Gdańsk University of Technology FACULTY OF OCEAN ENGINEERING & SHIP TECHNOLOGY

Transkrypt

1 Gdańsk University of Technology FACULTY OF OCEAN ENGINEERING & SHIP TECHNOLOGY ul. Gabriela Narutowicza 11/12, Gdańsk Ph. (48 58) ; fax: (48 58) ; e-ail: PROJEKT EUREKA BALTECOLOGICALSHIP Przyjazne środowiskowo statki dla Morza Bałtyckiego Prace badawcze nr 53/SPB.Eureka/2003 dr hab. inŝ. Czesław Dyarski prof. nadzw. P.G. rozdziały I i III dr inŝ. Leonard Wieliczko rozdział II gr inŝ. Andrzej Nalewajski rozdział II Analiza techniczna i statystyczna rozwiązań konstrukcyjnych i układów sterowania oraz określenie załoŝeń projektowych sterów struieniowych W raach teatu 4: Opracowanie załoŝeń do projektowania 4-ch statków w zakresie wyposaŝenia Główny koordynator projektu prof. dr hab. inŝ. Krzysztof Rosochowicz Kierownik projektu dr inŝ. Wojciech Chądzyński Kierownik teatu dr hab. inŝ. Czesław Dyarski prof.nadzw P.G. Gdańsk, 2003

2 Spis treści str. I. ANALIZA ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH I UKŁADÓW STEROWANIA 3 1. WSTĘP 3 2. ODMIANY KONSTRUKCYJNE STERÓW STRUMIENIOWYCH STERY STRUMIENIOWE ZE ŚRUBĄ STAŁĄ Napęd elektryczny Napęd hydrauliczny Napęd tłokowy silnikie spalinowy STERY STRUMIENIOWE ZE ŚRUBĄ NASTAWNĄ PRZEKŁADNIE RODZAJ UZĘBIENIA RODZAJ ŁOśYSK SPOSÓB ŁOśYSKOWANIA I USZCZENIENIA WAŁÓW UKŁADY STEROWANIA HYDRAULICZNEGO UKŁAD STEROWANIA FIRMY ZAMECH UKŁAD STEROWANIA FIRMY KAMEWA 28 II. ANALIZA STATYCZNA STERÓW STRUMIENIOWYCH 30 III. WNIOSKI ANALIZY I ZAŁOśENIA PROJEKTOWE 42 LITERATURA 47 2

3 I. ANALIZA ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH I UKŁADÓW STEROWANIA 1. WSTĘP Za wynalazcę sterów struieniowych uwaŝa się Roberta Foulertona, który w drugiej połowie XIX w. zastosował w części rufowej statku Stocton Collier ster struieniowy napędzany ręcznie. Istotny rozwój sterów struieniowych rozpoczął się dopiero w połowie lat 50-tych i był związany z rozwoje napędów hydraulicznych oraz nowych technologii i ateriałów, zwłaszcza odpornych na korozję wody orskiej. Od tego czasu liczba sterów ciągle rośnie i obecnie większość nowobudowanych statków orskich wyposaŝa się w tego typu urządzenia. Największe stery struieniowe np. firy KaMeWa osiągają oc 3.7 MW, przy czy średnica śruby wynosi 3.5. Dynaiczny wzrost zastosowań sterów spowodowany jest ich korzystny wpływe na zwiększenie anewrowości statku, zwłaszcza przy ałych jego prędkościach. Stery struieniowe stosuje się przede wszystki jako uzupełnienie steru biernego. Uieszcza się je zwykle w przedniej podwodnej części kadłuba w tunelu poprzeczny do płaszczyzny syetrii statku tak, jak to pokazano na rys. 1. Rys. 1. Miejsce zabudowy steru struieniowego na statku. W przypadku wysokich wyagań co do anewrowości lub potrzeby pozycjonowania dynaicznego statku stosuje się, co najniej dwa stery uieszczone na dziobie i rufie tak, by raię wytworzonej pary sił było jak największe. Poprzeczny tunel ze stere uieszczony w części dziobowej statku powoduje zwiększenie oporu kadłuba o 1 3 %, co jest istotną wadą. Poza ty wpływa niekorzystnie na efektywność działania steru przy większych prędkościach statku, co pokazano na rys. 2. 3

4 V [knots] Rys. 2. Efektywność dziobowego steru struieniowego w funkcji prędkości statku o długości 150. Główną przyczyną tego jest występowanie obszarów pod- i nadciśnienia w pobliŝu tunelu podczas ruchu postępowego statku i jednoczesnego działania steru struieniowego, co z ilustrowano na rys. 3a). Pola ciśnień przed tunele są niejsze i dają korzystny efekt zgodny z działanie steru, zaś pola ciśnień za kanałe są większe i dają efekt przeciwny do działania steru. I większa prędkość steru ty ten doinujący, niekorzystny efekt jest większy. Dla zniejszenia jego wpływu na efektywność działania steru często stosuje się za tunele ze stere, a więc w strefie niekorzystnych pól ciśnień, dodatkowy, bierny tunel wyrównawczy o średnicy około 0.35 średnicy tunelu głównego tak, jak to pokazano na rys. 3 b). a) b) P 2 P 1 V V p Rys. 3. Pola ciśnień wody wokół części dziobowej kadłuba płynącego statku podczas działania steru struieniowego: a) bez kanału wyrównawczego, b) - z kanałe wyrównawczy. 4

5 Tunel ten uoŝliwia przepływ wody i ty say zniejszenie róŝnicy ciśnień po obu stronach kadłuba, co zwiększa efektywność działania steru struieniowego podczas płynięcia statku o około 10%, ale koszte nieznacznego pogorszenia jego efektywności przy postoju statku. Przykład zabudowy steru struieniowego z widoczny tunele wyrównawczy przedstawiono na rys.4. Rys. 4. Fragent kadłuba statku z widoczny tunele ze stere i tunele wyrównawczy Jedny ze sposobów znacznego zwiększenia skuteczności działania steru struieniowego jest uieszczenie go w specjalnie ukształtowany kanale w kształcie litery Y lub T z wlote uieszczony na dziobie w płaszczyźnie syetrii statku i dwoa wylotai na burtach tak jak to pokazano na rys. 5. Przedstawione stery zwiększają własności anewrowe statku, a ianowicie: - wzrost efektywności steru ze zwiększenie prędkości statku - otwarcie jednej z klap uoŝliwia uzyskanie efektu sterowania, takŝe bez uruchoienia śruby steru, - otwarcie obu klap wywołuje efekt haowania, - zaknięcie obu klap zapobiega strato ocy wynikający ze wzrostu oporu przepływu wody przez tunel, - uruchoienie śruby steru na unieruchoiony statku uoŝliwi jego ruch, w ty takŝe prostoliniowy. NaleŜy jednak wyraźnie zaznaczyć, Ŝe wyienione korzyści okupione zostały znaczną rozbudową części dziobowej kadłuba oraz zwiększoną liczbą urządzeń, a przez to większą złoŝonością konstrukcji, zawodnością działania i ceną. 5

6 Rys. 5. Stery struieniowe: a) z tunele w kształcie litery Y (francuskiej firy Techniques Industrielles), b) z tunele w kształcie litery T oraz zaleŝność efektywności steru z tunele T od prędkości statku. Oznaczenia: 1 śruba steru, 2 silnik napędowy steru, 3 i 4 wylotowe klapy sterujące Jeszcze inne ukształtowanie tunelu ze stere przedstawiono na rys. 6 Zarówno jego wlot jak i wylot znajdują się w dnie statku. W części wylotowej tunelu uieszczona jest dysza, którą tworzy zespół łopatek kierujących wypływ wody w jedny kierunku zbliŝony do pozioego. Poprzez obrót pionowego wału, do którego zaocowana jest dysza oŝna uzyskać dowolny kierunek siły ciągu w cały zakresie kąta

7 Rys. 6. Stery struieniowe, angielskiej firy Elliot, z tunele w kształcie litery U : a) z pozioy wałe śrubowy; b) z pionowy wałe śrubowy. Oznaczenia: 1 silnik napędowy,2 przekładnia walcowa, 3 przekładnia kątowa, 4 sprzęgło, 5 - śruba steru, 6 silnik echanizu obrotu dyszy, 7 wał pionowy z dyszą, 8 siatka ochronna na wlocie do tunelu, 9 tunel. Nieco podobne, bardzo zwarte rozwiązanie pędnika, ogącego pełnić takŝe funkcje steru struieniowego przedstawiono na rys. 7. Zastosowana w ni popa diagonalna, uieszczona pionowo w dnie statku zasysa wodę centralnie zlokalizowany otwore i tłoczy ją do obrotowo zaocowanego dyfuzora zakończonego dyszą. UoŜliwia to sterowanie kierunkie wypływu struienia wody z dyszy w cały zakresie kąta pełnego. Tego typu stery dobrze nadają się do statków pływających po płytkich wodach, a więc rzecznych lub rzeczno orskich. 7

8 a) b) c) Rys. 7. Pędnik Pup-Jet, firy Schottel, ogący pełnić funkcje steru struieniowego: a) przedstawiony poglądowo z pokazanie zasady działania, b) przedstawiony w przekroju osiowy dla ukazania konstrukcji, c) przestawiony na tle statku dla pokazania iejsca i sposobu jego zabudowy Powstało wiele odian konstrukcyjnych sterów struieniowych, róŝniących się głównie rodzaje pędnika, silnika napędowego, rozwiązanie poszczególnych węzłów konstrukcyjnych lub układe sterowania. NaleŜy jednak zaznaczyć, Ŝe obecnie ta róŝnorodność rozwiązań aleje, a produkowane przez powaŝniejsze firy stery struieniowe stają się coraz bardziej podobne do siebie. Jest to spowodowane z jednej strony istnienie konkurencji, co eliinuje z rynku rozwiązania słabsze lub zbyt drogie, a z drugiej strony ciągły procese udoskonalania zarówno konstrukcji jak i napędu oraz sterowania tych urządzeń. PoniŜej przedstawione zostaną podstawowe, obecnie stosowane, odiany sterów struieniowych z uwzględnienie rodzaju pędnika i silnika napędowego oraz zespołów przenoszących napęd i układów sterowania hydraulicznego, a takŝe kształtu tunelu. 8

9 2. ODMIANY KONSTRUKCYJNE STERÓW STRUMIENIOWYCH Rozwiązanie konstrukcyjne steru struieniowego w istotny sposób zaleŝy od rodzaju pędnika, który oŝe być: śruba okrętowa o skoku stały; śruba okrętowa o skoku nastawny; pędnik cykloidalny, TakŜe rodzaj napędu, w ty głównie silnika oraz jego typ i lokalizacja ają duŝy wpływ na konstrukcję steru. Zwykle są to silniki: elektryczne; hydrauliczne; spalinowe tłokowe, Inne rodzaje silników napędowych sterów struieniowych jak np. turbiny parowe czy gazowe stosowane są bardzo rzadko i to raczej nie na statkach handlowych. Z tego względu zostaną poinięte w ty opracowaniu STERY STRUMIENIOWE ZE ŚRUBĄ STAŁĄ Zastosowanie, jako pędnika, śruby okrętowej o skoku stały w znaczny sposób upraszcza konstrukcję saej śruby oraz zespołu olejowego, ale niesie ze sobą pewne trudne probley związane z zapewnienie odpowiedniego sterowania wielkością i kierunkie wytwarzanej siły naporu oraz zabezpieczenie silnika przed przeciąŝenie, zwłaszcza podczas uruchaiania steru. Sposób rozwiązania wyienionych probleów zaleŝy zasadniczo od rodzaju zastosowanego napędu steru, który obecnie oŝe być: elektryczny, hydrauliczny, tłokowy silnikie spalinowy. Przykład nowoczesnego, typowego rozwiązania konstrukcyjnego steru struieniowego pokazano na rys. 8. 9

10 Wał napędowy Śruba stała Koło zębate duŝe Kołpak piasty Wał śrubowy Uszczelnienie wału Rys. 8. Ster struieniowy ze śrubą stałą firy KaMeWa Napęd elektryczny Napęd elektryczny jest najpowszechniej stosowany napęde sterów struieniowych. Wynika do z dostępności energii elektrycznej na statku. NaleŜy równieŝ podkreślić łatwość przekazywania tego rodzaju energii na duŝe odległości, z poijalnyi stratai. Elektryczne silniki napędowe sterów struieniowych zasilane są najczęściej napięcie 380 V, 50 Hz lub 440 V, 60 Hz, ale obecnie w związku ze wzroste ocy instalowanych sterów, stosowane są coraz częściej napięcia wyŝsze 3,3 kv i 6 kv. Instalowanie na statkach sterów duŝej ocy 10

11 powoduje konieczność stosowania do ich zasilania drogich kabli o duŝych przekrojach. W związku, z ty koszty saych kabli oraz ich połoŝenia zaczynają stanowić znaczną 0 część ogólnych kosztów instalacji steru, zwłaszcza przy duŝej odległości iędzy rozdzielnicą główna elektrowni okrętowej, a silnikie napędowy. Dlatego teŝ w pewnych przypadkach oŝe okazać się ekonoicznie uzasadnione zastosowanie wyŝszych napięć do zasilania silników. W takich przypadkach transforator podwyŝszający napięcie uieszczony jest w pobliŝu rozdzielnicy głównej. Jest to rozwiązanie droŝsze, ale korzystne, gdyŝ układ rozruchowy reaguje na stronę pierwotna transforatora podwyŝszającego napięcie, a nie bezpośrednio na uzwojenie silnika. Ipedancja transforatora wywiera, więc korzystny wpływ na przebieg rozruchu silnika, tłuiąc wysokie prądy rozruchowe. W zaleŝności, od przeznaczenia i przewidywanych warunków eksploatacyjnych silniki elektryczne sterów struieniowych dobierane są do pracy dorywczej lub ciągłej. Tak, więc dla sterów instalowanych na większości statków handlowych, na których urządzenia wykorzystywane są przez stosunkowo krótki okres w trakcie anewrów, dobiera się silniki, do pracy dorywczej na czas 30 lub 60 in. Natoiast dla jednostek specjalnych, takich jak pogłębiarki, statki wiertnicze, ratownicze, rybackie itp., silniki dobierane są z reguły do pracy ciągłej. Rys. 9. Ster struieniowy z elektryczny silnikie napędowy uieszczony pionowo bezpośrednio nad tunele Do napędu sterów struieniowych ze śrubą stałą zachodzi zate konieczność zastosowania silnika nawrotnego, najlepiej, ze sterowaną prędkością obrotową oraz zwykle jeszcze haulca zabezpieczającego go przed turbinową pracą śruby. MoŜe to być silnik: - prądu stałego (nie stosowany juŝ w nowych rozwiązaniach) zasilany z układu Ward Leonarda albo z układu tyrystorowego lub tranzystorowego, uoŝliwiający zianę kierunku obrotów i płynną zianę prędkości obrotowej; - asynchroniczny pierścieniowy z łagodny rozruche i przełączany kierunkie obrotów; 11

12 - asynchroniczny klatkowy wielobiegowy ze skokową zianą prędkości obrotowej za poocą ziany liczby par biegunów i przełącznikie kierunku obrotów; - asynchroniczny klatkowy zasilany z falownika tranzystorowego, z oŝliwością płynnej ziany prędkości obrotowej za poocą ziany częstotliwości pracy falownika obecnie coraz popularniejszy ze względu na łatwość sterowania oraz szybki rozwój falowników, ich wysoką sprawność i niezawodność, a przy ty uiarkowany koszt; Napęd hydrauliczny Zastosowanie silnika hydraulicznego do napędu steru struieniowego daje duŝe oŝliwości płynnego sterowania prędkością i kierunkie obrotów śruby, oraz dobrego zabezpieczenia całego układu napędowego przed przeciąŝenie. Silniki hydrauliczne są znacznie niejszych wyiarów niŝ porównywalne silniki elektryczne, co w przypadku uieszczenia silnika hydraulicznego w tunelu wewnątrz gondoli, prowadzi do znacznego uproszczenia konstrukcji. Pozwala bowie na bezpośrednie sprzęgnięcie wału silnika ze śrubą, a ty say, zrezygnować z kątowej przekładni zębatej, która jest trudny, wraŝliwy i kosztowny węzłe konstrukcyjny tego typu sterów. Silnik z układe zasilania hydraulicznego, znajdujący się w kadłubie statku połączony jest jedynie przewodai, które łatwo poprowadzić w złączach poiędzy gondolą a tunele. NaleŜy jednak podkreślić, Ŝe takie rozwiązanie, ające niewątpliwie wiele zalet, nie doczekało się, jak dotąd, szerszego zastosowania. Przyczyn tego jest kilka. NajwaŜniejsze z nich to: - probley z uzyskanie pełnej szczelności gondoli i silnika hydraulicznego, - duŝa złoŝoność konstrukcji, a przez to i zawodność silników hydraulicznych, - bardzo trudny dostęp do silnika, zwłaszcza na duŝych statkach, co radykalnie zwiększa koszty przeglądów i ewentualnych napraw, a takŝe podnosi ryzyko nieplanowych przestojów. Z tych względów oawiane rozwiązanie spotkać oŝna sporadycznie na ałych jednostkach z popai olejowyi napędzanyi z wału głównego lub z centralnyi, albo grupowyi układai zasilania hydraulicznego urządzeń. Część z wyienionych wad oŝna wyeliinować przez zastosowanie tunelu w kształcie litery S, dzięki czeu oŝliwe jest uniknięcie konieczności stosowania przekładni, a ponadto uieszczenie silnika hydraulicznego nad tunele w łatwo dostępny iejscu. Rozwiązanie takie, norweskiej firy Brunvoll, przedstawiono na rys.10a. Stery te, jak dotąd, stosowane są raczej rzadko i to na ałych statkach. 12

13 a) b) Rys.10. Przykłady rozwiązań sterów struieniowych napędzanych silnikai hydraulicznyi: a) bez przekładni echanicznej z tunele w kształcie litery S, b) z przekładnią kątową typu L i prosty tunele. W najczęściej spotykanych dotychczas rozwiązaniach sterów struieniowych z silnikie hydrauliczny stosuje się kanał prosty, a silnik uieszczony w połoŝeniu pionowy tuŝ nad kanałe, napędza śrubę stałą poprzez przekładnię kątową. Przykład takiego rozwiązania pokazany jest na rys. 10b. Widać tutaj wyraźnie, jak stosunkowo ały i lekki jest silnik hydrauliczny w stosunku do odpowiedniego silnika elektrycznego w przedstawiony na rys. 9, a bardzo podobny, pod względe kineatyczny, sterze struieniowy z napęde elektryczny. Wynika to głównie z tego, Ŝe stosowane obecnie silniki hydrauliczne pracują zazwyczaj przy wysokich ciśnieniach roboczych oleju, rzędu MPa. Trzeba jednak zaznaczyć, Ŝe generalnie, stery struieniowe z napęde hydrauliczny, z uwagi na znaczną złoŝoność i koszt tego rodzaju napędu, nie są szeroko rozpowszechnione i stosowane są jedynie na ałych jednostkach Napęd tłokowy silnikie spalinowy Zastosowanie silnika spalinowego z nawrotną przekładnią zębatą oŝe być niekiedy wygodny rozwiązanie. UoŜliwia bowie uniezaleŝnienie pracy steru od okrętowego systeu energetycznego oraz 0 stosunkowo łatwe zrealizowanie układu zdalnego sterowania. Napęd taki spotyka się jednak rzadko i to tylko w układach ałej ocy. Wynika to z faktu, Ŝe zajuje on znacznie więcej iejsca wewnątrz kadłuba w porównaniu z napęde elektryczny i wyaga zainstalowania pop poocniczych i innego niezbędnego wyposaŝenia dodatkowego. Ponadto, w celu zabezpieczenia przed przeciąŝenie 13

14 połączonego ze śrubą stałą silnika podczas rozruchu steru, zachodzi konieczność przewyiarowania silnika, co pogarsza jeszcze sytuację. Dodatkową wadą oawianego napędu jest wyóg pracy silnika tylko w połoŝeniu zbliŝony do pozioego, co zwykle pociąga za sobą konieczność stosowania podwójnej przekładni zębatej kątowej typu Z. a) b) Rys. 11. Stery struieniowe z pędnikie napędzany tłokowyi silnikie spalinowy: a) poprzez przekładnię kątową typu L, b) poprzez podwójną przekładnię kątową typu Z STERY STRUMIENIOWE ZE ŚRUBĄ NASTAWNĄ Podstawową zaletą sterów struieniowych ze śrubą nastawną jest oŝliwość płynnej ziany wartości i kierunku wytwarzanej siły naporu przy utrzyywanej stałej prędkości obrotowej wału silnika napędowego. Dzięki teu stery takie ogą być i z reguły są napędzane bardzo prostyi, a przez to tanii i niezawodnyi silnikai asynchronicznyi klatkowyi. Silniki te ogą pracować w pozycji pionowej i tak teŝ są instalowane bezpośrednio nad tunele ze stere struieniowy, co widoczne jest na rys. 12, ukazujący rozieszczenie takŝe innych zespołów oawianego urządzenia. Wsponiane usytuowanie silnika jest korzystne, poniewaŝ pozwala zastosować tylko jednostopniową przekładnię zębatą kątową w układzie napędowy steru. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe tego typu rozwiązanie jest obecnie najbardziej rozpowszechnione i do niedawna takŝe najczęściej stosowane na nowych statkach. Z tego względu zostanie tutaj szerzej oówione. Napęd wyienionyi silnikai elektrycznyi sterów struieniowych jest stosunkowo tani i wygodny takŝe z uwagi na łatwość układania kabli elektrycznych oraz wysoką sprawność i niewielkie wyiary silników. 14

15 Powstało wiele rozwiązań konstrukcyjnych tego rodzaju sterów, róŝniących się przede wszystki iejsce usytuowania siłownika hydraulicznego echanizu ziany skoku śruby nastawnej, sposobe łoŝyskowania wałów, a takŝe wyprowadzenie sygnału rzeczywistego połoŝenia skoku, doprowadzenie oleju sterującego do wnętrza wału śrubowego, sposobe uszczelnienia wału oraz układe sterowania. Analizując te róŝnorodne rozwiązania konstrukcyjne sterów oŝna dostrzec wyraźne kierunki ich rozwoju, które wyznaczane są postępe w określonych dziedzinach techniki wykorzystanych w oawianych urządzeniach. Przykłade tego oŝe być siłownik hydrauliczny do ziany skoku śruby nastawnej. Jego rozwiązanie konstrukcyjne zaleŝy w zasadniczy sposób od wysokości ciśnienia roboczego oleju. Z kolei wartość wyienionego ciśnienia liitowana była od góry jakością i skutecznością działania uszczelnień stosowanych na wprowadzaniu oleju regulacyjnego z układu stacjonarnego do wnętrza obracającego się wału śrubowego. Niedoskonałość działania tych uszczelnień ograniczała wysokość ciśnienia roboczego oleju do kilku MPa. Pociągało to za sobą konieczność stosowania siłowników hydraulicznych o znacznych średnicach. Znaczne wyiary siłownika iały wpływ na jego lokalizację. Uieszczano go w gondoli Rys. 12. Uproszczony scheat zabudowy i instalacji typowego steru struieniowego ze śrubą nastawną. Oznaczenia: 1 pulpit sterowniczy na ostku, 2 centralny zespół sterowania, 3 przekaźnik sygnału sprzęŝenia zwrotnego, 4 zespół steru struieniowego z tunele, 5 sprzęgło podatne, 6 silnik napędowy, 7 urządzenie rozruchowe silnika z zabezpieczenie przeciąŝeniowy, 8 zbiornik grawitacyjny oleju, 9 zespół napędu i sterowania hydraulicznego echanizu ziany skoku śruby, przewody elektryczne, rurociągi hydrauliczne. tuŝ przy kole talerzowy przekładni (rozwiązanie firy Liaaen i Zaech pokazane na zaieszczony w następny rozdziale rys.15), bądź w przedniej części piasty śruby nastawnej (stery firy Kawasaki), albo teŝ w tylnej części piasty, najczęściej w kołpaku. To 15

16 ostatnie rozwiązanie, widoczne na rys. 13, ze względu na uproszczenie konstrukcji i łatwy dostęp do siłownika było do niedawna powszechnie stosowane, a nawet obecnie stosowane przez niektórych producentów sterów struieniowych np. firy ULSTEIN. Rys. 13 Ster struieniowy ze śruba nastawną Firy KaMeWa. Oznaczenia: 1 pionowy wał napędowy, 2 układ echanicznego sprzęŝenia zwrotnego, 3 rury doprowadzające olej do siłownika, 4 przekładnia kątowa (stoŝkowa), 5 wał śrubowy, 6 tarcza korbowa skrzydła, 7 jarzo z kaienie ślizgowy echanizu obrotu skrzydeł, 8 - siłownik hydrauliczny ziany skoku śruby, 9 skrzydło śruby wraz z uszczelnienie. Udoskonalenie wyienionych wyŝej uszczelnień pozwoliło podnieść wartości ciśnienia roboczego oleju na tyle, by radykalnie zniejszyć średnicę siłownika. Dzięki teu ógł on być juŝ uieszczony w piaście śruby w płaszczyźnie osi skrzydeł, co znacznie uprościło 16

17 konstrukcję echanizu ziany skoku oraz zniejszyło liczbę jego eleentów, a takŝe wyiary i cięŝar piasty. Rozwiązanie takie, przedstawione na rys.15 i rys. 17, jest obecnie stosowane przez większość producentów sterów struieniowych, w ty przez takie firy jak: Lips, Kaewa, Zaech. Na wyienionych rysunkach widoczny jest takŝe echaniz obrotu skrzydeł śruby. NaleŜy podkreślić, Ŝe w sterach struieniowych, z uwagi na syetryczny i stosunkowo niewielki kąt obrotu skrzydeł, powszechnie stosowany jest obecnie jeden typ echanizu ziany skoku. Jest to echaniz kulisowy z czope korbowy w stopie skrzydła. Mechaniz ten jest prosty, zwarty i posiada tę zaletę, Ŝe uoŝliwia uzyskanie relatywnie duŝego proienia wykorbienia, dzięki czeu siły przestawcze i ciśnienie robocze oleju ogą być odpowiednio niejsze. Inny, istotny węzłe konstrukcyjny jest echaniz wyprowadzenia sygnału rzeczywistego skoku śruby nastawnej z gondoli steru do wnętrza kadłuba statku. Sygnał ten, niezbędny dla zapewnienia sprzęŝenia zwrotnego serwoechanizu śruby jest, jak dotychczas, wyprowadzany jest w sposób echaniczny w postaci przesunięcia liniowego (patrz rys.13 i rys. 16) lub obrotu drąŝka (rys. 15 i rys.17) STERY STRUMIENIOWE Z PĘDNIKIEM CYKLOIDALNYM Pędniki cykloidalne, podobnie jak śruby nastawne, pozwalają płynnie zieniać kierunek i wartość siły naporu, dzięki czeu ogą być równieŝ napędzane silnikai nienawrotnyi o stałej prędkości obrotowej. Pędniki te jednak z uwagi na znaczną złoŝoność konstrukcji, a przez to większą zawodność i koszt oraz specjalne wyagania co do kształtu kanału w iejscu osadzenia pędnika nie są obecnie stosowane w nowych sterach struieniowych. Z tego względu będą poinięte w dalszych rozwaŝaniach. Rys. 14. Ster struieniowy z pędnikie cykloidalny Voith-Schneidera 17

18 3. PRZEKŁADNIE W sterach struieniowych, oent obrotowy z wału silnika przenoszony jest na wał pędnika z reguły przez przekładnię zębatą kątową. Jest to przekładnia redukcyjna, o przełoŝeniu około 1: 4, uieszczona w gondoli wypełnionej oleje. Ten typ przekładni nie jest korzystny do przenoszenia duŝych, ziennych obciąŝeń. Jest ona jedny z najwaŝniejszych i najbardziej obciąŝonych zespołów. MoŜna powiedzieć, Ŝe jakość pracy tej przekładni deterinuje działanie i trwałość całego urządzenia, przy czy zaleŝy ona, dla określonego sposobu sarowania, od następujących czynników: - rodzaju uzębienia; - rodzaju łoŝysk uŝytych do łoŝyskowania wałów; - sposobu łoŝyskowania i sztywności wałów RODZAJ UZĘBIENIA Najczęściej stosowane są zęby łukowe o zarysie epicykloidalny, o stałej wysokości i ziennej grubości zęba po jego długości, przy czy największa grubość występuje pośrodku długości. Ten typ uzębienia charakteryzuje się stosunkowo najniejszą wraŝliwością na zianę geoetrii wzajenego połoŝenia kół zębatych wywołaną bądź to luzai w łoŝyskach, bądź teŝ deforacjai spręŝystyi wałów lub błędai ontaŝowyi RODZAJ ŁOśYSK Rodzaj łoŝysk uŝytych do łoŝyskowania wałów przekładni a bardzo istotny wpływ na jakość jej pracy. We wcześniejszych rozwiązaniach sterów struieniowych niektórych fir np. LIAAEN, czy jego licencjobiorcy, firy ZAMECH, wał pozioy przekładni ułoŝyskowany był ślizgowo na dwóch łoŝyskach poprzecznych i dwóch wzdłuŝnych. ŁoŜyska poprzeczne pełniły przy ty takŝe rolę uszczelnień proieniowych uoŝliwiających wprowadzanie oleju pod ciśnienie do wnętrza obracającego się wału. Zastosowanie tego typu łoŝysk wiązało się z koniecznością występowania znacznych luzów zarówno w kierunku proieniowy jak i osiowy, co niewątpliwie odbijało się niekorzystnie na pracy przekładni. MoŜna sądzić, Ŝe było to jedną z zasadniczych przyczyn zastąpienia tego rozwiązania nowszy, pokazany na rys. 15, w który oba wały łoŝyskowane są tocznie. Jest to obecnie powszechnie stosowany sposób łoŝyskowania, korzystny zarówno ze względu na pracę przekładni jak i uszczelnienia wału śrubowego. 18

19 Rys. 15. Rozwiązanie konstrukcyjne steru struieniowego Zakładów Mechanicznych ZAMECH w Elblągu. Oznaczenia: 1- piasta śruby; 2- skrzydło; 3- wał napędowy; 4- koło zębate większe; 5wał śruby; 6- łoŝyska poprzeczne wału śruby; 7- łoŝyska wzdłuŝne wału śruby; 8- łoŝyska poprzeczne wału napędowego.; 9- łoŝyska wzdłuŝne wału napędowego; 10- gondola (korpus przekładni); 11 i 12- pierścienie dystansowe; 13- wpust; 14- nakrętka ocująca piastę śruby; 15- tarcza korbowa skrzydła; 16- kołek ustalający; 17- kaień ślizgowy, 18- prowadnik; 19tłok siłownika; 20- tulejki prowadzące; 21- uszczelnienie na wprowadzaniu oleju do tłoczyska; 22- uszczelnienie oleju wprowadzanego do tłoczyska siłownika 23- kanały olejowe w tłoczysku; 24- pierścień i kaień sprzęŝenia zwrotnego; 25- wałek skrętny sprzęŝenia zwrot.: 26- korek spustowy; 27- pierścienie uszczelniające wał śruby; 28- pierścień uszczelniający wał napędowy; 29- pierścień typu O ; 30- kanał rurociągu K opróŝniającego korpus z oleju; 31kołpak korpusu; 32- kołpak piasty śruby; A,B,C,F,R,K- króćce rurociągów: oleju siłowego (A,B), odpowietrzającego (C), sarowania i kontroli uszczelnień (F), powrotnego (R), opróŝniającego korpus z oleju SPOSÓB ŁOśYSKOWANIA I USZCZENIENIA WAŁÓW Pod sposobe łoŝyskowania naleŝy tu rozuieć iejsca osadzenia poszczególnych łoŝysk, co dla określonych wyiarów poprzecznych wałów i związanej z ty sztywności deterinuje wielkość ich deforacji spręŝystych. Wpływ sposobu łoŝyskowania na pracę przekładni oŝna dobrze ukazać na podstawie krótkiej analizy rozwiązań konstrukcyjnych sterów struieniowych ze śrubą nastawną dwóch fir, a ianowicie: firy ZAMECH, pokazanego na rys. 15 oraz holenderskiej firy LIPS, przedstawionego na rys

20 Rys. 16. Rozwiązanie konstrukcyjne steru struieniowego firy LIPS. W pierwszy z tych rozwiązań, wał pozioy ułoŝyskowany jest na dwóch łoŝyskach baryłkowych poprzecznych i dwóch baryłkowych wzdłuŝnych. ObciąŜenia przenoszone przez te łoŝyska pochodzą głównie od sił iędzyzębnych oraz naporu, a takŝe, w znacznie niejszy stopniu, od sił cięŝkości. Rozpatrując siłę iędzyzębną w postaci jej składowych w układzie prostokątny oŝna powiedzieć, Ŝe obciąŝenie poprzeczne wywołane jest suą geoetryczną obwodowej i proieniowej składowej tej siły oraz siły cięŝkości i jest ono w przybliŝeniu stałe co do kierunku. ObciąŜenie osiowe jest natoiast suą algebraiczną stałej co do kierunku i zwrotu składowej osiowej siły iędzyzębnej oraz siły naporu o zienny zwrocie działania. I tak wypadkowe obciąŝenie osiowe, działające w stronę śruby będzie róŝnicą, zaś w stronę przeciwną suą obu wyienionych sił. ŁoŜyska poprzeczne o róŝnej wielkości uieszczono po obu stronach koła zębatego, przy czy większe bliŝej koła. ŁoŜyska wzdłuŝne zastosowano tu jednakowej wielkości, co ogło być uzasadnione jedynie względai konstrukcyjnyi. Wał pionowy osadzony jest równieŝ na dwóch róŝnych łoŝyskach baryłkowych poprzecznych i dwóch jednakowych łoŝyskach baryłkowych wzdłuŝnych. ObciąŜenie poprzeczne przenoszone przez łoŝyska jest geoetryczną suą składowych: obwodowej i 20

21 proieniowej siły iędzyzębnej, zaś obciąŝenie wzdłuŝne suą algebraiczną osiowej składowej siły iędzyzębnej skierowanej w górę i siły cięŝkości skierowanej w dół. Koło zębate jest na wolny końcu wału, a oba łoŝyska poprzeczne znajdują się powyŝej niego. Takie podparcie wału jest niekorzystne, gdyŝ dla porównywalnej przekładni, deforacje spręŝyste wału w iejscu osadzenia koła są kilkakrotnie większe niŝ przy podparciu dwustronny. W rozwiązaniu firy LIPS, wał pozioy ułoŝyskowany jest na trzech róŝnych łoŝyskach tocznych, ianowicie: baryłkowy poprzeczny uieszczony z prawej strony oraz baryłkowy wzdłuŝny i stoŝkowy uieszczonyi po drugiej stronie koła zębatego. ŁoŜysko stoŝkowe pełni tu jednocześnie funkcje łoŝyska poprzecznego i wzdłuŝnego, przenoszącego poza poprzeczny takŝe nieznaczne obciąŝenie osiowe, będące róŝnicą siły naporu i osiowej składowej siły iędzyzębnej. ŁoŜysko baryłkowe wzdłuŝne przenosi znaczne obciąŝenie, będące suą obu wyienionych sił. Wał pionowy ułoŝyskowany jest na czterech łoŝyskach baryłkowych: dwóch poprzecznych i dwóch wzdłuŝnych. W odróŝnieniu od rozwiązania firy ZAMECH, łoŝyska poprzeczne są tu uieszczone jednak po obu stronach koła zębatego, a łoŝyska wzdłuŝne są zróŝnicowanej wielkości. Większe z nich przenosi duŝe obciąŝenia od składowej osiowej siły iędzyzębnej, zaś niejsze od nieznacznych sił cięŝkości. Porównując oba przedstawione rozwiązania naleŝy stwierdzić, Ŝe to drugie, choć prostsze i z niejszą liczbą łoŝysk, zapewnia niejsze deforacje spręŝyste wałów, a przez to lepszą pracę przekładni zębatej. To korzystne, dwustronne podparcie koła zębatego wału napędowego wyaga jednak bardziej skoplikowanej konstrukcji pewnych eleentów przekładni, zwłaszcza korpusu, który jest odlewe, co niewątpliwie wpływa na utrudnienie technologii wykonania i wzrost kosztów urządzenia. Ty oŝna chyba wytłuaczyć fakt stosowania w dalszy ciągu, przez innych producentów sterów struieniowych, jednostronnego łoŝyskowania wału napędowego, co oŝna zaobserwować takŝe w najnowszy rozwiązani steru firy KaMeWa przedstawiony na rys. 17. Bardzo waŝny zagadnienie techniczny występujący w sterach struieniowych jest proble uszczelnienia wału śrubowego. Konieczność zapewnienia wysokiej jakości i niezawodności działania urządzenia oraz zabezpieczenia przed zanieczyszczenie środowiska wyciekai oleju wyaga zapewnienia praktycznie pełnej szczelności stosowanych tu uszczelnień. Podobny proble występuje w uszczelnieniach pochwy wału 21