Судовые движители. 
Судовые энергетические установки

Движителем называют такое судовое устройство, которое, используя работу двигателя, создает в воде упор — силу, способную двигать судно в заданном направлении.

Движители судов с механическим двигателем делятся на лопастные и водометные.

К числу лопастных судовых движителей относятся гребные вингы, крыльчатые движители и гребные колеса, создающие силу упора за счет отбрасывания своими лопастями струи воды в сторону, противоположную движению судна.

Водометные движители создают упор за счет отбрасывания воды, забранной специальным насосом. Так как и лопастные, и водометные движители создают движущую силу за счет реакции отбрасываемых назад масс воды, их называют реактивными. Среди судовых движителей наибольшее распространение получили гребные винты.

Рис. 9.27. Гребной винт (а) и схема его действия (б).

1 — ступица; 2 — лопасть; 3 — обтекатель. У" - окружная скорость элемента, влопасти; v — скорость поступательного перемещения гребного винта вместе с судном; V — результирующая скорость от сложения скоростей V и v; a — угол между результирующей скоростью V и хордой элемента лопасти (угол атаки); R — подъемная сила, возникающая на элементе лопасти; Р — упор гребного винта (горизонтальная составляющая силы R); Т — окружная составляющая сил, действующих на гребной винт.

Рис. 9.28. Общий вид неподвижной направляющей насадки диаметром 7,5 м крупнотоннажного танкера «Крым»

Гребные винты изготовляют из нержавеющей стали, бронзы, латуни и их сплавов, а также из капрона, нейлона и стеклопластика (в основном для малых судов).

Гребной винт характеризуют следующие геометрические элементы:

диаметр — определяется в зависимости от возможной глубины погружения оси гребного вала (обычно, диаметр гребного винта не превышает 70% осадки судна в полном грузу); наиболее крупные винты имеют диаметр до 9−10 м;

дисковое отношение — отношение площади всех лопастей винта к площади диска винта; может быть больше единицы, но у винтов морских транспортных судов оно обычно равно 0,45−0,60;

шаг винта — шаг винтовой поверхности, образующей нагнетающую поверхность лопасти винта.

На засасывающей стороне лопасти при быстром вращении винта благодаря увеличению скорости набегающего потока воды создается разрежение, причем по мере увеличения скорости вращения давление может понизиться настолько, что даже в холодной воде начнется образование пузырьков воздуха (известно, что с уменьшением давления температура кипения воды понижается). Такое вскипание холодной воды на засасывающей стороне лопасти называется кавитацией. Начальная стадия кавитации очень опасна для гребных винтов, так как возникающие при вскипании воды пузырьки воздуха, попав в зону более высокого давления, мгновенно конденсируются и производят сильнейшие гидравлические удары по лопасти винта, вызывая эрозию (местное изъязвление поверхности). В этих условиях работа гребного винта недопустима. Однако по мере дальнейшего увеличения скорости вращения винта зона кавитации распространяется уже на всю лопасть и даже выходит за ее пределы — наступает так называемая вторая стадия кавитации, которая не представляет опасности для прочности винта, но зато несколько уменьшает его КПД. Чтобы устранить кавитацию, увеличивают ширину (площадь) лопастей и глубже погружают сам винт; кроме того, делают гребные винты переменного шага (уменьшая его к комлю и концам лопасти). При проектировании быстроходных винтов, если устранить кавитацию полностью по техническим причинам невозможно, создают условия полностью развитой кавитации (во второй стадии).

Для повышения эффективности гребных винтов применяют направляющие насадки и пропульсивные наделки на руль.

Рис. 9.29. Схема действия направляющей насадки

Рис. 9.30. Пропульсивная наделка (/) на руль

Направляющие насадки бывают неподвижными и поворотными и применяются сейчас не только на малых судах и буксирах, где они особенно эффективны, но и на крупных транспортных судах типа «Крым» (Рис. 9.28). Насадка, имеющая в сечении профиль, аналогичный профилю крыла, создает при движении воды дополнительный упор, как это видно из схемы сил, приведенной на Рис. 9.29. Кроме того, насадка улучшает условия подтекания" воды к диску винта, в результате чего увеличивается скорость подтекающей воды,' уменьшаются концевые потери от перетекания воды через край лопасти и, следовательно, повышается КПД винта (до 20−30%). Применение направляющей насадки увеличивает скорость на 2 — 4 %. Важным преимуществом насадки является выравнивание поля скоростей в диске винта, что уменьшает нагрузки на вало-провод.

Пропульсивная наделка на руль (Рис. 9.30) упорядочивает поток воды за ступицей и повышает КПД винта, а также улучшает условия работы руля.

Принятый шаг гребного винта является наивыгоднейшим только при работе винта в одном — расчетном — режиме. При работе в других, отличных от расчетного, режимах винт будет, как говорят, «тяжелым» или «легким» (при этом имеют в виду не весовые, а гидродинамические характеристики гребного винта). «Тяжелым» называют винт в том случае, если его шаг больше, чем наивыгоднейший шаг в данном режиме хода, например, если у судна увеличилось сопротивление из-за обрастания корпуса или волнения моря и ветра или если шаг винта был выбран большим, чем требовалось. «Легкий» винт, наоборот, имеет шаг, меньший требуемого. Так, винт, спроектированный для условий плавания судна с полным грузом, будет «легким» при плавании этого судна в балласте, когда его водоизмещение, а следовательно, сопротивление воды, меньше, чем при движении с полным грузом.

Обычно гребные винты проектируют несколько облегченными по сравнению с требуемыми для идеальных условий эксплуатации (при этом имеют в виду, что по мере обрастания корпуса и увеличения сопротивления в реальных эксплуа — тационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).

Правильный выбор шага винта важен потому, что «тяжелый» винт не дает возможности двигателю даже при достижении полной мощности развить полные обороты из-за перегрузки, и судно, затрачивая в единицу времени топливо на полную мощность, не разовьет запроектированной скорости. Иными словами, расход топлива на милю увеличится. «Легкий» же винт, наоборот, развивает полные обороты еще до того, как двигатель станет работать на полную мощность. Следовательно, судно и в этих условиях не сможет развить расчетную скорость.

В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (траулерах, паромах, буксирах), вместо винтов фиксированного шага применяют более сложные гребные винты регулируемого шага.

Рис. 9.32. Схема ВРШ. / - ползун; 2 — шатун; 3 — кривошипный' диск; 4 — шток; 5 — поршень; 6 — золотниковый регулятор; 7 — привод управления; 5 — масляный насос; 9 — электродвигатель; 10 — масляная цистерна

Схема поворота лопасти.

Винт регулируемого шага (ВРШ) (Рис. 9.31) имеет лопасти, поворачивающиеся вокруг их вертикальной оси. Их можно устанавливать под любым углом, образуя шаг, необходимый для данного режима работы судна. ВРШ позволяет не только наивыгоднейшим образом использовать двигатель судна в разных условиях эксплуатации, но и удерживать его на месте, не выключая двигателя, если все лопасти расположены в плоскости диска винта в так называемом нейтральном положении, или осуществлять реверс (задний ход), не меняя направления вращения вала двигателя. Последнее обстоятельство особенно важно при использовании нереверсируемых главных двигателей (газовых и паровых турбин), так как позволяет отказаться от необходимых в этом случае турбин заднего хода или реверсивных муфт. ВРШ состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) в кормовой оконечности судна и привода механизма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе. Управляют МИШ дистанционно из рулевой рубки и с крыльев ходового мостика.

Механизм поворота лопастей (Рис. 9.32) состоит из ползуна и шатунов, соединенных с кривошипными дисками, на которых закреплены лопасти. Усилие для поворота лопастей передается через шток в гребном валу на ползун, а от него через шатуны — кривошипным дискам, которые, вращаясь, поворачивают лопасти.

Рис. 9.33. Крыльчатый движитель и схема его работы

Движение штоку, на конце которого расположен поршень, передается давлением масла (его можно подавать под одну или другую сторону поршня, в зависимости от необходимого направления изменения шага). Рабочее давление масла создается масляным насосом высокого давления (2,0 МПа или 20 кгс/см²), работающим от гребного вала или специального электромотора. Направление подачи масла изменяется золотниковым устройством, привод которого связан с постом управления в рулевой рубке.

Применение ВРШ позволяет за счет повышения КПД двигателя в разных условиях эксплуатации снизить на 10−15% расход топлива и увеличить в среднем на 2−3% среднюю рейсовую скорость. Возможность быстрого перехода с переднего на задний ход улучшает маневренные качества судна и примерно в 1,5 раза сокращает выбег при экстренном торможении, повышая тем самым безопасность плавания. Важным преимуществом ВРШ является и то, что его съемные лопасти можно легко заменять, не выводя судно из эксплуатации.

К недостаткам ВРШ относятся сложность конструкции, более высокая стоимость и несколько меньший (на 1−3%), чем у винтов фиксированного шага, КПД из-за большего диаметра ступицы, в которой размещается механизм поворота. Однако, несмотря на эти недостатки, ВРШ является перспективным типом движителя не только для промысловых и технических, но и для крупных транспортных судов: на крупнотоннажных танкерах типа «Крым» установлен ВРШ диаметром 7,5 м, на атомном лихтеровозе «Сев-морпуть» — 6,8 м, на сухогрузном газотурбоходе «Парижская коммуна» — диаметром 5,6 м. Диаметр наиболее крупных ВРШ достигает 9 м.

Крыльчатый движитель (Рис. 9.33) представляет собой диск, вмонтированный заподлицо с днищевой обшивкой и приводящийся во вращение вокруг вертикальной оси судовым двигателем. По окружности диска перпендикулярно к нему расположены четыре — восемь погруженных в воду лопастей, каждая из которых вращается вместе с диском, а также вокруг своей оси. Путем соответствующей установки привода управления поворотом каждой лопасти вокруг своей оси можно при неизменном направлении вращения диска создать упор в любом направлении (см. схему на Рис. 9.33). Поэтому суда, оборудованные крыльчатым движителем, не имеют рулей. Несмотря на сложность изготовления и невысокий КПД, крыльчатые движители незаменимы на тех судах, для которых необходима высокая маневренность при малых скоростях движения (на плавучих кранах, буксирах и пр.). Управление крыльчатым движителем осуществляется из ходовой рубки и с крыльев ходового мостика.