ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

Эксплуатация гребных винтов охватывает большое числе сложных проблем. Рассмотрим отдельные из них.

В период эксплуатации изменяется состояние обшивки кор­пуса и лопастей гребного винта. Возрастает вязкостное сопро­тивление, одновременно повышается коэффициент попутного потока, что несколько компенсирует потери на трение. Увели­чение сопротивления и коэффициента попутного потока обус­ловливает возрастание коэффициента нагрузки по упору

и, как следствие, снижение КПД винта (см. рис. 3.7).

В эксплуатации КПД винта снижается вследствие одновре­менного увеличения шероховатости лопастей. Лопасти гребного винта, отполированные при изготовлении, в соответ­ствии с требованиями ГОСТ 8054—72, до V7-V6, т. е. до зна­чений R_А = 0,8ч-2,5 мкм, в процессе эксплуатации изменяют со­стояние поверхности до /?„ = 80-=-500 мкм; в отдельных случаях макрошероховатость поверхности достигает вследствие корро­зии, эрозии и обрастания нескольких миллиметров. В период достройки судна на лопастях появляется налет карбонатов маг­ния или кальция, что повышает шероховатость лопастей па 100—200 мкм.

Из теории крыла известно (§ 22), что вследствие увеличе­ния шероховатости возрастает профильное сопротивление С_х, падает подъемная сила профилей лопасти С_у, возрастает ко­эффициент обратного качества е. Ввиду того, что шерохова­тость лопастей влияет главным образом на изменение С_х, ко­эффициент обратного качества е растет существенно быстрее, чем падает С_у. Соответственно из формул (3.59) и (3.60) видно, что это приводит к увеличению коэффициента момента К₁_ и па­дению коэффициента упора К₂, т. е. к существенному снижению КПД винта Г|_Р. Шероховатость лопастей даже бронзового греб­ного винта, при первоначальной после достройки судна на плаву величине Rа = 204-40 мкм, может возрасти до Rа= 300-400 мкм, что приведет к снижению КПД винта на 10—15%.

Такие изменения шероховатости винта «утяжеляют» вин­товую характеристику. Увеличение силы профильного сопро­тивления лопастей dX вследствие возрастания шероховатости повышает момент гребного винта М_р (см. рис. 3.25), т. е. еще более, «утяжеляет» винтовую характеристику. С изменением гидродинамических характеристик гребного винта К₁, К₂ и его относительной поступи Х_Р изменяются частота вращения греб­ного винта и режим работы двигателя, т. е. вступает в дей­ствие сложный механизм взаимодействия характеристик ком­плекса корпус — двигатель — гребной винт. Схема влияния шероховатости корпуса и лопастей гребных винтов на пропуль-сивные характеристики судна представлена на рис. 3.53. В ко­нечном счете это влияние приводит к потере скорости судна, снижению мощности главных двигателей, увеличению расхода топлива.

Отсюда ясна необходимость тщательной очистки обшивки корпуса и лопастей гребных винтов при очередных докова-ниях. Если суда эксплуатируются в тропических и южных мо­рях, рекомендуется очистка переменного пояса корпуса, а луч­ше— всей его подводной поверхности; очистка и шлифовка лопастей гребных винтов обязательны, если обнаружено сниже­ние, скорости в пределах 4—5% от спецификациопной.

При покраске корпуса судна в доке необходимо следить, чтобы брызги краски не попадали на лопасти винта, так как они играют роль катода по отношению к не защищенной крас­кой поверхности и ускоряют процесс коррозии. Из этих же со­ображений не рекомендуется красить гребные винты, незави­симо от материала, из которого они изготовлены.

Сохранение состояния поверхности лопастей, предотвраще­ние коррозионного разрушения материалов, повышение корро-зионно-усталостной прочности зависят от эффективности уста­новленной на судне протекторной или электрохимической защиты. Для обеспечения лучшего эффекта магниевые и цинко­вые протекторы необходимо устанавливать не только в кормо­вом подзоре, но и непосредственно на ступицу или обтекатель гребного винта. Особенно эффективна в борьбе с коррозион­ным фактором постоянно работающая катодная защита.

Гидродинамически «тяжелые» гребные винты, шаговое от­ношение которых завышено при проектировании или оказалось больше необходимого вследствие старения корпуса, должны быть приведены в соответствие корпусу и главному двигателю. По данным анализа теплотехнических испытаний и рейсовых отчетов, необходимо установить сначала степень «утяжеления» гребного винта, т. е. определить процент частоты вращения, не развиваемой двигателем по сравнению с расчетным значением п при правильной регулировке двигателя и его нормальном техническом состоянии, при спецификациопной посадке судна, чистом свежеокрашенном корпусе и заданных метеорологиче-

ских условиях. Степень увеличения шагового отношения можно затем оценить по винтовым диаграммам, используя в качестве исходных данных результаты анализа теплотехнических испы­таний и материалов эксплуатации.

В эксплуатации для проверки результатов часто используют апробированное эмпирическое правило, согласно которому 1% снижения спецификационной частоты вращения при «тяжелом» гребном винте соответствует увеличению шага гребного винта приблизительно на 1,25%.

У сборных гребных винтов с эллиптическими отверстиями во фланцах во время очередного докования разворачивают лопа­сти и уменьшают шаг на величину ΔН, соответствующую уста­новленному недобору по частоте вращения Δn.

Уменьшить шаг «тяжелого» цельнолитого гребного винта невозможно. Для его «облегчения» используется сформулиро­ванное Э. Э. Папмелем эмпирическое правило о том, что для гребных винтов действует соотношение

H + D = const. (3.132)

Для гребных винтов транспортных судов зависимость (3.132) справедлива в пределах 5—10% суммы H + D. Следова­тельно, для гидродинамического «облегчения» гребного винта можно уменьшить его по диаметру на величину избытка шага. Учитывая, что зависимость (3.132) справедлива только при со­хранении геометрического подобия, а при уменьшении диа­метра возрастает дисковое отношение, обрезку лопастей необ­ходимо произвести на величину 4/3 ΔН. При этом кромка обре­занного по диаметру гребного винта во избежание кавитацион-ной эрозии должна быть утонена до толщины кромки необрезан-ного винта (рис. 3.54, а). Уменьшение диаметра гребного винта обрезкой «облегчит» его, приведет в необходимое соответствие с двигателем, однако КПД такого винта будет ниже опти­мального:

где ƞ_р—КПД обрезанного гребного винта; ΔК₁ и ΔK₂ — по­правки к коэффициентам упора К₁ и момента К2 необрезан-пого гребного винта.

При обрезке на каждые 0,05 R приращения равны: ΔK₁=0,025, ΔK₂ = 0,007.

Гидродинамически «тяжелые» гребные винты из цветных сплавов могут быть «облегчены» подрубкой выходящей кромки лопасти, обеспечивающей уменьшение гидродинамического шага (рис. 3.54, б).

«Утяжеление» гидродинамически «легких» цельнолитых гребных винтов — значительно более сложная и трудоемкая операция. При наличии в лопа запасов на кавитацию такое «утяжеление» может быть прои; ведено подрубкой лопастных сечений с приданием вогнутост нагнетательной поверхности или подрубкой входящей кромк с увеличением шаговых углов сечений (рис. 3.54, виг).

При конструировании гребных винтов и в эксплуатации не обходимо уделять большое внимание надежности соединени: гребного винта с валом.

В большинстве случаев соединение гребного винта с ьглo^ является конусным шпоночным (см. рис. 3.8). Конусное соеди нение передает крутящий момент и воспринимает упор

переднего хода воспринимается ко­нусной частью вала 7, а упор заднего хода - концевой гайкой 10 навинченной на резьбу цилиндрической части вала называемой хвостиком 8.Шпонка 5является страховочным элементом от проворачиваемой ступицы винта на валу. Под конус­ностью соединения понимается

где D — большой диаметр конуса (см. рис. 3.8); d — малый диаметр конуса; L — длина конуса; a — угол конуса, измеряе­мый между двумя образующими конуса.

По Правилам Регистра СССР конусность должна быть не более 1 : 12, в эксплуатации могут встречаться величины 1 : 10, 1 : 12, 1 : 15. Все они обеспечивают условия самоторможения, т. е. удвоенный коэффициент трения превышает конусность 2t_K>k..

Гребной винт монтируется на конус вала с натягом, при этом осевое перемещение составляет 5—15 мм. Конусное отвер­стие в ступице пригоняют к валу по калибру или непосредст­венно по валу на краску с точностью три пятна на площадь 25X25 мм.

Ступица в носовой и кормовой частях имеет гидроуплотне­ния 6 и 9. Шпоночные соединения имеют ряд существенных не­достатков: трудоемка пригонка шпонки по пазу, шпоночный паз является источником концентрации местных напряжений и по­явления усталостных трещин, соединение склонно к разбалты­ванию. В последние годы получило широкое распространение бесшпоночное гидропрессовое соединение винта с валом, для которого конусность обычно принимается равной 1—30, а ве­личина натяга — (1-1, 2) 10^-3d_ср, где d_cp— средний диаметр конуса вала. Бесшпоночные соединения не требуют взаимной пригонки шпоночного паза и шпонок, чистовая обработка со­единения заканчивается точением по 3-му классу точности V6 без шабровки на краску.

При монтаже гребного винта в эксплуатации необходимо обеспечивать контроль за натягом и гидроизоляцией ступицы. Попадание воды через уплотнение на поверхность вала может привести к коррозионно-усталостному разрушению вала в рай­оне конусного перехода или шпоночного паза.

Недостаточный натяг приводит к фретинг-коррозии либо к фретинг-износу. Фретингом называется явление повторяю­щихся малых по величине относительных тангенциальных мик­росмещений сопряженных деталей в номинально неподвижном соединении гребной винт — конус вала. Следствиями фретинга могут быть локальное сваривание и даже схватывание мате­риалов ступицы и вала, усталостные трещины, вырывы на валу и т. д.

Чрезмерный натяг также недопустим, так как он снижает усталостные свойства материала винта и вала и создает высо­кие кромочные напряжения в ступице и вале. Величина натяга винта на вал должна определяться расчетом и обязательно контролироваться при монтаже. Контроль осуществляется ди­намометрическим ключом при затяжке концевой гайки либо индикатором при использовании гидромонтажа.

Монтаж и демонтаж гребного винта на вал категорически запрещается производить с подогревом ступицы открытым пламенем. Подогрев разрешается только паром температурой 80—100° С с помощью наружных паровых грелок. Наиболее ча­сто монтаж и демонтаж гребных винтов производятся с приме­нением механических съемников для малых гребных винтов и гидросъема и гидромонтажа для винтов всех размеров. Гребные винты малых и средних размеров монтируют с помощью кон­цевой гайки. Гидромонтаж и демонтаж осуществляют прессо­вым способом с помощью гидродомкрата и насосов высокого давления. Масло гидронасосами подается через специальные сверления в ступицу гребного винта под расчетным давлением, обеспечивающим пластическую деформацию материала сту­пицы. Гидродомкратом винт устанавливается на вал с натягом, контролируемым индикатором. Гидродемонтаж осуществляется аналогичным образом: масло под давлением подается до устра­нения натяга и образования зазора, после чего гребной винт даже без осевых усилий соскальзывает по масляной пленке с конуса.

Схема гидропрессовой посадки представлена па рис. 3.55.

Гидромонтаж и гидросъем могут быть осуществлены с по­мощью специальных устройств тина гайки Пилгрим, гайки Вы-сокородова и других конструк­ций.

У сборных гребных винтов ненадежным узлом является фланцевое шпилечное соедине­ние. При замене лопастей в экс­плуатации необходимо обеспечи­вать контролируемый затяг гаек и следить за надежностью сто­поров гаек (см. рис. 3.16). Торец фланца лопастей должен при­гоняться к торцу ступицы шаб­ровкой на краску. Застопоренные гайки и их гнезда заливают це­ментом. Недостаточная или чрез­мерная затяжка гаек может при­вести к обрыву шпилек, откры­тию стыка фланца и к потере лопасти, чрезмерная затяжка — к дополнительным остаточным напряжениям и в конечном счете к обрыву шпильки.

Гребные винты подвергаются в эксплуатации износу и раз­рушениям. Износ лопастей приводит к повышению их шерохо­ватости и к «утяжелению» винтовых характеристик.

Погибь или поломка хотя бы незначительной части лопасти вызывает статическую и гидродинамическую неуравновешен­ность гребного винта, следствием чего являются разрушение дейдвудного подшипника и вибрация корпуса судна (см. § 32). Поломка лопастей у корпя приводит к отказу энергетической установки и к необходимости буксировать судно в порт-убе­жище.

В эксплуатации наблюдаются также разрушения поверхно­сти лопастей, обусловленные технологическими дефектами (не­металлические включения, усадочные раковины и т. д.); тре­щины в лопастях и в ступице; загибы лопастей (после удара последних о лед, плавающие предметы и т. д.).

Наиболее часто встречаются коррозионно-эрозионные раз­рушения поверхности лопастей, причины которых были рассмот­рены выше. С ростом размеров судов участились аварийные разрушения лопастей в море, обусловленные коррозионно-уста-лостными факторами. Основными причинами этих разрушений являются либо недостаточный запас коррозионно-усталостной прочности, либо склонность материалов к коррозионному рас­трескиванию. Последнее может иметь место, если завод-изгото­витель или судоремонтное предприятие не произвели термиче­ской обработки гребного винта, не сняли тем самым внутрен-

Рис. 3.56. Излом лопасти гребного винта Зона 1 — мелкозернистая структура; зона 2 — грубокриста лическая структура.

них напряжений, выполнив ремонтные работы, связанные с на­гревом ступицы или лопастей. Коррознонно-усталостный излом лопасти всегда имеет две характерные зоны. Одна из них мел­кокристаллическая, в которой имело'место постепенное разви­тие трещины, другая (меньшая по протяженности и площади) — крупнокристаллическая с характерным изломом, который явля­ется следствием быстрого разрушения лопасти. Это разрушение происходит из-за уменьшения момента сопротивления сечения н соответственно повышения напряжений в нем выше предель­ной величины (рис. 3.56).

Ремонт гребных винтов является одним из важных элемен­тов их эксплуатации и производится под наблюдением Регистра СССР, правила которого определяют требования к материалам, устанавливают нормы прочности лопастей, минимальные раз­меры шпилек, крепящих съемные лопасти. В правилах содер­жатся также требования к гидроизоляции вала.Ниже приводятся основные принципы, которые необходимо соблюдать при производстве ремонтных работ.

Объем, технология и методы проведения ремонта зависят от материала, из которого изготовлен гребной винт, вида и разме­ров дефектов.

Мелкие очаги коррозии, неглубокие эрозионные язвы, от­дельно разбросанные по лопасти, заваривать не следует, их нужно зачистить абразивом, закруглив кромки.

В холодном состоянии допускается только правка кромок лопастей (из всех материалов) толщиной до 20 мм с углом за­гиба до 20°. Во избежание кавитационной эрозии необходимо исправлять самые незначительные загибы лопастей. Остальная правка производится только в горячем состоянии для гребных винтов:

из латуни ЛМиЖ55-3-1 при / = 5004-800° С с последую­щей термообработкой;

из никель-алюминиевых бронз (БрАЖН9-4-4)—при t = = 700-900°;

— из марганцовисто-алюминиевых бронз («Нева-60», «Нева-70», «Суперстон-70», «Новостон») при / = 700-850° С с последующей термообработкой;

из нержавеющей стали 1Х14НДЛ при / = 600-700° С без конечной термообработки и при / = 750-850° С с последующим отпуском;

из углеродистой стали марки 25Л при / = 700-850° С без термообработки.

Нагрев рекомендуется производить индукционными элект­ронагревателями или на коксовом горне, термоизолировав всю ненагреваемую часть лопасти асбестовым одеялом. При правке контактными термопарами контролируется температура нагрева с тем, чтобы в процессе правки она не упала ниже указанных значений.

Трещины и другие крупные дефекты исправляют сваркой, причем объем ремонта зависит от их месторасположения.

Лопасти гребных винтов из цветных сплавов решением МАКО и в соответствии с отечественными нормативными доку­ментами разбиты на три зоны (рис. 3.57).

В зоне А исправление дефектов сваркой не допускается.

В зоне В допускается исправление дефектов сваркой, если общая площадь дефектов на нагнетательной стороне в этой зоне не превышает 2% площади нагнетательной стороны, а на засасывающей — 4% се площади.

В зоне С исправлению сваркой допускаются дефекты, зани­мающие до 8% площади каждой стороны.

В виде исключения в эксплуатации, но не в изготовлении, может быть разрешена в зоне А заварка дефектов после спе­циального индивидуального одобрения Регистром СССР объема и методов исправления дефектов.

Разделка под сварку производится механическим способом, .'•аварка — электродуговой или аргонодуговой сваркой с при­менением для каждого материала специальных электродов и присадок.

Перед началом сварки производится предварительный на­грев: для гребных винтов из латуни и марганцовисто-алюми-нпевой бронзы — до 150—300° С, для бронз АЖН9-4-4 и «ника-лмум» — не выше 200°.

Глубокие коррозионные и эрозионные разрушения выру­бают до чистого металла и заваривают. К лопастям могут быть

Рис. 3.57. Зоны ремонта гребных винтов из цветных сплавов: а -нагнетательная сторона; б — засасывающая сторона / — входящая кромка; 2 — выходящая кромка

приварены недостающие (обломанные) части лопастей. Спе­циально отлитые привариваемые части разделывают под сварку н крепят к лопасти струбцинами и гребенками, после чего при­варивают.

Гребные винты из цветных сплавов после сварки, наплавки, приварки части лопасти, местного нагрева для правки и сварки открытым пламенем в целях снятия остаточных растягиваю­щих напряжений подвергают термической обработке.

Термообработка может быть местной и общей и заключается г> отжиге при температурах:

для латуни ЛМцЖ55-3-1 / = 3504-400° С,

для бронз «Нева-60» и «Нева-70» / = 500-550° С,

для бронз «Суперстон-70» и «Новостон» /=475-525° С.

Нагрев производится со скоростью не более 150° в час.

Выдержка зависит от размеров винта, в частности, для греб­ных винтов диаметром от 2,5 до 4,5 м она составляет 4 ч, если D = 4,54-7 м — 6 ч, D>7 м— 8 ч. Охлаждение минус 50° в час.

По данным зарубежной практики, для гребных винтов из никель-алюминиевых бронз термообработка не производится. По отечественным нормативным материалам, для БрАЖН9-4-4 проводится отжиг до / = 500-^550° С.

Гребные винты из нержавеющей стали 1Х14НДЛ после при­менения сварки подвергаются термообработке в виде нагрева до / = 650° С, выдержки при этой температуре в течение 6 ч и охлаждения на воздухе.

Трещины и другие дефекты на гребных винтах из цветных сплавов выявляются визуалыю-онтическим контролем и мето­дами цветной и люминесцентной дефектоскопии, на гребных винтах из нержавеющей стали 1Х14НДЛ— визуально-оптиче­ским осмотром и применением магнитной и ультразвуковой де­фектоскопии.

В процессе эксплуатации иногда возникает необходимость произвести временный ремонт гребного винта. В частности, это может потребоваться при обнаружении трещин или других опасных для эксплуатации дефектов в заграничном порту или в условиях, когда невозможно произвести надлежащий ремонт.

Выявленные трещины должны быть тщательно обследованы для оценки вероятности дальнейшего их распространения по длине. Это может быть сделано визуально с применением лупы 7—10-кратного увеличения или, если это возможно, с помощью цветной дефектоскопии. С помощью контрольных отверстий оп­ределяют глубину распространения трещины.

При глубине трещин, не превышающей 2,0% толщины ло­пасти, их удаляют шлифовкой. Более глубокие трещины засвер-ливают по концам на глубину, превышающую на 5 мм глубину трещины. Сквозные трещины по их концам засверливают наск­возь. Радиус сверления должен превышать па 5—10 мм ширину трещины. Сверления глушат гужонами, а их края зачскапивают. Частота вращения (в об/мин) гребного винта после такого вре­менного ремонта до проведения его на ремонтной базе должна быть уменьшена до значения

где n₁—сниженная частота вращения, об/мин; п — номиналь­ная частота вращения до ремонта; /l— длина трещины, мм; b — ширина лопастного сечения в месте расположения трещины, мм.

Коэффициент k = 0J — для зоны Л в районе входящих кро­мок (рис. 3.57); k=0,8 — для выходящих кромок зоны А и вхо­дящих зоны В; k = 0,9 — для входящих кромок зоны В; k=1

для выходящих кромок зоны В и всей зоны С.

После восстановления гребного винта на судоремонтном за­воде должна быть проверена геометрия лопастей с разметкой их шагомером. Особое внимание при этом необходимо обратить па размошаговость, т. е. на различие в шаге противоположных лопастей. Разношаговость лопастей не должна превосходить по абсолютной величине 1 —1,25%. После ремонта гребной винт не допускается устанавливать на вал судна без проведения контрольной статической балансировки.