Рис. 12.54. Традиционное расположение главной гребной установки: 1 - руль, 2 - гребной винт, 3 - валопровод, 4 - главный двигатель.
Винто-рулевые колонки (ВРК) объединяют в себе пропульсивную (гребную) установку и рулевое устройство.
На рис. 12.54 и 12.55 показано расположение главной гребной установки: традиционное и с винто-рулевой колонкой.
В первом случае главный двигатель 4 передает вращение гребному винту 2 через валопровод 3, а управление судном осуществляется с помощью руля 1, приводимого в действие рулевой машиной (на рисунке не показана).
Во втором случае главный двигатель 5 вращает гребной винт (один или два) 2, посредством короткого валопровода 4 и двух валов (приводного и гребного), расположенных внутри корпуса винто-рулевой колонки 3.
Управление судном происходит путем поворота гребного винта 2 (изменяется направление упора) вокруг вертикальной оси ВРК с помощью поворотной трубы 1. Она выполняет роль баллера и вращается с помощью специального гидропровода.
Рис. 12.55. Гребная установка с винто-рулевой колонкой: 1 - поворотная труба (баллер), 2 - два (или один) винта, 3 - ВРК (компплект), 4 - валопровод, 5 - главный двигатель, 6 - освободившееся помещение.
Достоинствами ВРК являются:
- - Повышение маневренности судна, особенно в сложных навигационных условиях; судно может разворачиваться на месте, двигаться лагом при двух ВРК, двигаться и управляться при заднем ходе.
- Улучшение устойчивости судна на курсе в связи с отсутствием бокового упора, присущего традиционным гребным винтам.
- Повышение надежности гребной установки, например, при посадках на мель; при двух ВРК судно может самостоятельно сняться с мели.
- Возможность демонтажа ВРК для ремонта и ремонта без докования судна.
- Меньше шум и вибрация. Меньше объем машинного отделения.
Названные достоинства ВРК определяют их назначение. Они применяются на грузовых и пассажирских судах, буксирах, паромах, буровых платформах и судах, работающих на шельфе.
Широко известны две фирмы, производящие винто-рулевые колонки: KAMEWA (Швеция) и AQUAMASTER RAUMA (Финляндия).
Рассмотрим конструктивные особенности ВРК фирмы KAMEWA.
На рис. 12.56 показано устройство ВРК с винтом регулируемого шага.
Принцип действия заключается в следующем.
Приводной вал 9 получает вращательное движение постоянной частоты и одного направления от главного двигателя (на рисунке не показан) через соединительный вал 27. Коническая шестерня 11 приводного вала передает вращение зубчатому колесу 16, которое насажено на гребной вал 18. Он жестко соединен с корпусом 20 гребного винта 21. Регулирование шага винта осуществляется с помощью гидравлического механизма изменения шага (МИШ) 19.
Этот механизм и его гидравлическая система имеют традиционную конструкцию. Они применяются кроме ВРК в подруливающих устройствах. Конструкция МИШ показана на рис. 12.53 , а его гидравлическая системана рис. 12.52. Там же рассмотрен принцип их действия.
Рис. 12.56. Винто-рулевая колонка с винтом регулируемого шага (фирма KAMEWA, Швеция): 1 - гидромотор, 2 - шестерня гидромотора, 3 - корпус зубчатого колеса, 4 - подшипник, 5 - внешний корпус ВРК, 6 - подшипник, 7 - фланец корпуса, 8-уплотнение, 9-приводной вал, 10 - подшипник, 11 - шестерня, 12-рычаг обратной связи, 13 - гидравлическая распределительная коробка, 14- корпус редуктора, 15 - подшипник, 16 - главная шестерня, 17 - подшипник, 18 - гребной вал, 19 - механизм изменения шага, 20 - корпус, 21 - поворотная лопасть, 22 - подшипник, 23 - поворотная насадка, 24 - поворотная труба (баллер), 25 - золотниковое устройство, 26 - зубчатое колесо, 27 - соединительный вал.
Механическая обратная связь 12 и золотниковое устройство 25 обеспечивают следящий принцип работы МИШ и его гидросистемы, т. е. однозначное соответствие фактического угла поворота лопастей 21 и его заданного значения (на мостике). Корпус 20 МИШ и корпус редуктора 14 герметизируются уплотнениями во избежание попадания забортной воды.
Вторая функция ВРК- поворот насадки 23, в которой расположен ВРШ. Это осуществляется следующим образом.
Гидромоторы 1 вращают с помощью своих шестерен 2 зубчатое колесо (3 + 26). Оно соединено с поворотной трубой 24, которая выполняете роль баллера. Труба 24 расположена в подшипниках 4 и 6 внутри неподвижного корпуса 5 и жестко соединена с поворотной насадкой 23. Уплотнения 8 предотвращают попадание забортной воды внутрь ВРК. Корпус 5 закрепляется на палубе фланцем 7.
Вращение гидромоторов 1 обеспечивается специальной гидросистемой, включающей кроме гидромоторов насос регулируемой подачи и золотники с дистанционным управлением.
Фирма KAMEWA производит серию ВРК с широким диапазоном характеристик. На рис. 12.57 показаны основные размеры ВРК, а их характеристики приведены в таблице 12.9.
Рис. 12.57. Размеры винто-рулевых колонок (фирма KAMEWA): а) 1 - гидромотор, 2 - редуктор, 3 - внешний корпус (неподвижный), 4 - палуба, 5 - поворотная насадка, 6 - винт регулируемого шага; б) 1 - поворотная труба (баллер), 2 - корпус ВРШ, 3 - винт регулируемого шага, 4 - поворотная насадка; размеры А, В, С, Д, Е, F, G указаны в таблице 12.9.
На рис. 12.58 показан внешний вид ВРК с винтом регулируемого шага фирмы KAMEWA.
Характеристики ВРК фирмы KAMEWA
Таблица 12.9
| Диаметр винта, мм | Мощность, кВт | Вес, кг | Размеры, мм | ||||||
| Марка | A | B | C | D | E | F | G | ||
| 2000/20 | 980-1650 | 15500 | 2070 | 875 | 790 | 2025 | 1605 | 1310 | 2670 |
| 2400/24 | 1651-2400 | 25000 | 2485 | 1050 | 950 | 2430 | 1925 | 1575 | 3230 |
| 2800/28 | 2401-3100 | 34000 | 2830 | 1220 | 1165 | 2835 | 2175 | 1860 | 3735 |
| 3300/33 | 3101-4500 | 58000 | 3395 | 1440 | 1370 | 3340 | 2415 | 2170 | 4385 |
| 3900/39 | 4501-6100 | 89000 | 4010 | 1700 | 1620 | 3950 | 2855 | 2565 | 5185 |
Рис. 12.58. Внешний вид винто-рулевой колонки (фирма KAMEWA): 1 - гидромотор, 2- редуктор, 3 - внешний корпус (неподвижный), 4 - винт регулируемого шага, 5 - поворотная насадка.
Для дистанционного управления ВРК используется специальная электрогидравлическая система.
ВРК этой фирмы широко используются на передвижных буровых платформах, буксирах, крановых судах большой грузоподъемности, вспомогательных и спасательных судах. Например, буровые платформы оборудуются четырьмя ВРК мощностью 2400 кВт каждая. На спасательном судне устанавливаются три ВРК мощностью 2200 кВт каждая и три подруливающих устройства мощностью по 1325 кВт.
Фирма KAMEWA производит также ВРК с винтами фиксированного шага в случаях таких заказов.
Рассмотрим винто-рулевые колонки фирмы AQUAMASTER-RAUMA (Финляндия).
Эта фирма производит различные типы ВРК в зависимости от их назначения.
На рис. 12.59 показана стационарная (встроенная в корпус судна) ВРК типа US. Она может иметь мощность до 7500 кВт. Применяется на различных типах грузовых судов, буксирах, пассажирских и автомобильных паромах и т. д. Чаще всего устанавливаются две ВРК. Они обеспечивают хорошую маневренность судна, в том числе движение лагом. Эти ВРК могут использоваться также на передвижных буровых платформах.
Рис. 12.59. Стационарная (встроенная в корпус) ВРК: 1 - палуба (корпус судна), 2 - корпус ВРК, 3 - поворотная труба (баллер), 4 - корпус редуктора, 5 - гребной винт, 6 - поворотная насадка.
На рис. 12.60 приведена выдвижная ВРК типа UL, мощность которой достигает 3000 кВт. Применяется, в основном, как вспомогательная установка для создания дополнительного упора и повышения маневренности судов, работающих на шельфе, например, вспомогательных и спасательных судов.
Эти ВРК имеют два положения: рабочее и походное. Управление ими - дистанционное.
На рис. 12.61 и 12.62 показаны подъемно-опрокидывающиеся и опрокидывающиеся ВРК. Они устанавливаются на палубе, имеют два положения: рабочее и походное. Управляются дистанционно. Изменение положения происходит с помощью гидроцилиндров.
Мощность этих ВРК достигает 1500 кВт. Применяются на земснарядах, баржах, саморазгружающихся шаландах, рабочих понтонах и др.
Фирма AQUAMASTER применяет в своих ВРК винты фиксированного шага (ВФШ). Специалисты фирмы считают, что такие винты имеют больший к.п.д., благодаря меньшему диаметру ступицы. Отсутствие движущихся частей повышает срок службы и надежность работы винтов. Улучшается реакция винта за счет уменьшения вращающихся масс.
Рис. 12.60. Выдвижная ВРК: 1 - походная позиция (ВРК поднята вверх), 2- рабочая позиция ВРК, 3 - валопровод (от двигателя), 4- корпус судна, 5 - поворотная труба, 6 - гребной винт, 7 - поворотная насадка.
Рис. 12.61. Подъемно-опрокидывающаяся ВРК: 1 - головная часть ВРК, 2 - рабочее положение, 3 - походное положение, 4 - гребной винт, 5 - гидроцилиндр, 6 - корпус судна.
Рис. 12.62. Опрокидывающаяся ВРК: 1 - головная часть ВРК, 2 - рабочее положение, 3 - походное положение, 4 - гребной винт, 5 - гидроцилиндр, 6 - корпус судна.
На рис. 12.63 приведена схема ВРК с одним винтом фиксированного шага. Передача вращения от главного двигателя к винту 14 происходит посредством вторичного силового вала 2, соединенного с первичным силовым валом главного двигателя с помощью запатентованной фирмой разъединительной муфты 4. Она работает дистанционно от сигнала управления.
От вала 2 вращение передается коническими шестернями 3 и 1 к приводному валу 10. На его нижнем конце имеется коническая шестерня 11, соединенная с зубчатым колесом 12 гребного вала 13.
Поворот насадки 9 (совместно с винтом 14) происходит с помощью зубчатого колеса 5, соединенного с шестернями специального привода. Это колесо вращает поворотную трубу (баллер) 7, которая жестко соединена с насадкой. Труба 7 находится внутри наружного корпуса 6 и вращается в своих подшипниках, а приводной вал 10 вращается в подшипниках 8, установленных внутри поворотной трубы 7.
Применение винтов фиксированного шага, как альтернативы ВРШ, требует регулирования частоты его вращения для изменения скорости судна. Это обеспечивается дополнительным специальным устройством - гидравлической фрикционной муфтой.
На рис. 12.64 показано расположение оборудования стационарной ВРК. Здесь применена гидравлическая фрикционная муфта, работающая от дистанционной системы управления. Она обеспечивает плавное изменение частоты вращения винта от нуля до номинального значения.
Рис. 12.63. Винто-рулевая колонка фирмы AQUAMACTER (Финляндия): 1 - ведомая зубчатая шестерня, 2 - вторичный силовой вал, 3 - ведущая зубчатая шестерня, 4 - разъединительная муфта, 5 - зубчатое колесо, 6 - неподвижный корпус, 7 - поворотная труба, 8 - подшипник, 9 - поворотная насадка, 10 - приводной вал, 11 - шестерня приводного вала, 12- зубчатое колесо, 13- гребной вал, 14 винт фиксированного шага.
Фирма провела большие исследовательские работы и реализовала ВРК с винтами противоположного вращения.
На рис. 12.65 показана схема такой ВРК. Принцип действия заключается в следующем. Приводной вал 3 вращается в подшипнике 4 и с помощью конической шестерни 6 вращает одновременно зубчатые колеса 9 и 10 в противоположных направлениях. Они жестко соединены с гребным валом 12 и втулкой 13, которая играет также роль гребного вала. Насаженные на них винты фиксированного шага 16 и 14 будут вращаться в противоположных направлениях.
Рис. 12.64. Расположение оборудования стационарной ВРК: 1 - корпус редуктора, 2 - поворотная насадка, 3 - поворотная труба (баллер), 4 - корпус судна, 5 - силовой карданный вал, 6 - гидравлическая фрикционная муфта.
Частота вращения винтов, т. е. приводного вала 3, регулируется плавно от нуля до номинального значения с помощью гидравлической фрикционной муфты, управляемой с помощью дистанционной системы.
Для двух винтов насадка не требуется, а вращение устройства обеспечивается с помощью поворотной трубы (баллера) 5. Она соединена и работает от специального привода (на схеме не показан). Конструкция этого привода аналогична показанному на рис. 12.63.
ВРК с винтами противоположного вращения имеют следующие положительные качества:
- короткие гребные валы позволяют применять более простые подшипники и сальниковые уплотнения;
- улучшается балансировка редуктора и всей ВРК за счет противоположного вращения двух конических колес от одной шестерни;
- уменьшается шумность винтов и вибрация корпуса;
- применяются винты меньшего диаметра (до 25 %);
- эффективность винтов больше на 10-15 % за счет возмещения энергии вращения. Поток воды за диском винтов спокойный, без турбулентности;
- отсутствует боковой упор, характерный для одного винта.
Рис. 12.65. ВРК с двумя винтами противоположного вращения: 1 и 2 - подщипники, 3 - приводной вал, 4 - подшипник, 5 - поворотная труба (баллер), 6 - ведущая шестерня, 7 - подшипник, 8 - обтекатель, 9 и 10 - зубчатые колесу, 11 - корпус редуктора, 12 и 13 - гребные валы, 14 и 16 - гребные винты протироположного вращения, 15 - уплотнение.
На рис. 12.66 показан внешний вид ВРК с винтами противоположного вращения.
Такие ВРК успешно применяются на различных типах грузовых судов, пассажирских судах, паромах и т. д. Обычно устанавливаются две ВРК, а иногда больше для повышения маневренности судов специального назначения.
Для дистанционного управления и контроля работы ВРК фирма разработала различные системы. В частности, система AQUAPILOT обеспечивает:
- следящее и временное (простое) управление разворотами судна;
- регулирование частоты вращения винтов;
- управление разобщительной муфтой;
- функционирование указателей направления упора и частоту вращения винтов;
Система работает от сети постоянного тока напряжением 24 В и оборудована интерфейсом для авторулевого и системы динамического позиционирования.
Имеется система управления MICROPILOT. Она предназначена для управления судном, имеющем несколько ВРК, с помощью одной рукоятки. Программа управления разрабатывается для конкретных судов с учетом их гидродинамических характеристик и отрабатывается окончательно во время ходовых испытаний.
Для повышения конкурентоспособности своих ВРК фирма AQUAMASTER разработала систему контроля качества, которая состоит из плановых и текущих проверок и системы функциональных проверок перед поставкой.
До установки на судно проверяются номинальный вращающий момент на валу, частота вращения при номинальном моменте, а также проводится двойная проверка контактного пятна зубьев редукторов. Гидравлические и электрические системы управления, подвергаются полным функциональным испытаниям в той же компоновке, в которой они будут установлены на судне. Испытания проходят под наблюдением инспектора классификационного общества.
После установки на судно специалисты фирмы оказывают помощь в проверке всего оборудования. При ходовых испытаниях проверяются все проектные показатели.
Фирма имеет широкую сеть представительств на всех континентах для эксплуатационного обслуживания ВРК на судах. Имеется склад всех необходимых ЗИП и ведется их компьютерный учет. Заказ ЗИП и необходимая помощь обеспечиваются оперативно после обращения в центральный офис или региональные филиалы.
Рис. 12.66. Внешний вид ВРК с двумя винтами противоположного вращения: 1 - корпус редуктора, 2 - поворотная труба (баллер), 3 и 4 - винты противоположного вращения, 5 - корпус ВРК.
