СУДОСТРОЕНИЕ 3'2012
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕЙДВУДНЫХ УСТРОЙСТВ С ИМПЕЛЛЕРАМИ И НАСОСАМИ-ИМПЕЛЛЕРАМИ, УСТАНОВЛЕННЫМИ НА СТУПИЦАХ ВИНТОВ
А. К. Григорьев, тел. (812)2711219 (ЗАО «ЦНИИМФ»)
Импеллеры являются гидродинамическими уплотнениями, используемыми в разных типах механизмов. Величина утечки рабочей жидкости через осевые и радиальные зазоры импеллера в основном определяется его температурным режимом.
В технической литературе [1, 2, 3], посвященной экспериментальным исследованиям импеллеров различной конструкции, используемых в качестве динамических уплотнений в насосах и других механизмах, показано влияние торцевого и радиального зазоров на величину напора и потребляемую импеллером мощность, однако не рассматривается влияние расхода жидкости через эти зазоры на изменение указанных параметров.
Анализ опыта технической эксплуатации дейдвудных устройств (ДУ) ледоколов позволил определить основные пути совершенствования существующих конструкций ДУ [4]. Одно из наиболее простых технических решений — это установка импеллеров на торцы корня лопастей и ступицы гребных винтов.
В качестве защитных устройств от проникновения абразивных частиц в кормовой дейдвудный подшипник при открытой системе смазки ДУ импеллеры, устанавливаемые на ступицу винта, стали применяться в 80-х годах прошлого столетия. В то время в технической литературе отсутствовали сведения по их конструкции, техническим характеристикам, применению в судостроении по данному направлению, а также методики расчета.
С целью изучения гидродинамических процессов, протекающих в системе смазки ДУ, и их взаимосвязи с работой гребных винтов были проведены натурные испытания на атомном ледоколе «Ленин»1.
Испытания проводились в три этапа. На первом этапе испытывалась система охлаждения и смазки до установки насоса-импеллера на ступицу среднего винта. Первые испытания показали, что гидродинамические процессы, протекающие в дейдвудной трубе, носят сложный характер и зависят от таких факторов, как: площадь проходного сечения для воды в ДУ; величина гидравличес-
ких импульсов, возникающих при взаимодействии винта со льдом; расположение в кормовой части поперечной волны, возникающей при движении ледокола; количество работающих гребных винтов; глубина под килем ледокола; провалы давления в ДУ при реверсировании гребного винта.
Для замера давления воды, выходящей из-под защитного кожуха, измерительный трубопровод был установлен непосредственно у ступицы винта (рис. 1). Эта система измерения эффективно работала на чистой воде. При работе ледокола во льдах она была повреждена льдом и вышла из строя.
Испытания первого этапа показали, что свободная площадь прохождения для воды в подшипниках ДУ в несколько раз превышает площадь подводящего трубопровода, что ведет к резкому падению давления в дейдвудной трубе и в подшипниках ДУ. По результатам замеров, выполненных на стоянке ледокола, избыточное давление в кормовом подшипнике среднего ДУ при включении в работу одновременно трех прокачивающих насосов и избыточном давлении воды на входе в ДУ, равном 0,15 МПа (1,5 кгс/см2), превышало гидростатическое всего на 3 кПа (0,03 кгс/см2) . Этот факт свидетельствовал о том, что гидродинамический барьер для абразивных частиц при работе ледокола на мелководье практически отсутствует. Кормовой подшипник оказался незащищенным от проникновения абразивных частиц. Испытания на мелководье подтвердили это предположение.
Определенный интерес представляет взаимосвязь между изменением давления в ДУ и расходом воды через ДУ.
На графиках (рис. 2) видно, что при работе гребного винта на задний ход давление в кормовом дейдвудном подшипнике возрастает, а расход воды через ДУ уменьшается. Эти две кривые являются зеркальным отображением друг друга. Виден и провал давления ниже гидростатического при реверсировании гребного винта с заднего на передний ход.
Наиболее простым техническим решением, позволяющим значительно сократить
Обобщенные материалы по результатам этих испытаний в журнале «Судостроение» публикуются впервые.
СУДОСТРОЕНИЕ 3 2012 СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНА
Рис. 1
поступление абразивных частиц в кормовой подшипник, стала установка на ступицу винта насоса-импеллера.
Второй этап испытаний системы охлаждения и смазки, проводившийся после установки насоса-импеллера на ступицу винта среднего ДУ, подтвердил правильность принятого технического решения.
Осциллограммы, фиксирующие изменение давления в средней части кормового дейдвудного подшипника ледокола при выполнении реверсов гребного винта, показывают, что динамика изменения давления в кормовом дейдвудном подшипнике до установки насоса-импеллера носит достаточно сложный характер (рис. 3, а). При выполнении реверса с заднего на передний ход давление опускается ниже гидростатического, т. е. в подшипнике возникает разрежение, всасывающее абразивные частицы внутрь подшипника. После установки насоса-импеллера характер кривой резко изменился (рис. 3, б). Она стала плавной без существенных провалов давления. Отрицательной величины давления в подшипнике не зафиксировано. Вероятность проникновения абразивных частиц в подшипник уменьшилась.
Необходимо отметить, что производительность насоса-импеллера, установленного на ступицу среднего винта без всасывающего патрубка, на режиме среднего хода превысила 9 м3/ч при неработающем основном насосе прокачки ДУ.
Третий этап испытаний проводился после установки на ступицу винта правого ДУ насоса-импеллера.
Осциллограммы показывают, что на правом ДУ в зазоре между защитным кожухом и ступицей винта образовалась зона повышенного давления (рис. 4, б), на левом ДУ этой зоны нет (рис. 4, а). С увеличением частоты вращения давление в зазоре между ступицей винта и кожухом на правом ДУ растет, а в левом ДУ падает.
После годовой эксплуатации среднего ДУ с насосом-импеллером
Измерительный трубопровод, идущий от датчика измерения давления в зазоре между ступицей винта и защитным кожухом
Рис. 2. Изменение расхода воды и давления в кормовом дейдвудном подшипнике при реверсах:
1 — расход воды; 2 — давление; 3 — гидростатическое давление
на ступице винта ледокол был поставлен в ремонт с полной разборкой ДУ. Замеры показали, что, несмотря на значительно большие значения ходового времени, периодов работы на мелководье и количества выполненных реверсов, изно-сы в ДУ снизились в 2 раза (таблица).
Таким образом, эффективность работы насоса-импеллера подтвердилась на практике. С насосами-импеллерами, установленными на среднем и правом ДУ, ледокол отработал без замечаний до его списания.
Из-за отсутствия возможности постоянного проведения дорогостоящих натурных экспериментов на ледоколах дополнительные эксперименты проводились на модели (рис. 5). Они подтвердили результаты эксплуатационных испытаний и дали возможность получить дополнительные дан-
Изменение давления в средней части кормового дейдвудного подшипника средней линии вала при осуществлении реверса на атомном ледоколе «Ленин»:
а — до установки насоса-импеллера (1980 г.); б — после установки насоса-импеллера (1987 г.); 1 — давление в дейдвудном подшипнике; 2 — гидростатическое давление; зх — задний ход; пх — передний ход; п — частота вращения, мин-1
Эксплуатационные параметры работы среднего ДУ до и после установки
насоса-импеллера на ступицу среднего винта
Базовый вариант Новый вариант
Параметр без насоса- с насосом-
импеллера импеллером
Наработка до ремонта ДУ, ч 2903 4027
Суммарный износ кормового подшипника 2,67 1,8
и гребного вала, мм
Удельный износ, мм/1000 ч 0,92 0,45
Продолжительность работы на мелководье, ч 294 351
Количество реверсов 9103 13 248
Материал кормового подшипника Бакаут Бакаут
7 Судостроение № 3, 2012 г.
СУДОВОЕ ОБОРУДОВАНА
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2012
Рис. 4. Динамика изменения давления в измеряемых точках ДУ (атомный ледокол «Ленин», 1988 г.):
а — левое ДУ; б — правое ДУ; I, 2 — давление воды в зазоре между кожухом и ступицей винта; 3 — давление воды в средней части дейдвудной трубы; 4 — линия гидростатического давления; n — частота вращения, мин-'
ные о работе импеллера на ступице винта.
Конструкции импеллеров, установленных на ступицах гребных винтов ледоколов. Первые конструкции импеллеров, устанавливаемых на ступице гребных винтов ледоколов, представляли собой стальные лопатки, приваренные непосредственно к ступице винта и закрываемые защитным кожухом (рис. 6, 7).
Осевой зазор между лопатками импеллера и внутренним кольцом жесткости кожуха составлял 6 мм. Повышенная установочная величина этого зазора вызвана осевой подвижкой корпуса упорного подшипника, а вместе с ним и гребного вала, при работе ледокола в тяжелых льдах. Охлаждающая вода, выходя-
щая из ДУ, поступала к импеллеру и под повышенным давлением выходила из зазора между ступицей винта и защитным кожухом, создавая гидродинамический барьер для абразивных частиц. Одновременно приваренные радиальные лопатки выполняли роль разрушающего устройства для тросов, сетей и других гибких длинномерных предметов в случае их попадания под защитный кожух. После 12-месячной эксплуатации ледокол «Киев» с таким импеллером поставили в док для ремонта с разборкой ДУ. При осмотре было обнаружено, что наружная часть радиальных лопаток имеет большой износ, вызванный как кавитацией, так и электрохимической коррозией.
Рис. 5. Модель ДУ с экспериментальным насосом-импеллером:
I — корпус бака; 2 — разделительная стенка; 3, 4 — расходная и приемная емкости бака соответственно; 5 — приводной электродвигатель; 6 — ременная передача; 7— 10 — шкивы;
II — импеллер; 12 — кожух; 13 — корпус ДУ; 14 — магнитная метка; 15 — дистанционный тахометр; 16 — ступица; 17 — измеритель давления; 18 — камера давления; 19 — измеритель расхода
В конструкции импеллера с защитным кожухом, установленного на ледоколе «Капитан Мелехов», кольцо импеллера приварено к ступице винта и подкреплено для жесткости косынками (рис. 8). Защитный кожух также имеет приваренное кольцо с косынками. При очередном доковании с разборкой ДУ под кожухом, у ступицы винта, были обнаружены остатки разрушенного стального троса,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.