Реверсирование судна и гребного винта

Гребной винт может работать как насос или как движитель, если он подвержен силовому воздействию со стороны ГД, или как турбина, если его лопасти подвержены воздействию набегающего потока воды. Иначе говоря, режим работы винта зависит от величины скольжения:                                                                                                                   (17)

Если соблюсти соотношение  (0< S <1), то гребной винт работает как движитель; при - как насос, а при - как гидротурбина. Между действием винта как насоса и турбины существует некоторый интервал, в пределах которого его насосное действие парализуется вредными гидравлическими сопротивлениями, т. е. винт не обладают ни свойствами движителя, ни свойствами турбины (рис. 20). Интервал этот назван Ф.А. Бриксом, паралем.

Как видно из рис. 20, в точке , соответствующей работе винта на месте, КПД винта

                                                                                                    (18)

 т. к. отсутствует перемещение винта и полезная работа его равна нулю.

 

 

Рис 20. Гидродинамические характеристики ГВ в зависимости от относительной поступи.

 

В точке  ( - относительная поступь нулевого упора), при котором К₁=0,  из-за отсутствия упора. Интервал  ( - относительная поступь нулевого момента), в котором парализовано полезное действие винта, является областью параля. Реверсирование гребного винта с полного переднего хода на полный задний является переходным (неустановившемся) процессом и одним из ответственейших режимов работы главного двигателя.

Следует различать реверс ГВ и реверс судна. Различие заключается, прежде всего, в продолжительности: реверс винта кратковременный и исчисляется секундами, в то время как реверс судна минутами.

Характеристикой реверса судна считают расстояние (обычно в длинах его корпуса), пройденное от подачи команды до полной остановки. Реверс ГВ характеризуется временем, измеренным в секундах от начала реверсирования до начала устойчивой работы на задний ход. Характеристики реверса существенно зависят от размеров, типа и скорости судна, а также от мощности и типа ГД, передачи, движителя.

Основная сложность реверсирования состоит в том, что необходимо как можно быстрее затормозить движущиеся массы ГД и преодолеть отрицательный момент ГВ, работающего в турбинном режиме. 

Изменение нагрузок на ГД при реверсировании определяется уравнением моментов, действующих на элементы пропульсивного комплекса, кН·м,

                                                                           (19)

В процессе реверсирования изменяются все составляющие, входящие в это уравнение. Для анализа этих изменений весь процесс реверсирования целесообразно разделить на отдельные этапы. В установках с МОД и ВФШ весь процесс реверсирования можно разбить на 4 этапа (рис.21).

Точка «а» пересечения характеристик гребного винта и внешней ограничительной двигателя соответствует режиму работы двигателя при номинальной скорости судна. Реверсирование начинается с момента прекращения подачи топлива в цилиндры двигателя, снимает нагрузку с двигателя точки (1,2). Скорость судна сначала остается низменной вследствие большой инерции. От встречного потока воды винт будет продолжать вращение, в том же направление (вперед) развивая позитивный вращательный момент до момента прохождения режима гидротурбины (точка 3).(n<n_ном, растет, а К₂ уменьшается, следовательно М_В падает).

Положение этой точки (точки 3) определяется величиной негативного момента, развиваемого винтом в турбинном режиме, при значении равном моменту трения, от механических потерь вращающейся системы ГВ + валопровод + передача + дизель.

Если не подавать сжатый воздух в цилиндры двигателя, то от точки 3 начнется свободный выбег судна с замедлением вплоть до его полной остановки (3-0). Время свободного выбега может быть значительным, особенно у крупнотоннажных и скоростных судов (до 20 минут и больше.)

С целью сокращения времени торможения судна применяют контр подачу сжатого воздуха (пускового) в рабочие цилиндры двигателя.

Вращательный момент ГВ при этом меняется по кривой 3 - 4 - 5. Движущий момент дизеля, что прикладывается к валопроводу, должен превысить максимальный момент на ГВ в точке 4, в противном случае реверс ГВ не произойдет. Кривую движущего момента дизеля в момент подачи контрвоздуха на рисунке условно изображена линией а bс.

После подачи пускового воздуха в цилиндры ГД сначала произойдет его торможение – сd., а дальше, после остановки валопровода (точка d), пуск в обратном направлении – dе. С переводом ГД на топливо (подача топлива в цилиндры) – еf при ручном управлении ГД начнет работать на задний ход по частичной долевой характеристике – fh, с последующим переводом на работу по регуляторной характеристике - р, которая не позволяет перегрузки ГД.

В установке, где ГД оснащен регулятором частоты вращения, момент валопровода меняется по кривой 5-6-g-h, а момент ГД по кривой d – e – f – g – h. Участок еf определяет изменение движущего момента во время пуска двигателя на задний ход, а кривые fg и gh – внешнюю и регуляторную характеристики дизеля.

С момента начала работы ГД и гребного винта на задний ход, движение судна на передний ход быстро замедляется, а после полной остановки (точка швартовной g на характеристике ) начнет разгон судна на задний ход. Наиболее эффективно реверс осуществляется с подачей контр воздуха при n=(0,3…0,4) n _н то есть когда предварительно снижена скорость судна.

Наиболее неблагоприятным переходным режимом работы ГД является экстренный реверс, особенно если он проводится с полного переднего на полный задний ход (что допустимо лишь при угрозе человеческой жизни или гибель судна).

Подача рабочего тела на задний ход при экстренном реверсе приводит, к более резкому, чем в случае нормального реверса, возрастанию момента на ГВ. Если бы небыло соответствующих конструктивных ограничений на ГД, то при – n=1,0 n_н значение М_в превысило бы номинальное более чем в 4 раза.

Таким образом, при реверсировании ГВ во всех случаях возникает опасность механической и тепловой (для ДВС) перегрузок ГД, а также механической перегрузки валопровода.

На рис. 22 показаны изменения параметров движения судна  и ПУ во времени, полученные при решении дифференциальных уравнений (14) и (19).

 

Рис. 21. Диаграмма реверсирования МОД. А=М_В=С₁. n ²;

Оа и Оh – винтовые характеристики на передний и задний ход.

 

Реверсирование СДВС с полного ПХ, как правило, неосуществимо и требует снижения скорости, а, следовательно, потери времени. При этом продолжительность реверса МОД достигает 3…4 мин., в то время как при погашенной скорости хода она не должна превышать 15 с.

В СПТУ ТЗХ способна развивать гораздо больший обратный момент, чем СДВС, в результате чего ГТЗА допускает реверсирование с полного хода.

Время реверса современных ГТЗА (СПХ) составляет 1,0…3,5 ми. А для полной остановки судна требуется 3,0-3,5мин.

 

 

 

Рис.22. Реверсивные характеристики судна и ГВ.