Лекция 10. Судовые передачи мощности. Главные судовые передачи и муфты

Назначение и типы передач. Механические передачи. Гидравлические передачи. Электрические передачи. Комбинированные передачи.

Назначение и типы передач. В зависимости от конструктивных особенностей и принципа действия передачи могут быть (рис. 10.1) механические (1-9) — прямые и зубчатые, гидравлические (10-12) — объемные гидравлические, электрические (13) — на постоянном и переменном токе, комбинированные (14) — механические в сочетании с электрическими и механические совместно с гидравлическими.

По способу передачи мощности и крутящего момента передачи бывают без редуцирования (уменьшения или увеличения) частоты вращения ГД и с редуцированием частоты вращения ГД. К передачам без редуцирования частоты вращения ГД относятся прямые передачи от ГД к движителю; к передачам с редуцированием — зубчатые, гидравлические и электрические.

На судах чаще всего используются прямые, редукторные, электрические и комбинированные передачи.

К важнейшим составным частям судовых энергетических установок относятся элементы передачи мощности. Под этим понимаются все элементы, участвующие в передаче крутящего момента от коленчатого вала или ротора в турбинах к гребному винту.

В энергетических установках с малооборотными дизелями редуктор отсутствует, в турбинных и энергетических установках с высокооборотными дизелями ставят двух- и трехступенчатые редукторы. В дизель- и турбоэлектрических энергетических установках предусмотрены электродвигатель.

Рис.10.1 Схемы передач вращающего момента и мощности от ГД к гребному винту

1 – прямая к ВФШ с жесткой связью; 2 – то же с гибкой связью; 3 – прямая с реверсивно-разобщительной муфтой; 4 – прямая с реверсивно-разобщительной муфтой; 5 – зубчатая с прямым редуктором; 6 – то же с угловым редуктором; 7 – то же с разобщением мощности; 8 – то же с поворотно-откидной выдвижной колонкой; 9 – то же с реверс редуктором; 10 –гидродинамическая с гидромуфтой и гидротрансформатором; 11 – объемная гидравлическая с насосом переменной подачи и гидромотором постоянного расхода; 12 – то же с движительно-рулевым агрегатом; 13 – электрическая с разобщением мощности; 14 – комбинированная с ГД и ускорительным гребным электродвигателем.

Д – двигатель; УП – упорный подшипник; ЭМ – эластичная муфта; РМ – реверсивная муфта; Р – редуктор; РР – реверс-редуктор; УР- угловой редуктор; ПОВК – поворотно-откидная выдвижная колонка; ТП – гидротранформатор переднего хода; ГМ – гидромуфта; ТЗ – гидротрансформатор заднего хода; ГН – насос; ГГМ – гребной гидромотор; ДРК – движительно-рулевой комплекс; ЭГ – электрогенератор; ГЭД –гребной электродвигатель; ДРА – дизель-редукторный агрегат; ДРРА – дизель реверс-редукторный агрегат; ДГРА - дизель гидроредукторный агрегат; ГДГ – главный дизель-генератор

Типовая дизельная энергетическая установка с двумя среднеоборотными дизелями показана на рисунке 10.2. Она включает в себя муфты, одноступенчатый редуктор, валопровод и гребной винт.

Рис.10.2 Дизель-редукторная энергетическая установка со среднеоборотными дизелями.

1 — муфта; 2 — редуктор; 3 — валопровод; 4 — гребной винт

Главные судовые передачи и муфты.Муфта соединяет узлы, выполняющие вращательные движения. Муфта предназначена для передачи крутящего момента от ведущего вала к ведомому, а также для сглаживания незначительных продольных, радиальных, угловых отклонений и крутильных колебаний.

В зависимости от конструкции, назначения и принципа действия различают жесткие (глухие), упругие, фрикционные, гидродинамические и электромагнитные муфты. В судовых установках встречаются все виды муфт в зависимости от типа, мощности и конструкции главного двигателя. В установках, не имеющих передаточных механизмов (например, в малооборотных дизелях), чаще всего применяют жесткие муфты (рис. 10.3 а, b). Фланцы жесткой муфты в разогретом состоянии запрессованы на вал или на конус и дополнительно зафиксированы призматической шпонкой.

В энергетических установках с редуктором связь между редуктором и двигателем, а также с валом гребного винта осуществляется со стороны двигателя чаще всего через соединительную муфту, а со стороны гребного винта — через разобщительную. На рис. е показана упругая муфта. Она состоит из двух оснований, соединенных между собой гибкими прокладками, изготовленными из специальной резины. Такие муфты винтами крепятся к фланцам вала. Они могут передавать моменты независимо от направления вращения. За счет гибких вкладышей возможно выравнивание при перекашивании валов относительно друг друга.

Работа гидродинамических муфт основывается на гидравлическом принципе, схематично показанном на рис. 10.3с. Это можно представить себе так: насос, приводимый в движение двигателем, отсасывает жидкость из резервуара, и нагнетает ее в турбину. Жидкость под определенным давлением протекает через лопатки турбины, приводя ее в движение, и затем течет обратно в резервуар. При одинаковых размерах роторов насоса и турбины агрегат работает как гидравлическая муфта, при различных — он превращается в гидротрансформаторную передачу, позволяющую изменять частоту вращения ведомого вала.

На практике роторы насосов и турбин находятся в специальном корпусе (рис. 10.3d). Действие гидродинамической муфты основывается на энергообмене между двумя полумуфтами (рис. 10.3d) с помощью рабочей среды и циркуляции жидкости. Эта циркуляция возникает только в том случае, когда первичная сторона и турбина имеют равные частоты вращения. У гидравлических муфт, используемых на судах, это скольжение составляет от 1,5 до 3%.

В судовых главных двигателях довольно часто применяют также электромагнитные индукционные скользящие муфты.

Принцип действия подобной муфты состоит в использовании вращающего момента, возникающего вследствие воздействия вращающегося магнитного поля на индукционные токи. Внутренняя часть муфты расположена на ведущем вале. Обмотки полюсов через щетки и контактные кольца питаются постоянным током. Внешняя часть муфты имеет обмотку в виде беличьей клетки. Когда внешняя часть, приводимая в движение двигателем через вал, начинает вращаться и возбуждается, она вместе с валом, связанным с ней и ведущим, например, к редуктору, попадает в область вращения магнитного поля. За счет этого в обмотке типа беличьей клетки этой части муфты возникают индукционные токи. Эти токи, взаимодействуя с силовыми линиями магнитного поля, обусловливают возникновение момента вращения, вследствие чего внешняя часть муфты начинает вращаться вместе с внутренней.

Таким образом, вращение, мощность и момент вращения передаются от двигателя к валу редуктора.

Часть муфты с обмоткой типа беличьей клетки должна — аналогично гидродинамической и электромагнитной муфте — вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, так как при одинаковой скорости вращения обеих частей не могли бы возникнуть индуктированные токи и передача вращающего момента была бы невозможна. Поэтому и в данном случае имеет место так называемое скольжение муфты.

Редуктор главного двигателя на рис.10.4 должен передавать момент вращения и так изменять его частоту вращения, чтобы она имела оптимальную величину, необходимую для нормальной работы гребного винта. На судах чаще всего применяют механические редукторы, состоящие из зубчатых колес. С введением планетарного редуктора появилась возможность значительно уменьшить размеры и общую массу. В последнее время на новых судах все чаще используют планетарные редукторы в энергетических установках со среднеоборотными дизелями, газовыми или паровыми турбинами.

Электрическая передача.В зависимости от типа главного двигателя различают дизель- и турбоэлектрические энергетические установки. В дизель-электрической энергетической установке генераторы приводятся в действие ДВС; в корме судна установлены электродвигатели, которые в большинстве случаев непосредственно соединены с судовыми движителями.

Эти двигатели позволяют использовать нереверсивные судовые высоко- и среднеоборотные дизели и обеспечивают гибкую работу всего блока, так как дизели, генераторы и электродвигатели можно комбинировать любым образом. Кроме того, имеется возможность наиболее целесообразного размещения двигателей в средней и носовой части судна, а также достижения наиболее экономичной работы приводных двигателей при различных режимах движения.

Рис.10.3 Судовые муфты

а, b — жесткие (глухие) муфты: 1 — полумуфта; 2 — фланец; 3 — шпоночная канавка со шпонкой.

с — схема гидромуфты: 1, 2 — насосы; 3 — цистерна.

d — схема гидромуфты (турбо-муфты); е — гибкая муфта. 4 — фланец; 5 — элемент муфты.

f — электромагнитная муфта

Дизель-электрические установки на рис.10.5 являются наиболее распространенными. Чаще всего их применяют на специальных судах, таких как ледоколы, рыболовные буксиры, противопожарные, плавучие краны, землечерпательные снаряды, паромы. На рисунке ниже показаны схемы дизель-электрических энергетических установок: ледокола с двумя и четырьмя пропульсивными электродвигателями в корме и для буксиров. Из рисунка видно, что передача мощности от первичного к пропульсивному двигателю иногда может осуществляться через механический редуктор.

Рис. 10.4 Механический судовой редуктор:

а — суммирующий; b — планетарный.

1 — вал турбины высокого давления; 2 — вал турбины низкого давления; 3, 5, 8, 9 — центральные солнечные шестерни; 4 — водило; 6 — свободный эпицикл; 7 — вал; 10 — тормозной эпицикл; 11 — свободное водило; 12 — полый вал; 13 — зубчатые колеса (3-я ступень); 14 — приводное зубчатое колесо гребного вала; 15 — гребной вал; 16 — гребной винт

Рис. 10.5 Схематическое изображение дизель-электрической энергетической установки:

а — ледокола; b — рыболовного судна; с — с двухдвигательным приводом (с двигателями разной мощности); d — буксира.

1 — электродвигатель; 2 — дизель; 3 — генератор

Дизель-электрические энергетические установки обычно применяют мощностью до 4000 кВт. Использование двигателей большей мощности характерно только для ледоколов. Так, например, американский ледокол «Глэсье» имеет два гребных винта, которые приводятся во вращение двумя электродвигателями по 6200 кВт каждый. Наибольшую общую мощность дизель-электрической энергетической установки имеет советский ледокол «Москва». На нем установлено четыре электродвигателя по 4000 кВт каждый. Изображенные на рисунке 10.5 турбоэлектрические энергетические установки встречаются намного реже. Их, например, применяли на американских танкерах (типа 12).

Вопросы для самопроверки:

Назовите типы судовых передач?

Какие требования предъявляются к передачам?

Устройство судовой муфты.

Устройство судового редуктора.