Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тяжёлый и лёгкий гребной винт

Тяжёлый и лёгкий гребной винт

Каждый двигатель имеет так называемую внешнюю характеристику — зависимость снимаемой с вала мощности от частоты вращения коленчатого вала при полностью открытой дроссельной заслонке. График изменения мощности, которая поглощается на данной лодке гребным винтом в зависимости от частоты вращения двигателя, называется винтовой характеристикой и присуща только винту с определенными шагом и диаметром. Взаимное расположение этих характеристик на осях координат и в особенности положение точки их пересечения показывают степень эффективного использования мощности двигателя. Для наглядности здесь приведены данные внешней и винтовой характеристик отечественного мотора « Вихрь » ( рис. 42 ).

Рис. 42 . Внешняя и винтовая характеристики мотора «Вихрь».

Кривая 1 на рисунке иллюстрирует внешнюю характеристику мотора, а кривые 2, 3 и 4—винтовые характеристики разных винтов. При увеличении шага и диаметра винта свыше оптимальных значений лопасти начинают захватывать и отбрасывать назад слишком большие объемы воды; упор при этом возрастает, но одновременно увеличивается и потребный крутящий момент на гребном валу. Винтовая характеристика 2 такого винта пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке А. Координаты этой точки показывают, что двигатель отдает всего 12 л.с. вместо 22 л.с. Такой гребной винт следует отнести к гидродинамически тяжелым винтам.

И наоборот, если шаг или диаметр винта малы (кривая 4), и упор и потребный крутящий момент будут меньше, то двигатель не только легко разовьет, но и превысит значение номинальной частоты вращения коленвала. Режим его работы будет характеризоваться точкой С. И в этом случае мощность двигателя будет использоваться не полностью, а работа на слишком высоких оборотах сопряжена с повышенными нагрузками и износом деталей. При этом надо иметь в виду, что поскольку упор винта невелик, судно не достигнет максимально возможной скорости. Такой винт относят к гидродинамически легким.

Как уже говорилось, для каждого конкретного сочетания судна и двигателя существует оптимальный гребной винт. Для рассматриваемого примера такой оптимальный винт имеет характеристику 3, которая пересекается с внешней характеристикой двигателя в точке В, соответствующей его максимальной мощности. Численные рекомендации для наиболее популярных моторов мощностью 20-25 л.с. могут быть следующие.

Штатные гребные винты , имеющие Н=280—300 мм, дают оптимальные результаты на сравнительно плоскодонных лодках с массой корпуса до 150 кг и нагрузкой 1—2 чел. На еще более легкой лодке массой до 100 кг можно получить прирост скорости за счет увеличения Н на 8-12%. На более тяжелых глиссирующих корпусах, имеющих большую килеватость днища и при большой нагрузке (4-5 чел.), шаг винта может быть уменьшен на 10 — 15% (до 240-220 мм), но использовать такой винт при поездке без пассажиров с малой нагрузкой не рекомендуется: двигатель будет «перекручивать обороты» и быстро выйдет из строя.

Взаимосвязь между работой гребного винта и двигателем

Двигатель, работающий на винт, не является независимым: его мощность может изменяться только по винтовой характеристике Nе(n), которая определяет для него величину противодействующего момента. Мощность на валу двигателя Nе, обеспечивающую мощность Nр потребляемую винтом:

Nе = Nр/ ηв ηп = 2πρn 3 D 5 / ηв ηп,

где ηв, ηп — КПД валопровода и передачи.

При заданных буксировочном сопротивлении и пропульсивном коэффициенте скорость судна v зависит от частоты вращения винта n. Можно считать, что v меняется пропорционально n, т.е. относительная поступь λр = const. Так как в этом случае также является постоянной величиной, можно записать, что Nе = Сn 3 , где С — постоянный коэффициент.

Из изложенного следует, что с изменением буксировочного сопротивления винтовая характеристика меняется. При увеличении сопротивления винтовые характеристики будут резко возрастать, так как уменьшение относительной поступи винта λр приведет к росту коэффициента момента и, следовательно, коэффициента С. Наиболее крутую винтовую характеристику судно будет иметь на швартовом режиме. При снижении сопротивления винтовые характеристики

вследствие увеличения λр и уменьшениястановятся более пологи ми. Наиболее пологую винтовую характеристику судно имеет при плавании в балласте. Как видим, в процессе эксплуатации судна его винтовые характеристики изменяются в широких пределах.

Рис.120. Взаимодействие гребного винта с двигателем

Для оценки связи между винтом и двигателем, помимо винтовых характеристик, необходимо иметь характеристики двигателя, которые получают при стендовых испытаниях и представляют в координатах Nе — n виде кривых, определяющих поле возможных сочетаний Nе и n. Рассмотрим характеристики наиболее распространенного на промысловых судах двигателя внутреннего сгорания. Работа двигателя данного типа характеризуется следующими кривыми (рис.120): кривая 1 устанавливает минимально устойчивую частоту вращения двигателя; кривая 2, называемая верхней ограничительной характеристикой, определяет зависимость Nе от n при постоянном положении аппаратуры подачи топлива, соответствующем получению номинальной мощности Nе.н при номинальной частоте вращения nн; кривая 3, именуемая регуляторной характеристикой, показывает частоту вращения двигателя при снижении нагрузки; кривая 4 является характеристикой холостого хода. Верхняя ограничительная характеристика является линией постоянного номинального крутящего

Читать еще:  Шумная работа двигателя ford focus

момента М кр.н, определяющей верхний предел длительной механической напряженности деталей двигателей.

Чтобы установить режимы совместной работы винта и двигателя, необходимо наложить винтовые характеристики на характеристики двигателя (рис.120). Если винтовая характеристика для расчетного режима плавания (кривая I) проходит через точку Н с координатами Nе.н и nн, то гребной винт соответствует двигателю. С ростом сопротивления из-за увеличения осадки судна, обрастания корпуса, волнения и тому подобного изменяется винтовая характеристика (кривая II), поэтому при нормальной эксплуатации двигателя, не допускающей его загрузку выше верхней ограничительной характеристики, взаимосвязь между винтом и двигателем будет наблюдаться в точке Т. В рассматриваемом случае винт становится гидродинамически «тяжелым». При тяжелом винте частота вращения nт двигателя меньше номинальной. С уменьшением сопротивления судна винт оказывается гидродинамически «легким». Винтовая характеристика (кривая III), построенная для этого варианта, пересечет регуляторную характеристику двигателя в точке Л, которой соответствует частота вращения nл, равная или несколько больше номинальной. Как видно из рис.120, всякое несоответствие винта двигателю связано с уменьшением располагаемой мощности двигателя и приводит к снижению скорости судна. Согласованность винта и двигателя окончательно проверяется при натурных (скоростных) испытаниях судна. Практически следует считать, что винт согласован с двигателем, если двигатель при работе на винт развивает номинальную мощность при частоте вращения, которая отличается от номинальной не более чем на 1 3%. Для согласования винта с двигателем корректируется его шаговое отношение: для «легкого» винта — увеличивается, а для «тяжелого» — уменьшается Н/D. 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 эксплуатационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).

В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (промысловые суда, буксиры, паромы), вместо винтов фиксированного шага (ВФШ) применяют винты регулируемого шага (ВРШ).

Взаимосвязь между работой гребного винта и двигателем

Двигатель, работающий на винт, не является независимым: его мощность может изменяться только по винтовой характеристике Nе(n), которая определяет для него величину противодействующего момента. Мощность на валу двигателя Nе, обеспечивающую мощность Nр потребляемую винтом:

Nе = Nр/ ηв ηп = 2πρn 3 D 5 / ηв ηп,

где ηв, ηп — КПД валопровода и передачи.

При заданных буксировочном сопротивлении и пропульсивном коэффициенте скорость судна v зависит от частоты вращения винта n. Можно считать, что v меняется пропорционально n, т.е. относительная поступь λр = const. Так как в этом случае также является постоянной величиной, можно записать, что Nе = Сn 3 , где С — постоянный коэффициент.

Из изложенного следует, что с изменением буксировочного сопротивления винтовая характеристика меняется. При увеличении сопротивления винтовые характеристики будут резко возрастать, так как уменьшение относительной поступи винта λр приведет к росту коэффициента момента и, следовательно, коэффициента С. Наиболее крутую винтовую характеристику судно будет иметь на швартовом режиме. При снижении сопротивления винтовые характеристики

вследствие увеличения λр и уменьшениястановятся более пологи ми. Наиболее пологую винтовую характеристику судно имеет при плавании в балласте. Как видим, в процессе эксплуатации судна его винтовые характеристики изменяются в широких пределах.

Рис.120. Взаимодействие гребного винта с двигателем

Для оценки связи между винтом и двигателем, помимо винтовых характеристик, необходимо иметь характеристики двигателя, которые получают при стендовых испытаниях и представляют в координатах Nе — n виде кривых, определяющих поле возможных сочетаний Nе и n. Рассмотрим характеристики наиболее распространенного на промысловых судах двигателя внутреннего сгорания. Работа двигателя данного типа характеризуется следующими кривыми (рис.120): кривая 1 устанавливает минимально устойчивую частоту вращения двигателя; кривая 2, называемая верхней ограничительной характеристикой, определяет зависимость Nе от n при постоянном положении аппаратуры подачи топлива, соответствующем получению номинальной мощности Nе.н при номинальной частоте вращения nн; кривая 3, именуемая регуляторной характеристикой, показывает частоту вращения двигателя при снижении нагрузки; кривая 4 является характеристикой холостого хода. Верхняя ограничительная характеристика является линией постоянного номинального крутящего

момента М кр.н, определяющей верхний предел длительной механической напряженности деталей двигателей.

Чтобы установить режимы совместной работы винта и двигателя, необходимо наложить винтовые характеристики на характеристики двигателя (рис.120). Если винтовая характеристика для расчетного режима плавания (кривая I) проходит через точку Н с координатами Nе.н и nн, то гребной винт соответствует двигателю. С ростом сопротивления из-за увеличения осадки судна, обрастания корпуса, волнения и тому подобного изменяется винтовая характеристика (кривая II), поэтому при нормальной эксплуатации двигателя, не допускающей его загрузку выше верхней ограничительной характеристики, взаимосвязь между винтом и двигателем будет наблюдаться в точке Т. В рассматриваемом случае винт становится гидродинамически «тяжелым». При тяжелом винте частота вращения nт двигателя меньше номинальной. С уменьшением сопротивления судна винт оказывается гидродинамически «легким». Винтовая характеристика (кривая III), построенная для этого варианта, пересечет регуляторную характеристику двигателя в точке Л, которой соответствует частота вращения nл, равная или несколько больше номинальной. Как видно из рис.120, всякое несоответствие винта двигателю связано с уменьшением располагаемой мощности двигателя и приводит к снижению скорости судна. Согласованность винта и двигателя окончательно проверяется при натурных (скоростных) испытаниях судна. Практически следует считать, что винт согласован с двигателем, если двигатель при работе на винт развивает номинальную мощность при частоте вращения, которая отличается от номинальной не более чем на 1 3%. Для согласования винта с двигателем корректируется его шаговое отношение: для «легкого» винта — увеличивается, а для «тяжелого» — уменьшается Н/D. 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 эксплуатационных условиях винт становится «тяжелее» и более соответствует главному двигателю).

Читать еще:  Датчик температуры масла двигателя e39

В связи с тем, что принятый шаг винта отвечает только определенному режиму эксплуатации судна, на судах, которые часто меняют режим хода (промысловые суда, буксиры, паромы), вместо винтов фиксированного шага (ВФШ) применяют винты регулируемого шага (ВРШ).

Винты регулируемого шага

Для промысловых судов в эксплуатационных условиях характерны частые изменения буксировочного сопротивления, скорости и осадки при применении орудий лова, подъеме улова на борт, приеме и расходовании топлива и воды и других операциях. В этих изменяющихся условиях плавания ВФШ не позволяют снимать с двигателя полную мощность, что приводит к снижению скорости траления и свободного хода. Кроме того, на добывающих судах с ВФШ за одни сутки промысловой работы приходится десятки раз реверсировать двигатель, в результате чего резко снижается срок его службы. При дрифтерном и ярусном лове, подъеме улова и т.п. судно должно двигаться с малой скоростью, однако на судах с ВРШ это практически невозможно, так как минимально устойчивая частота вращения двигателя довольна велика. Поэтому приходится с интервалом в несколько минут запускать и останавливать двигатель. Такая работа двигателя вызывает ускоренный износ ее движущихся частей, т.е. уменьшает моторесурс двигателя.

Рис.121. Принципиальная схема ВРШ

1– лопасть; 2 – ступица; 3 – ползун; 4 – штанга; 5 – гребной вал;

6 – поршень; 7 – цилиндр

Винты регулируемого шага (ВРШ), лопасти которых специальным механизмом поворачиваются относительно осей, перпендикулярных оси вала, не имеют большинства недостатков, присущих ВФШ. Путем разворота лопасти (изменив шаговое отношение), всегда можно привести винт в соответствие с двигателем; без изменения направления вращения двигателя осуществить реверс судна и полу-

чить самые малые, и даже нулевую скорости судна при любой частоте вращения винта.

ВРШ (рис.121) состоит из ступицы, поворотных лопастей, механизма поворота лопастей, расположенного в ступице, механизма изменения шага (МИШ) и привода механизма поворота лопастей, располагаемого в валопроводе. Управление ВРШ осуществляется с местного поста и дистанционно. Пост дистанционного управления ВРШ устанавливается в ходовой рубке.

Механизм поворота лопастей управляется механизмом изменения шага. Наиболее распространенные механизмы поворота лопастей показаны на рис.122. На морских судах применяются обычно механизмы двух последних типов, как наиболее надежные. В механизме кулисного типа (рис.122, в) с поступательно движущейся штангой МИШ связан ползун, по направляющим которого перемещается сухарь. В сухарь вставлен эксцентрично закрепленный на лопасти палец. При поступательном движении штанги ползун передвигает палец и разворачивает лопасть. В механизме шатунного типа (рис.122, г) движение штанги передается шатуну, который поворачивает лопасть.

Рис.122. Механизм поворота лопастей: а – шестеренчатый; б – винтовой; в – кулисный; г — шатунный

Механизмы изменения шага по типу привода могут ручными, механическими, гидравлическими, электромеханическими и электрогидравлическими. Ручные и механические приводы применяются на винтах небольших размеров. Большинство ВРШ имеют гидравлические приводы, так как они обладают простотой, высокой надежно-

стью, малыми габаритами и развивают большие усилия. Механизм изменения шага винта размещают внутри ступицы, внутри валопровода и вне валопровода и винта. На промысловых судах МИШ устанавливается, как правило, в валопроводе, реже в ступице. На рис.49 приведена схема ВРШ с МИШ, расположенным в валопроводе. Штанга, поворачивающая лопасть, проходит через полый гребной вал. Кормовой конец штанги связан с ползуном, носовой – с поршнем, который под давлением рабочей жидкости, подаваемой в одну из полостей цилиндра, передает через штангу поступательное движение ползуну. При большой длине штанги и значительных деформациях валопровода может возникнуть опасность несрабатывания механизма поворота лопастей и аварии МИШ. Этот недостаток устраняют, размещая МИШ в ступице несколько больших размеров или в кормовом подзоре судна.

ВРШ обладают следующими преимуществами по сравнению с ВФШ:

— обеспечивают полную мощность двигателя при широком диапазоне изменения скоростей, что важно при движении судна во льдах, при различных водоизмещениях, при тралении, при буксировке других судов и т.п.;

— обеспечивают любое значение скорости от наибольшего переднего до наибольшего заднего хода, без реверсирования двигателя и изменения направления и частоты вращения гребного винта;

Читать еще:  Что такое многофазный двигатель

— реализуют экономический ход судна по заданной оптимальной программе, обеспечивающей наилучшую комбинацию шага и частоты вращения.

Помимо перечисленных, ВРШ позволяют получить и другие менее принципиальные, но важные преимущества по сравнению с ВФШ, облегчающие управление судном с мостика. К ним относятся:

— существенное сокращение времени и расстояния, проходимого судном при экстренной остановке (в 1,5 раза меньше выбег) и реверсе;

— обеспечение только дистанционного управления с мостика;

— применение повышенного уровня автоматизации управления системой судно — двигатель — ВРШ;

— повышение маневренных качеств судна, в частности облегчение швартовок, исключение рывков при буксировке и т.п.;

— облегчение пуска двигателей, который осуществляется при положении лопастей ВРШ в нулевом шаге; при этом уменьшается число пусков и увеличивается моторесурс двигателя;

— возможность судна, оборудованного ВРШ, продолжительное время стоять на месте в ожидании лоцмана, для ориентации в обстановке, не останавливая вращения гребных винтов и прогревая двигатели; это обеспечивает установкой шага лопастей в нулевое положение;

— возможность замена съемных лопастей, не выводя судно из эксплуатации.

К недостаткам ВРШ относятся следующие:

— КПД ВРШ на расчетном режиме за счет повышение диаметра ступицы ниже КПД ВФШ на 1 2%;

— масса ВРШ существенно превышает массу ВФШ;

— сложность конструкции и дороговизна.

Следует отметить, что повышенная стоимость ВРШ окупается за два — три года эксплуатации судна за счет основных преимуществ ВРШ.

Устройство и принцип работы винтового забойного двигателя. Характеристика винтового двигателя. 6576

Винтовые забойные двигатели предназначены для бурения нефтяных и газовых скважин шарошечными, лопастными и алмазными долотами. Винтовой двигатель может работать с использованием промывочных жидкостей любой плотности от аэрированных растворов плотностью меньше 1г/см 3 до утяжелённых плотностью более 2г/см 3 .

Основной особенностью винтового двигателя по сравнению с турбобуром является то, что он обладает относительно жёсткой рабочей характеристикой. По принципу действия ВЗД относятся к роторным машинам объёмного (гидростатического) типа. Объёмные двигатели действуют от гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей. Под вытеснителем понимается рабочий орган, совершающий работу под действием на него давления жидкости. Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом. Вследствие разницы чисел заходов в винтовых линиях статора и ротора их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых полостей – шлюзов между камерами высокого и низкого давления. Шлюзы перекрывают свободный ток жидкости через двигатель, в них давление жидкости создаёт вращающий момент, передаваемый долоту.

К особенностям принципа действия следует отнести:

— отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по шлюзам рабочих органов осуществляется автоматически за счёт соотношения числа зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора;

— кинематику рабочих органов, в движении которых сочетается качение со скольжением при относительно невысоких скоростях последнего, что снижает износ рабочей пары;

— непрерывное изменение положения контактной линии в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в перекачиваемой жидкости, имеют возможность выноситься потоком из рабочих органов.

Двигатель состоит из трёх основных узлов: секции двигательной, секции шпинделя и переливного клапана, которые соединяются между собой с помощью замковых резьб.

Переливной клапан предназначен для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спуско-подъёмных операциях на скважине.

Секция двигательная и шпиндельная включает статор 1 и ротор 2, двухшарнирное соединение 3 и корпусные переводники 4 и 5. Рабочие органы, ротор и статор представляют собой зубчатую пару с внутренним косозубым зацеплением с разницей в числах зубьев, равной единице.

Статор 1 имеет десять внутренних винтовых зубьев левого направления, выполненных на обкладке из эластомера, привулканизированной к расточке корпуса.

Ротор 2, на наружной поверхности которого нарезаны девять винтовых зубьев левого направления, выполняется из коррозионностойкой стали или конструкционной стали с хромированием зубьев.

Верхний конец полого ротора 2 закрыт пробкой и свободен, а к нижнему присоединено двухшарнирное соединение 3, преобразующее планетарное движе-ние ротора в соосное вращение вала шпинделя.

Опора 6 предназначена для восприятия осевых нагрузок действующих на вал шпиндельной секции и на ротор двигателя. Осевая нагрузка на ротор двигате-ля сопоставима по величине с осевыми нагрузками на долото и может оказывать существенное влияние на работоспособность двухшарнирного соединения и на радиальные подшип-ки 7.

1-статор; 2-ротор; 3-двухшарнирное соед-ние; 4,5,11-верхний, сред-й и ниж-й переводники; 6-многорядная упорная шаровая опора; 7-радиальный подшипник; 8-вал шпинделя; 9-корпус шпинделя; 10-муфта соединительная; 12-ниппель; 13-распорное кольцо

Техническая характеристика дв-ляД-195(L,мм;Æ,мм, Заходность ротора и статора, Расход раб жидкости, л/с,

ω вала, с -1 ,ΔΡ, МПа; М-ент силы на валу, кН м)

Рабочая хар-ка забойного винтового двигателя типа Д2-172М:

:а — холостой ход двигателя (М = 0; п = max); 6 — режим максимального к.п.д. (оптимальный режим); в — режим максимальной мощности (экстре­мальный режим); г — тормозной реж (л = 0; М = max)

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector