Как работает гребной винт регулируемого шага

Гребной винт с регулируемым шагом работает, вращая каждую лопасть вокруг своей оси внутри ступицы, в то время как гребной вал продолжает вращаться с постоянной или переменной скоростью, что позволяет оператору судна изменять направление и величину тяги, не реверсируя двигатель. Угол лопасти регулируется с помощью гидравлического поршня, расположенного внутри ступицы, соединенного с каждым основанием лопасти с помощью скользящей траверсы и кривошипно-шатунного механизма. Эта конструкция, используемая в таких системах, как Винт регулируемого шага , позволяет одному гребному винту создавать прямую тягу, нулевую тягу или обратную тягу просто за счет изменения шага лопастей, а не за счет изменения направления вращения вала.

В разделах ниже объясняется каждый внутренний компонент, последовательность гидравлического управления и почему этот механизм улучшает экономию топлива и маневренность по сравнению с гребными винтами с фиксированным шагом.

Основные компоненты внутри узла втулки

Механизм изменения шага почти полностью содержится во ступице гребного винта, которая расположена на конце хвостового вала. Понимание каждой части объясняет, как гидравлическая сила вращения приводит к изменению угла отвала.

Скользящая траверса и кривошипный штифт

Скользящая траверса перемещается в осевом направлении внутри ступицы под действием давления гидравлического масла. Рядом с основанием каждого лезвия закреплен кривошипный штифт, который входит в паз в крейцкопфе. Когда крейцкопф скользит вперед или назад вдоль центральной линии вала, шатунный палец смещается в сторону, вращая лезвие вокруг своей собственной оси вращения внутри отверстия ступицы.

Коробка распределения гидравлического масла (коробка OD)

Масло подается от сервосистемы через полый хвостовой вал к ступице через вращающуюся маслораспределительную коробку, установленную на переднем конце вала. Этот компонент передает гидравлическое давление из стационарной линии подачи на вращающийся вал без утечек, используя вращающиеся уплотнения, обычно рассчитанные на давление от 20 и 35 бар в зависимости от размера пропеллера и спецификации производителя.

Держатель лезвия и шарнирные подшипники

Каждая лопасть прикреплена болтами к держателю лопасти, который находится в сферическом или цилиндрическом гнезде подшипника ступицы. Эти подшипники должны выдерживать как центробежную силу от вращения, так и изгибающие нагрузки от осевого усилия, поэтому поверхности подшипников ступиц обычно изготавливаются из коррозионностойких сплавов бронзы или нержавеющей стали в соответствии с правилами материалов классификационного общества, например, опубликованными DNV и ABS.

Пошаговая последовательность изменения высоты звука

Следующая последовательность описывает то, что происходит механически, когда оператор перемещает рычаг управления тангажом на мостике вперед-назад.

1. Оператор перемещает рычаг управления шагом, посылая сигнал на гидравлический сервонасос.
2. Давление масла в сервоприводе увеличивается с одной стороны коробки наружного диаметра и снижается с другой.
3. Масло проходит через полый хвостовой вал в поршневую камеру внутри ступицы.
4. Давление поршня перемещает скользящую траверсу вдоль оси вала.
5. Кривошипные штифты на каждой ножке лопасти одновременно поворачивают лопасти на новый угол наклона.
6. Датчики обратной связи по углу отвала подтверждают положение и передают его обратно на индикатор моста.

Вся эта последовательность обычно завершается в течение от нескольких секунд до менее минуты в зависимости от размера гребного винта и мощности гидравлического насоса, поэтому системы с регулируемым шагом предпочтительны для судов, требующих частого маневрирования, таких как буксиры, паромы и морские суда поддержки.

Почему скорость вала остается постоянной при изменении осевого усилия

В отличие от гребного винта с фиксированным шагом, где тяга и направление судна зависят от изменения скорости и направления вращения двигателя, гребной винт с регулируемым шагом поддерживает вращение вала в одном направлении со скоростью, близкой к эффективному рабочему диапазону двигателя. Вместо этого тяга контролируется исключительно углом наклона лопасти.

Преимущество в управлении нагрузкой на двигатель

Поскольку двигателю не нужно останавливаться и давать задний ход, он может продолжать работать вблизи оптимальной точки нагрузки. Кривые эффективности дизельных двигателей, опубликованные в справочниках по морской технике, показывают, что двигатели, работающие на скорости, близкой к номинальной, обычно достигают Удельный расход топлива выше на 3–8 процентов чем двигатели, подвергающиеся частому изменению оборотов и работающие на холостом ходу во время маневрирования.

Выгода для времени отклика

Поскольку изменение тангажа представляет собой механическую гидравлическую регулировку, а не полный реверс оборотов двигателя, время реакции с передней на заднюю тягу значительно сокращается, что имеет решающее значение для таких судов, как буксиры и лоцманские катера, которым требуется быстрое реверсирование тяги во время швартовки.

Сравнение: работа гребного винта с регулируемым шагом и с фиксированным шагом.

Это сравнение отражает общие принципы работы, задокументированные в учебниках по морской двигательной технике и руководствах классификационного общества по выбору двигательной установки.

Роль системы обратной связи и управления

Современные системы гребных винтов регулируемого шага полагаются не только на гидравлический механизм. Система управления с замкнутым контуром отслеживает положение отвала и сравнивает его с заданной оператором настройкой угла наклона.

Датчики обратной связи по положению

Стержень обратной связи или датчик, подключенный к скользящей траверсе, сообщает фактический угол лопасти обратно в систему управления, которая постоянно сравнивает заданный шаг с фактическим шагом и регулирует поток масла сервопривода для корректировки любого отклонения.

Управление кривой комбинатора

Многие системы используют комбинаторную кривую, запрограммированную взаимосвязь между частотой вращения двигателя и шагом лопастей, так что, когда оператор увеличивает рычаг дроссельной заслонки, обороты двигателя и шаг лопастей увеличиваются вместе по заранее заданной кривой эффективности, а не независимо, что снижает риск перегрузки двигателя при настройках малого шага.

Рекомендации по техническому обслуживанию, относящиеся к конкретному механизму

Поскольку механизм изменения шага основан на гидравлических уплотнениях и движущихся частях внутри погружной ступицы, методы технического обслуживания отличаются от гребных винтов с фиксированным шагом.

• Давление масла в ступице и целостность уплотнений следует регулярно проверять, чтобы предотвратить попадание морской воды в гидравлическую систему.
• Уплотнительные кольца основания лопатки требуют периодической проверки, поскольку они являются основным барьером от проникновения воды в точку поворота.
• Поворотные уплотнения коробки наружного диаметра являются изнашиваемыми элементами, которые обычно требуют замены во время плановых докования.
• Калибровку датчика обратной связи следует проверять после разборки любой ступицы, чтобы обеспечить точность показаний шага моста.

Соблюдение интервалов технического обслуживания, установленных производителем, для такой системы, как Винт регулируемого шага помогает гарантировать, что гидравлический механизм наклона продолжает обеспечивать точный контроль угла наклона лопастей в течение всего срока службы судна.

Резюме

Гребной винт с регулируемым шагом работает за счет использования давления гидравлического масла, подаваемого через хвостовой вал, для перемещения скользящей траверсы внутри ступицы, которая поворачивает каждую лопасть на новый угол наклона, в то время как направление вращения вала остается постоянным. Этот механизм обеспечивает более быстрое реверсирование тяги, более устойчивую нагрузку на двигатель и улучшенное маневрирование по сравнению с гребными винтами фиксированного шага, поэтому он остается стандартным выбором для буксиров, паромов и морских судов поддержки, которым требуется частое и точное управление тягой.