Гидродинамические передачи и принципы действия на судне

В морской и речной технике, где надежность, эффективность и маневренность играют ключевую роль, применение передовых технологий является залогом успешной эксплуатации судов. Одной из таких важнейших технологий, обеспечивающих плавную передачу мощности, защиту механизмов от перегрузок, и оптимизацию работы двигателей, являются гидродинамические передачи. Эти устройства, использующие энергию потока жидкости для передачи крутящего момента, нашли широкое применение в судостроении благодаря своим уникальным характеристикам.

СодержаниеСвернуть

Гидродинамические муфты
Гидродинамические трансформаторы
Применение гидродинамических передач на судах

Данный материал посвящен всестороннему обзору гидродинамических передач и основных типов устройств, применяемых на судах. Мы рассмотрим принципы действия, конструктивные особенности и сферы применения гидродинамических муфт и гидродинамических трансформаторов, которые являются ключевыми элементами в судовых Судовые газотурбинные и атомные силовые установкисиловых установках. Особое внимание будет уделено анализу преимуществ использования гидродинамических передач на судах, таких как снижение вибрации, повышение комфорта экипажа, защита двигателей от пиковых нагрузок, а также улучшение топливной экономичности и общего КПД энергетической установки.

Что такое гидродинамическая передача?

Гидродинамическая передача – это устройство, передающее движение посредством жидкости.

Различают следующие судовые передачи:

Гидродинамические муфты (турбомуфты), которые, передавая движение от ведущего вала к ведомому, не изменяют крутящего момента и на расчетном режиме незначительно (на 2-3 %) снижают частоту вращения.
Гидродинамические трансформаторы (турботрансформаторы), которые, передавая движение от ведущего вала к ведомому, изменяют крутящий момент и частоту вращения.

Гидродинамические муфты

Устройство и принцип работы гидродинамических муфт показаны на рис. 1.

Конструкция гидродинамической муфты — Рис. 1 Схема гидродинамической муфты

Рассмотрим применение гидромуфт на морских судах и их расчетные параметры. Насосное колесо 7, закрепленное на ведущем валу 8, соединено с чашей 1, охватывающей турбинное колесо 6, связанное с ведомым валом 2. Насосное и турбинное колеса – центробежного типа. Жидкость подается в турбомуфту специальным Основы гидравлики и насосы судовых системпитательным насосом по каналу 4 сначала в камеру наполнения 3 и из нее через отверстия в стенке турбинного колеса в рабочую полость турбомуфты.

На периферии чаши имеются отверстия 5, через которые жидкость непрерывно вытекает из рабочей полости. Непрерывная смена жидкости в муфте необходима для поддержания постоянной температуры жидкости, которая во время циркуляции в рабочей полости муфты нагревается теплотой трения.

Передача энергии от ведущего вала к ведомому осуществляется жидкостью, циркулирующей в рабочей полости муфты.

Движение жидкости в турбомуфте и передача энергии будет происходить только в том случае, если насосное колесо вращается быстрее турбинного колеса. В насосном колесе турбомуфты механическая энергия двигателя преобразуется в энергию потока жидкости. Из насосного колеса жидкость поступает непосредственно в турбинное колесо, в котором энергия жидкости преобразуется в механическую энергию приводимой машины. Из турбинного колеса жидкость снова направляется в насосное колесо.

Частоту вращения ведомого вала турбомуфты можно регулировать изменением количества жидкости, движущейся в круге циркуляции, посредством неполного заполнения или перекрытием каналов турбомуфты. Если жидкость выпустить из турбомуфты, то валы ее разъединятся.

На расчетном режиме турбомуфта работает с передаточным отношением i = 0,95-0,98 и имеет КПД η_i = 0,95-0,98.

Типы гидродинамических муфт судового назначения разделяются:

по форме лопастей рабочих колес – на нормальные муфты, колеса которых имеют плоские радиальные лопасти, и специальные муфты, колеса которых имеют лопасти двоякой кривизны;
по способу изменения частоты вращения ведомого вала – на муфты с регулируемым заполнением круга циркуляции жидкостью и на муфты с регулируемым перекрытием каналов круга циркуляции;
по числу параллельно соединенных муфт – на однополостные и двухполостные.

Лопасти насосного и турбинного колес нормальной турбомуфты имеют одинаковую конструкцию, но число их в колесах обычно разное. Специальные и двухполостные турбомуфты применяют в тех случаях, когда требуется получить минимальный наружный диаметр гидропередачи.

Рекомендуется к прочтению: Насосы и системы трубопроводов

При установившемся движении роторов турбомуфты алгебраическая сумма всех внешних моментов вращения, действующих на рассматриваемую систему, по закону равенства действия и противодействия равна нулю:

M_{1} - M_{2} - M_{с} = 0, Ф о р м . 1

где:

M₁, M₂ – моменты соответственно на ведущем и ведомом валах;
M_с – момент от сил трения на наружной поверхности, в сальниках и подшипниках турбомуфты.

Общий КПД турбомуфты равен отношению мощностей на ведомом N₂ и ведущем N₁ валах:

η = \frac{N_{2}}{N_{1}} . Ф о р м . 2

Внутренний КПД турбомуфты равен передаточному отношению:

η_{i} = \frac{N_{т}}{N_{н}} = \frac{M_{т} ω_{2}}{M_{н} ω_{1}} = \frac{ω_{2}}{ω_{1}} = i, Ф о р м . 3

где:

N_н, N_т – мощность соответственно на насосном и турбинном колесах;
M_н, M_т – моменты взаимодействия жидкости соответственно с насосным и турбинным колесами;
ω₁, ω₂ – угловые скорости соответственно ведущего и ведомого валов.

Энергия от ведущего ротора к ведомому в турбомуфте передается не только путем воздействия жидкости на лопасти турбины, но и благодаря увлечению турбинного колеса насосным вследствие жидкостного трения вращающихся поверхностей.

Преимущества использования гидродинамических муфт в судовых передачах включают значительное снижение ударных нагрузок на двигатель и редуктор, обеспечивая тем самым плавный старт и переключение скоростей. Это способствует увеличению срока службы всего пропульсивного комплекса судна, минимизируя износ и сокращая расходы на обслуживание. Кроме того, гидродинамические муфты в судовых передачах эффективно демпфируют крутильные колебания, что повышает комфорт для экипажа и пассажиров за счет снижения вибрации и шума.

Гидродинамические трансформаторы

Устройство судового гидротрансформатора изображено на рис. 2.

Конструкция гидродинамического трансформатора — Рис. 2 Схемы гидродинамического трансформатора:
а – прямого хода; б – обратного хода; в – многоступенчатого

Гидротрансформатор состоит из:

насосного колеса 3, закрепленного на ведущем валу 1;
турбинного колеса 4, связанного с ведомым валом 2;
направляющего аппарата 5, жестко соединенного с корпусом.

При вращении ведущего вала насосное колесо подает жидкость в неподвижный направляющий аппарат, под действием лопастей которого происходит увеличение момента количества движения жидкости M_{н. а}. Из направляющего аппарата жидкость поступает в турбинное колесо, в котором энергия жидкости преобразуется в механическую энергию вращения ведомого вала.

Будет интересно: Судовые насосы и их эксплуатационные характеристики

Момент на ведомом валу гидротрансформатора M₂ будет больше момента на ведущем валу M₁, так как:

M₂ = M₁ + M_{н. а}.

Угловая скорость ведомого вала ω₂ = N₂/M₂ будет меньше угловой скорости ведущего вала ω₁ = N₁/M₁, так как M₂>M₁, N₂ = ηN₁<N₁.

Гидротрансформаторы проектируют с передаточным отношением на расчетном режиме до

$i = \frac{1}{12}$

. Их КПД лежит в пределах η = 0,8-0,9.

Гидродинамические трансформаторы разделяются:

по расположению направляющего аппарата – на турботрансформаторы прямого хода, в которых направляющий аппарат расположен перед насосным колесом (рис. 2, а) и оба вала передачи вращаются в одну сторону, и на турботрансформаторы обратного хода, в которых направляющий аппарат установлен за насосным колесом (рис. 2, б);
по числу ступеней турбинного колеса – на одноступенчатые и многоступенчатые (рис. 2, в);
по направлению вращения ведомого вала – на нереверсивные и реверсивные, в которых валы могут вращаться как в одну сторону, так и в противоположные стороны.

Многоступенчатые турботрансформаторы применяют обычно при передаточных отношениях i меньше 0,5. В многоступенчатых турботрансформаторах между ступенями турбины устанавливают направляющие аппараты. Все ступени турбины соединены между собой и передают момент на ведомый вал передачи.

Изменение направления вращения ведомого вала реверсивного турботрансформатора осуществляется с помощью подвижных направляющих аппаратов прямого и обратного хода или параллельным соединением трансформаторов прямого и обратного хода. В последнем случае для изменения направления вращения ведомого вала жидкость выпускается из одного трансформатора и одновременно заполняется жидкостью второй трансформатор. Реверс осуществляется за 15-25 с.

Пройдите этот тест полностью на нашем сайте, по ссылке: Тренировочный Дельта тест онлайн для старших механиков

Регулирование частоты вращения ведомого вала турботрансформатора производится изменением степени наполнения жидкостью круга циркуляции и механическим воздействием на поток жидкости в круге циркуляции путем перекрытия каналов турбинного колеса цилиндрической заслонкой или поворотом лопастей насосного колеса. Наиболее экономичный метод регулирования частоты вращения ведомого вала турботрансформатора – метод поворота лопастей насосного колеса.

Уравнение равновесия турботрансформатора, представляющего собой систему, состоящую из двух вращающихся роторов и неподвижного корпуса с направляющими аппаратами, имеет вид:

M_{1} + M_{н . а} - M_{с} - M_{2} = 0, Ф о р м . 4

где:

M₁, M₂ – моменты соответственно на ведущем и ведомом валах;
M_{н. а} – момент на направляющем аппарате;
M_с – момент от сил трения в подшипниках и сальниках.

Общий КПД турботрансформатора:

η = \frac{N_{2}}{N_{1}} = \frac{M_{2} ω_{2}}{M_{1} ω_{1}} = K i, Ф о р м . 5

где:

K = M₂/M₁ – коэффициент трансформации момента.

Исключая из формулы 4 момент M_с получаем:

M_{н} + M_{н . а} - M_{т} = 0, Ф о р м . 6

где:

M_н – момент на насосном колесе; M_н = M₁ – M_с1;
M_т – момент на турбинном колесе; M_т = M₂ + M_с2, M_с = M_с1 + M_с2.

Внутренний КПД турботрансформатора:

η_{i} = \frac{N_{т}}{N_{н}} = \frac{M_{т} ω_{2}}{M_{н} ω_{1}} = i \frac{M_{т}}{M_{н}} . Ф о р м . 7

Показатели работы турботрансформатора определяют для средней струйки жидкости круга циркуляции по уравнениям Виды лопастных насосов – устройство и принципы работы на суднелопастных насосов.

Применение гидродинамических передач на судах

На рис. 3 показана схема передачи движения от вала двигателя 5 к валу гребного винта 4 с помощью гидродинамического трансформатора.

Схема гидродинамической передачи — Рис. 3 Принципиальная схема судовой гидродинамической передачи

Двигатель приводит во вращение рабочее колесо насоса 1, которое сообщает жидкости энергию и направляет поток жидкости через неподвижный направляющий аппарат 3 в гидравлическую турбину 2. В последней, жидкость приводит во вращение рабочее колесо турбины и связанный с рабочим колесом Руль и гребной винт суднагребной винт судна. Из турбины жидкость снова возвращается в насос.

В приведенной на рис. 3 схеме гидродинамический трансформатор разделен на две самостоятельные части:

насос,
и турбину с направляющим аппаратом на входе.

Насос и турбина соединены трубопроводами. Такая схема турботрансформатора обладает рядом существенных недостатков и применяется в особых случаях. Как правило, насос, гидротурбину и направляющий аппарат турботрансформатора располагают в одном корпусе так, чтобы путь движения жидкости был наиболее коротким. Схема таких турботрансформаторов показана на рис. 2.

Гидродинамические передачи находят применение на судах, так как позволяют осуществлять:

эластичное соединение валов, вследствие чего толчки, удары и вибрация ведомого вала не передаются на ведущий вал и при вращении ведущего вала возможна полная остановка ведомого вала;
быстрое соединение и разъединение валов (10-15 с);
плавное регулирование частоты вращения ведомого вала;
уменьшение вибрации и шума, создаваемых передачей;
автоматическое регулирование режима работы двигателя в зависимости от режима работы приводимой машины, называемое саморегулированием гидродинамической передачи;
быстрое и плавное реверсирование ведомого вала (15-25 с);
определенное уменьшение или увеличение частоты вращения ведомого вала, по сравнению с частотой вращения ведущего вала.

Основные недостатки гидродинамических передач следующие:

сравнительно малая экономичность турботрансформаторов, наибольший КПД которых лежит в пределах η = 0,8-0,9;
значительные габариты при больших передаваемых мощностях и малой частоте вращения ведущего вала;
нагрев жидкости теплотой, возникающей от трения при движении жидкости в каналах передачи; вследствие этого явления необходима постоянная смена жидкости.

Основными показателями работы гидродинамических передач служат:

частота вращения n₁ и n₂;
моменты M₁ и M₂;
мощности N₁ и N₂ на ведущем и ведомом валах передачи;
КПД η;
коэффициент трансформации момента k = M₂/M₁;
передаточное отношение i = n₂/n₁;
расход жидкости Q в круге циркуляции;
напоры насосного и турбинного колес.

В качестве рабочей жидкости в гидродинамических передачах применяют минеральные масла вязкостью 10-30 сСт или воду. При использовании воды турбопередача получается меньших размеров по сравнению с турбопередачами, работающими на масле.

Гидродинамические передачи получили применение на судах с комбинированными установками и на Особенности работы судовых дизельных двигателейдизельных судах. У первых паровая машина соединена непосредственно с гребным валом, а паровая турбина передает энергию на гребной вал через турбомуфту и зубчатый редуктор. На малых ходах и на заднем ходу судна работает одна паровая машина. Турбина автоматически подключается и отключается при достижении гребным валом определенной частоты вращения.

На дизельных судах турбомуфту устанавливают между двигателем и зубчатой передачей для смягчения ударов в зубьях редуктора от неравномерности вращения дизеля и для сглаживания толчков и ударов со стороны гребного винта. Применение турбомуфты позволяет присоединить несколько дизелей к одному гребному валу.

На судах применяют гидрозубчатые передачи, схема одной из которых представлена на рис. 4.

Конструкция гидрозубчатой передачи — Рис. 4 Схема судовой гидрозубчатой передачи

Зубчатый редуктор 3 через турботрансформатор и турбомуфту соединен с валом 5. В этой реверсивной передаче с приводом от газовой турбины турботрансформатор заднего хода 4 (η = 0,66) и турбомуфта переднего хода 2 (η = 0,96) связаны с фрикционной муфтой 1. При маневрировании и прохождении узкостей передний и задний ход судна осуществляется заполнением маслом соответственно турбомуфты переднего хода или турботрансформатора заднего хода. Для продолжительной работы на переднем Ходовые испытания судна и прием механизмов, систем и судовых устройств после ремонтаходу судна включают фрикционную муфту.

Гидродинамические передачи широко применяются также в автомобилях, тепловозах, кранах, некоторых лебедках и в ряде других машин, в которых двигателями служат дизели, газовые турбины и электродвигатели переменного тока.

Автор

Ольга Коцофан

Фрилансер

Список литературы

Аристов Ю. К. Судовые вспомогательные механизмы. М., Речной транспорт. М., 1963.
Арцыков А. П., Воронов В. Ф. Судовые вспомогательные механизмы. Л., Судпромгиз, 1963.
Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. М., ГНТИМЛ, 1963.
Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., Судостроение, 1971.
Валдаев М. М. Гидравлические приводы судовых палубных механизмов. Л., Судостроение, 1973.
Власьев Б. А., Резчик Ю. И. Судовые вспомогательные механизмы. Л., Судостроение, 1979.
Колесников О. Г. Судовые вспомогательные механизмы и холодильные установки. М., Транспорт, 1964.
Лукин Г. Я., Колесник Н. Н. Опреснительные установки промыслового флота. М., Пищевая промышленность, 1970.
Попов Р. И. Судовые вспомогательные механизмы. М., Пищевая промышленность, 1970.
Торбан С. С. Судовые и береговые промысловые установки и механизмы. М., Пищевая промышленность, 1972.
Шмаков М. Г. Судовые устройства. М., Транспорт, 1971.
Шмаков М. Г., Климов А. С. Якорные и швартовные устройства. Л., Судостроение, 1964.
Юткевич Р. М., Савин К. А., Волегов В. А. Судовые сепараторы топлива и масла. Л., Судостроение, 1967.

Сноски

Гидродинамические передачи и типы устройств, применяемые на судах

Гидродинамические муфты

Гидродинамические трансформаторы

Применение гидродинамических передач на судах