CC BY
692
Обобщение опыта технической эксплуатации дейдвудных устройств и тенденции их дальнейшего развития
А.С. Браславский, В.В. Березний
Судомеханический факультет МГТУ, кафедра СЭУ
Аннотация. В статье проанализирован отечественный и зарубежный опыт эксплуатации дейдвудных устройств и их элементов на судах различного назначения. Оценены эксплуатационные качества антифрикционных материалов для дейдвудных подшипников. Рассмотрены перспективы развития дейдвудных устройств, как за счет совершенствования традиционных конструкций, так и за счет использования вместо гребного винта альтернативных движителей.
Abstract. The paper contains the analyses of domestic and foreign experience of the stern tube arrangements' exploitation at different ships. The functional performance of antifriction materials for stern-shaft bearings has been evaluated. The perspectives of stern tube arrangements' development owing both to the improvement of traditional construction and using the alternative movers instead of propeller shafts have been considered.
1. Введение
За более чем полуторавековое существование винтовых судов были разработаны несколько типов дейдвудных устройств (ДУ), для изготовления которых применялись различные материалы. Многие проблемы их эксплуатации не решены до сих пор. Для разрешения существующих проблем и дальнейшего совершенствования конструкции и эксплуатационных качеств ДУ необходим тщательный анализ опыта их технической эксплуатации на судах мирового флота.
До настоящего времени ДУ остаются одними из наиболее уязвимых судовых устройств. Их эксплуатация усложняется расположением в малодоступном месте корпуса. Известно, что выход из строя ДУ наносит ущерб, во много раз превышающий стоимость заменяемых деталей. Стоимость буксировки, ремонта в доке, потери прибыли от простоя - вот далеко не полный перечень затрат при аварии ДУ. Срок работы судна без докования и ремонта в значительной мере определяется материалами вкладышей подшипников и техническим состоянием ДУ в целом. Поэтому в мировом судостроении идут работы по совершенствованию существующих конструкций ДУ, а также поиск новых конструктивных решений.
2. Обобщение опыта технической эксплуатации дейдвудных устройств
Проблема вывода гребного вала из корпуса возникла с появлением судов, на которых в качестве движителя предполагалось применить гребной винт.
Первым винтовым судном стал построенный в Англии в 1838 г. пароход "Архимед" (Шапиро, 1990). На рис. 1а приведена схема его бокового вида, на которой в кормовой части изображено новое устройство - дейдвудное. Дейдвудная труба имеет носовое и кормовое расширения. Можно предположить, что устройство было снабжено носовым сальниковым уплотнением и двумя подшипниками скольжения, смазывавшимися и охлаждавшимися забортной водой (рис. 16), т.е. это было ДУ открытого типа.
ДУ морских судов можно классифицировать по типу конструкций подшипников на две группы: с подшипниками качения и подшипниками скольжения. Рабочей поверхностью в подшипниках скольжения служат металлические и неметаллические вкладыши, планки или втулки, а подшипники качения обычно выполняются в виде роликоподшипников.
В судовых валопроводах роликоподшипники начали применять в 30-х годах XX в. в качестве промежуточных опор. Первая дейдвудная труба с роликовыми подшипниками была сдана в эксплуатацию в 1935 г. (Балацкий, Бегагоен, 1975). На пассажирском дизель-электроходе Черноморского морского пароходства "Россия", построенном в 1938 г., успешно эксплуатировались двухрядные сферические подшипники ДУ. Они защищались от попадания забортной воды кормовым уплотнением сложной конструкции.
Наряду с такими преимуществами роликовых опор, как высокий к.п.д. и долговечность, имеются также значительные недостатки - большие радиальные размеры ДУ, сложность обеспечения герметичности подшипников. Поэтому роликовые опоры в дейдвудных устройствах большого распространения не получили. Чаще всего применяют дейдвудные устройства с подшипниками скольжения (Балацкий, Бегагоен, 1975).
После появления первых винтовых судов лучшим материалом, применяемым для вкладышей дейдвудных подшипников (ДП) скольжения, работавших на водяной смазке, был признан бакаут. Бакаут - гваяковое ("железное") дерево - лиственная порода тропической и субтропической Америки, применявшаяся ранее в трущихся соединениях блоков бегучего такелажа парусных кораблей. Бакаут является природным композиционным материалом. При работе в морской воде в парах трения со сталью и бронзой бакаут обладает низким значением коэффициента трения и высокой износостойкостью благодаря определенному строению древесины и содержанию в ней смол (гваяковой смолы до 26 %), образующих на поверхности трения эмульсии (Балацкий, Бегагоен, 1980; Белаковский, Старосельский, 1955; Рубин, Бахарева, 1987; Старосельский, Белаковский, 1959; Архангельский, Кулапин, 1969).
Недостаточная долговечность бакаута при работе в среде, содержащей абразивные частицы, его дефицитность и нетехнологичность послужили причинами для поисков других подшипниковых материалов, более дешевых или долговечных, либо упрощающих конструкцию ДУ.
Одним из первых таких материалов была резина, которую стали применять в 20-х годах прошлого столетия как подшипниковый материал для гребных валов катеров и буксирных судов. Резиновый вкладыш при работе с металлической шейкой вала приспосабливается к ее поверхности, резина податлива, что способствует образованию клина водяной смазки при вращении вала и образованию жидкостного трения. Кроме того, резина менее подвержена абразивному износу (Балацкий, Бегагоен, 1980; Белаковский, Старосельский, 1955; Рубин, Бахарева, 1987; Старосельский, Белаковский, 1959; Архангельский, Кулапин, 1969).
Благодаря опыту использования в машиностроении новых термореактивных
высокомолекулярных синтетических материалов на основе фенолформальдегидных смол (фенопластов) - текстолита и древесно-слоистого пластика (ДСП), в 30-х годах прошлого столетия стало возможно применение этих материалов в качестве подшипников ДУ.
В 1935 г. на судах Балтийского пароходства "Володарский" и "Правда" в ДУ были установлены текстолитовые подшипники, показавшие
удовлетворительную работу. В США к началу 40-х годов текстолит наряду с бакаутом и резиной являлся времена второй мировой войны текстолитовые подшипники
Рис. 1. Первый винтовой пароход "Архимед" (из Шапиро, 1990): а - разрез по диаметральной плоскости; б - дейдвудное устройство, гребной вал и кронштейн 1 - редуктор; 2 - паровая машина;
3 - паровой котел;
4 - дейдвудное устройство; 5 - гребной вал и гребной винт;
6 - кронштейн
общепризнанным материалом ДП. Во получили распространение на флотах США, Англии, Германии и других стран (Стальниченко и др., 1996).
Недостатки бакаута, который являлся основным материалом для изготовления дейдвудных подшипников, послужили причиной поиска возможности применения не только неметаллических материалов, но и металлов.
В 30-х годах прошлого века на судах, работающих на мелководье, стали применять дейдвудные подшипники с бронзовыми вкладышами и вкладышами, залитыми баббитом. Эти подшипники смазывались маслом, что потребовало применения кормовых уплотнений ДУ. В дальнейшем закрытые ДУ с вкладышами, залитыми баббитом, и циркуляционной смазкой маслом, начали применять на судах независимо от района плавания.
К 1950 г. была разработана типовая конструкция вкладыша из ДСП и технология его изготовления. Большой опыт конструирования и эксплуатации древесно-пластиковых ДУ накопил завод "Главсевморпуть".
К концу 50-х годов в Англии были разработаны и начали применяться в ДП вкладыши из композиционных фенольных пластиков. К ним можно отнести пластик "Orkot" (Orkot, Holland).
К началу 60-х годов, вследствие дороговизны и нетехнологичности, текстолит применялся все реже, преимущественно в тех случаях, когда другой материал отсутствовал. ДСП применялся главным образом на судах прибрежного плавания и реже на судах дальнего плавания. Его износостойкость ниже, чем бакаута и текстолита, а водопоглощение превышает этот показатель для текстолита в 5 раз (Стальниченко и др., 1996).
К тому времени химической промышленностью был освоен выпуск новых синтетических полимерных материалов. Исследования новых реактопластов и термопластов, проводимые в Одесском институте инженеров морского флота (ОИИМФ) с 1960 г., показали высокую износостойкость по
сравнению с бакаутом пар трения капролон В - бронза, капронографит - нержавеющая сталь и капронографит - хромокадмиевое покрытие стальных валов (Бузков, 1961; Бузков, 1962).
В 1961 г. впервые в мировой практике на десяти рыбопромысловых судах, ремонтировавшихся на Вилковской судоремонтно-технической станции, были установлены и успешно прошли испытания опытные образцы капроновых и капронографитовых ДП (Белаковский и др., 1962). В последующие два года капронографитовые подшипники были установлены еще на пяти небольших судах с диаметрами гребных валов 78-106 мм (Белаковский и др., 1965).
В 1964-1966 гг. ДП с капронографитовыми вкладышами диаметром от 78 до 150 мм были установлены еще на 22 судах припортового морского сообщения, портовых буксирах и на судах технического флота, а всего по заказам заводов и портов на опытно-механическом заводе было изготовлено 245 подшипников (Бузков и др., 1967). Дальнейшие разработки Центрального научно-исследовательского института технологии судостроения (ЦНИИТС), Южного научно-исследовательского института морского флота (ЮжНИИМФ), Центрального научно-исследовательского института морского флота (ЦНИИМФ), ОИИМФ и других организаций обеспечили широкое применение капролоновых дейдвудных подшипников в морских пароходствах на судах с диаметром гребного вала до 780 мм.
С 1976 г. практически на всех транспортных судах Черноморского морского пароходства (ЧМП) (диаметр гребных валов 540 мм и более) при ремонте дейдвудных подшипников вместо бакаута и текстолита устанавливался капролон В (в среднем на 11 морских судах ежегодно). К 1983 г. капролоновые подшипники были установлены на 74 судах.
С 1985 г. наряду с капролоном В стали применять капролон, модифицированный графитом. Результаты эксплуатации показали, что при нормальных условиях эксплуатации срок службы капролоновых подшипников в 1.5-2 раза превышает срок службы подшипников из бакаута и текстолита, а износ бронзовых облицовок гребных валов не превышает значений, полученных при работе с бакаутом.
По данным ЦНИИТС, с 1965 г. капролоновые подшипники гребных валов устанавливались на ремонтируемых, а с 1968 г. - на строящихся судах различных классов и назначений. К 1978 г. находились в эксплуатации в различных водных бассейнах около 4000 судов (диаметр валов 22-750 мм, скорость скольжения 1.1-7.5 м/с) (Стальниченко и др., 1996).
В 1973-1977 гг. было установлено, что капролоновые подшипники скольжения, работающие в средах, содержащих абразивные частицы, менее износоустойчивы, чем подшипники из капрона, полиамида П-68 и других аналогичных материалов. Кроме того, производство капролона связано с необходимостью иметь специализированные участки со сложным дорогостоящим оборудованием, а изготовление деталей из капрона и полиамида П-68 производится на простом оборудовании и не требует значительных капитальных затрат. Капролон В, капрон и полиамид П-68 с 5%-ной добавкой графита обладают равной несущей способностью. Принимая во внимание изложенное, рассматривались перспективы использования всех видов полиамидов (Стальниченко и др., 1996).
В семидесятых годах прошлого столетия канадская компания Thomson-Gordon начала производить антифрикционный материал для изготовления подшипников ДУ - "Thordon" (Тордон), представляющий собой сплав полимеров и синтетической резины. С 1976 г. он был признан всеми классификационными обществами и широко используется на морских судах дедвейтом до 170 тыс. т. В 1983 г. подшипники из этого материала были установлены и успешно прошли испытания на одном из крупнейших ледоколов США "Polar Sea" (диаметр гребного вала 914 мм). На нем использовалась композиция "Thordon XL", устойчивость которой в условиях абразивного износа в 2 раза выше, чем текстолита (Тордон, 1985; Compac..., Canada; Thordon, Canada).
Английская фирма TENMAT выпускает полимерный материал для дейдвудных подшипников -"Feroform" (фероформ). По данным фирмы, композиция "Feroform Т14" при смазке водой изнашивается в 3.3 раза меньше, чем текстолит (Feroform, Singapore).
Голландская фирма Maprom Engineering совместно с американской фирмой Duramax Marine уже более 20 лет снабжают планками ROMOR военно-морские силы США и других стран.
На судах зарубежной постройки восьмидесятых годов прошлого столетия в ДУ, смазываемых маслом, встречаются подшипники с вкладышами из армированного фенолового материала CY 160/S, выпускаемого английской фирмой Railko. Подшипники из этого материала могут смазываться маслом, консистентной смазкой и забортной водой, в зависимости от потребности. Материал хорошо работает при ударных нагрузках (Полимерный материал, 1986).
В настоящее время в дейдвудных подшипниках крупнотоннажных судов ЧМП вместо текстолита и ДСП применяется капролон В, бакаут применяется ограниченно на некоторых пассажирских судах. На судах Азовского пароходства используются текстолит, бакаут, резино-металлические сегменты и
капролон. На судах Украинского Дунайского пароходства - резинометаллические сегменты, капролон, бакаут. Капролоновые подшипники успешно применяются на транспортных судах Дальневосточного, Балтийского и других пароходств, на речных судах Днепровского и других пароходств -резинометаллические дейдвудные подшипники.
В Мурманском морском пароходстве (ММП) в настоящее время для набора дейдвудных подшипников атомных ледоколов (а/л) типа "Арктика" и типа "Таймыр" используются следующие антифрикционные материалы: резино-металлические планки, планки из материала Thordon XL, капролоновые планки, а также планки ROMOR1.
Указанные материалы обладают хорошими антифрикционными показателями при работе в чистой воде, но имеют свои специфические особенности.
Резино-металлические планки лучше других работают в воде с абразивными частицами. Кроме того, резина имеет низкий коэффициент влагопоглощения, что позволяет устанавливать минимальные монтажные зазоры в пределах 0.5.. .1.0 мм.
К недостаткам этих планок следует отнести способность резины прилипать (присасываться) к валу, что при реверсировании приводит к увеличению нагрузки и в дальнейшем отрыву резины от металлического основания. При толщине резины 10.15 мм и жестком основании от воздействия ударной нагрузки на рабочей поверхности появляются продольные трещины, вызывающие в последующем отрыв резины от металла. Допустимая удельная нагрузка на резино-металлические планки составляет 0.5 МПа (Обобщение опыта..., 2001).
Thordon XL - импортный материал, по эксплуатационным показателям занимает промежуточное положение между резиной и капролоном.
К недостаткам следует отнести повышенную скорость износа трущихся поверхностей при работе в воде с абразивными частицами и недостаточную стойкость к ударным нагрузкам, от воздействия которых на наиболее нагруженных планках появляются продольные и поперечные трещины. Появление трещин вызывает ослабление посадки планок в пазах и в дальнейшем разбитие пазов. Из-за набухания в воде необходимы повышенные установочные зазоры (Результаты стендовых испытаний, 1996).
Капролон обладает более высокими эксплуатационными показателями по сравнению с резиной и Thordon XL (Обобщение опыта..., 2002). Влагонасыщенный капролон хорошо противостоит ударным нагрузкам.
К недостаткам следует отнести повышенную скорость износа трущихся поверхностей при работе в воде с абразивными частицами. Он имеет достаточно высокий коэффициент влагопоглощения -до 7 %, что приводит к необходимости устанавливать повышенные монтажные зазоры при наборе подшипников сухими планками или втулками. Этот недостаток устраняется путем предварительного влагонасыщения капролона (выдержка в горячей воде при температуре 75.90 °С).
Планки ROMOR1 в августе 2003 г. были использованы для набора носового и кормового ДП левой валовой линии а/л "Таймыр" ММП. Рабочей поверхностью в данных планках служит плоский слой высококачественной резины (не менее 6.5 мм), а основанием - специальный пластик. До настоящего момента эти планки использовались исключительно на военных и транспортных судах и зарекомендовали себя положительно. Преимущества и недостатки резино-металлических планок относятся и к планкам ROMOR1.
На большинстве судов флота рыбной промышленности в настоящее время установлены капролоновые ДП. В основном они удовлетворяют требованиям рыбаков, однако периодически с ними случаются два основных типа аварий: сверхнормативные износы, иногда приводящие к возникновению трещин в гребных валах из-за их изгиба, и подплавления полимерных вкладышей, являющиеся следствием заклинивания гребных валов набухшими в воде капролоновыми ДП (Лубенко и др., 1982).
Классификация, конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики существующих ДУ, ДП подробно представлены в технической литературе (Балацкий, Бегагоен, 1980; Березний, Григорьев, 1997; Стальниченко и др., 1996).
Необходимо отметить, что одновременно с поиском новых конструкций и материалов ДП разрабатывались новые конструкции уплотнений ДП.
С целью повышения надежности работы ДУ конструкции кормовых уплотнений совершенствовались. Первые кормовые уплотнения среднетоннажных судов работали по схеме торцевого скольжения двух втулок, прижимаемых пружинами. Носовое уплотнение снабжалось мягкой набивкой.
В 1936 г. германская фирма Blohm + Voss проводит первые испытания манжетных уплотнений на масляной смазке. В 1948 г. создается дейдвудное манжетное уплотнение "Simplex", которое начинает широко использоваться на средне- и крупнотоннажных судах, а к 1970 г. суда ряда стран были снабжены
уплотнением "Simplex-compact" (Компоненты валопроводов, 1989). На современных отечественных крупнотоннажных судах применяются ДУ с циркуляционной смазкой маслом и кормовым и носовым уплотнениями первого и второго поколений типа "Simplex", "Simplex-compact", "Vaukesha", "Neptun", "Cedervall" и др.
Голландская фирма Lagersmit для небольших судов, работающих на мелководье, разработала конструкцию ДУ с кормовым и носовым манжетными уплотнениями "Liquidyne", защищающими смазываемые и охлаждаемые водой дейдвудные подшипники от попадания абразивных частиц ила и песка. Подаваемая в ДУ забортная вода предварительно очищается в специальном фильтре. Этой же фирмой для средне- и крупнотоннажных судов разработано новое кормовое манжетное уплотнение "Liquidyne", охлаждаемое водой, которое позволяет использовать для смазки и охлаждения неметаллических подшипников пресную воду из замкнутого контура (Shaft Seals and Bearings Systems).
В связи с возросшими требованиями по защите моря фирма Blohm + Voss разработала новое уплотнение третьего поколения "Симплекс-компакт 2000 AIRSPACE" с четырьмя манжетами и воздушной камерой внутри, которая позволяет контролировать наличие перемещающихся жидкостей - морской воды и масла, и в случае необходимости удалять их путем продувки камеры воздухом (Компоненты валопроводов).
Фирма Lagersmit разработала новое уплотнение "Supreme Sea Guard" с пятью манжетами для судов, плавающих в северных широтах (Shaft Seals and Bearings systems).
Классификация, конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики существующих уплотнений подробно представлены в технической литературе (Балацкий, Бегагоен, 1980; Березний, Григорьев, 1997; Стальниченко и др., 1997).
В целях обеспечения экологической безопасности эксплуатации ДУ закрытого типа различными фирмами ведутся поиски экологически чистых жидкостей для охлаждения и смазки ДП.
Так, ЗАО ЦНИИМФ в течение трех лет проводились натурные испытания водостойкой экологически безопасной смазочной жидкости "Акванол-99" на судах Азовского и Балтийского пароходств, снабженных закрытыми ДУ. Результаты испытаний свидетельствуют о том, что по смазочным способностям "Акванол-99" превосходит масла с вязкостью по SAE-30 и обеспечивает уменьшение коэффициента трения в 1.4-1.5 раза (Новые технологии, 1995).
Американской фирмой Mobil ведутся работы по созданию масел на органической основе, например, "Mobil EAL200H Sesiss" и смазочных жидкостей на синтетической основе, например, "Mobil EAL200 Syndraulic 46", быстроразлагающихся в морской воде (Environmental Awareness Lubricants).
3. Перспективы развития дейдвудных устройств
К настоящему времени накоплен обширный мировой опыт технической эксплуатации ДУ морских и речных судов, на основе которого возможна модернизация и совершенствование ДУ.
Существует два основных направления развития ДУ:
1) Совершенствование уже имеющихся (традиционных) конструкций ДУ.
2) Использование альтернативных типов движителей, т.е. исключение ДУ из конструкции судна.
3.1. Совершенствование традиционных конструкций ДУ
Несмотря на то, что в мировом судостроении ведётся постоянный поиск новых технических решений и материалов для ДП, на данном этапе развитие ДУ идет не так интенсивно, как это было в прошлом веке. Тем не менее, достаточно перспективными направлениями совершенствования уже имеющихся конструкций ДУ являются:
1) Поиск универсальных материалов для пары трения вал-подшипник, способных эффективно
работать в широком спектре условий эксплуатации.
2) Разработка и внедрение новых технических решений по защите ДУ открытого типа от попадания
абразивных частиц при работе судна на мелководье.
3) Совершенствование конструкций и материалов имеющихся типов уплотнений.
Известно, что в разных условиях эксплуатации один и тот же материал ДП имеет различные эксплуатационные показатели. На стадии проектирования судна или его модернизации при выборе конструкции ДУ, ДП и уплотнений необходимо одновременно учитывать несколько эксплуатационных факторов, значительно влияющих на работу ДП. В идеале необходимо найти такие материалы пары трения вал-подшипник, которые могли бы обеспечить эффективную работу ДП в как можно более широком спектре изменяющихся условий эксплуатации. При этом стоимость таких материалов должна быть приемлемой для большинства судовладельцев.
Определяющими при работе ДП являются следующие факторы: - нагрузочные характеристики;
- состав охлаждающей жидкости;
- наличие абразивных частиц в охлаждающей жидкости;
- скорость скольжения;
- интенсивность реверсирования;
- температура ДП.
Влияние условий эксплуатации на работу ДП подробно описано в технической литературе (Березний, Григорьев, 1997).
В Мурманской лаборатории (МЛ) ЗАО ЦНИИМФ на стенде ДУ регулярно проводятся испытания по определению эксплуатационных характеристик уже используемых и новых материалов для ДП и облицовок гребных валов. Так, в 2003 г. проводились сравнительные испытания пар трения керамика + ФУТ-СТЭТ и керамика + капролон В. Перед испытаниями на кормовую часть вала стенда ДУ с натягом 0.15 мм была насажена тонкостенная (4 мм) стальная облицовка с керамическим покрытием (А1203 + 5%Сг203). Подшипники скольжения из материала ФУТ-СТЭТ и капролона В методом шабровки подогнаны по облицовке вала. Облицовка с керамическим покрытием и заготовка из ФУТ-СТЭТ для подшипника предоставлены ЦНИИ КМ "Прометей" (г. С.-Петербург). Результаты испытаний показали, что пары трения керамика + ФУТ-СТЭТ и керамика + капролон В совместимы и надежно работают в исследованном диапазоне удельных нагрузок от 120 до 1000 кПа. Кроме того, пара трения керамика + капролон В по отношению к паре трения керамика + ФУТ-СТЭТ имеет лучшие антифрикционные показатели (Результаты стендовых испытаний, 2003).
В настоящее время наиболее перспективными материалами для ДП судов, работающих в северном бассейне являются:
1) Рыболовецкие суда - капролон, резина.
2) Транспортные суда - капролон, ТИоМоп ХЬ, резина.
3) Ледоколы - капролон, резина.
При работе судна с открытой системой смазки ДП на мелководье (менее 5 м под килем) происходит активный заброс абразивных частиц в рабочую зону подшипника, особенно при работе винта на задний ход. Очевидно, необходимо внедрение новых технических решений, позволяющих уменьшить или исключить заброс абразивных частиц внутрь ДП.
Одним из таких решений является разработанный в МЛ ЗАО ЦНИИМФ центробежный насос-импеллер, устанавливаемый на ступицу гребного винта. Насос-импеллер повышает давление воды на выходе из ДУ и тем самым противодействует попаданию абразивных частиц внутрь ДП. Испытания такого насоса-импеллера впервые были проведены в 1987-1988 гг. на а/л "Ленин". Насос-импеллер является своеобразным гидродинамическим буфером, сглаживающим протекание гидродинамических процессов в ДУ. Установка насоса-импеллера на ступице винта а/л "Ленин" позволила снизить износ ДУ в два раза и повысить надежность работы системы смазки (Разработка технических решений, 1989).
В настоящее время насос-импеллер установлен на правой валовой линии а/л "Арктика" и левой валовой линии а/л "Ямал" ММП.
В настоящее время в МЛ ЦНИИМФ подходят к завершению испытания новой конструкции торцевого уплотнения. Уплотнение состоит из неподвижного кольца и плотно прилегающего к нему вращающегося кольца. Неподвижное кольцо изготовлено из материала ФУТ-СТЭТ, разработанного ЦНИИ КМ "Прометей". Поверхность трения вращающегося кольца покрыта слоем карбида вольфрама. Усилие прижатия поверхностей трения обеспечивается гибким силовым кольцом. Конструкция уплотнения предусматривает и наличие аварийного манжетного уплотнения, которое используется в случае выхода из строя основного уплотнения.
3.2. Использование альтернативных типов движителей
Использование альтернативных типов движителей позволяет исключить из конструкции судна аварийно-опасный элемент, которым является ДУ. Но из-за малой эффективности и больших затрат на создание и эксплуатацию альтернативные движители еще не получили широкого распространения.
В настоящее время используются следующие основные типы альтернативных движителей: водометный движитель; парус; магнитный движитель; сопла и вентиляторы судов на воздушной подушке.
3.2.1. Водометный движитель
Водометные движители, как и гребные винты, относятся к числу гидрореактивных движителей, создающих упор за счет реакции отбрасываемой с некоторым ускорением массы воды. В отличие от гребного винта, движущиеся части водомета находятся внутри корпуса судна и надежно защищены от повреждений при встрече с подводными препятствиями, что и определяет основное преимущество этого вида движителей.
Моторные суда с водометами могут проходить по мелководью с глубинами, почти равными осадке корпуса, т.е. до 0.1-0.2 м, преодолевать засоренные и заросшие участки водоемов и даже отдельные препятствия, выступающие из воды. Кроме того, к преимуществам водометного движителя относятся:
- уменьшение сопротивления воды движению судна вследствие отсутствия выступающих частей;
- относительная простота изготовления реверсивно-рулевого устройства взамен более сложных реверс-редукторов;
- высокая маневренность, обеспечиваемая реверсивно-рулевым устройством, воздействующим непосредственно на выбрасываемую струю воды;
- значительное укорочение и упрощение линии валопровода;
- менее шумная работа движительной установки;
- возможность установки двигателя горизонтально или с минимальным наклоном, что улучшает его работу и ликвидирует потери, связанные с наклонным валопроводом.
Основной недостаток водометного движителя - более низкий по сравнению с гребными винтами пропульсивный к. п. д., равный 0.35-0.5. Это вызвано потерями мощности на подъем струи воды выше ватерлинии и преодоление дополнительного сопротивления в трубе водомета. Однако отсутствие выступающих частей в значительной степени компенсирует этот недостаток, так что в конечном итоге эффективность водомета иногда оказывается выше, чем обычного гребного винта.
Любой водометный движитель состоит, как правило, из насоса (винта) с валом, водометной трубы (водовода), спрямляющего аппарата (контрпропеллера) и реверсивно-рулевого устройства. При вращении насоса на засасывающей стороне его лопастей, как и гребного винта, возникает разрежение, благодаря которому вода по приемной трубе (водозаборнику) поднимается к диску насоса. Здесь, получив некоторое ускорение, вода выбрасывается через сопло, выходное сечение которого меньше, чем диаметр трубы насоса. В силу неразрывности потока для прохода той же массы воды через меньшее сечение за одинаковое время скорость потока должна быть больше. Таким образом, суженное сопло увеличивает скорость выбрасываемой струи воды (Куликов, Храмкин, 1970).
3.2.2. Парус
В настоящее время широко известны довольно многочисленные попытки использования паруса в качестве основного движителя судна.
Построить в наши дни крупный парусник - сложнее, чем любое современное судно. Прежде всего потому, что утрачен опыт проектирования и технологии строительства.
С конца 70-х годов прошлого столетия возрос интерес к парусу как альтернативе двигателю. Появляются многочисленные проекты современных парусников, а также переоборудования существующих судов.
Японская фирма "Ниппон кокай кайма" с 1977 г. начала серию испытаний парусов на торговых судах. Из 20 моделей парусного вооружения отобраны три наилучших. Для натурных условий было построено экспериментальное судно "Дайо". Затем были построены и уже давно эксплуатируются несколько небольших японских судов "Мару" со вспомогательными жесткими парусами. Японские парусные баржи-рудовозы экономят буксирам до 30 % топлива на перевозках из Австралии.
Имеется опыт применения огромного паруса на буксировке нефтяных платформ к месту разработок - полотнище на попутном ветре просто растягивается на поднятых опорах.
Современные паруса крупнотоннажных судов изготавливают из прочных материалов, и они приводятся в действие с помощью гидравлических машин. Это может быть жесткая складная металлическая конструкция, или обычное самолетное крыло, установленное вертикально. К экзотическим конструкциям относятся так называемый ротор Флетнера, названый по имени изобретателя, вертикальный вращающийся цилиндр, действующий как крыло, и овальное крыло Жака Кусто, установленное на его научном тримаране.
Современная техника позволяет создать простую и безопасную систему работы с парусами, не требующую ручного труда и работы людей на мачтах. Например, постановка парусов на четырехмачтовом паруснике водоизмещением 17000 т проекта "Динашиф" занимает всего 20 секунд.
С одной стороны, применение паруса в качестве движителя позволит экономить значительные средства при перевозке грузов (до 30 % на крупных танкерах), но в то же время затраты на создание и эксплуатацию крупнотоннажных парусных судов все еще очень велики (http://clubme.narod.ru).
3.2.3. Магнитный движитель
Устройства, работающие на принципе магнитогидродинамического эффекта, сокращенно называемые МГД-движителями, по типам разделяются на индукционные и кондукционные. В первых
передача мощности от источника электроэнергии осуществляется непосредственно в забортной воде безэлектродным индуктивным способом. В кондукционных МГД-движителях электрический ток подводится к забортной воде с помощью электродов.
Каждый из указанных типов МГД-движителей может быть с внешним полем и в каналовом исполнении. Примером кондукционного МГД-движителя с внешним полем является модель С. Уэя.
В МГД-движителе каналового исполнения индукционного типа магнитное поле создается рядом обмоток переменного тока. Под действием магнитного поля в забортной воде, заполняющей канал, индуцируются короткозамкнутые электрические токи, в результате взаимодействия которых с бегущим магнитным полем, создаваемым обмотками, возникает электромагнитная объемная сила, обусловливающая движение воды в канале. При истечении воды через сопло возникает реактивный эффект - сила тяги, движущая судно.
Реализация идеи МГД-движителя потребует решения ряда очень сложных технических задач. Так, в Японии в процессе испытаний моделей подводных лодок с МГД-движителями выяснилось, что при электролизе забортной воды из нее выделяются в значительных количествах водород и хлор, позволяющие обнаружить подводную лодку. Необходимо учитывать и воздействие магнитного поля на экипаж судна, для чего потребуется специальная биологическая защита. Весьма сложной конструктивной задачей является обеспечение ударо- и взрывостойкости оборудования.
Однако, несмотря на указанные сложности, перечень которых можно продолжить, за рубежом существует мнение, что они разрешимы, а силы и средства, затраченные на их преодоление, будут компенсироваться преимуществами судна с МГД-движителем.
В Японии с 1976 г. исследуются модели судов с МГД-движителями, а уже в 1990 г. спущено на воду опытное судно-катамаран водоизмещением около 2000 т с МГД-движительной установкой. Там же рассматривается возможность создания быстроходного подводного танкера с МГД-движителем водоизмещением около 10 тыс. т.
По мнению японских специалистов, в XXI в. МГД-движитель получит признание на водном транспорте (http://www.submarina.ru).
3.2.4. Суда на воздушной подушке
В отличие от обычных судов и колесного транспорта суда на воздушной подушке (СВП) не имеют физического контакта с поверхностью, над которой движутся, а в отличие от летательных аппаратов они не могут подняться над этой поверхностью на высоту, превышающую некоторую часть их горизонтального размера.
При заданных массе и скорости СВП требуется мощность в 3-4 раза больше, чем автомобилю; столько же они проигрывают и обычным судам. Однако для движения СВП требуется в 2-4 раза меньшая мощность, чем для полета самолетов или вертолетов.
СВП находят применение в тех случаях, когда не может быть эффективно использован обычный водный транспорт. Эти транспортные средства могут использоваться на мелководье, в засоренных и арктических водах, в условиях открытой местности.
Основные типы СВП: камерные, соплощелевые и многорядные сопловые. Во всех схемах между аппаратом и опорной поверхностью с помощью мощных турбореактивных двигателей и высоконапорных вентиляторов создается воздушная подушка. В простейшей из схем, камерной, под куполообразное днище (в успокоительную камеру) установленный по центру вентилятор подает воздух.
Основными проблемами СВП, которые нужно решить, являются: уменьшение мощности, затрачиваемой на висение, улучшение соотношения между высотой висения и размерами судна, совершенствование управления при движении (Злобин, Симонов, 1971).
4. Заключение
В ходе развития и совершенствования ДУ были предложены и испытаны различные конструкции и материалы. По мере накопления опыта технической эксплуатации ДУ появлялись новые и более эффективные технические решения.
В настоящее время работы по усовершенствованию ДУ продолжаются, хотя и не так интенсивно, как это было в прошлом веке. Тем не менее, используя последние достижения науки и современные производственные технологии, возможно создание новых высокоэффективных и надежных ДУ.
Литература
Compac Stern Bearings. Canada. "THORDON". 4 p. (Advertising booklet)
Environmental Awareness Lubricants. USA. "MOBIL". 10 p. (Advertising booklet)
Feroform Marine Bearings. Singapore. "TEHMAT". 8 p. (Advertising booklet)
Orkot "TLM Marine". Holland. "MAPROM". 4 p. (Advertising booklet)
Shaft Seals and Bearings systems. Holland. "IHC LAGERSMIT". 4 p. (Advertising booklet)
Thordon composite Marine Bearings. Canada. "THORDON". 4 p. (Advertising booklet)
Архангельский Б.А., Кулапин A.B. Судовые подшипники из неметаллических материалов. Л., Судостроение, 264 е., 1969.
Балацкий Л.Т., Бегагоен Т.Н. Дейдвудные устройства морских судов. М., Транспорт, 192 е., 1980.
Балацкий Л.Т., Бегагоен Т.Н. Эксплуатация и ремонт дейдвудных устройств морских судов. М., Транспорт, 160 е., 1975.
Белаковский Я.И., Бузков В.А., Карцев Ю.М. Опыт применения полиамидов в опорах малых гребных валов. Пластические массы, № 7, с.62-64, 1962.
Белаковский Я.И., Бузков В.А., Муравьев В.И. Применение полиамидов в опорах судовых гребных валов. Морской флот, № 6, с.31-32, 1965.
Белаковский Я.И., Старосельский A.A. Дейдвудные подшипники. М., Морской транспорт, 103 е., 1955.
Березний В.В., Григорьев А.К. Дейдвудные устройства судов. Опыт эксплуатации, современные конструкции, исследования: Учеб. пособие. Мурманск, МГАРФ, ч.1, 149 е., 1997.
Бузков В.А. Исследования антифрикционных свойств пластмасс в режимах опор судовых гребных валов. Доклады АН УССР. Киев, № 7, с.901-905, 1962.
Бузков В.А. К вопросу о разработке методики исследования физико-механических и антифрикционных свойств полиамидов. Материалы 1 республиканской научно-технической конференции по вопросам применения пластических масс в машиностроении и приборостроении. В кн.: Пластмассы в машиностроении и приборостроении. Киев, Гос. изд-во технической литературы, с.237-244, 1961.
Бузков В.А., Холост А.Е., Молодецкий Э.П. Из опыта эксплуатации капронографитовых дейдвудных подшипников. Морской флот, № 6, с.32, 1967.
Злобин Г.П., Симонов Ю.А. Суда на воздушной подушке. Л., Транспорт, 285 е., 1971.
Компоненты валопроводов. Германия. "БЛОМ + ФОСС АО". 36 с. (рекламный буклет)
Куликов C.B., Храмкин М.Ф. Водометные движители. Л., Транспорт, 346 е., 1970.
Лубенко В.Н., Лавринов А.Б., Федоров И.П. Причины интенсивного износа капролоновых дейдвудных подшипников. Рыбное хозяйство, № 1, с.39-41, 1982.
Новые технологии, оборудование, материалы, смазочная жидкость "Акванол-99". Судостроение, № 2-3, с.45, 1995.
Обобщение опыта технической эксплуатации дейдвудных устройств атомных ледоколов за 1997-2000 гг. Отчет МЛ ЦНИИМФ; Руководитель Григорьев А.К. Мурманск, 49 е., 2001.
Обобщение опыта технической эксплуатации дейдвудных устройств атомного ледокола "Ямал" за 19992002 гг. Отчет МЛ ЦНИИМФ; Руководитель Григорьев А.К. Мурманск, 24 е., 2002.
Полимерный материал для дейдвудных подшипников мощных ледоколов. Морской транспорт. Сер. "Судоремонт". Зарубежная информация. М., В/О "Мортехинформреклама", вып.13(562), с.24-26, 1986.
Разработка технических решений по дейдвудным устройствам ледоколов и ледокольно-транспортных судов. Отчет МЛ ЦНИИМФ; Руководитель Григорьев А.К. Мурманск, 37 е., 1989.
Результаты стендовых испытаний кормового дейдвудного подшипника с планками из материала Thordon XL. Отчет МЛ ЦНИИМФ; Руководитель Григорьев А.К. Мурманск, 37 е., 1996.
Результаты стендовых испытаний пар трения керамика+ФУТ-СТЭТ и керамика+капролон В. Отчет МЛ ЦНИИМФ; Руководитель Григорьев А.К. Мурманск, 51 е., 2003.
Рубин М.Б., Бахарева В.Е. Подшипники в судовой технике. Л., Судостроение, 342 е., 1987.
Стальниченко О.И., Бузков В.А., Пилявец Ю.С. Дейдвудные устройства. Конструкции и материалы. Морской транспорт. Сер. "Техническая эксплуатация флота". Экспресс-информация. М., В/О "Мортехинформреклама", ч.1, вып.16(860)-18(862), 51 е., 1996.
Стальниченко О.И., Бузков В.А., Пилявец Ю.С. Дейдвудные устройства. Смазка и охлаждение. Морской транспорт. Сер. "Техническая эксплуатация флота". Экспресс-информация. М., В/О "Мортехинформреклама", ч.2, вып.3(865)-4(866), 54 е., 1997.
Старосельский A.A., Белаковский Я.И. Подшипники судовых валопроводов. М., Морской транспорт, 136 е., 1959.
Тордон - материал для судовых подшипников скольжения. Морской транспорт. Сер. "Судоремонт". Зарубежная информация. М., В/О "Мортехинформреклама", ч.1, вып.19(548), с.24-26, 1985.
Шапиро Л.С. Сердце корабля. Л., Судостроение, 144 е., 1990.
