Исследование характеристик реверса судна

Безопасность эксплуатации судна в большой степени обеспечивается возможностью быстрого изменения направления его движения на противоположное, т. е. возможностью реверса. Известны многочисленные случаи аварий и даже гибели судов вследствие того, что установленные на них реверсивные устройства были недостаточно эффективными.

В связи с ростом тоннажа судов и интенсивности судоходства требования к быстрому реверсированию неуклонно ужесточаются. Реверс судна представляет собой сложный нестационарный процесс, течение которого обусловлено характеристиками корпуса, движителя и режимом работы главного двигателя. Поэтому расчетные методы, применяемые для оценки маневренных характеристик, весьма приближенны, и наиболее объективным средством суждения о реверсивных качествах судна является натурный эксперимент. Исследования характеристик реверса включают в программу сдаточных испытаний всех вновь построенных судов.

Программа реверсивных испытаний зависит от типа судна и его главного двигателя, а также от целей, которые ставятся при их проведении. Так, американскими правилами проведения сдаточных маневренных испытаний, изданными в 1950 г., предусматриваются лишь два реверса: с полного переднего хода на полный задний и с полного заднего на полный передний. Как правило, в процессе этих испытаний производят реверс с нескольких промежуточных значений переднего хода.

Для судов с дизельными механическими установками целесообразно провести испытания с целью выявления наилучших режимов реверсирования, точнее, установления частоты вращения гребного вала, при которой следует производить запуск дизеля в обратном направлении.

Для судов с ВРШ программа маневренных испытаний существенно зависит от схемы управления комплексом ВРШ—двигатель. В тех случаях, когда имеется система совместного управления комплексом винт—двигатель, испытания можно ограничить проверкой режимов, предусмотренных проектом системы.

Если предусмотрено раздельное управление винтом и двигателем, то программа испытаний должна включать измерения при различных диапазонах изменения шага, скоростях и законах перекладки лопастей, а также при различных значениях частоты вращения гребного вала.

В процессе реверсивных испытаний судов исследуются параметры движения судна, а также проверяются работа главного двигателя и характеристики движителя в процессе реверса.

Характеристиками, необходимыми для суждения о параметрах движения судна в процессе реверса и обычно определяемыми в процессе натурных испытаний, являются выбег судна, т. е. путь, пройденный судном с момента подачи команды о реверсе, до его полной остановки, время выбега, т. е. отрезок времени с момента подачи команды о реверсе до момента полной остановки судна, закон изменения скорости движения в процессе реверса.

В процессе маневренных испытаний часто производят также проверку инерционных качеств судна, а именно: пути и времени, необходимого для остановки судна с застопоренными двигателями.

Для крупнотоннажных судов иногда дополнительно исследуют маневр торможения, сопровождаемый перекладкой руля («полный назад» при совершении полуциркуляции).

Для суждения о режимах работы главного двигателя в процессе реверса необходимо фиксировать изменение частоты вращения гребных валов и изменение крутящего момента или мощности на гребных валах во времени.

Если реверс судна осуществляется путем изменения направления вращения гребного винта, то необходимо зарегистрировать время, прошедшее с момента подачи команды до момента остановки гребного вала. Кроме того, должно быть отмечено время, необходимое для развития заданной частоты вращения винта в обратную сторону. Для судов, оборудованных ВРШ, дополнительно необходимо регистрировать изменение шага лопастей гребных винтов.

Весьма важную роль для анализа результатов реверсивных испытаний играет закон изменения упора гребных винтов, поэтому при наличии на судне упоромеров регистрация этой величины весьма желательна.

Для получения полных данных о параметрах движения судна необходимо вести запись во времени пройденного им пути. Для этой цели могут быть использованы методы регистрации траектории движения судна, описанные в § 19. Однако при испытаниях реверса необходима существенно более высокая точность регистрации траектории движения судна, чем, при исследовании управляемости судна. Это связано с тем, что реверс является нестационарным процессом, и продолжительность его значительно меньше, чем время циркуляции судна.

Из числа описанных методов регистрации траектории движения судна для исследования реверса можно рекомендовать методы измерения с помощью фототеодолитов и радиометрические методы, так как только таким путем могут быть определены с достаточной точностью координаты судна через малые промежутки времени. По результатам измерений координат на специальном планшете строят траекторию движения судна (рис. 75). Остальные методы позволяют в лучшем случае определить суммарный выбег судна, но не дают достаточных данных для вычисления мгновенных значений его скорости.

Рис. 75. Траектория движения судна при реверсе.

I — n= 105 об/мин; II —n=0; III —n=40 об/мин; IV— n=73 об/мин; V — n=71 об/мин (n — частота вращения гребного винта). Положения судна нанесены через интервал времени, равный 30 с.

Измерение пути радиолокационными методами и тем более старинным методом чурок при исследовании реверса не может быть рекомендовано.

Обработка результатов измерений траектории движения судна, выполненных точными методами, позволяет построить зависимость пути, пройденного судном при реверсе, от времени. В тех случаях, когда данные измерений не позволяют построить подобный график, время выбега судна измеряют непосредственно: с помощью секундомера фиксируют промежуток времени от подачи команды до остановки судна; момент остановки определяют на глаз.

Кривая изменения скорости судна при реверсе может быть построена в результате графического дифференцирования кривой зависимости пройденного пути от времени.

В некоторых случаях прибегают к измерению мгновенных значений скорости судна в процессе реверса по лагу, а затем путем интегрирования кривой изменения скорости во времени определяют величину выбега судна.

Для регистрации частоты вращения гребных валов при реверсе следует использовать самопишущие счетчики оборотов вала (см. § 8).

Если судно оборудовано торсиометром, измеряющим мгновенные значения моментов на гребном валу, то последние должны регистрироваться с помощью осциллографа. В этом случае осциллограф используется так же, как самописец при измерении частоты вращения Гребных валов, причем в качестве источника сигнала удобнее всего применять индуктивный преобразователь.

При наличии на судне упоромера, регистрирующего мгновенные значения упора, последние следует также фиксировать с помощью осциллографа.

Имеются также косвенные методы определения изменения загрузки двигателей в процессе реверса. В частности, изменение мощности дизелей можно приближенно оценить путем записи перемещений топливной рейки. Для этой цели на дизеле устанавливается измерительный преобразователь перемещений топливной рейки. Кроме того, необходимо определить зависимость мощности двигателя от положения рейки при различных частотах его вращения. К обычным погрешностям, присущим косвенным методам, в данном случае прибавляется ошибка, обусловленная тем, что расход топлива на неустановившихся режимах принимается таким же, как и на установившихся.

Для судов с электродвижением характер изменения мощности электродвигателя может быть оценен путем измерения во времени электрических параметров.

На судах, оборудованных гребными винтами регулируемого шага, реверс осуществляется без изменения направления вращения гребного вала, поэтому частота вращения последнего изменяется в более узких пределах. Регистрация изменения во времени шага лопастей гребного винта на судах, оборудованных ВРШ, требует применения специальных самописцев и измерительных преобразователей. Изменение шага записывают на осциллографе совместно с другими параметрами, например с частотой вращения гребного вала, моментом на валу и др.

В качестве преобразователей для измерения шага винта, как правило, применяют реохорды. Перемещение ползуна реохорда связано с перемещением штанги, обеспечивающей перекладку лопастей винта. У винта регулируемого шага с гидравлическим приводом ползун связан с подшипником обратной связи, который повторяет перемещения штанги. Реохорд может иметь различные конструкции, принципиальные схемы которых описаны в § 22.

Может быть применена и несколько иная система регистрации шага, например, по измерению частоты вращения вала дифференциального редуктора.

При реверсивных испытаниях судов с ВРШ, как правило, производят также измерения крутящих моментов относительно оси поворота лопастей винта. Цель этих измерений — накопление натурных данных о нагрузках, действующих на приводы ВРШ. Непосредственное измерение моментов обычно невозможно, поэтому для оценки их величины должны быть использованы косвенные методы.

Если гребной винт имеет гидравлический привод перекладки лопастей, то величину крутящих моментов можно определить расчетным путем по измеренному значению давления масла в полостях гидравлического цилиндра. При этом по известному значению перепада давлений и площади поршня определяют силу на штанге, затем, используя данные кинематического расчета ВРШ, вычисляют величину момента на лопасти. Полученное таким образом значение момента представляет собой алгебраическую сумму моментов: гидродинамического, инерционного и моментов трения.

Из трех составляющих этой суммы инерционную составляющую определяют достаточно точно расчетным путем, поэтому для суждения о величине гидродинамических моментов необходимо предварительно определить моменты трения. Точное значение моментов трения получить практически невозможно. Обычно принимают, что величина этих моментов определяется только конструкцией винта и не зависит от нагрузок, действующих на лопасти. Поэтому, чтобы определить трение, необходимо произвести перекладки лопастей при невращающемся вале и зарегистрировать значения моментов, необходимых для перекладки, приняв, что указанные моменты обусловлены только трением. Полученное таким образом значение потерь на трение используется  при обработке всех режимов перекладки лопастей гребного винта. Очевидно, что подобный метод неточен, однако ошибка его, особенно если заделка лопастей выполнена на подшипниках качения, не слишком велика.

Преобразователи, регистрирующие давление, не могут быть установлены непосредственно на полостях гидравлического цилиндра. Обычно их монтируют на трубопроводах, подходящих к маслобуксе. Поэтому регистрируемый преобразователями перепад давлений несколько больше перепада в полостях цилиндра вследствие гидравлических потерь в подводящих трубопроводах. Эти потери входят в виде некоторой надбавки в величину потерь на трение и автоматически исключаются из суммарных моментов при вычитании моментов трения.

Преобразователи для измерения давлений в гидравлическом цилиндре имеют различную конструкцию (см. § 23). Здесь отметим только один тип преобразователя (рис. 76), с помощью которого можно более точно измерять давление. 6 этом преобразователе тензометры наклеивают Не на мембрану, а на кольцевой упругий элемент, связанный с мембраной жестким штоком.

Рис. 76. Преобразователь давления с кольцевым элементом. 1 — тензометр; 2 — мембрана; 3 — кольцевой элемент; 4 — корпус преобразователя.


Рис. 78. Характеристика реверса судна с ВРШ. 1 — упор; 2 — шаг; 3 — скорость судна; 4 — выбег судна; 5 — частота вращения винта; 6 — мощность.

По результатам всего комплекса измерений, проведенных в процессе испытаний, строят сводные графики зависимостей от времени основных измеряемых величин, которые характеризуют реверс судна (рис. 77). Аналогичный график, построенный для судна с ВРШ, приведен на рис. 78.

Рис. 77. Характеристика реверса судна.

1 — крутящий момент; 2 — частота вращения винта; 3 —упор; 4 — скорость судна; 5 — выбег судна.

Измерения, произведенные в процессе реверса, позволяют не только оценить маневренные качества судна, но и провести анализ соответствия натурных гидродинамических характеристик гребных винтов расчетным.

Действительно, по известным для данного момента времени упору и крутящему моменту, скорости судна и частоте вращения гребных винтов можно вычислить безразмерные коэффициенты K1 и K2 в функции от относительной поступи. При подобном сопоставлении из-за отсутствия надежных данных не учитывают изменение коэффициентов взаимодействия во время реверса. Именно поэтому в процессе анализа часто принимают, что натурные безразмерные гидродинамические характеристики гребного винта совпадают с расчетными, а наблюдающееся расхождение между ними обусловлено погрешностями определения коэффициентов взаимодействия. При подобном методе анализа конечным результатом являются уточненные значения коэффициентов взаимодействия гребного винта с корпусом.