CC BY
112
УДК 629.12.037
К. О. Сибряев, И. Н. Теренин, К. Р. Халыков
АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ В СУДОВЫ1Х ВАЛОПРОВОДАХ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МАХОВИКОВ-ДЕМПФЕРОВ
На судах смешанного плавания (река-море) широкое распространение получили машинно-движительные комплексы (МДК), в состав которых входят восьмицилиндровые дизели типа NVD с прямой передачей мощности на винты фиксированного шага.
Заводы-изготовители оборудуют данные дизели силиконовым демпфером, установленным в носовой части коленчатого вала, для предотвращения поломки последнего из-за повышенных механических напряжений, вызванных крутильными колебаниями.
Нами предлагается совершенствовать демпфирование крутильных колебаний судовых валопроводов при использовании маховиков-демпферов (М-Д).
Конструкция М-Д следующая: в маховике дизеля выполнена кольцевая полость, герметично закрываемая крышкой. В кольцевой полости установлена инерционная масса. Между поверхностями инерционной массы и маховиком дизеля выполнены зазоры, заполненные силиконовой жидкостью [1].
Правила Российского морского регистра судоходства (МР) [2] регламентируют периодическую проверку технического состояния силиконовых демпферов. Аккредитованный испытательный центр «Marine Technology service» проводил торсиографирование МДК судов данных проектов и выдал соответствующие заключения [3, 4].
Рассмотрим развитие крутильных колебаний на примере некоторых судов. Машинно-движительный комплекс судна пр. 1577 представляет собой двухвальные дизельные установки с двигателями марки 8NVD48AU (Л^ном = 736 кВт, пном = 375 об/мин), оборудованные силиконовыми демпферами марки В-790 («Волгонефть-268», «Волгонефть-263») при прямой передаче мощности на винты фиксированного шага.
На основе данных по торсиографированию МДК судов данного проекта с демпфером сделан вывод, что запретные зоны в диапазоне частот вращения главных дизелей не назначаются, но рекомендуется, с целью увеличения срока службы демпферов, избегать длительной работы МДК в диапазоне частот вращения 270-310 об/мин. Наибольшими являются графики развития суммарных напряжений в гребных валах МДК судна пр. 1577 (рис. 1).
Частота вращения п, об/мин
Рис. 1. Напряжения в гребных валах МДК судна пр. 1577: —— напряжения, полученные
при торсиографировании с демпфером;----------расчетные напряжения с демпфером;
------расчетные напряжения без демпфера; А—А—А расчетные напряжения с М-Д,
установленным на месте маховика; □—□—□ расчетные напряжения с М-Д, установленным на месте демпфера; ◊—◊—◊ расчетные напряжения с М-Д, установленным в гребном валу
Проведены расчеты крутильных колебаний данного МДК с демпфером методом Терских [5]. Расчетные данные сверены с результатами торсиографирования, погрешность незначительна.
Проведены также расчеты крутильных колебаний МДК судов пр. 1577 без демпфера, которые показали, что при отсутствии силиконового демпфера суммарные напряжения от крутильных колебаний равняются допускаемым напряжениям.
Проведены расчеты крутильных колебаний с М-Д, установленным как на месте маховика, так и на месте демпфера и в гребном валу. Маховик-демпфер, установленный на месте маховика дизеля и в гребном валу, не приводит к эффективному снижению напряжения от крутильных колебаний; в случае, когда М-Д установлен на месте демпфера, напряжения существенно снижаются.
Уменьшение суммарных моментов инерции маховика дизеля и демпфера влечет за собой изменение степени неравномерности вращения 5:
5 = 5ж + 5к,
где 5ж - степень неравномерности вращения для абсолютно жесткого валопровода (рассчитывалась по методике [6], с последующей проверкой на ЭВМ с помощью программы для динамического расчета судовых дизелей); 5к - степень неравномерности вращения, обусловленная наличием вынужденных крутильных колебаний (рассчитывалась по методике [7]).
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна проекта 1577 представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна пр. 1577
Судно (проект) бж бк б
Волгонефть-268 (1577) Без демпфера 0,0105 0,0120 0,0225
С демпфером 0,0100 0,0115 0,0215
М-Д на месте маховика 0,0120 0,0133 0,0253
М-Д на месте демпфера 0,0120 0,0130 0,0250
М-Д в гребном валу 0,0120 0,0141 0,0261
Расчёт степени неравномерности вращения показал, что нет противоречия с рекомендуемыми значениями для судовых дизелей, непосредственно работающих на гребной винт (0,02-0,05) [6].
Машинно-движительный комплекс судна типа «Каспий» представляет собой одновальную дизельную установку с двигателем марки 8КУБ482И (Л^ном = 648 кВт, пном = 428 об/мин), оборудованную силиконовым демпфером марки В-790 («Капитан Евсеев», «Печора») при прямой передаче мощности на винт фиксированного шага.
В диапазоне частот вращения главного двигателя назначена запретная зона 170-210 об/мин. Наибольшими являются графики развития суммарных напряжений в гребных валах МДК судна данного проекта (рис. 2).
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна РМС типа «Каспий» представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна РМС типа «Каспий»
Судно (проект) бж бк б
РМС типа «Каспий» Без демпфера 0,0140 0,0064 0,0204
С демпфером 0,0136 0,0062 0,0198
М-Д на месте маховика 0,0150 0,0068 0,0218
М-Д на месте демпфера 0,0150 0,0064 0,0214
М-Д в гребном валу 0,0150 0,0071 0,0221
Частота вращения п, об/мин
Рис. 2. Напряжения в гребных валах МДК судна типа «Каспий»: —— напряжения,
полученные при торсиографировании с демпфером;--------расчетные напряжения с демпфером;
------расчетные напряжения без демпфера; А—А—А расчетные напряжения с М-Д,
установленным на месте маховика; □—□—□ расчетные напряжения с М-Д, установленным на месте демпфера; ◊—◊—◊ расчетные напряжения с М-Д, установленным в гребном валу
Таким образом, установка М-Д позволяет устранить запретную зону из диапазона частот вращения главного двигателя.
Машинно-движительный комплекс судна пр. 19610 (сухогруз) представляет собой двух-вальные дизельные установки с двигателями марки 8№УБ848А3и (Л^ном = 970 кВт, пном = 4 = 28 об/мин), оборудованные силиконовыми демпферами марки А-710 («Каспий», «Мысхако» и др.) при прямой передаче мощности на винты фиксированного шага.
Наибольшие суммарные напряжения от крутильных колебаний в гребных валах как с демпфером, так и без него (рис. 3), меньше допускаемых величин во всём диапазоне частот вращения МДК. Но нельзя отказаться от силиконового демпфера в составе МДК данного судна -ведь демпфер устанавливают не только для снижения амплитуд (соответственно и напряжений) от крутильных колебаний, но и для уменьшения вибраций, шума и успокоения системы.
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна пр. 19610 представлены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна пр. 19610
Судно (проект) бж бк б
Мысхако (19610) Без демпфера 0,0133 0,0073 0,0206
С демпфером 0,0130 0,0071 0,0201
М-Д на месте маховика 0,0142 0,0077 0,0219
М-Д на месте демпфера 0,0142 0,0075 0,0217
М-Д в гребном валу 0,0142 0,0081 0,0223
Частота вращения п, об/мин
Рис. 3. Напряжения в гребных валах МДК судна пр. 19610: напряжения, полученные
при торсиографировании с демпфером;---------расчетные напряжения с демпфером;
------расчетные напряжения без демпфера; А—А—А расчетные напряжения с М-Д,
установленным на месте маховика; □ □ □ расчетные напряжения с М-Д,
установленным на месте демпфера; ◊—◊—◊ расчетные напряжения с М-Д, установленным в гребном валу
Установка М-Д на месте маховика дизеля существенно снижает напряжения от крутильных колебаний данного МДК.
Машинно-движительный комплекс судна проекта 630 (нефтеналивное) представляет собой двухвальные дизельные установки с двигателями марки 8№УБ848А2и (Л^ном = 882 кВт, пном = 390 об/мин), оборудованные силиконовыми демпферами марки А701/1 («Капитан Щемил-кин», «Капитан Пермяков» и др.) при прямой передаче мощности на винты фиксированного шага. Наибольшие суммарные напряжения в коленчатых валах главных дизелей представлены на рис. 4.
Частота вращения п, об/мин
Рис. 4. Напряжения в коленчатых валах МДК судна пр. 630: напряжения, полученные
при торсиографировании с демпфером;------------расчетные напряжения с демпфером;
------расчетные напряжения без демпфера; А—А—А расчетные напряжения с М-Д,
установленным на месте маховика; □ □ □ расчетные напряжения с М-Д,
установленным на месте демпфера; ◊—◊—◊ расчетные напряжения с М-Д, установленным в гребном валу
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна пр. 630 представлены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты расчета степени неравномерности вращения для МДК судна пр. 630
Судно (проект) бж бк б
Капитан Щемилкин (630) Без демпфера 0,0104 0,0065 0,0179
С демпфером 0,0102 0,0063 0,0175
М-Д на месте маховика 0,0123 0,0070 0,0203
М-Д на месте демпфера 0,0123 0,0068 0,0201
М-Д в гребном валу 0,0123 0,0075 0,0208
На 60 % рассмотренных МДК с восьмицилиндровыми дизелями при прямой передаче мощности на гребной винт установка демпфера не приводит к необходимой эффективности снижения напряжений от крутильных колебаний. В результате в рабочем диапазоне частот вращения коленчатых валов главных дизелей назначены запретные зоны.
На основе конструкционных характеристик силиконовых демпферов крутильных колебаний разработана конструкция М-Д. Расчетно-теоретический анализ развития крутильных колебаний с М-Д, установленным в разных местах валопровода, показал более эффективное снижение напряжений от крутильных колебаний. Наилучшее демпфирование достигается при установке М-Д на месте демпфера. Таким образом, использование М-Д приводит к более эффективному гашению крутильных колебаний и устранению запретных зон из рабочего диапазона частот вращения МДК с восьмицилиндровыми дизелями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. № 59176 РФ, МПК Г 16Г 7/00. Маховик дизеля с демпфером / Покусаев М. Н., Сибряев К. О. (Российская Федерация); опубл. 10.12.2006; бюл. № 34.
2. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Т. 2. - 2003. - 619 с.
3. Торсиографирование машинно-движительного комплекса танкера «Волгонефть-268: отчет о НИР (х/д № 67/2004 от 23.08.2004 заключительный) / Астрахан. гос. техн. ун-т; рук. Покусаев М. Н. - М., 2004. - № ГР 0120.0501440. - 28 с.
4. Оценка работоспособности силиконовых демпферов главных двигателей сухогруза «Каспий» пр. 19610: отчет о НИР (х/д № 66/2004 от 10.07.2004 заключительный) / Астрахан. гос. техн. ун-ет; рук. Покусаев М. Н. - М., 2004. - № ГР0120.0501431. - 28 с.
5. Терских В. П. Крутильные колебания валопровода силовых установок. Т. 1-4. Прил. - Л.: Судостроение, 1969-1970 гг.
6. Судовые двигатели внутреннего сгорания / Ю. Я. Фомин, А. И. Горбань и др. - Л.: Судостроение, 1989. - 344 с.
7. Проектирование тепловозных двигателей / В. В. Водолажченко и др. - М.: Транспорт, 1972. - 224 с.
Статья поступила в редакцию 27.01.2009
THE ANALYSIS OF TORSIONAL VIBRATIONS DEVELOPMENT IN SHIP PROPELLER SHAFT USING FLYWHEELS-DAMPERS
K. O. Sibryaev, I. N. Terenin, K. R. Khalykov
The application of a damper does not efficiently reduce stress from torsional vibrations in 60 % of considered machine-propulsion complexes with eight cylinder diesel engines at direct power transmission on the screw propeller. As a result, prohibited areas have been marked within the operation of rotational speed of crankshafts of main diesels. The construction of a flywheel-damper was designed on the basis of construction characteristics of torsional vibrations of silicone dampers. Design-theoretical analysis of the development of torsional vibrations with the flywheel-damper mounted in different positions on the propeller shaft has shown the following: the application of the flywheel-damper results in an effective reduction of torsional vibrations and in nullifying the prohibited areas within the operation of rotational speed of the machine-propulsion complex with eight cylinder diesel engines. The best result is achieved by mounting the flywheel-damper in the place of a damper.
Key words: torsional vibrations, flywheel-damper.
