И КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ВАЛОПРОВОДА.

При эксплуатации судов часто приходится сталкиваться свопросами общей и местной вибрации корпуса судна. Вибра­ция разрушает судовые конструкции, выводит из строя меха­низмы и приборы, а главное, вредно сказывается на самочувст­вии и работоспособности людей. Чрезмерная вибрация возникает при совпадении или близости частот свободных (собственных) колебаний корпуса или отдельных его конструкций и вынужден­ных колебаний, обусловленных возмущающими силами.

Источниками общей вибрации корпуса могут быть неурав­новешенные силы инерции поршневых двигателей, но при опре­деленных условиях главным источником вибрации являются гребные винты, работающие в неравномерном поле скоростей.

Впервые с явлением вибрации, обусловленной работой гребных винтов, столкнулись при строительстве лайнеров «Мав­ритания» и «Лузитания», оборудованных турбинами. При сдаче лайнера «Нормандия» в 1935 г., на котором работали достаточно уравновешенные турбогенераторы, в первом же рейсе была обнаружена чрезвычайно сильная вибрация с амп­литудой для кормовых палуб до 3 мм и продольными переме­щениями упорных подшипников до 1,5 мм. Запись вибрации показала, что ее частота равна произведению числа лопастей па частоту вращения, т. е. при трехлопастных винтах она была третьего порядка.

Рассмотрим основные явления, при которых гребной винт является источником вибрации.

Механическая неуравновешенность гребного винта.Гребной винт может оказаться статически или динамически неуравно­вешенным. Статическая неуравновешенность проявляется, если центр тяжести гребного винта не располагается на оси враще­ния. В этом случае возникает неуравновешенная центробежная сила, которая может привести к разрушению дейдвудного под­шипника. Если частота колебаний, вызванных этой силой, сов­падает или кратна собственной частоте колебаний корпуса или его кормовой оконечности, будет наблюдаться вибрация первого порядка. Во избежание этих явлений при изготовлении и после ремонта обязательно производят технологическую операцию по выявлению и устранению статической неуравновешенности гребных винтов. Проверяемый гребной винт собирают совме стно с балансировочным каленым валом, на котором винт кре­пят с помощью конических оправок. Гребной винт с валом уста­навливают на стенд для статической балансировки, который состоит из двух станин с укрепленными на них строго парал­лельными калеными призматическими «ножами» (рис. 3.58).

Если гребной винт статически неуравновешен, то одна из лопастей, обладающая большим радиусом инерции (более «тя­желая»), займет нижнее положение. Чтобы установить величину статической неуравновешенности, па противоположную лопасть

Рис. 3.58. Стенд для статической балансировки

на самом краю внешнего радиуса подвешивают груз, обычно струбцину. За рубежом допускается определенная величина статической неуравновешенности, которая не должна превы­шать F=0,01 G, где F — центробежная сила; G — вес гребного винта. Это условие можно выразить формулой, которая содер­жится в нормативах многих классификационных обществ и фирм:

где q — допускаемый дебаланс, кгс; G — вес винта, кгс; D — диаметр винта, м; п — частота вращения гребного винта, об/мин.

Если действительный уравновешивающий груз больше q, то необходимо с засасывающей стороны лопасти, располагающей наибольшим радиусом инерции, равномерно снять металл и вновь уравновесить гребной винт на стенде. Однако этот об­щепринятый метод был отвергнут Международным стандартом, так как он не учитывает степени чувствительности стенда.

По ГОСТ 8054—72 па поставку гребных винтов и по Прави­лам Регистра СССР исключается понятие уравновешивающего груза. Гребной винт балансируется до состояния безразличного положения. Затем проверяется степень соответствия «чувстви­тельности» данного балансировочного устройства гребному винту, т. е. соответствует ли ширина ножей стенда, их парал­лельность, твердость металла ножей и вала и другие элементы устройства массе и другим характеристикам балансируемого гребного винта. С этой целью на внешнюю кромку горизон­тально расположенной лопасти поочередно к каждой лопасти прикрепляется не уравновешивающий, а контрольный груз. Если полностью отбалансированный гребной винт под дейст­вием контрольного груза q стронется с места и начнет враще­ние, то устройство обладает необходимой чувствительностью. Если гребной винт не начнет вращение, необходимо повысить чувствительность устройства повторением операции баланси­ровки и вновь проверить чувствительность устройства.

Массу контрольного груза q по ГОСТ 8054—72 определяют по формуле

где G — масса винта, т; R — внешний радиус винта, м; К — коэффициент, принимаемый по табл. 3.6.

Таблица 3.6

Значения коэффициентов К

Динамическая неуравновешенность винта, при его статиче­ской уравновешенности, проявляется в том случае, когда ось вращения винта не является его главной осью инерции. Под главной осью инерции при этом понимается такая ось, для ко­торой центробежные моменты равны нулю, т. е. вращение во­круг которой не вызывает неуравновешенной пары сил.

Динамическая неуравновешенность может иметь место при длинной ступице или когда одна лопасть сдвинута относительно другой по длине ступицы.

Динамическая неуравновешенность может быть выявлена й устранена после проверки статической уравновешенности. Для гребных винтов с дисковым отношением более 0,8 проведение динамической балансировки обязательно.

Динамическая неуравновешенность обусловливает появле­ние общесудовой вибрации первого порядка с частотой, равной частоте вращения гребного винта.

• Гидродинамическая неуравновешенность.Полностью урав­новешенные гребные винты при статической и динамической ба­лансировке могут оказаться гидродинамически неуравновешен­ными.

Сила упора Р_л и момент сопротивления М_рп одной лопасти определяются интегрированием элементарных сил и моментов по длине лопасти:

Поэтому если все лопасти по своей геометрии одинаковы и винт работает в условиях свободной воды, то элементарные силы на всех радиусах не зависят от положения лопасти, силы упора каждой лопасти Р_л равны между собой, а сила упора винта Р = zР_л и приложена вдоль оси винта. Аналогичным об­разом равнодействующая всех тангенциальных сил на лопастях винта приводит к результирующему крутящему моменту винта Мр = zМ_рл. В этом случае механически уравновешенный греб­ной винт будет уравновешен и гидродинамически.

Если одна из лопастей винта отличается по величине шага или толщинами сечений от остальных, то такой гребной винт, даже полностью механически уравновешенный, будет неурав­новешен гидродинамически.

Вследствие отклонения шагового угла изменится угол атаки, а следовательно, и элементарные силы dP и dT. В результате Р._п и М_{р л} этой лопасти будут отличаться от значений упора и момента других лопастей, а сила упора всего винта Р_л = ԐР_Л (не равная P = zP_л) будет приложена вне оси гребного винта и создаст изгибающий момент, который будет восприниматься подшипниками валопровода.

При вращении винта возникают периодические изменяю­щиеся нагрузки с частотой первого порядка, т. е. механическая и гидродинамическая неуравновешенности вызывают вибрацию с частотой первого порядка.

Вибрация корпуса, обусловленная действием периодических сил, развиваемых винтом.При рассмотрении попутного потока было установлено, что скорость жидкости в диске винта по окружности крайне неравномерна, причем степень неравномер­ности определяется обводами корпуса, расположением высту­пающих частей, наклоном оси вала и т. д.

При работе винта в неравномерном по окружности поле скоростей гидродинамические силы на элементе лопасти перио­дически изменяются в течение одного ее оборота. Изменения же силы упора всего винта, вследствие повторяемости процесса при повороте винта на угол 2/z происходят с частотой, рав­ной произведению частоты сто вращения на число лопастей гребного винта.

Зона наиболее интенсивного попутного потока располагается вдоль ахтерштевня, и каждая лопасть, проходящая через эту зону, развивает упор больший, чем в каком-либо другом ее уг­ловом положении. Это приводит к пульсирующей нагрузке не только на упорный, но и на опорные подшипники, что вызывает вибрацию корпуса судна. Вследствие отличия величин сил и мо­ментов, действующих на различные лопасти в каждый момент времени, линия приложения равнодействующей сил не совпа­дает с осью винта, а главный момент действует в плоскости, не совпадающей с плоскостью диска винта. В результате, как уже отмечалось, кроме упора и момента сопротивления враще­нию на винте возникают поперечная сила в плоскости его вра­щения и момент, изгибающий вал в плоскости, нормальной к плоскости диска винта.

Таким образом, в неравномерном поле скоростей действуют пульсирующие упор Р, момент М_р, поперечная сила Р_из и мо­мент М_т, изгибающий вал. Все эти силы и моменты могут вы­звать вибрацию с частотой, равной гп. Исследования периоди­ческих сил, возникающих на гребных винтах при работе за корпусом судна, стали особенно актуальными вследствие воз­росшего числа разрушений гребных валов и винтов на отечест­венных и зарубежных крупнотоннажных судах.

Другой причиной вибрации корпуса могут служить гидро­динамические нагрузки на обшивку корпуса, возникающие вследствие конечности числа лопастей. При прохождении ло­пасти вблизи корпуса или выступающих частей появляются воз­мущающие силы, передающиеся на корпус. Появление этих сил объясняется тем, что при обтекании лопасти вокруг нее в жидко­сти создается поле скоростей и давлений, периодически умень­шающееся в случае изменения гидродинамических характери­стик лопасти в зависимости от ее положения относительно кор­пуса. Давления уменьшаются по мере удаления лопасти от обшивки корпуса или выступающих частей. Интеграл этих дав­лений по обшивке корпуса характеризует возмущающие силы, пульсирующие с частотой, равной числу лопастей, умноженному па частоту вращения гребного винта.

Уменьшение неравномерности поля скоростей и снижение периодических давлений на корпусе достигаются рациональным проектированием формы обводов и соблюдением минимально допустимых зазоров между корпусом судна и гребными вин­тами.

Уровень допустимых с точки зрения предотвращения повы­шенной вибрации зазоров устанавливается правилами ряда классификационных обществ на основе опыта эксплуатации су­дов. Средние значения зазоров (в долях диаметра винта, рис. 3.59) должны быть следующие:

для одновальных судов а= (0,1 -0,12)D; Ь> (0,15-0,18)D; C> (0,15-0,18)D; d>0,03D;

для двухвальных судов размеры а, b, с больше (0,15-0,18) D.

Желание проектантов судов уменьшить отдельные зазоры, особенно а, объясняется тем, что чем эти зазоры меньше, тем выше КПД гребного винта.

Влияние зазоров а и b на КПД винта приведено в табл. 3.7.

Гребной винт как возможный источник крутильных колеба­ний.Система валопровода, состоящая из коленчатого вала, про­межуточных валов, маховика и других масс, включая гребной винт, является упругой системой. Под влиянием возмущающих неравномерных моментов (моментов от сил инерции и тяжести движущихся масс в кривошипно-шатунных механизмах поршне­вых двигателей, моментов от сил давления газов в цилиндрах и переменной составляющей крутящего момента, создаваемого гребным винтом — см. § 26) возникают вынужденные колеба­ния валопровода.