышками с уплотнением. Роликовые двухрядные сферические (самоустанавливающиеся) подшипники выпускаются для валов диаметром до 530 мм, поэтому они в последнее время применяются и для валопроводов с валами большого диаметра. Однако применение таких подшипников ограничено, так как они не имеют разъема. Поэтому их напрессовывают на промежуточный вал (со снятой соединительной муфтой) с торца, что несколько усложняет процесс сборки валопровода. Смазывают подшипники качения обычно консистентными смазками.
Упорный подшипник, как уже отмечалось, воспринимает упор, создаваемый гребным винтом. Существуют различные конструкции главных упорных подшипников. Значительное распространение получили одногребенчатые упорные подшипники (рис. 68). Корпус подшипника отлит из стали и состоит из двух половин - нижней 1 и верхней 12, соединенных по горизонтальному разъему болтами. Сверху корпус закрыт крышкой 10, предназначенной для осмотра подшипника. Крышка закреплена барашками 11. Внутри корпуса расположен упорный вал 8 с упорным гребнем 6, откованным заодно с валом. Заодно с валом откованы также фланцы (на рисунке не показаны) для соединения упорного вала с другими частями валопровода. Вал опирается на бронзовые вкладыши 5, имеющие баббитовую заливку 4. Кольцевые бурты вкладышей, входящие в пазы корпуса подшипника, предохраняют вкладыши от осевого смещения.
Рис. 68. Одногребенчатый упорный подшипник.
С обеих сторон к упорному гребню примыкают упорные подушки (сегменты) 9, расположенные симметрично по его окружности. Каждая подушка со стороны рабочей поверхности залита баббитом, а с обратной стороны в нее плотно запрессованы каленые чечевицы 7. Сферическими поверхностями чечевицы опираются на каленые плоские шайбы 3, в свою очередь запрессованные в полукольца 2, установленные в выточки корпуса. Под полукольца могут быть поставлены прокладки соответствующей толщины, что позволяет регулировать масляный зазор между подушками (сегментами) и упорным гребнем. Для уплотнения упорного вала в местах его выхода из корпуса подшипника предусмотрены крышки с фетровыми или войлочными уплотнительными кольцами, устанавливаемыми в пазах крышек.
Масло к упорному подшипнику поступает под давлением через дроссельный клапан. Охлаждение масла производится с помощью змеевика, расположенного в нижней части корпуса подшипника. Для контроля за режимом смазки в подшипнике предусмотрены термометр, манометр и указатель уровня масла.
Тормоз валопровода предназначен для стопорения валопровода на ходу судна в случае необходимости - например, для устранения повреждений самого валопровода или главного двигателя. Чаще всего применяют тормоз бугельного типа. Он состоит из опорной плиты, укрепленной на судовом фундаменте, и двух тормозных скоб, нижними концами шарнирно соединенных с плитой; внутренняя поверхность скоб облицована лентами из фрикционного материала. Верхняя часть скоб стянута двумя стержнями и обеспечивает плотное прижатие фрикционных лент (скоб) к тормозному фланцу вала валопровода. При нормальной работе валопровода тормозные скобы находятся в отжатом состоянии.
Соединение промежуточных валов между собой, а также промежуточного вала с дейдвудным валом может осуществляться при помощи обычного фланцевого соединения, выполненного заодно с валом; иногда применяют специальные шпоночные муфты, насаженные на концы валов, или бесшпоночные муфты и полумуфты, напрессованные на концы валов гидропрессовым способом. Вал двигателя с валопроводом часто соединяют специальными муфтами: фрикционными, гидравлическими, электромагнитными и шинно-пневматическими.
Переборочные сальники устанавливают в местах прохода промежуточных валов через водонепроницаемые переборки. Они предотвращают проникновение воды из одного отсека судна в другой. Переборочный сальник состоит из корпуса, который крепят на шпильках к приварышу - стальному кольцу, приваренному к переборке. В корпусе переборочного сальника устанавливают грундбуксу и нажимную втулку, а также просаленную пеньковую набивку. Последняя уплотняется нажимным кольцом путем поджатия гаек шпилек, на которых установлен сальник.
Дейдвудное устройство является одним из основных элементов валопровода. Простейшее дейдвудное устройство состоит из трубы с фланцем. В трубу запрессованы втулки с вкладышами. Носовой конец дейдвудной трубы уплотнен дейдвудным сальником. Носовой фланец дейдвудной трубы крепится к стальному приварышу кормовой водонепроницаемой переборки. На кормовом фланце трубы имеется кольцевой выступ, которым он упирается в торец ахтерштевня (или мортиры) и закрепляется снаружи гайкой. Бронзовые втулки, запрессованные внутрь трубы с ее носового и кормового концов, являются подшипниками гребного или дейдвудного вала. Эти втулки могут состоять из двух половин. Кормовая втулка закреплена фланцем на торце дейдвудной трубы; обе втулки упираются в ее внутренние заплечики. Внутри втулок закреплены подшипники, набранные из планок твердой древесины - бакаута. В настоящее время вместо дорогостоящего бакаута иногда применяют вкладыши из древеснослоистого пластика, лигнофоля (пропитанного смолами и спрессованного в горячем состоянии фанерного шпона), текстолита (слоистого пластика, полученного в результате прессования ткани, пропитанной смолами) или специальных резинометаллических планок из водостойкой твердой резины, закрепленных во втулке винтами. В таких подшипниках сама вода является смазочным материалом. Набивку сальника в таких дейдвудных устройствах выполняют из просаленной и прографиченной пеньки специального прядения. В настоящее время внедряются более совершенные дейдвудные устройства с уплотнениями новых типов. Так, оправдало себя уплотнение типа «симплекс», выполняемое в виде манжет из специальной профилированной резины. Оно обеспечивает настолько надежную герметизацию дейдвудной трубы, что удается применить смазку подшипников дейдвуда минеральным маслом под давлением и обеспечить более надежную работу вала в районе подшипников. В этом случае и сами подшипники имеют иную конструкцию; в них применяются металлические антифрикционные материалы.
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 (см. ниже) 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.
В последние годы для этих целей стали применять и пластмассы .
Преимущества и недостатки
Работающий гребной винт
Работает как движитель только при неизменной или возрастающей скорости вращения, в остальных случаях - как активный тормоз .
Гребной винт на одной из первых подлодок
Одновременно со Смитом и независимо от него разрабатывал применение гребного винта как движителя известный изобретатель и кораблестроитель швед Джон Эрикссон . В том же 1836 году он предложил другую форму гребного винта, представлявшую собой гребное колесо с лопастями, поставленными под углом. Он построил винтовой пароход «Стоктон» (мощности ходовых паровых машин - 70 л. с), сделал на нём переход в Америку , где его идея была встречена настолько заинтересованно, что уже в начале 1840-х годов был спущен первый винтовой