Предполагается, что вращающий момент, поглощаемый винтом, равномерно распределяется между двумя ГД, работающими на один вал. Кривые изменения крутящих моментов при различных частотах коленчатого вала двигателей n1 изображены для случаев подключения одной (линии 1) и двух (линии 2) муфт. Кривая I представляет собой винтовую характеристику, приведенную к ведомому валу гидромуфты.
Рис. 2.3. Определение режимов совместной работы двигателей с ГВ в двухмашинной одновальной установке с гидромуфтами [1].
Линии I и II являются характеристиками по максимальному крутящему моменту при работе соответственно двух и одного ГД. По точкам пересечения кривых определяют частоту вращения ведомого вала гидромуфты и гребного винта по известной частоте вращения двигателя n1.
При работе двух двигателей на номинальном режиме рабочая точка режима, находится в точке А. Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна n2ном Если работает один двигатель, то максимально допустимый момент будет достигаться в точке В, при частоте вращения ГД n1 и частоте вращения ведомого вала n2.
Частота вращения ведомого вала гидромуфты равна
где n1 – частота вращения двигателя и ведущего вала;
ηгм – КПД гидромуфты.
Частота вращения гребного вала,
nв = n2 ∙ i,
где i – коэффициент редукции частоты вращения.
Имея совмещенный график, изображенный на рисунке 2.4 можно вычислить при какой частоте вращения гребного вала необходимо включать в работу два двигателя, а также оценить скорость судна при работе одного двигателя.
Управление двигателями в многовальных установках имеет свои особенности. Современные ГД, как правило, комплектуются регуляторами частоты вращения реализующими защиту по перегрузке и давлению наддува. Степень неравномерности для ГД, работающих в одновальных установках выставляется в пределах 1,5…3,0 %. В двухвальных установках она не может быть меньше 3 %, так как возможно возникновение обменных колебаний.
Повысить надежность и безопасность эксплуатации энергетических установок с двумя гребными винтами можно, если предусмотреть в системе управления обеспечение фазовой синхронизации гребных валов, которая приводит к значительному снижению вибрации на многовальных судах [5].
2.2.4. Режим работы ГД в установках с электрической передачей
Режим работы дизеля определяется при совместном рассмотрении винтовых характеристик потребителя, характеристик тягового электродвигателя и внешней характеристики дизеля.
На рис. 2.4 приведены характеристики пропульсивного комплекса буксира-спасателя. Кривые 1, 2, 3, 4 показывают механические характеристики тягового электродвигателя при различных частотах вращения дизеля. За ограничительный параметр принимают постоянство мощности электродвигателя. Если кривая изменения крутящего момента электродвигателя при постоянной его мощности (кривая III) проходит ниже механической характеристики, то на таких режимах возможна перегрузка ГД.
Гребные электрические установки постоянного тока применяют на судах с тяжелыми режимами работы (частое реверсирование, резкое изменение момента сопротивления ГВ вплоть до заклинивания, необходимость создания значительного момента на малых оборотах винта).
Реверсирование ГВ на полном ходу происходит очень быстро и имеется возможность работы на самом малом числе оборотов (4…5 % от номинального числа оборотов).
В настоящее время активно используются вынесенные электрические винторулевые комплексы типа Azipod. Принципиально эта новая система не отличается от традиционной передачи на винт. Управляемость и маневренность судов значительно улучшилась за счет повышения эффективности работы винта, который вынесен за пределы возмущенного корпусом судна потока воды.
Рис. 2.4. Характеристики ПК буксира-спасателя на номинальном и частичных режимах работы [1]:
I, II – винтовые характеристики судна на свободном ходу и на швартовых;
III – характеристика при постоянной мощности электродвигателя. 1…12 – тяговые характеристики при различных частотах вращения ГД (1…4), при различных токах возбуждения (5…8), при комбинированном способе управления (9…12)
Система обеспечивает полный упор винта в любом направлении, освобождая судно от традиционной массивной линии вала и рулевого устройства.
Типовая схема главного ВРК Azipod с электродвигателем, размещенным в гондоле, и непосредственно вращающем ГВ представлена на рисунке 2.6 [27].
Конструктивно гребной электродвигатель колонки «Азипод» встроен в стальной корпус подводной части колонки. Гребной электродвигатель имеет воздушное охлаждение, причем воздух подается из румпельного помещения (при необходимости через холодильники). Передача крутящего момента от электродвигателя к гребному винту производится через гребной вал, установленный на опорно-упорных подшипниках качения и имеющий уплотнения. Электроэнергия на привод гребного электродвигателя подается от судовой системы электропитания.
Рис. 2.5. Типовая схема ВРК с электродвигателем в гондоле [3]:
1 – электродвигатель; 2 – упорный подшипник; 3 – установочный блок; 4 – вентиляционная установка; 5 – воздухоохладитель; 6 – токосъемник; 7 – гидравлическая система поворота колонки; 8 – подшипник и уплотнения ГВ; 9 – винт фиксированного шага;
10 – гребной вал
Используются эластичные кабели, с ограничением угла разворота «Азипода», либо кольца скольжения (в этом случае колонка может вращаться вокруг вертикальной оси свободно без ограничений). Рулевая система «Азипода» гидравлическая.
В гондоле колонки располагается электродвигатель переменного тока, частота вращения которого регулируется частотным преобразователем.
Движительные комплексы «Азипод» могут выполняться в различных компоновках: в тянущем варианте, когда винт расположен впереди гондолы и толкающем – с расположением винта за гондолой, а также двухвинтовом варианте с винтами впереди и сзади гондолы при расположении винтов в насадке или без нее.
Важным положительным качеством ГВРК является хорошая управляемость судна на заднем ходу, благодаря большой поперечной силе, условиям обтекания корпуса, когда струя винта не натекает на него. Для обеспечения заднего хода ГВРК разворачивается на 180°, при этом гребной винт не реверсируется.
Рулевое устройство включает два или три гидравлических двигателя. Система контроля «Азипода» включает контроль всех электрических цепей на мостике вместе с главными электрическими панелями.
В отличие от ВРК с механическим приводом требуется обслуживание системы воздушного охлаждения. Воздух подается в рулевую колонку из румпельного помещения и может при необходимости предварительно охлаждаться в охладителях водой.
В качестве приводных двигателей применяются высокооборотные или среднеоборотные дизели, приспособленные для работы на средневязких топливах.
2.3. Установившиеся режимы совместной работы ГД с ВРШ
Область эксплуатационных режимов СДУ с ВРШ за счет изменения шагового отношения H/D существенно шире, чем в установках с ВФШ. Так, например, при n=0,6 можно получить увеличение мощности за счет разворота лопастей гребного винта с
до
[1]. Однако справедливости ради следует отметить, что фактическая мощность будет значительно ниже, из-за ограничений по допустимой нагрузке, так как ограничительная характеристика по теплонапряженности будет проходить существенно ниже внешней номинальной характеристики.
