Общие сведения о средствах управления судами

Подруливающее устройство предназначенно для активного управления судном; рабочий орган (винт) в сквозном канале, проходящем от одного борта судна к другому борту, перпендикулярно его диаметральной плоскости. Управляемость судна, т. е. способность следовать по заданной траектории или изменять направление движения по воле судоводителя, является одним из важных мореходных качеств, определяющих не только эксплуатационные возможности судна, но и в значительной мере безопасность плавания.

Изначально основным средством управления судном был кормовой руль. Однако действие руля проявляется только при наличии некоторой скорости хода, развить которую в определенных условиях эксплуатации (на ограниченном фарватере, на швартовых, при маневрировании и т. д.) невозможно. Отсутствие должной управляемости явилось причиной большинства аварий судов:

• столкновений;
• посадки на мель и камни;
• ударов о стенки и т. д.

Для обеспечения управляемости судном в указанных условиях, стали использовать буксирные судаМорские буксирные суда, классификация и виды, как дополнительную управляющую тягу. С развитием техники появилась идея установки на самом судне устройств, способных создавать такую тягу. Эти устройства предназначены для управления судном на малом ходу и без хода в сложных условиях плавания и называются «средствами активного управления».

Все средства управления судном могут быть подразделены на главные (ГСУ) и вспомогательные (ВСУ).

ГСУ предназначены для обеспечения управляемости судна при наличии скорости хода и ими обязательно снабжается каждое судно. К ним относятся:

• рули;
• поворотные насадки;
• крыльчатые движители;
• поворотные винторулевые колонки.

ГСУ как правило приводятся в действие энергией, получаемой от работы главных двигателей.

ВСУ предназначены для управления судном на предельно малых скоростях хода и без хода. Они могут создавать боковую силу при любой, сколь угодно малой скорости судна. ВСУ снабжаются собственными приводными двигателями. По характеру воздействия на судно ВСУ подразделяются на подруливающие устройства (ПУ) и вспомогательные движительно-рулевые устройства (ВДРУ).

ПУ называется средство управления судном, способное создавать полезный боковой упор и представляющее собой движитель (импеллер), расположенный в поперечном канале, идущем от борта до борта судна (рис. 1). Боковой упор создаётся путем засасывания воды и выбрасывания её в перпендикулярном по отношению к ДП судна направлении.

В отличие от подруливающих устройств ВДРУ предназначены для создания не только рулевой силы, но и тяги для поступательного движения судна. Они создают полезный упор, направление которого может меняться в широких пределах относительно ДП судна. К ВДРУ относятся крыльчатые движители, поворотные винторулевые колонки (ПВРК), активные рули (АР).

Крыльчатый движитель – это система вертикальных лопастей, расположенных на вращающемся барабане, размещенном заподлицо с днищем судна (рис. 2).

Вращение барабана с одновременным изменением угла установки лопастей позволяет судоводителю задавать величину и направление тяги движителя и тем самым одновременно осуществлять движение и управление судном.

ПВРК это средство активного управления, состоящее из гребного винта или комплекса винт – насадка и устройства, позволяющего поворачивать его вокруг вертикальной оси на 360° (рис. 3).

ПВРК позволяют изменять направление тяги без реверсирования приводного двигателя и могут быть установлены в любом районе судна. Чтобы не увеличивать сопротивление воды движению судна на полных скоростях хода (во время работы основных движителей) ПВРК выполняются откидывающимися или выдвижными, что позволяет убрать устройство внутрь корпуса судна (рис. 4).

Расположение ПВРК в нише корпуса судна вызывает необходимость установки специальной заслонки или створок для её закрытия и восстановления обтекаемой формы корпуса, что значительно усложняет конструкцию.

Активный руль представляет собой винт, размещенный на пере руля. Винт приводится во вращение от электродвигателя, вмонтированного в перо руля (рис. 5). В зависимости от угла перекладки руля изменяется и направление упора.

Для обеспечения управляемости на заднем ходу привод АР делается реверсивным, а величина упора регулируется изменением частоты вращения приводного двигателя. Направление вращения гребного винта АР противоположно направлено вращению основного гребного винта. При ходе судна под главными движителями винт АР застопорен или свободно вращается. Часто АР применяют в комбинации с носовым ПУ, что обеспечивает судну высокую маневренность, в частности, движение лагом.

Классификация и общая характеристика конструкций ПУ

Подруливающие устройства можно классифицировать по типу рабочего органа, типу и количеству каналов, месторасположению устройства на судне, по расположению и типу приводного двигателя.

По типу рабочего органа различают ПУ с гребными винтами (водометные), крыльчатыми движителями (ротаторные) и насосами различных типов.

Гребные винты монтируются на гондоле, расположенной вдоль оси канала (рис. 6). Внутри гондолы могут размещаться приводной двигательОбслуживающие системы главного дизеля либо механизм передачи мощности. Используются винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ). При использовании ВФШ управление величиной и направлением упора ПУ достигается изменением частоты вращения приводного двигателя и его реверсом. При установке ВРШ управление упором производится поворотом лопастей, что приводит к изменению шага винта при постоянной частоте вращения. Поскольку ПУ должно обеспечивать равные значения упора на правый и левый борт, то при проектировании ПУ обычно применяется симметричный профиль лопасти гребного винта.

С целью повышения эффективности ПУ в качестве рабочего органа может применяться комплекс из двух разновращающихся винтов (рис. 7). Распределение общей нагрузки на два движителя позволяет изменить диаметр канала или частоту вращения, тем самым достигается повышение кпд ПУ на 10-15 %. Схема с парными винтами допускает проектирование винтов как с симметричным, так и с несимметричным профилем лопасти. Во втором случае один винт проектируется исходя из работы на правый борт, другой – на левый.

В качестве рабочего органа в ПУ нашли применение крыльчатые движители (рис. 8). Отличительной особенностью этих ПУ является создание упора любой величины от максимального до нуля на любой борт без изменения направления вращения. Основной недостаток крыльчатого движителя – это сложность его конструкции.

Получили распространение ПУ, которые для создания бокового упора оборудуются насосами. В этих ПУ используются центробежные, осевые насосы, эжекторы.

В ряде случаев находят применение ПУ, в которых в качестве рабочего органа используются насосы общесудовых систем и специального назначения (водоотливные, пожарные, грузовые, рефулёрные и др.). Такие ПУ не нуждаются в специальных приводных двигателях. Для обеспечения их работы предусматриваются только допол­нительные выводы на оба борта в соответствующей общесудовой системе (грузовой, противопожарной и пр.) (рис. 9).

Вода нагнетается насосами по палубным трубопроводам 5 в вертикальный трубопровод 4, затем по трубам 3 поступает на правый или левый борт. Направление и величина упора регулируются заслонками 6. Вследствие гидравлических потерь, обусловленных изгибами трубопроводов, такие ПУ обладают сравнительно низкой эффективностью.

По типу канала различают устройства с прямым и изогнутым каналом. В случае прямого канала требуется применение угловой передачи (конического редуктора) или погружного двигателя, что увеличивает стоимость и усложняет эксплуатацию ПУ. Изогнутый канал позволяет установить гребной винт непосредственно на вал приводного двигателя. Однако изгиб канала приводит к росту гидравлического сопротивления и снижает эффективность ПУ. На практике применяются ПУ с различной формой канала (S-, T-, Z-образной (рис. 10, 11, 12).

Наиболее распространённой формой сечения канала для ПУ с гребными винтами, является круглая и прямоугольная для ПУ с крыльчатыми движителями.

По числу каналов ПУ разделяются на одно- и двухканальные. Наиболее распространены одноканальные ПУ с симметричной конструкцией, предназначенные для работы на оба борта.

Двухканальные ПУ представляют собой комбинацию двух ПУ одностороннего действии (рис. 13). Эти ПУ позволяют повысить эффективность, но требуют больше места для размещения, кроме того увеличивается стоимость устройства.

По месту расположения различают носовые и кормовые ПУ (рис. 14).

Для обеспечения максимального плеча поперечной силы ПУ размещают на возможно большем расстоянии от миделя. Обычно кормовое ПУ (КПУ) устанавливают в дополнение к носовому для обеспечения судну движения лагом, поворота на месте и других маневров. Наличие валопроводаРемонт валопроводов и судовых гребных винтов затрудняет размещение КПУ, что вызывает усложнение его конструкции и снижение эффективности (рис. 15).

На судах с большой осадкой канал КПУ может размещаться ниже линии гребного вала.

Предлагается к прочтению: Режимы малого хода судна

Возможны случаи, когда устанавливают несколько ПУ в носовой и кормовой части судна, располагая их одно за другим для обеспечения достаточного упора (рис. 16).

По месту расположения привода ПУ их разделяют на 2 группы:

1. ПУ с приводом винта от водопогружных электрических и гидравлических двигателей;
2. ПУ с приводным двигателем, расположенным внутри корпуса судна, вне канала ПУ.

К первой группе относятся ПУ, приводимые во вращение от электродвигателя, расположенного непосредственно в канале ПУ (рис. 17).

Величина и направление упора ПУ регулируется соответственно изменением частоты вращения и реверсированием электродвигателя.

Большая длина водопогружных электродвигателей затрудняет их размещение в узкой носовой оконечности судна. Возможно применение водопогружных электродвигателей небольшой длины, выполненных в виде единого двигательно-движительного агрегата с кольцевым ротором, внутри которого размещен гребной винт (рис. 18). Ротор-винт закреплен на валу, который вращается в подшипниках, закрепленных в корпусе статора электродвигателя.

Данная конструкция отличается небольшой длинной, однако её недостатками являются повышенные потери энергии на трение ротора о воду, а также возможность повреждения статорной обмотки механическими частицами, содержащимися в воде.

При использовании погружных гидравлических двигателей возможно создание более компактных конструкций ПУ (рис. 19).

В этом устройстве гребной винтВлияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна приводится во вращение от специального низкооборотного гидродвигателя. В сравнении с электродвигателями гидродвигатели обладают значительно более высокой удельной мощностью. Коэффициент полезного действия гидравлической передачи не уступает к.п.д. электропередачи и достигает 90 %.

Применение погружных гидродвигателей для привода ПУ затрудняется тем обстоятельством, что серийно выпускаемые промышленностью гидродвигатели рассчитаны на высокую частоту вращения. В этом случае высокооборотный гидромотор, устанавливаемый в гондоле, соединяется с гребным винтом через понижающий планетарный редуктор (рис. 20).

Гидромотор питается от аксиально-поршневого насоса переменной производительности, который позволяет осуществлять бесступенчатое регулирование скорости вращения гидромотора, его реверс и, следовательно, величину и направление упора ПУ, что является существенным преимуществом гидропривода.

В ПУ с приводным двигателем, расположенным вне канала, передача мощности к гребному винту осуществляется через редуктор, посредством конической зубчатой передачи (рис. 21).

Двигатель соединяется с редуктором с помощью эластичной муфты или с помощью промежуточного вала, например, карданного.

В зависимости от принятой компоновки ПУ и условий размещения на судне приводной двигатель может быть с горизонтальным или вертикальным расположением (рис. 22).

Наиболее распространены схемы «а» и «б», позволяющие выполнить ПУ в едином блоке. Размещение по схеме «в» обычно используется, когда не удается разместить привод из-за недостатка места. При использовании схемы «г» приходится устанавливать дополнительную коническую передачу.

Регулирование величины и направления упора ПУ с ВФШ производится изменением частоты вращения и реверсом приводного двигателя, что затрудняет использование дизельного привода.

В некоторых случаях регулирование частоты вращения и реверсирование гребного винта выполняется с помощью специальных муфт и реверс-редукторов (рис. 23).

В данном ПУ упор по величине регулируется изменением частоты вращения электродвигателя, а реверс обеспечивается специальным реверс-редуктором с гидравлическими муфтами, которые позволяют разобщить двигатель и редуктор. Такая конструкция облегчает наиболее тяжелые режимы работы электродвигателя – пуск и реверс.

При установке ПУ с ВРШ величина и направление упора, как отмечалось ранее, регулируются поворотом лопастей при постоянной частоте вращения приводного двигателя. Поворот лопастей осуществляется посредством гидравлического или электромеханического привода. В этом случае схема ПУ упрощается, т. к. возможно использование нереверсивного приводного двигателя.

Для привода ПУ с ВФШ применяют асинхронные электродвигатели с фазным ротором и с короткозамкнутым ротором. Запуск электродвигателя с фазным ротором осуществляется по нескольким пусковым ступеням. Пусковой ток обычно составляет 1,2—1,4 номинального. Последние пусковые ступени используются для ступенчатой регулировки частоты вращения электродвигателя от 50 до 100 % номинальной. Привод электродвигателя с короткозамкнутым ротором осуществляется с помощью транзисторного преобразователя частоты.

Условиям работы с ВРШ отвечают асинхронные короткозамкнутые электродвигатели. Пусковой ток в этом случае может быть ограничен введением в цепь ротора на период пуска дополнительных сопротивлений. Это возможно благодаря малому пусковому моменту ВРШ при установке лопастей в положение нулевого шага.

Электродвигатели постоянного тока используют, в основном, на дизель-электроходах с гребными двигателями постоянного тока (на землесосах, промах, ледоколах).

Преимущественное применение электропривода в ПУ объясняется удобством его обслуживания в эксплуатации и сравнительно простой системой управления и контроля. Управление ПУ с электроприводом может производиться в ручном режиме, автоматическом, а также с дистанционного пульта.

Читайте также: Ремонт судового двигателя внутреннего сгорания в рыбной промышленности

С экономической точки зрения более выгодным приводом для ПУ является дизельный. В этом случае исключаются потери на двукратное преобразование энергии, отпадает необходимость в двух электрических машинах и коммутационной аппаратуре. Однако применение дизельного привода осложняется из-за необходимости создания установки, расположенной далеко от МО.

Основные характеристики ПУ ряда транспортных судов представлены в таблице.

Судовой гидравлический движительно-рулевой комплекс (видео)