Валопровід і його основні елементи

Вступ

Підшипники.

Сальники.

Сполучні муфти.

Вали валопроводу.

Валопровід і його основні елементи.

Вступ.

Тема: Валопровід корабля

ЛекціЯ № 3

Висновки .

Навчально-матеріальне забезпечення:

1) Плакати валопроводів кораблів проектів 1135, 1124, 775, 1288.4.

2) Слайди.

Навчальна література:

1. В.Д. Колосов и др. Корабельные ДЭУ: Учебное пособие. -Л.: ЛВВМИУ, 1993, гл. 1. §§1.1 - 1.4.

2. Г.М. Хуршудян и др. «Корабельные ДЭУ и основы их общего проектирования». Л.: 1980. гл. 1. §§1.1-1.4.

3. Ребров Б.В. Корабельные газотурбинные и дизель - газотурбинные энергетические установки, ч.1. Л. 1970.

4. Ермолаев А.Н. и др. Корабельные энергетические установки с двигателями внутреннего сгорания и их боевое использование, М. 1963.

5. В.П.Кузин, В.И.Никольский „Корабли ВМФ СССР. 1945 – 1991”. ИМО. С-Петербург.-1996.

Головний двигун корабельної ГЕУ розвиває певну потужність для обертання гребного гвинта. Передача цієї потужності безпосередньо здійснюється через корабельний валопровід. Крім цього до складу валопроводу входять пристрою, що дозволяють відключати гребний гвинт від головного двигуна. На даний момент часу валопроводи кораблів ВМС ЗСУ обладнані по конструктивними елементами 50 ÷ 60 років минулого століття, які відрізняються в порівнянні із сучасними конструкціями відносною складністю та труднощами технічного обслуговування. Тому актуальність лекції полягає у вивченні морально застарілих, але досить надійних наявних на даний момент в експлуатації валопроводів. Гарне знання їхнього пристрою та особливостей експлуатації дозволить інженер-механіку використовувати їх з максимальною ефективністю.

Система валів, з'єднаних між собою, а також із двигуном і рушієм, називається лінією вала або валопроводом. Корабельний валопровід призначений для передачі гребному гвинту крутного моменту, що розвивається головним двигуном (або декількома двигунами), а також для сприйняття упору, створюваного гребним гвинтом при його обертанні, і передачі його через упорний підшипник корпусу корабля. Іноді, наприклад, у випадку застосування крильчатих рушіїв, призначення валопроводу обмежується тільки передачею крутного моменту.

Рисунок 1. Ухил та віяловість лінії вала.

Залежно від розташування центра диска гребного гвинта та центра кормового фланця двигуна (редуктора) лінія вала може скласти кут α с горизонтальною площиною і кут β с діаметральною площиною (рис. 1).

Кут α називають ухилом, а кут β – віяловістю лінії вала. Величина кутів α і β залежать від конкретних можливостей розміщення гвинтів і двигунів. Звичайно α = 0 ÷ 5 град., а β = 0 ÷ 3 град. Варто мати на увазі, що ухил і віяловість лінії вала зменшують корисний упор гвинта, а отже і силу тяги.

На конструкцію, масу та розміри валопроводу істотний вплив робить тип головних двигунів, їх потужність і число обертів. Основні розміри кожного з ділянок валопроводу визначаються розрахунковим шляхом, виходячи з діючих навантажень. Для зниження ваги механічних втрат у підшипниках, зменшення вартості виготовлення, підвищення надійності та живучості валопровід прагнуть виконати більше простої конструкції і по можливості більше коротким. Довжина валопроводу може досягати більше 100 метрів для більших кораблів (довжина валопроводу фрегата пр. 1135 становить 41,22 м, маса – 11300 кг).

Рисунок 2. Загальне розташування валопроводу фрегата пр. 1135: 1 - обтічник гребного гвинта; 2 - гребний гвинт; 3 - кронштейн; 4 - обтічник кронштейна; 5 - місця установки дейдвудних підшипників; 6, 12, 14 - проміжний вал; 7 - опорний підшипник; 8 - опорний підшипник; 9 - перебірковий сальник; 10 - упорний вал; 11 - ШПМ; 13 - монтажний підшипник із пристосуванням для зрушення вала.

Гребний гвинт закріплений на гребному валу. Гребний вал обертається в підшипниках з водяним змащенням, розташованих у кронштейні та дейдвудной трубі. Для того, щоб через дейдвудную трубу в корпус корабля не надходила забортна вода, вона постачена дейдвудным сальником. Гребний вал через проміжний вал, установлений на підшипниках, з'єднується з упорним валом. Через упорний гребінь вала упор, створюваний гребним гвинтом через упорний підшипник, передається корпусу корабля. Носовий кінець упорного вала з'єднаний через роз'єднувальну муфту з валом передачі від двигуна (редуктора). Крім зазначених основних елементів, валопровід має стрічкове гальмо, валоповоротний пристрій, сполучні муфти та перебіркові ущільнення (сальники). Крім того, валопровід звичайно постачений системою охолодження, змащення та сигналізації.

Рисунок 3. Загальне розташування валопроводу КУ пр. 1288.4:1 - гребний гвинт; 2 - дейдвудна труба; 3 - гребний вал; 4 - дейдвудне ущільнення «НЕПТУН»; 5, 6 - опорний підшипник; 7 - механізм зміни кроку гребного гвинта; 8 - вал-проставка; 9 - гальмо валопроводу; 10 - кормовий проміжний вал; 11 - первинний перетворювач тахометра; 12 - перебірковий сальник; 13 - пристрій контактне щіткове; 14 - носової проміжний вал.

Валопроводи обертаються в опорних підшипниках. З'єднання валів між собою здійснюється за допомогою сполучних і роз'єднувальних муфт, а також фланцевих з'єднань. У випадку аварійного стану самого валопроводу, його опорних і упорних підшипників, або у випадку аварійного стану головного двигуна застосовуються гальмові пристрої. Для провертання головного двигуна і валопроводу призначений валоповоротний пристрій.

Рисунок 4. Гальмо: 1 - гвинт стяжний; 2 - вісь-гайка; 3 - колодка гальмова; 4 - обмежник; 5 - вісь; 6 - підстава гальма.

Гальмовий пристрій.Гальмо призначене для застопорення валопроводу, коли його обертання за якимись причинами неприпустимо: при виконанні регламентних робіт або поломці дейдвудного сальника, упорного підшипника, гребного гвинта та інш. Зупинки головного двигуна в цьому випадку недостатньо, тому що гребний гвинт буде обертатися в турбінному режимі в потоці води при русі корабля за рахунок роботи іншої автономної групи руху.

Гальмо (рис. 4) працює за рахунок ефекту сухого тертя. Як гальмовий диск звичайно використовується один із фланців сполучної муфти валопроводу. Для кращого використання гальмового моменту доцільно використовувати диск максимально можливого діаметра.

Для підвищення ефективності роботи гальма внутрішня поверхня колодок іноді облицьовується фрикційними накладками.

Стопоріння виробляється тільки при нерухливому валопроводі, що можливо при відсутності або незначному ході корабля. Гальмові пристрої розраховується з умови втримання валопроводу від обертання на ходу корабля при швидкості до 10 ÷ 15 вузлів.

Валоповоротний пристрій.До складу кожної автономної групи руху входить валоповоротний пристрій. Валоповоротний пристрій забезпечує провертання головного двигуна і валопроводу з малою частотою для того, щоб переконатися у відсутності перешкод їхньому обертанню перед пуском, а також при виконанні регламентних або ремонтних робіт.

На кораблях з дизельними енергетичними установками застосовуються ручний, пневматичний або електричний приводи валоповоротного пристрою. Зусилля, що розвивається приводом, додається до спеціального вінця, що звичайно встановлюється на сполучній муфті.

З метою виключення пуску дизеля при включеному валоповоротним пристрої передбачається необхідне блокування.

2. Вали валопроводу

Валопровід складається із сукупності різних валів, як правило, одного гребного та декількох проміжних валів. Вали валопроводу виготовляються з високоякісних легованих або вуглецовистих сталей. Ділянки вала, що лежать на опорах, звуться «шийки вала», а ділянки вала між опорами називаються «Талі».

Гребний вал є кормовим кінцевим валом у системі валопроводу. Умови роботи гребного вала істотно відрізняються від умов роботи проміжних і упорних валів. За винятком, носової ділянки (за дейдвудним сальником) гребний вал розташований поза корпусом корабля і знаходиться під впливом забортної води. Гребний вал має консольне навантаження у вигляді гребного гвинта, що створює додатковий згинальний момент і додаткові напруги в матеріалі. Гребний вал має на кінцях конусне розточення для насадки гребних гвинтів і сполучних напівмуфт (рис. 3).

Рисунок 3. Гребний вал валопроводу.

Для запобігання гребного вала від корозії в морській воді та зменшення втрат на тертя він покритий бронзовими облицюваннями (сорочками) у тій частині, що обертається в підшипниках дейдвудной труби і кронштейнів. Найкращим матеріалом для облицювання є олов’яніста бронза ОЦ- 10-2. Товщина облицювання залежить від діаметра вала. Проміжна частина вала між бронзовими облицюваннями має покриття з епоксидної смоли, армованої склотканиною, або вулканізованої гуми.

Гребний гвинт кріпиться до гребного вала за допомогою конусної посадки, шпонки і гайки, що від провертання втримується стопором. Щоб виключити корозію вала під гвинтом у результаті проникнення в зазори морської води, установлене ущільнювальне кільце. З кормової сторони на гвинті закріплений за допомогою різьблення на маточині обтічник.

Він створює сприятливі умови обтікання кормового краю гвинта і охороняє з'єднання гвинта з валом від морської води. Для ущільнення між обтічником і маточиною гвинта затиснуте гумове кільце. Гайка зроблена глухий, щоб захистити різьблення вала від зіткнення з морською водою у випадку, якщо ущільнення з гумовим кільцем буде порушена і вода проникне під обтічник. При установці гребного гвинта на гребний вал виточення в маточині й внутрішній порожнині обтічника заповнюється гарматним змащенням. У цей час застосовується також безшпонкове кріплення гребних гвинтів на конусі за допомогою гідропресової посадки. З носового краю на гребний вал насаджується сталева кована напівмуфта, закріплена на конусі вала за допомогою двох шпонок і спеціальної гайки. Це зроблено для того, щоб виймати гребний вал назовні.

Проміжні вали призначені для передачі крутного моменту від головного двигуна до гребного вала. Кількість проміжних валів визначається фактичною відстанню від носового фланця гребного вала до вала відбору потужності головного двигуна (кормового фланця упорного вала). Довжина окремого проміжного вала встановлюється з умов заведення та виїмки його з корпуса корабля і становить звичайно 5 ÷ 6 м. У порівнянні із гребним валом проміжні вали мають менший діаметр, тому що мають менші навантаження. Проміжні вали не стикаються із забортною водою, не випробовують ударів гребного гвинта, а тому і конструкція їх простіше. Проміжні вали звичайно не мають ізоляції, а тільки покриваються суриком.

Рисунок 4. Проміжний вал (діаметром 260 мм) валопроводу фрегата пр. 1135: D = 200 мм, d = 190 мм, D1 = 2669 мм, D2, D3 = 260 мм, D4 = 200 мм, маса вала 1130 кг, довжина вала – 5423 мм.

Упорний вал по конструкції аналогічний проміжному. Він призначений для передачі упору, створюваного гребним гвинтом корпусу упорного підшипника. Упорний вал має упорний гребінь, що виковується за одне ціле з валом.

3. Сполучні муфти валопроводу

Для з'єднання окремих ділянок валопроводу залежно від їхнього призначення, умов роботи, технології складання та розбирання застосовуються муфти різної конструкції.

Рисунок 5. Фланцеве з'єднання.

Фланцеве з'єднання єнайбільш простим по конструкції й надійним в експлуатації (мал. 5).

Фланець відковується за одне ціле з валом. На торці фланця є виточення, у яку вставляється шайба, що центрує. Шайба служить напрямною деталлю тільки при спільній обробці й спарюванні суміжних валів.

Кількість сполучних болтів парне й коливається від 6 до 12. Для з'єднання фланців застосовуються циліндричні або конічні болти,, що приганяються щільно до поверхонь отворів у фланцях. Для болтів застосовуються корончаті або звичайні гайки, які стопоряться шплінтами.

Використання фланцевого з'єднання можливо тільки при застосуванні підшипників і сальників з горизонтальним розніманням.

Рисунок 6. Конічна фланцева напівмуфта: 1 - шпонка; 2 - стопорна шайба; 3 - стопорна гайка; 4 - заглушка;5 - вал; 6 - корпус напівмуфти.

Конічна фланцева напівмуфта (рис. 6) застосовується для з'єднання порожніх і суцільних валів при передачі крутного моменту й упору будь-якої величини.

Конусність з'єднання забезпечує легкість посадки та знімання корпуса напівмуфти 6 з вала 5. У торця муфти, протилежного фланцю, для збільшення твердості передбачається стовщений пояс. Для запобігання провертання напівмуфти на валу встановлюється шпонка 1. Натяг напівмуфти на вал забезпечується стопорною гайкою 3, що охороняється від самовідгвинчування стопорною шайбою 2.

Рисунок 7. Подовжньо-свертна муфта: 1 - вал; 2 - шпонка; 3 - упорне кільце; 4 - шпонка; 5 - вал; б - напівмуфта; 7 - стяжний болт; 8 – напівмуфта.

Подовжньо-свертні муфти (рис. 7) звичайно застосовуються для з'єднання валів у важкодоступних місцях корабля. Муфти легко роз'єднуються без переміщення їх в осьовому напрямку. Подовжньо-свертна муфта являє собою два порожніх сталевих напівциліндри, що обхоплює кінці валів, що з'єднуються, 1 і 5. Напівциліндри (напівмуфти) 6 і 8, з'єднані між собою болтами 7, стискають кінці валів з такою силою, щоб передача крутного моменту відбувалася за рахунок тертя. Для запобігання провертання валів у муфті передбачені шпонки 2 і 4. Упор гребного гвинта в обох напрямках передається через рознімне упорне кільце 3, вставлене в кільцеве виточення на кінцях валів, що з'єднуються.

Рисунок 4. Еластична муфта: 1 - внутрішній обід; 2 - планка; 3 - вкладиш; 4 - зовнішній обід; 5 – фланець.

Еластична муфта (рис. 8) забезпечує передачу крутного моменту та застосовується в якості вібро- і звукоізолятора між двигуном і валопроводом.

Вал двигуна болтами з'єднується із фланцем 5 еластичної муфти, що жорстко з'єднаний із зовнішнім ободом 4. До фланця валопроводу болтами кріпиться внутрішній обід 1. На внутрішній поверхні зовнішнього обода та на зовнішній стороні внутрішнього обода є радіально розташовані лопатки, між якими вставлені гумові вкладиші 3. Для фіксації вкладишів у своїх осередках передбачені планки 2, закріплені на зовнішньому ободі. Таким чином, передача крутного моменту від двигуна до валопроводу відбувається через еластичні гумові вкладиші, за рахунок чого забезпечується ефект звукоізоляції. Наявність еластичного елемента в складі сполучної муфти дозволяє понизити вимоги до точності центрування валів, що з'єднуються.

Рисунок 5. Зубчаста муфта: 1 - відомий диск; 2 - стопор; 3 - задній барабан; 4 - проміжна опора; 5 - передній барабан; 6 - ведучий диск; 7 - стрілка: 8 - вало-поворотна шестірня; 9 - кожух; 10 – бурт.

Зубчаста муфта характеризується простотою конструкції, високою надійністю, більшим ресурсом, малими габаритами й масою. Негативними якостями зубчастої муфти є неможливість її включення й вимикання при обертаннях валів, а також жорсткі вимоги до центрування валів, що з'єднуються.

Шинно-пневматична муфта призначена для швидкого з'єднання і роз'єднання двигуна з валопроводом. Комплект шинно-пневматичної муфти (ШПМ) складається із властиво шинної муфти 2 (рис. 6), повітророзподільника 3 з повітророзподільним валом 4, систем керування та контролю. Повітророзподільник може кріпитися на спеціальному фундаменті 5 або на торці двигуна. При установці повітророзподільника на фундаменті він може додатково виконувати функції опорного підшипника.

Рисунок 6. Шинно-пневматична муфта: 1 - вал; 2 - шинна муфта; 3 - повітророзподільник; 4 – повітрярозподільний вал; 5 - фундамент.	Рисунок 7. Шинна муфта: а - загальний вид; б - кріплення фрикційної колодки до шинного балона; в - з'єднання ніпеля із шинним балоном і ободом; 1 - внутрішній барабан; 2 - зубчастий вінець; 3 - кожух; 4 - обід; 5 - болт; б - шинний балон; 7 - диск; 8 - палець; 9 - каркас; 10 - фрикційна пластина; 11 - гайка; 12 – ніпель.

Рисунок 8. Гідромуфта: 1 - відомий вал; 2 - упорно-опорний підшипник; 3 - кільцева камера; 4 - турбінне колесо; 5 - шиберне кільце; 6 - насосне колесо; 7 - кожух; 8 - корпус; 9 - упорно-опорний підшипник; 10 - ведучий вал.

Гідромуфта призначена для швидкого з'єднання та роз'єднання двигуна з валопроводом.

Ведучий вал гідромуфти 10 (рис. 8) жорстко з'єднаний з колесом відцентрового насоса 6, а відомий вал 1 - з колесом гідравлічної турбіни 4. Насос і турбіна мають рівне число радіально розташованих лопаток однакового профілю.

Заповнення внутрішньої порожнини гідромуфти робочою рідиною (звичайно малогрузле мінеральне масло) - через кільцеву камеру 3. Належна герметичність муфти забезпечується спеціальними сальниковими ущільненнями в кожусі 7, корпусі 8 і кільцевій камері 3.

При роботі двигуна (обертанні ведучого вала 10) рідина під дією відцентрових сил переміщається в міжлопаткових каналах колеса 6 від центра до його периферії і за рахунок придбаної кінетичної енергії приводить в обертання колесо турбіни 4.

Для зупинки корабля досить відкачати робочу рідину з порожнини муфти і обертання ведомого вала 1 припиниться. Шиберне (від Schieber - заслінка) кільце 5 забезпечує прискорене вимикання гідромуфти.

Виникаючі при роботі гідромуфти осьові сили сприймаються упорно-опорними підшипниками 2 і 9.

Таким чином, гідромуфта забезпечує еластичний зв'язок двигуна з рушієм, а також їх швидке з'єднання та роз'єднання без зупинки двигуна.

4. Сальники

Перебіркові сальники встановлюються на водонепроникних переборках корпуса корабля в місці вирізу, через який проходить валопровід. Він призначений для запобігання надходження води у відсік уздовж валопроводу у випадку затоплення суміжного відсіку.

Рисунок 9. Перебірковий сальник: 1 - вал; 2 - валик; 3 - втулка натискна: 4 - переборка; 5 - корпус; 6 - набивання; 7 - кільце маслорозподільне; 8 - набивання; 9 - втулка натискна; 10 - шестірня провідна; 11 - вінець зубчастий; 12 - шестірня-гайка; 13 - шпилька; 14 - навариш; 15 - болт із гайкою; 16 - кожух.

Перебірковий сальник установлюється з боку того відсіку, у якому його зручніше розмістити та обслуговувати. Він повинен витримувати тиск, на який розрахована водонепроникна переборка.

Кріплення корпуса 5 безпосередньо до переборки шпильками неприпустимо, тому що в цьому випадку не буде забезпечена належна водонепроникність. Тому корпус перебіркового сальника 5 кріпиться шпильками, укрученими в навариш 14.

Для забезпечення можливості монтажу валопровода корпус перебіркового сальника 5 виконується рознімним, як показано на рис. 9, або нероз'ємним, якщо вал 1 має на кінці знімну муфту. Кількість болтів 15, що з'єднують верхню та нижню частини корпуса 5, повинне бути достатнім для забезпечення водонепроникності з'єднання.

На кораблях застосовуються переважно сальники так званого набивного типу. Матеріал набивання 8 не повинен викликати нагрівання та стирання вала 1. Таким умовам задовольняють м'які паперові або прядив'яні набивання у вигляді туго сплетеного шнура квадратного перетину, просоченого жировою антикорозійною масою.

Перебірковий сальник затискається тільки в аварійних випадках. При нормальних умовах експлуатації ЕУ з метою зменшення тертя, перебірковий сальник трохи віджатий. Затиснення перебіркового сальника шляхом обертання валика 2 може вироблятися з будь-якого суміжного відсіку.

Дейдвудний сальник установлюється в місці виходу валопровода з корпуса корабля назовні. Він призначений для запобігання надходження води уздовж вала через борт усередину корпуса корабля, витримуючи забортний тиск води.

Рисунок 10. Дейдвудний сальник: 1 - дейдвудна труба; 2 - кільце гумове; 3 - корпус корабля; 4 - кільце водорозподільне; 5 - корпус дейдвудного сальника; 6 - шпилька; 7 - шестірня-гайка: 8 - вінець зубчастий; 9 - вал; 10 - кожух; 11 - втулка натискна; 12 - кільце маслорозподільне; 13 - набивання; 14 - шпилька; 15 – навариш.

Рисунок 11. Дейдвудний сальник: 1 - обойма нерухлива; 2 - пружини; 3 - обойма ущільнювальна із сідлом; 4 - кільце гумове; 5 - гайка регулююча; 6 - штуцер; 7 - кільце вугільне; 8 - гайка кругла; 9 - набивання; 10 - шестірня-гайка; 11 - вінець зубчастий; 12 - упорне кільце; 13 - манжета; 14 - притискне кільце; 15 - шпонка; 16 - гумове кільце; 17 - маслорозподільне кільце; 18 - дейдвудна труба; 19 - шпилька; 20 - корпус дейдвудного сальника; 21 - кришка корпуса дейдвудного сальника; 22 - шпилька; 23 - втулка натискна; 24 - кожух; 25 - вал.

На рис. 10 показана конструкція дейдвудного сальника набивного типу, що застосується на надводних кораблях. Його устрій багато в чому аналогічно пристрою перебіркового сальника, розглянутому вище.

При підвищеному тиску забортної води (на кораблях з великим осіданням, на підводних човнах при зануренні) дейдвудні сальники набивного типу не забезпечують необхідної герметичності валопроводу, що обертається. Для зазначених умов роботи на кораблях застосовуються дейдвудні сальники з торцевим ущільненням із графіту. На рис. 11 наведена конструкція дейдвудного сальника торцевого типу ПЧ.

5. Підшипники

Залежно від місця розташування опорні підшипники підрозділяються на зовнішні та внутрішніпідшипники.

а). Опорні підшипники.

Опорами валопроводу служать підшипники, розташовані усередині корпуса корабля, в дейдвудній трубі і кронштейнах. Опорні підшипники сприймають радіальні навантаження від ваги валопроводу і гвинта, фіксують валопровід у радіальному положенні і підрозділяються на зовнішні і внутрішні.

б). Зовнішні підшипники.

До зовнішніх підшипників відносяться підшипники кронштейнів і дейдвудного пристрою. Зовнішні підшипники сприймають консольне навантаження, яке створюється гребним гвинтом і легко забруднюються.

Антифрикційний матеріал для цих підшипників повинний бути таким, щоб у сполученні з морською водою утворювалася надійно працююча пара з невеликим коефіцієнтом тертя. Таким матеріалом є:

- бакаут;

- лігнофоль (древесно-слоїстий пластик);

- текстоліт;

- гума.

Бакаут-порода дерева, що містить більш 30% смолистих речовин, що створюють з морською водою мастильну емульсію. Він твердий і міцний, мало набухає, майже не зношує бронзове облицювання гребного вала. Термін служби більш 10 років .

Лінгофоль і текстоліт – міцні, мало набухають, але швидко зношуються.

Гума – гарний антифрикційний матеріал, малочутливий до забруднення, але не витримує великих навантажень.

Можуть застосовуватися :

- Капронографіт (добавка) 10% графіту (підвищує термін служби в порівнянні з існуючими матеріалами в 1,5¸3 рази).

- Капролонографіт (5% графіту) - (підвищує термін служби в порівнянні з існуючими матеріалами в 3,5¸11 разів).

Дейдвудний пристрій є опорою гребного вала й одночасно призначений для ущільнення проходу через корпус корабля.

За принципом роботи розрізняють підшипники ковзанняв яких шейку вала сковзає безпосередньо по опорній поверхні, і підшипники кочення, у яких між поверхнею обертової деталі та поверхнею опори перебувають кульки або ролики. Підшипник, що сприймає від валопровода тільки радіальні навантаження, називається опорним підшипником. Кількість опорних підшипників лімітується стійкістю та необхідною гнучкістю валопровода, а також прагненням звести до мінімуму втрати на тертя.

Рисунок 12. Опорній підшипник валопроводу.