СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, СИСТЕМЫ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЯ

Рис. 40. Подруливающее устройство с электроприводом..

Рабочий канал подруливающего устройства с установленным гребным винтом. Видна решетка, защищающая гребной винт от удара о плавающие предметы.

Рис. 41. Рукоятка управления подруливающим устройством на мостике.

Подруливающее устройство — судовое устройство, предназначенное для активного управления судном; рабочий орган (винт) в сквозном канале, проходящем от одного борта судна к другому борту, перпендикулярно его диаметральной плоскости.

Устанавливается в носовой части судна или в носовой и кормовой частях одновременно либо в одной из них;

Устанавливается на судах – снабженцах буровых нефтяных платформ для удержания судна на месте при грузовых операциях;

Позволяет улучшить управляемость судном на малых скоростях или при остановленном главном двигателе, при сравнительно больших скоростях хода (ориентировочно, более 5 узлов) подруливающее устройство теряет эффективность;

В соответствии с Правилами Речного Регистра, на все поднадзорные суда, имеющие длину по ватерлинии более 40 метров (для пассажирских судов — более 20 м), установка подруливающего устройства обязательна.

Винторулевые колонки c гидравлическим приводом Hydro Armor очень надежны, так как не имеют хрупких конических шестерней. Пропульсивные установки Hydro Armor применяются на морском и речном флотах. Эти устройства обладают прочной конструкцией, просты в обслуживании, и дают отличную маневренность.

Рис. 42. Подруливающее устройство с гидроприводом.

Преимущества:

Прочные, лёгкие в обслуживании пропульсивные установки с энергоэффективным гидростатическим приводом, реверсивным винтом с регулируемым заглублением и широким диапазоном подъёма.

Различные варианты заглубления винта в зависимости от глубины под килем при широком диапазоне вертикального хода.

Двигатели и ГСУ (гидросиловая установка) могут быть расположены в любом месте на судне.

Единая конструкция может быль легко приспособлена к широкому диапазону применений: установка на грузовых и пассажирских паромах, драгах, понтонах моллюсковых ферм, баржах, судах и пр.

Подбор типа двигателя ГСУ согласно требованиям Заказчика.

Подруливающие устройства могут поставляться уже установленными в трубе для приварки на судне.

Экономичность: небольшие расходы на обслуживание.

Безопасность: трансмиссии надежно защищены клапанами, допускающими внезапное заклинивание гребного винта.

Надежность: систематическое избавление от несущественных сложных деталей в процессе совершенствования оборудования.

СУДОВЫЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ, СИСТЕМЫ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЯ

Тема 1. Рабочие показатели насосов. Работа насоса в судовой системе. Уравнение Д.Бернуллі. Рабочие параметры насосов.

Работа любого насоса характеризуется несколькими параметрами.

Основными из них являются: подача, напор, мощность, коэффициент полезного действия (к.п.д.) и частота вращения.

Параметрами, характеризующими работу насосов, являются:

Подача Qн - количество жидкости, перекачиваемое насосом в единицу времени она может быть объёмной Qнv [м /с], [м 3 ч] или массовой Qнм [т/с], [т/ч]. Она может быть объёмной Qнv [м /с], [м 3 ч] или массовой Qнм [т/с], [т/ч].

Зависимость между массовой и объёмной подачами выражается уравнением:

Q н m=Q н v *ρ

где ρ- плотность перекачиваемой жидкости.

Напор (Нн) - это приращение энергии единицы массы жидкости при прохождении её через насос, выражающееся в [м] столба жидкости или единицы давления [Па].

Мощность (N нп), отдаваемая потоку жидкости в насосе, называется полезной, или

гидравлической, и представляет собой работу, совершаемую гидравлическим потоком жидкости при напоре Нн и подаче Qн :

N нп = Q н *ρ gН н

Мощность, передаваемая приводным двигателем на вал насоса, называется потребляемой, или эффективной N н е , которая превышает полезную мощность Nнп на значение потерь в насосе, учитываемых его КПД - ηн :

N = N_п / η = Q ρ/10³ η = Q ρ gН /10³ η

можно представить в виде произведения трёх КПД - гидравлического, объёмного и механического, т.е.:

η = ηг ηо ηм

Гидравлический КПД - характеризует преодоление гидравлических сопротивлений в насосе;

Объёмный КПД характеризует объёмные потери, обусловленные утечками жидкости

внутри насоса;

Механический КПД - характеризует потери на преодоление механического трения в подшипниках и сальниках. Движение жидкости характеризуется линиями тока, совокупность которых составляет поток (рис. 2). В потоке жидкости обладающей определённой потенциальной и кинетической энергией происходит превращение энергии.

Из общего потока жидкости выделим удельный объём её, отнесённый к единице массы, проходящей через сечение 1. Этот объём жидкости расположенный на высоте Z над плоскостью О-О, находится под давлением и движется со скоростью V_1. Полная удельная энергия выделенной удельной единицы массы жидкости, выраженная уравнением Д.Бернулли, для сечения 1 будет равна:

E₁ = Z₁+ P₁ / γ + V₁ ² / 2g

где: Z₁ - удельная потенциальная энергия положения;

P₁ / γ - удельная потенциальная энергия давления;

V₁ ² / 2g - удельная кинетическая энергия.

Переместившись в сечение 2, рассматриваемая удельная единица массы жидкости будет находиться на расстоянии Z₂ от плоскости сравнения О-О, под давлением P₂ и двигаться со скоростью V₂.

Полная удельная энергия выделенной удельной единицы массы жидкости, для сечения 2 будет равна: E₂ = Z₂+ P₂ / γ + V₂² / 2g

Разность энергий единицы массы жидкости в рассмотренных двух сечениях обозначим через ΔЕ, тогда:

Δ E = E₁ – E₂ = ( Z₁ + P₁ / γ + V₁² / 2g ) – (Z₂ + P₂ / γ + V₂² / 2g )

Рассмотрим характер изменения величины. АЕ исходя из условий движения жидкости:

Е₁ = Е₂, тогда Δ Е = 0 ;

Е₁> Е₂, тогда Δ Е > 0

Е₁< Е₂, тогда Δ Е < 0

• Если ΔЕ=0, тогда происходит движение не вязкой жидкости, без потерь энергии и без сообщения ей энергии извне.
• Если ΔЕ>0, тогда происходит движение вязкой жидкости с преодолением ги- дравлических сопротивлений при движении и расход энергии возможен на приведение в действие гидравлического двигателя.
• Если ΔЕ<0, тогда движущейся жидкости сообщается дополнительная энергия насосом для её движения. Анализ характера движения жидкости подтверждает, что энергия, сообщённая жидкости насосом, расходуется на преодоление сопротивлений в трубопроводах, арматуре, изменении направления и скорости движения жидкости, на подъём жидкости вверх и т. д., передаётся насосу приводным двигателем.

Члены уравнения Д.Бернулли, выраженные в м. вод. ст. представляют собой соответствующие напоры:

Z- геометрический напор, м. вод. ст.

P / γ - пьезометрический напор, м. вод. ст.

V² / 2g - скоростной напор, м. вод. ст.

Следовательно, полный гидродинамический напор в любом сечении трубопровода:

Н = Z+ P / γ + V² / 2g

а разность полных гидравлических напоров в двух сечениях потока определяет потерю напора hп при движении жидкости от одного сечения к другому, т.е.:

(Z₁ – Z₂ ) + (P₁ / γ – P₂ / γ ) + (V₁² / 2g + V₂² / 2g ) = h

Рис, 2. Характеристики энергии струи в потоке жидкости.

Насосная установка может быть предназначена для приёма жидкости из-за борта, удаления её за борт, перемещения в пределах корпуса судна по трубопроводам из цистерны в цистерну, подачи жидкости к механизмам, котлам и так далее.

Тема 2. Работа насосного устройства при размещении насоса ниже или выше уровня перекачиваемой жидкости.

Насос может быть расположен ниже уровня перекачиваемой жидкости или выше его.

Рассмотрим уравнение жидкости перекачиваемой насосом и найдём уравнение напора всасывания насосной установки, расположенной ниже уровня перекачиваемой жидкости (рис. 3 а) Выбрав плоскость сравнения (о-о) и применяя уравнение Д.Бернулли для свободной поверхности моря {6-6) и сечения трубопровода на линии всасывания в насосе (в-в), можем записать:

(Z_a +Z_в +Zn ) + P_б / γ + V _б² / 2g = ( Z + Z ) + P_в / γ + V _в² / 2g + h_п (1)

Где потери напора во всасывающем трубопроводе на рассматриваемом участке.

Так как давление на поверхности моря P_бравно атмосферному P_а, то заменив в уравнении Р_б на Р_а, а также сделав сокращения и перегруппировку членов в левой и правой частях, перепишем уравнение (1) в следующем виде:

Z_п + P_б / γ = Ра / γ + V _a² / 2g ( 1 - V _б² / V _a² ) + h_п (2)

Так как скорость жидкости на поверхности моря равна нулю, а во всасывающем трубопроводе несравненно больше V_в >> V_б, тогда выражение в скобках станет равным единице, и уравнение (2) относительно P_в / γ можно записать в таком виде :

P_в / γ = Ра / γ + Z_п – ( V _в² / 2g + h_п ) (3)

Рис.3. Схема размещения судовой насосной установки.

Из уравнения (3) можно сделать вывод, что напор всасывания у насоса распложенного ниже уровня перекачиваемой жидкости , будет увеличен на величину создающую подпор при работе насоса.

Рассмотрим уравнение жидкости, перекачиваемой насосом, и найдём уравнение напора всасывания насосной установки, расположенной выше уровня перекачиваемой жидкости (рис.3)

Уравнение для напора всасывания этой насосной установки запишется исходя из равенства уравнений Д. Бернулли для сечений:

(а-а) - свободной поверхности жидкости;

(в-в) - всасывающего трубопровода насоса; относительно плоскости сравнения (о-о), запишется в таком виде:

Z_a + Ра / γ + V _a² / 2g = (Z + Z )+ P_в / γ + V _в² / 2g + h_п (4)

Решая уравнение (4) относительно Ра / γ, и произведя приведение и перегруппировку членов, получаем:

Ра / γ = Z_в + P_в / γ + V _в² / 2g * (1- V _a² / V _в² )+ h_п (5)

Так как V _в >>V _а, тогда произведём в уравнении (5) вычисления и решив его так как

тогда произведём в уравнении (5) вычисления и решив его относительно Ра / γ, получим:

P_в / γ = Ра / γ – (Z_в + V _в² / 2g + h_{п )} (6)

Из уравнения (6) видно, что для этого типа насосной установки напор всасывания во всасывающем трубопроводе меньше атмосферного, т.е. существует наличие вакуума, обеспечивающего поступление жидкости в насос вследствие атмосферного давления на её свободную поверхность.

Так как атмосферное давление = 10,3м.в.ст., то высота подъёма воды во всасывающем трубопроводе в идеальных условиях не может быть выше 10,33м, а в действительных условиях, в зависимости от технического состояния насосной установки в пределах 6 - 8м.

Из рассмотренных 2-х случаев расположения насоса по отношению к уровню перекачиваемой жидкости, можно сделать следующий вывод: насосная установка, находящаяся ниже уровня перекачиваемой жидкости, находится в более благоприятных условиях, с точки зрения давления всасывания, так как работает с подпором.

Тема 3. Основные конструкции насосов.

Центробежные насосы, относящиеся к динамическим, получили наиболее широкое распространение во всех отраслях народного хозяйства, а также на судах.

Передача энергии от рабочего колеса в центробежных насосах происходит в результате взаимодействия лопастей с обтекающим их потоком, поэтому рассматриваемые насосы относят к лопастным. Механизм передачи энергии в лопастном насосе можно объяснить следующим образом. При вращении рабочего колеса в насосе, заполненном жидкостью, возникает разность давлений по обе стороны каждой лопасти и, следовательно, происходит взаимодействие потока с колесом. Преодолевая возникающий момент, колесо, подключенное к двигателю, при своем вращении центробежного насоса совершает работу.

Центробежные насосы бывают одноступенчатыми и многоступенчатыми.

Одноступенчатые: Рабочее колесо у таких насосов закреплено на консоли вала. Последний не проходит через область всасывания, что позволяет применить наиболее простой подвод осевого типа. Вследствие разности давления на диски колеса на вал консольного насоса действует осевая сила, направленная в сторону входа. В одноступенчатом насосе двухстороннего входа (тип Д, ГОСТ 10272--77) жидкость подводится к рабочему колесу с двух сторон двумя потоками. В колесе потоки объединяются и поступают в общий отвод.

По виду рабочего колеса различают насосы с закрытым и открытым рабочим колесом, у которого отсутствует ведомый диск. По виду подвода различают насосы с осевым и боковым подводом . В последнем случае жидкая среда подводится в направлении, перпендикулярном оси рабочих органов. По виду отвода различают насосы со спиральным, полуспиральным, кольцевым, двухзавитковым отводом и с направляющим аппаратом.

Одноступенчатые насосы имеют ограниченное давление. Для его повышения применяют многоступенчатые насосы, в которых жидкость последовательно проходит через несколько рабочих колес, закрепленных на общем валу. Давление насоса повышается пропорционально числу колес.

Многоступенчатые насосы имеют различное исполнение (секционные, спиральные):

Кроме перечисленных основных конструктивных признаков, центробежные насосы классифицируют по:

• положению оси вращения рабочих колес (горизонтальные и вертикальные насосы),
• конструкции опор (моноблочные, с выносными опорами, с внутренними опорами),
• числу потоков, т. е. числу отводов, через которые подается жидкость (одно-, двух-, многопоточные),
• конструкции корпуса (насосы двух корпусные, с защитным корпусом и футеровкой),
• месту расположения (погружные, скважинные насосы).
• по способу подвода жидкости к колесу с односторонним (рис.4. а) и двусторонним подводом (рис. 4.г).
• по соединению проточных частей - одноступенчатые, многоступенчатые [проточные части соединены последовательно (рис. 4 а, д)], многопоточные [проточные части соединены параллельно (рис. 4. б)], многопоточные-многоступенчатые [проточные части многих колёс соединены параллельно-последовательно (рис. 4. в)].
• по быстроходности, характеризуемой коэффициентом быстроходности n: тихоходные, нормальные и быстроходные.

Ø Коэффициентом быстроходности NS называется частота вращения колеса модельного насоса, геометрически подобного оригиналу, создающего напор в 1 м при подаче 75 лс ^-1 и потребляющего при этом мощность в 0,736 кВт при наивысшем КПД.

Ø Коэффициент быстроходности влияет на форму колеса и относительную длину лопасти.

• по всасывающей способности - несамовсасывающие, требующие перед пуском заливки всасывающего трубопровода перекачиваемой жидкостью, и самовсасывающие, имеющего устройство для самовсасывания.
• по создаваемому напору - низконапорные (до 0,5 МПа), средненапорные (0,5-5 МПа), высоконапорные (более 5МПа); по расположению вала - горизонтальные и вертикальные.