Винты регулируемого шага на судах

Винты регулируемого шага на судне представляют собой ключевой элемент, обеспечивающий эффективное управление движением судна в различных условиях. Этот технологический компонент позволяет изменять угол наклона лопастей винта, что влияет на величину тяги и, следовательно, на скорость и маневренность судна.

Преимущество винтов регулируемого шага заключается в том, что они способны оптимизировать производительность судна в разнообразных ситуациях, таких как изменение глубины воды, изменение скорости или направления ветра. Эта адаптивность позволяет судну экономить топливо и обеспечивает более эффективное использование мощности двигателя. Таким образом, винты регулируемого шага играют важную роль в современных морских технологиях, повышая эффективность и устойчивость судна в различных условиях плавания.

Судовые движители

Движителем называется судовое устройство или механизм, которые, используя работу двигателя, создают в воде упор-силу, с помощью которой судно движется в заданном направлении. В качестве движителя на современных судах применяют гребной винт, установленный радиально на ступице и создающий движущую силу в результате реакции массы воды, отбрасываемой в сторону, противоположную направлению движения судна.

По конструкции гребные винты подразделяют на винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ).

Гребные винты изготавливают из:

• сталей,
• бронз,
• латуней и их сплавов.

Для судов малого водоизмещения гребные винты могут быть изготовлены из:

• капрона,
• нейлона,
• и стеклопластика.

Гребной винт имеет от 3 до 6 лопастей, а в зависимости от направления вращения образующей винтовой поверхности различают винты правого и левого вращения.

Основными характеристиками гребного винта являются:

• диаметр винта – диаметр окружности, описываемой наружной кромкой лопасти; обычно диаметр винта не превышает 70 % осадки судна с полным грузом, наиболее крупные винты имеют диаметр до 10 м;
• шаг винта – расстояние, которое прошел бы винт за один оборот при вращении в неподвижной струе;
• дисковое отношение – отношение всей площади лопастей винта к площади диска винта; оно может быть больше единицы, но у винтов морских транспортных судов оно обычно не превышает 0,45-0,60.

При работе лопастей на их засасывающей стороне при быстром вращении создается разрежение, которое по мере увеличения скорости вращения винта может достигнуть таких величин, что даже в холодной воде начнется образование пузырьков воздуха. Такое вскипание холодной воды на засасывающей стороне лопасти называется кавитацией. Это явление очень опасно для винтов, так как возникающие при вскипании воды пузырьки воздуха, попав в зону высокого давления, мгновенно конденсируются и производят сильные гидравлические удары по лопасти винта, вызывая эрозию поверхности. В таких условиях работа гребного винта недопустима. По мере увеличения скорости вращения винта зона кавитации распространяется на всю лопасть и даже выходит за ее пределы – наступает так называемая вторая стадия кавитации, которая не представляет опасности для прочности винта, но увеличение скорости вращения винта уменьшает его коэффициент полезного действия. Чтобы устранить кавитацию, увеличивают ширину (площадь) лопастей и глубже погружают сам винт; кроме того, гребные винты делают переменного шага (уменьшая его к комлю и концам лопасти).

Гребные винты малотоннажных судовГребные винты фиксированного шага могут использовать полную мощность двигателя только при номинальной частоте вращения вала, на других режимах – с меньшим коэффициентом полезного действия. Поэтому на судах, которые часто меняют режим хода (траулеры, буксиры, паромы), вместо винтов фиксированного шага применяют более сложные винты регулируемого шага.

Винты регулируемого шага позволяют использовать мощность главного двигателя в различных режимах эксплуатации, а также удерживать судно на месте, не останавливая двигатель, или осуществлять реверс (задний ход), не меняя направления вращения вала двигателя; последнее обстоятельство особенно важно при использовании нереверсивных главных двигателей.

Винт регулируемого шага состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) в кормовой оконечности судна и привода механизма поворота лопастей, расположенного в валопроводе. Управляют МИШ из рулевой
рубки.

Поворачивая лопасти с помощью механизма изменения шага, можно изменять величину шага винта на ходу судна в процессе работы главного двигателя от положения полного переднего хода до полного заднего хода и соответственно изменять скорость хода от максимального до минимального, что очень важно для выполнения различных промысловых операций (постановка и выборка трала), и наиболее эффективно использовать мощность главного двигателя.

Схема установки ВРШ на судне показана на рис. 1.

В ступице гребного винта 1 размещен механизм поворота лопастей. Такой винт называется винтом с поворотными лопастями (ВПЛ). На валопроводе установлен механизм изменения шага (МИШ) 2. Управление МИШ осуществляется с дистанционного поста управления 4. Управление главного двигателя 3 ведут с помощью машинного телеграфа. При получении определенной команды МИШ воздействует на ВПЛ, разворачивает лопасти винта в нужное положение.

Современные гребные винты регулируемого шага классифицируются по типу МИШ на:

• гидравлические,
• электрические,
• механические
• и с ручным приводом.

Наибольшее применение получили МИШ с гидравлическим приводом. Гидравлический привод прост по конструкции, обладает высокой надежностью в работе, малыми габаритами. Ручные и механические приводы используются для маломощных судов.

Винты регулируемого шага классифицируются по месту расположения МИШ:

• в линии валопровода;
• вне линии валопровода;
• непосредственно в ступице винта.

Для ВРШ гидравлического типа МИШ обычно располагают в линии валопровода. Механизм поворота лопастей может быть:

• кулисного,
• шатунного,
• реечного,
• червячного,
• и шестеренчатого типов.

Реечные, червячные и шестеренчатые механизмы применяют реже, так как они менее эффективны, чем кулисные и шатунные.

К недостаткам винтов регулируемого шага относятся сложность конструкции, более высокая стоимость и несколько меньший КПД (на 1-3 %), чем у винтов фиксированного шага, из-за большего диаметра ступицы, в которой размещается механизм поворота; повышенная стоимость и потребность в более квалифицированных кадрах ограничивают его применение. Однако, несмотря на эти недостатки, ВРШ является перспективным типом движителя не только для промысловых и буксирных судов, но и для крупных транспортных судов.

Конструкция винтов регулируемого шага

Винты регулируемого шага состоят из двух основных элементов – винта с поворотными лопастями (ВПЛ) и механизма изменения шага (МИШ).

На рис. 2 представлены кинематические схемы винтов с поворотными лопастями.

Наиболее простыми и удобными в эксплуатации являются зубчатые механизмы червячного, реечного и шестеренчатого типов (см. рис. 2, а). На корневой части лопасти 1 укреплено цилиндрическое зубчатое колесо 5, находящееся в зацеплении с зубчатой рейкой 2, соединенной со штангой МИШ. Перемещение штанги в осевом пасти. Во втором случае (см. рис. 2, б) лопасть и штанга имеют конические зубчатые колеса и поворот лопасти происходит за счет поворота штанги.

Зубчатые механизмы червячного, реечного и шестеренчатого типов получили распространение лишь в установках небольших судов, так как они менее эффективны по сравнению с кулисными и шатунными; кроме того, зуб, являющийся элементом передачи усилия на лопасть винта, имеет относительно небольшую прочность.

Кривошипные и кулисные механизмы применяют в мощных установках промысловых судов. Усилие механизма изменения шага (см. рис. 2, в, г) передается на палец 4, который обладает большой прочностью, а следовательно, и надежностью в эксплуатации.

Все рассмотренные конструктивные схемы ВПЛ обладают одной особенностью: МИШ, приводящий в движение или вращение штанги, расположен вне ступицы винта. Эти конструкции чаще устанавливают на судах.

В Влияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость суднавинтах регулируемого шага можно разными способами заделывать поворотные лопасти в ступице гребного винта. На рис. 3, а представлена схема заделки плоского типа на цилиндрических роликах.

Лопасть винта 1 крепится к лопастной шайбе 5 при помощи болтов-шпилек 3 и гаек 2. Опорное кольцо 9 затянуто гайкой 11 в корпусе 8 ступицы. Пальцевая 12 и лопастная 5 шайбы стянуты при помощи тех же болтов-шпилек 3, образуя вместе с роликами 6 и 10 плоский подшипник, а с роликами 7 – радиальный подшипник. Поворот лопасти осуществляется при помощи пальца 13; при этом момент передается на лопасть штифтами 4. Приведенная схема заделки поворотных лопастей применяется на установках ВРШ судов БМРТ типа «Маяковский».

На рис. 3, б показана схема заделки радиального типа. Лопасти 1 и 10 опираются одна на другую своими цапфами 5 и 6, к которым они крепятся болтами 2 и 3. Цапфы лопасти откованы и имеют вид коленчатых валов. Каждая цапфа одним своим концом опирается через подшипник 4 на корпус 9 ступицы, а вторым концом входит в расточку другой цапфы, где также находится подшипник 8. Поворот лопастей производится шатунами 7 за среднюю коленообразную часть цапф. Эта схема заделки применяется только для двух- и четырехлопастных винтов, установленных на судах БМРТ типа «Лесков», РТМ типа «Тропик», на траулерах типа «Рембрандт».

Читайте также: Влияние гребного винта фиксированного шага (ВФШ) и руля на управляемость судна

При переходе с переднего на задний ход поворот лопастей ВРШ может производиться через нейтральное (рис. 4, а) и флюгерное (рис. 4, б) положения, показанные на схемах штриховкой. Угол перекладки лопастей с применением поворота лопастей через нейтральное положение значительно меньше, чем во флюгерном, однако при реверсе через нейтральное положение на заднем ходу снижается КПД гребного винта. Это происходит вследствие того, что засасывающая и нагнетательная поверхности лопастей как бы меняются своими местами, а в несимметричных винтах они имеют разный профиль.

Для приведения в действие механизма поворота лопастей применяют МИШ, среди которых наиболее часто применяют МИШ гидравлического типа с вынесенным масляным насосом.

На рис. 5 схематически показан ВРШ с гидравлическим МИШ, размещенным в линии валопровода с вынесенным масляным насосом.

Поворот лопастей винта осуществляется с помощью механизма изменения шага, представляющего собой штангу 10, проходящую внутри полого гребного вала, в носовой части которого жестко закреплен поршень 8, перемещающийся в гидравлическом цилиндре 9. На кормовом конце штанги в полости ступицы 11 винта установлен ползун 12 с четырьмя пазами, в которых размещены пальцы 14, эксцентрично закрепленные в дисках лопастей 1. Штанга с поршнем может совершать только возвратно-поступательное движение, ползун под действием штанги воздействует на пальцы, которые, в свою очередь, разворачивают лопасти в ту или другую сторону.

Механизм изменения шага является силовым гидравлическим агрегатом, который встроен в линию валопровода и служит для создания необходимого усилия для поворота лопастей.

Поворот лопастей осуществляется с постов управления, которые располагаются:

• в машинном отделении;
• в носовой рулевой рубке;
• в кормовой промысловой рубке.

Работу МИШ обеспечивает основной или резервный масляный насос, который через реверсивный золотник подает рабочее масло по трубопроводам 5 и 6 к маслобуксе 4, а из нее по каналам в гребном валу и штанге поступает в левую или правую полость гидравлического цилиндра механизма изменения шага.

При подаче масла в кормовую часть полости цилиндра поршень 8 и штанга 10 передвинутся вперед и ползун 12 развернет лопасти в положение, соответствующее переднему ходу судна, и наоборот, при подаче масла в носовую полость цилиндра поршень и штанга передвинутся в обратную сторону, ползун развернет лопасти винта в положение, соответствующее заднему ходу судна.

Одновременно с ходом поршня и штанги МИШ передвигается зубчатая рейка 7, которая закреплена на носовом конце штанги 10. После достижения заданного разворота лопастей зубчатая рейка через механизм управления ставит реверсивный золотник в среднее положение и дальнейший поворот лопастей прекращается.

Для создания гидростатического подпора и защиты от проникновения воды в ступицу через уплотнения лопастей и обтекателя 13 в полости ступицы подается масло из бака 3 через буксу масловода 2 и далее по кольцевому сечению между гребным валом и штангой. Масло кроме создания гидростатического подпора производит смазку МИШ, опорных подшипников и штанги.

Для обеспечения работы винта регулируемого шага необходимы следующие вспомогательные системы:

• гидросистема ВРШ;
• система дистанционного управления шагом ВПЛ;
• система указателей шага винта.

Гидросистема ВРШ обеспечивает подачу рабочего масла в МИШ, обеспечивает смазку и охлаждение узлов и деталей ВПЛ.

Система дистанционного управления предназначена для изменения шага ВПЛ из:

• носовой,
• кормовой,
• рулевых рубок,
• или из машинного отделения.

Система указателей шага служит для контроля за положением лопастей винта.

В ВРШ любой конструкции при выходе из строя МИШ предусмотрено приспособление для разворота лопастей винта на полный передний ход. В этом случае ВРШ будет работать как винт фиксированного шага.

Эксплуатация установок с винтами регулируемого шага

Эксплуатация установок ВРШ должна производиться в соответствии с инструкцией завода-изготовителя и требованиями «Правил технической эксплуатации дизелей на судах Минрыбхоза России».

Техническое состояние винтов регулируемого шага должно соответствовать следующим требованиям Регистра России:

• система гидравлического управления механизмом для изменения шага должна обслуживаться двумя, независимыми друг от друга насосами, один из которых является резервным. На судах ограниченного района плавания один из насосов может быть приводным от главного двигателя;
• механизм изменения шага должен быть выполнен таким образом, чтобы при выходе из строя гидравлической системы управления имелась возможность установки лопастей в положение полного переднего хода;
• на судах с ВРШ, на которых по условиям эксплуатации возможна перегрузка главного двигателя, рекомендуется применять устройства, автоматически предохраняющие главный двигатель от перегрузки;
• ступица ВРШ после сборки лопастей должна испытываться внутренним давлением, равным высоте столба рабочего уровня масла в напорной цистерне или давлением, создаваемым насосом, действующим в системе смазки ступицы;
• время перекладки лопастей ВРШ с полного переднего хода на полный задний ход не должно превышать:
  • для винтов диаметром до 2 м – 20 с;
  • для винтов диаметром свыше 2 м – 30 с.

Техническое состояние ВРШ также должно обеспечивать изменение шага винта в диапазоне, указанном в технической документации завода-изготовителя, надежное фиксирование лопастей в заданом положении и полное использование мощности главного двигателя при спецификационном числе оборотов на всех режимах работы, указанных в паспорте судна.

Судно, оборудованное винтом регулируемого шага, имеет следующие преимущества:

• значительно упрощается управление судном, так как все операции по изменению ходов и реверсов выполняются непосредственно из рулевой рубки;
• обеспечивается возможность получения любой малой скорости, включая стоянку на месте, при работающем главном двигателе;
• увеличивается скорость судна при различных условиях плавания (с грузом, порожняком, с тралом, при волнении моря и т. д.) за счет возможности использования полной мощности главного двигателя на заданном режиме;
• увеличивается моторесурс главного двигателя за счет значительного сокращения количества пусков и реверсов при маневрировании судна, постановке и выборке трала и при швартовке;
• уменьшается расход топлива за счет благоприятного режима совместной работы ВРШ и главного двигателя.

Для обеспечения полной готовности ВРШ к действию необходимо содержать в исправном состоянии и чистоте все агрегаты и узлы, а также следить за плотностью всех трубопроводов системы ВРШ и плотностью всех уплотнений.

Обслуживать агрегаты гидросистемы и приборы нужно в соответствии с инструкцией завода-изготовителя.

Во время эксплуатации и при ремонтах необходимо в формулярах и паспортах агрегатов делать соответствующие записи о произведенных ремонтах и заменах деталей.

При подготовке ВРШ к работе необходимо произвести внешний осмотр и проверить исправность механизмов и систем, обслуживающих ВРШ. После наружного осмотра необходимо проверить уровень масла в маслобаках и открыть краны основной гидросистемы. Краны системы смазки ступицы винта должны быть постоянно открыты. Затем нужно подать питание на электроприводы агрегатов питания, систему дистанционного управления и систему указателей шага ВРШ, затем провернуть гребной вал на 2-3 оборота при помощи валоповоротного устройства.

При неработающем двигателе поочередно с каждого поста управления произвести пробную перекладку лопастей винта в диапазоне «Полный ход вперед»-«Полный ход назад» и обратно. Перекладка должна производиться плавно без рывков. Пускать главный двигатель нужно при положении лопастей винта «Стоп». После пуска устанавливают требуемый шаг винта отклонением рукоятки поста управления. При достижении стрелки ВУШ заданного положения рукоятку поста отпускают.

Во время работы ВРШ необходимо периодически наблюдать за:

• давлением масла во время перекладок, которое не должно превышать указанного в инструкции по обслуживанию;
• герметичностью соединений и уплотнений;
• уровнем масла в напорных и сливных баках;
• температурой маслобукс;
• своевременной откачкой масла из бачков утечек.

Откачка производится автоматически от реле уровня. При отказе автоматической системы откачки масла нужно пользоваться ручным насосом.

Маслобак напорной смазки ВПЛ на ходу и на стоянке судна всегда должен быть заполнен, и кран на магистрали к маслобуксе должен быть всегда закрыт. После остановки главного двигателя на длительный срок:

• масло перекачивают из сливных бачков;
• краны закрывают;
• отключают электрические системы дистанционного управления, привода агрегатов питания и систем ВУШ;
• переключатели постов управления устанавливают в нейтральное положение и производят внешний осмотр ВРШ.

Эксплуатация неисправного ВРШ недопустима, а потому должны быть приняты меры к устранению всех обнаруженных неисправностей. Для этого рекомендуется ежегодно производить смену масла и промывку гидросистемы маслом. Перед заполнением гидросистемы маслом тщательно проверяют чистоту трубопроводов и всех агрегатов гидросистемы, учитывая, что наличие в масле металлических примесей значительно снижает надежность и срок службы ВРШ.

Для замены масла необходимо гидроцилиндр МИШ установить пробками вверх и вывернуть кормовую пробку. Затем короткими включениями маслонасоса агрегата питания заполнять кормовую полость гидроцилиндра до тех пор, пока из отверстия кормовой пробки не пойдет масло без воздушных пузырьков. Затем завернуть кормовую пробку и отвернуть носовую. Аналогичным способом заполняют и носовую полость цилиндра МИШ. Во время заполнения гидросистемы следует ликвидировать течь масла из соединений. После заполнения маслом гидроцилиндра и систем необходимо произвести не менее пяти перекладок лопастей винта от упора до упора маслонасосами, каждого агрегата питания.

Не допускаются к эксплуатации установки ВРШ в следующих случаях:

• при поломке лопастей и ослаблении их крепления, повреждении уплотнения комлевой заделки лопастей;
• при неисправности механизма поворота лопастей и отсутствии надежного их фиксирования в заданном положении;
• при неисправности крепления движителя;
• при несоответствии характеристик масел, применяемых в гидравлической системе ВРШ;
• при неисправности основных, резервных и аварийных систем управления ВРШ, а также систем сигнализации и защиты;
• при неисправности или несогласованности дистанционных и выносных указателей шага;
• при наличии посторонних стуков и шумов в механизме изменения шага при перекладке лопастей.