Особенности работы судового валопровода

Судовой валопровод на ходу судна подвержен действию сле­дующих сил и моментов, вызывающих сложные деформации и напряжения в поперечных сечениях валов и в соединительных элементах: /2/

-  крутящего момента,   передаваемого   двигателем   движи­телю;

-  упора, развиваемого гребным винтом;

-  собственного веса  валопровода,  веса деталей, насажен­ных на вал, веса гребного винта, погруженного в воду;

- сил инерции, создаваемых гидродинамической и механи­ческой неуравновешенностью гребного винта;

-  инерционных сил массы валопровода, возникающих при качке судна на волнении;

-  сил, вызываемых деформацией корпуса судна;

-  сил, возникающих из-за несоблюдения монтажных норм.

Кроме того, валопровод может подвергаться воздействию сил, возникающих, например, при ударе лопастей гребного винта о льдины или другие твердые тела.

Данные нагрузки можно разделить на три группы: основные, дополнительные и случайные. /10/

Основными нагрузками на валопровод являются собственная масса валопровода, массы насаженного на него гребного винта и других закрепленных на валах деталей; вращающий момент ГД, передаваемый гребному винту; реакция упора гребного винта, передаваемая валопроводом ГУП.

К дополнительным нагрузкам относятся усилия, возникающие следствие работы гребного винта в косом потоке и при качке судна; гидродинамической и механической неуравновешенности гребного винта; деформации корпуса судна; неточности монтажа валопровода.

К случайным нагрузкам относятся удары лопастей гребного винта о льдины или другие твердые тела.

Собственная масса валопровода, массы гребного винта и дру­гих закрепленных на валах деталей действуют в одном направле­нии и являются по отношению к вращающемуся валопроводу пе­ременной нагрузкой, вызывающей усталостные явления в мате­риале. Она изменяется по симметрично-переменному циклу с периодом T = 1/n, где n – частота вращения, об/с. /10/

Вращающий момент, развиваемый ГД, для каждого режима работы может носить постоянный характер (турбина, электро­двигатель)  или циклический – изменяющийся во времени (ДВС).

При работе гребного винта с равным шагом лопастей и по­стоянной частотой вращения в равномерном поле скоростей воз­никают гидродинамические силы. Они вызывают постоянный по величине упор, который совпадает по направлению с осью вра­щения винта, и постоянный момент относительно этой оси в пер­пендикулярной  к ней плоскости вращения.

В эксплуатации гребной винт, расположенный вблизи корпуса судна, работает в неравномерном потоке, что обусловливает пе­риодическое изменение гидродинамических сил, действующих на каждую лопасть. Теперь эти силы вызывают периодически изме­няющийся упор и вращающий момент. Направление упора уже не совпадает с осью вращения винта, а момент действует не в плоскости вращения винта. Таким образом, на гребной вал дей­ствуют кроме периодически изменяющегося вращающего момента и упора еще периодически изменяющиеся поперечные силы и мо­мент, изгибающие этот вал. Период изменения указанных нагру­зок равен T=1/n∙z, где z – число лопастей гребного винта. /10/

Гребные валы судов, валопроводы которых имеют углы уклона или сходимости, работают в косом потоке. В этом случае на них действуют поперечная сила и изгибающий момент, возрастающие с увеличением значения названных углов. При качке движуще­гося судна на волнении гребной винт работает в косом потоке, что вызывает знакопеременную поперечную силу и изгибающий момент. Эти нагрузки имеют место при неточности изготовления винта и лопастей, а также при плавании судна в балласте.

Плавание в балласте обусловливает неполное погружение гребного винта, в связи, с чем из-за разницы упора при полном и частичном погружении лопастей возникает дополнительный изги­бающий момент от смещения центра приложения упора, который зависит от степени погружения винта, его диаметра и формы ло­пастей. Поэтому даже на спокойной воде при входе лопасти в воду каждый раз возникает ударное напряжение, что нередко приводит к поломкам гребных винтов и валов, даже при снижении скорости судна (к концу 1948 г. были заменены гребные валы на 583 судах типа «Либерти» из 2580. Причем 100 валов внезапно разрушились в море и аварии сопровождались потерей гребного винта. Имею­щаяся информация по 93 судам позволила установить, что в 81 случае суда шли в балласте). /10/