Общие сведения о судовых движителях

Для обеспечения движения судна необходимо приложить к его корпусу движущую силу - силу тяги, равную по величине и противоположную по направлению силе сопротивления среды (воды и воздуха). Такая постоянно действующая на судно сила может быть создана при помощи различных продолжительно работающих источников энергии: мускулов человека, ветра и разного рода двигателей. Для преобразования энергии двигателей в энергию поступательного движения судна используют специальные механизмы, называемые движителями. Таким образом, основным назначением судовых движителей является создание и поддержание требуемой величины тяги Р_е. При равномерном прямолинейном движении судна суммарная сила тяги его движителей соответствует сопротивлению движения R и направлена в противоположную сторону: Р_е = R.

Подводимая к движителям мощность - суммарная валовая мощность N_р должна быть больше полезной (буксировочной) мощности N_б = R·v из-за неизбежных потерь при работе комплекса движитель – корпус. Степень совершенства движителя, работающего в сочетании с корпусом, оценивается величиной пропульсивногокоэффициента движителя: η_д = N_р / N_б. Чем больше пропульсивный коэффициент движителя, тем он совершеннее. Движители судов должны обладать высокой надежностью, обеспечивать судну высокие пропульсивные качества, работать с минимальным уровнем шума и быть простыми в эксплуатации. Эти требования могут быть реализованы только на судостроительных производствах с высоким уровнем конструкторско-технологической базы. Без преувеличения можно считать судовой движитель одним из самых сложных и дорогостоящим механизмом на судне.

По принципу действия современные судовые движители являются гидрореактивными. Они создают силу тяги за счет реактивного воздействия массы воды, захватываемой движителями и отбрасываемой в направлении, противоположном направлению движения судна. Их отличают только по методу сообщения отбрасываемой жидкости кинетической энергии. Различают лопастные и водопроточные движители. К числу лопастных движителей относятся гребные винты и крыльчатые движители, а к числу водопроточных - водометы.

Рисунок 5.1 − Гребной винт:

а) − фиксированного шага; б) − регулируемого шага

Самым распространенным судовым движителем является гребной винт. Это объясняется простотой конструкции гребного винта, малым весом, надежностью и высоким КПД. Пропульсивный коэффициент современных гребных винтов составляет 60 65%, в отдельных случаях превышая 75%. На морских судах устанавливают гребные винты диаметром от нескольких дециметров до 11 и более метров; мощность, потребляемая гребным винтом, доходит до 70 000 кВт. Гребные винты располагаются обычно в корме и только у некоторых специальных типов судов (ледоколов и паромов челночного типа) - в носу.

Гребной винт представляет собой конструкцию в виде ступицы с размещенными на ней лопастями, которые расположены радиально на равных угловых расстояниях друг от друга. Различают винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ).

ВФШ (рис. 5.1, а) изготавливаются цельнолитыми и со съемными лопастями. ВРШ (рис. 5.1, б) внутри полой ступицы имеют механизм, изменяющий разворот лопастей. Благодаря ряду преимуществ, винты регулируемого шага нашли самое широкое применение на промысловых судах различных назначений. Для повышения эффективности работы гребных винтов используют специальные направляющие устройства (рис. 5.2).

Рисунок 5.2 − Гребной винт в Рисунок 5.3 − Крыльчатый движитель:

направляющей насадке 1 − привод; 2 − передаточный

механизм; 3 – корпус; 4− лопасти;

5 – ротор.

Крыльчатый движитель (рис. 5.3) представляет собой диск, установленный заподлицо с плоской частью подзора кормы. В воде находятся только рабочие детали движителя - крылообразные вертикальные лопасти, число которых составляет 4 8. Если к хордам профилей крыльев провести нормали, то они все пересекутся в единой точке N, расположенной эксцентрично относительно центра диска и называемой центром управления. При вращении диска лопасти устанавливаются в определенное положение относительно потока, совершая по отношению к диску колебательные движения вокруг вертикальной оси. Закон этого колебательного движения выбирается таким, чтобы каждая лопасть за время полного оборота диска создавала силу, направленную всегда в сторону движения судна. Оси всех лопастей совершают движение по циклоиде, и каждая лопасть обтекается циклоидальным (криволинейным) потоком. Это достигается перемещением центра управления лопастями N вдоль диаметра движителя. Меняя положение точки N, можно создавать силы различной величины.

Перемещением центра управления в стороны от основного диаметра при неизменном направлении вращения можно получить любые направления силы упора движителя. Таким образом, без реверсирования движителя можно изменить направление движения судна на обратное, а также объединить в одном устройстве функции движителя и рулевого органа. Изменение положения центра управления N относительно центра диска О обычно осуществляется дистанционно с мостика.

Рисунок 5.4 − Схема сил при движении судна

с крыльчатым движителем:

а − передний ход; б − поворот налево; в − поворот направо;

г − движение лагом при двух крыльчатых движителях;

N − центр управления; О − центр движителя

На рис. 5.4 приведены схемы сил, развиваемых на крыльчатом движители при изменении эксцентриситета и обеспечивающих движение судна прямо и повороты налево и направо (рис. 5.4, а − в).

При установке на судно двух крыльчатых движителей, оно получает возможность двигаться лагом (рис. 5.4, г). Благодаря этому

свойству крыльчатые движители устанавливают на портовых буксирах, паромах, плавучих кранах и других судах, для которых характерны высокие маневренные качества. Недостатком крыльчатого движителя является сложность его конструкции при невысоком пропульсивном коэффициенте.

Водометный движитель представляет собой установку, которая расположена внутри корпуса судна, состоящую из водопроточной трубы (канала) и мощного насоса. Насос засасывает воду через приемное отверстие в днищевой части корпуса и выбрасывает ее с повышенной скоростью через напорный канал. Реакция выбрасываемой струи и является той силой, которая движет судно в сторону, противоположную направлению выброса струи. Напорный канал водомета, расположенный в кормовой оконечности судна, обычно снабжается на конце поворотными насадками, реверсивными рулями или иными устройствами для управления судном путем изменения направления струи воды.

В качестве рабочего органа водометной установки вместо насоса может использоваться размещенный в канале водомета гребной винт с направляющим аппаратом (контрпропеллером). Такой водометный движитель может быть как одноступенчатым, так и многоступенчатым, т.е. состоять из одного или нескольких гребных винтов специальной конструкции с направляющими устройствами между ними. На рис. 5.5 показана схема двухступенчатого водомета.

Рисунок 5.5 − Схема двухступенчатого водометного движителя:

1, 2 − первая и вторая ступени (а − винт; б − контрпропеллер);

3 − сопло, обеспечивающее поджатие струи; 4 − водозаборник;

5 − водометная труба

Положительными качествами водометных движителей являются: способность эффективно работать при малых осадках судна; хорошая защищенность от повреждений при движении судна по засоренному фарватеру; лучшие кавитационные и эрозионные качества, меньшие вибрация и шумность по сравнению с обычным гребным винтом; возможность использования без дополнительных передач мощных высокооборотных двигателей.

К недостаткам водометных движителей по сравнению с гребными винтами относятся их более сложная конструкция и несколько меньший КПД.