Комплексное проектирование валопровода, расположение главного двигателя и определение размеров МКО

Проектирование валопровода осуществляется в такой последовательности:

• с использованием формул Регистра РФ по заданным характеристикам двигателя – по его эффективной мощности и частоте определяются прочные размеры валопровода. Формулы учитывают лишь одну из нагрузок, действующих на валопровод, – передавае­мый крутящий момент, поэтому результаты нуждаются в проверке;
• производится конструирование валопровода – по найденным размерам разраба­тывается конструкция, размещаются опоры, строится расчетная схема для проверки прочности методами сопротивления материалов;
• выполняется расчет прочности валопровода как статически неопреде­лимой балки с нахождением реакций опор, сложного напряженного состояния в расчетном сечении на кормовой опоре с учетом амплитуд­ных значений пульсирующих нагрузок от работы винта в косом потоке за корпусом судна. Коэффициенты запаса прочности должны лежать в заданных пределах – они ограничены как снизу, так и сверху;
• рассчитываются колебания валопровода. Если низшие тона колебаний консоли гребного вала и пролета наибольшей длины значительно (более чем на 20%) превосходят частоты возмущающих сил – лопастной частоты zлnв и частоты двигателя zцnв, то на этом анализ колебаний заканчивается – резонанса не будет. В противоположном случае расчеты продолжают путем уточненного анализа собственных частот, оценок резонанс­ных напряжений и установления запретных зон оборотов. Последнее крайне нежела­тельно;
• проектируется монтаж валопровода с целью оптимизации нагрузок на опоры за счет их вертикального перемещения.

Проектирование валопроводов в САПР эскизного проектирования СЭУ преследует такие цели: снижение затрат ручного труда при проведении вариантных проработок (только в процессе выбора типоразмеров главных двигателей производится многократное проектирование валопроводов для разных типоразмеров двигателей с разными мощ­ностями и частотами). При этом неоднократно решаются системы линейных уравнений статической прочности. Алгоритмы анализа колебаний и оптимизации нагрузок на опоры также предпола­гают решение систем уравнений и проведение итерационных процессов.

Комплекс (пакет) программ WALOPROWOD включает три базовых модуля: WAL_RAZM, WALOPR, KOEFF. Определение прочных размеров валопровода по формулам Регистра, конструирование валопровода и проработка расположения конкретного двигателя в МКО производятся с помощью базового модуля WAL_RAZM. Этот модуль может работать автономно или в сочетании с рассмотренными ранее модулями выбора двигателя. В последнем случае исходные данные в модуль WAL_RAZM передаются автоматически. Для автономного применения модуля WAL_RAZM следует подготовить данные в соответствии с табл.4.10.

Таблица 4.10 Исходные данные для программного модуля WAL_ RAZM

В табл.4.10 заданы следующие переменные, оказывающие влияние на характеристики валопровода:

• NEL – эффективная мощность двигателя на режиме спецификационной МДМ, кВт;
• NL – частота на режиме спецификационной МДМ, об/мин;
• P – упор винта на режиме испытания судна на скорость, кН;
• LAP – длина ахтерпика, м. Если эта длина неизвестна, то можно задать LAP равной длине судна LSU, в этом случае будет применена аппроксимирующая зависимость длины ахтерпика в функции длины судна;
• LGD – длина главного двигателя, м;
• DW – диаметр винта, м;
• TETA – дисковое отношение винта;
• BGR – предел длительной прочности материала гребного вала, МПа;
• BPR – то же для материала промежуточного вала, МПа;
• BBOL – то же для материала соединительных болтов, МПа;
• LU – код класса ледового усиления. Предусмотрены следующие 8 значений LU: 0 – без ледовых усилений, 1 – Л3, 2 – Л2, 3 – Л1,4 – УЛ, 5 – УЛА, 6 – средний вал ледокола, 7 – бортовой вал ледокола;
• SMD – код смазки дейдвуда: 1 – масло, 2 – вода;
• JW – наличие шпонки гребного вала: 1 – есть, 2 – нет;
• ZB – число болтов фланца промежуточного вала;
• TKS – код турбокомпаундной системы: 0 – нет, 1 – есть и работает на винт, 2 – есть и работает на дизель-генератор;
• TWG – код наличия валогенератора: 0 – нет, 1 – есть;

SXW – код схемы валопровода, численно равный числу опор в дейдвудной трубе. Если это число неизвестно проектировщику, то следует задать SXW = 0, в этом случае будет проанализирована возможность размещения в дейдвудной трубе одной или двух опор и решение будет принято программой. Кстати, этот анализ распростра­няется и на задание проектировщика (1 или 2). Если последнее ошибочно, то оно корректируется.

В табл.4.11 приведены результаты работы модуля WAL_RAZM с числами из табл.4.10.

Таблица 4.11 Результаты работы модуля WAL_RAZM

Результаты, приведенные в табл.4.11, позволяют разработать эскиз размещения валопровода и двигателя в МКО (см. рис.4.1), что в первом приближении дает возможность оценить длину МКО, приведенную в п.27 табл.4.11. Ориентировочность этого варианта расположения состоит в том, что принята схема демонтажа валопровода внутрь корпуса судна и МКО расположено в корме. Кроме этого не учтено влияние на длину МКО расположения прочих элементов СЭУ.

В случае расположения МКО не в корме, а также при выемке валопровода наружу размеры МКО и длины валов, приведенные в табл.4.11, нужно уточнить в резуль­тате проработки расположения двигателя в конкретных условиях и с учетом обводов корпуса в кормовой оконечности. Этот вопрос рассмотрен в гл.5 при анализе располо­жения оборудования СЭУ в МКО. При изменении размеров МКО и расположения в нем главного двигателя расчет валопровода также должен быть уточнен.

Модуль WAL_RAZM передает результаты в файл WALOPR.DAT, подготавливая работу модуля WALOPR, предназначенного для расчета реакций опор валопровода, сложного напряженного состояния в расчетном сечении на кормовой опоре и низших гармоник собственных частот колебаний консоли гребного вала и пролета наибольшей длины. Модуль WALOPR может работать автономно, для этого следует подготовить данные в форме табл.4.12.

Таблица 4.12 Исходные данные для расчета прочности валопровода

Содержание табл.4.12 описано в пособии [15]. В первой строке приведены чис­ленные значения: массы гребного винта, кг; длины консоли гребного вала, м; плотности материала валов, кг/м3; числа опор валопровода (целочисленная переменная); частоты вращения валопровода на расчетном режиме, об/мин. Следующие четыре строки (число пролетов на единицу меньше числа опор, которых здесь пять) содержат параметры пролетов валопровода, в том числе: 1-й столбец – наружные диаметры валов в пределах пролета, м; 2-й столбец – диаметры расточки валов, м; 3-й столбец – длины пролетов – расстояния между серединами опор пролета, м; 4-й – расстояние от левой опоры пролета до точки приложения сосредоточенной силы, м. Во избежание зависания алгоритма эта величина должна иметь положительное значение, не превосходящее длины пролета; 5-й столбец – величина сосредоточенной силы на пролете, кг. Сосредоточенная сила – это механизм изменения шага ВРШ или соединительная муфта. Сосредоточенная сила может отсутствовать, так как простое фланцевое соединение валов оказывает на прочность валопровода пренебрежимо малое влияние от своего незначительного веса.

Шестая строка содержит: упор винта, кН; эффективную мощность двигателя на режиме МДМ, кВт, и число лопастей винта (целочисленная переменная).

Последняя строка содержит модуль упругости, МПа; диаметр гребного винта, м; дисковое отношение винта и коэффициент податли­вости кормовой опоры гребного вала.

После просмотра и корректировки файла WALOPR.DAT (см. табл.4.12) возможно обращение к модели WALOPR.EXE для расчета прочности валопровода. Результаты работы этой модели с данными из табл.4.12 приведены в табл.4.13.

Таблица 4.13 Результаты работы модели WALOPR

Сначала выводятся опорные моменты M и реакции R валопровода. Далее приво­дится проверка точности расчета реакций путем сравнения их суммы с весом вало­провода и винта. В принципе эти величины должны совпадать. Напряжения БЭ определены в расчетном сечении на кормовой опоре по энергетической теории прочности.

В заключение выводятся данные о низших гармониках собственных частот кон­сольного участка и пролета наибольшей длины и частоты возмущающих сил – произведение числа лопастей винта на номинальную рабочую частоту. При приближении возмущающих частот к собственным или при их превышении система автоматизи­рованного проектирования предупреж­дает о возможности резонанса гребного вала и здесь же сообщается причина возможного резонанса – лопастная частота винта. Это только предположение о возможности резонанса, так как использована упрощенная методика расчета – без учета жесткости соседних пролетов.

Однако это неблагоприятный симптом и проблему так или иначе нужно решать. Наиболее последовательный метод решения – уточненный расчет колебаний [45], однако в данном частном случае возможно более простое решение – уменьшить число лопастей винта до четырех, что благоприятно, так как позволяет избежать совпадения числа лопастей винта и числа цилиндров двигателя, опасного по резонансу. В этом случае лопастная частота снизится до NL = 592 об/мин и резонанса не будет, так как NL < NSG с учетом требуемого 20% запаса. Однако резонанс по числу цилиндров двигателя останется: NGD = 740. Требуется уточнение собственных частот колебаний с исполь­зованием более достоверных моделей.