Podstawy Konstrukcji Maszyn Część 2 Łożyska wałów okrętowych Porównanie trzech rozwiązań konstrukcyjnych Rodzaj systemu napędu statku z pędnikiem w postaci śruby okrętowej Klasyczny układ napędowy (pędnik + wał śrubowy + wał(y) pośredni +silnik diesla + ewentualnie przekładnia) 1. Łożyskowanie wałów Łożyskowanie wałów śrubowych Łożyska ślizgowe smarowane olejem Łożyska ślizgowe smarowane wodą Łożyska toczne Uszczelnienia wałów śrubowych 1.3. Łożyskowanie wałów pośrednich Łożyska toczne Łożyska ślizgowe Łożyskowanie wałów oporowych Łożyska oporowe (wzdłużne) toczne Łożyska oporowe ślizgowe System z pędnikiem azymutalnym Łożyska toczne Pędniki azymutalne z napędem poprzez wał pionowy Pędniki azymutalne z napędem silnikiem elektrycznym na wspólnym wale 1
Schemat klasycznego układu napędowego. 1-wał śrubowy, 2,3-wał pośredni, 4-ślizgowe łożysko rufowe wylane stopem łożyskowym, 5- przednie łożysko ślizgowe wału śrubowego., 6-ślizgowe łożysko porzeczne wału pośredniego, 7-ślizgowe łożysko wzdłużne, 8,9-uszczelnienia wału śrubowego, 10,11,12- sprzęgła kołnierzowe łączące odcinki wału. Linia wału statku jednośrubowego z silnikiem na śródokręciu 2
Rysunek konstrukcyjny wału śrubowego Źródła obciążeń panwi wałuśrubowego: Ciężar wału wraz z pędnikiem i sprzęgłem. Obciążenia dynamiczne od pracy statku na fali. Obciążenia dynamiczne od niewyrównoważenia pędnika. Wał śrubowy to najbardziej obciążony odcinek wału napędowego. Najmocniej obciążoną panwią jest tzw. panew rufowa (od strony pędnika). Towarzystwa klasyfikacyjne stawiają surowe wymagania zarówno materiałom z których wykonuje się łożyska, jak i żądają aby łożyska miały odpowiednie minimalne proporcje geometryczne. Łożyska ze względu na rodzaj czynnika smarnego możemy podzielić na dwie grupy: Smarowane olejem. Smarowane wodą. 3
Uproszczony rysunek wykonawczy wału pośredniego Rysunek wału pośredniego 4
Wał oporowy Łożysko oporowe 5
Łożyska wału śrubowego Łożyska wałów pośrednich 6
Łożyska wału pośredniego Samo smarne łożysko ślizgowe wału pośredniego w oprawie dwudzielnej z układem chłodzenia i czujnikami temperatury dla średnic powyżej 121 mm Łożyska ślizgowe smarowane olejem. Obecnie szeroko stosuje się łożyska ślizgowe wylane stopami łożyskowymi smarowane olejem. Jest to rozwiązanie sprawdzone i generalnie niezawodne. Charakteryzuje się ono następującymi zaletami i wadami: + Prawidłowo zaprojektowane zapewnia zaistnienie smarowania hydrodynamicznego dzięki któremu zmniejsza się zużycie pary ciernej. Poza tym klin smarny ma dobre właściwości tłumiące (tłumienie drgań od pędnika), a współczynnik tarcia praca takiego łożyska jest bardzo niski ( nawet o dwa rzędy od pracy na sucho ). Łożysko takie ma wysoki zapas nośności co ma duże znaczenie w stanach awaryjnych jak np. deformacja pędnika i powstanie dodatkowej dynamicznej siły poprzecznej. Niewątpliwą zaletą jest możliwość zakupienia gotowego łożyska u renomowanego producenta, który bierze odpowiedzialność za swój produkt. Dla przykładu firma Cedervall oferuje gotowe panwie wylane białym metalem, lub innymi stopami łożyskowymi do 990 mm średnicy wału. 7
+ Łatwość naprawy regeneracji Jest dużo firm które zajmują się tzw. wylewaniem metalu białego, co obniża koszty remontu. Niewątpliwą zaletą jest doskonały poziom wiedzy na temat takiego rozwiązania konstrukcyjnego, co umożliwia poprawne zaprojektowanie łożysk. Wady: - Wysokie koszty remontu gdyż wykonawca musi posiadać wyspecjalizowanych maszyn do obróbki jak np. dużych rozmiarów szlifierka do wałów Konieczne jest bardzo dokładne zachowanie tolerancji kształtu i wymiarów oraz niskich chropowatości powierzchni są to warunki niezbędne dla poprawnej i długiej pracy zespołu ciernego jak również dla zaistnienia smarowania hydrodynamicznego. - Cenę takiego rozwiązania niewątpliwie podwyższa koszty niezbędnych uszczelnień (od strony pędnika i wału pośredniego). Jest to rozwiązanie niekorzystne dla środowiska naturalnego, gdyż instalacja olejowa pracuje w nadciśnieniu względem otoczenia, czyli w przypadku awarii olej wydostaje się do wody. Łożyskaślizgowe smarowane wodą. W ostatnim czasie coraz szerzej stosuje się łożyska ślizgowe z tworzyw sztucznych smarowane wodą. Stało się to możliwe dzięki dynamicznemu rozwojowi technologii polimerów. Takie rozwiązanie konstrukcyjne jest bardzo proste. W panwi z tworzywa pracuje wał ze stali nierdzewnej ( ewentualnie na wale jest umieszczona nierdzewna tuleja). Najczęściej węzeł cierny smarowany i chłodzony jest przez filtrowaną wodą zaburtową. Jest ona przetłaczana od wewnątrz pochwy wału kolejno przez obydwie panwie a następnie wypływa przy pędniku. Obecnie rozwiązanie takie cieszy się coraz większym powodzeniem. Producenci zyskali cenne doświadczenie, często poprzez konieczność usuwania poważnych awarii. W chwili obecnej listy statków na których zamontowano takie łożyska są coraz dłuższe. Dla przykładu firma TENMAT przedstawia listę kilkudziesięciu jednostek, a firma THORDON jest dostawcą na tankowce koncernu BP (do 700 mmśrednicy wału). 8
Zalety łożyskowania przy pomocy polimerów: Prosta konstrukcja, mała liczba elementów, co wpływa na niską cenę takiego rozwiązania, brak zagrożenia dla środowiska naturalnego. Dobre własności tłumiące materiału (ale słabe tłumienie filmu wodnego). Wady: - Panwie z tworzywa sztucznego wykazują wszystkie wady typowe dla polimerów jak wrażliwość na podwyższoną temperaturę co może okazać się ważne w stanach awaryjnych (zużycie adhezyjne). Niska odporność na obciążenia zmienne. - Wpływ temperatury i wody na polimer materiał pęcznieje. Powoduje to niemożność uzyskania stałej w czasie geometrii, zwłaszcza utrzymania stałego luzu promieniowego co może mieć wpływ na warunki pracy. -Jeżeli uda się uzyskać smarowanie hydrodynamiczne to klin smarny nie ma tak dużej nośności jak w przypadku smarowania olejem. Można przypuszczać, że łożysko pracuje w obszarze tarcia mieszanego. Należy zaznaczyć, że klasyczny układ napędowy umożliwia przeniesienie praktycznie dowolnej mocy, gdzie jedynym ograniczeniem są koszty i względy technologiczne (jak np. problem obróbki i montażu ogromnych wałów). Łożyska toczne. Mimo wielu zalet łożyskowanie wału śrubowego przy pomocy łożysk tocznych (patrz rozdział 1.3.) jest realizowane sporadycznie. Spowodowane jest to głównie tym, że łożyska toczne są nie dzielone (trudny montaż w przypadku konieczności wymiany trzeba zdemontować przynajmniej jeden odcinek wału), oraz tym, że przy dużej nośności łożysko ma dużą średnicę zewnętrzną. 9
Uszczelnienia okrętowych łożysk smarowanych olejem Uszczelnienia wałów śrubowych można podzielić na dwie grupy: Uszczelnienia wargowe (maksymalna głębokość pracy 15m). Uszczelnienia czołowe. Uszczelnienia z obydwu grup mogą być wykonane jako dzielone lub nie dzielone. Zastosowanie uszczelnienia o konstrukcji dzielonej umożliwia remont bez demontażu linii wału lub pędnika. Schemat rufowego uszczelnienia czołowego typu CEDERVALL: 1- wał śrubowy, 2- piasta śruby, 3- tuleja łożyska, 4-pochwa wału, 5-pierścień prowadzący, 6-pierścień ślizgowy, 7-pierścień oporowy, 8- sprężyna dociskowa, 9-osłona uszczelnienia Jednym z najstarszych rozwiązań uszczelnienia czołowego jest rozwiązanie typu Cedervall (rys.). Powierzchnię uszczelniającą tworzy styk powierzchni obracającego się pierścienia ślizgowego (6) wylanego stopem łożyskowym i dociskanego sprężynami do powierzchni oporowej (7). Pierścień ślizgowy i oporowy jest dzielony dzięki czemu można przeprowadzić naprawę bez wyjmowania linii wału i pędnika. Obecnie w nowoczesnych konstrukcjach zamiast miękkiego stopu łożyskowego stosuje się twardy materiał ślizgowy. Rozwiązanie takie ma jednak znaczącą wadę. Sztywność całej konstrukcji powoduje, że jest to rozwiązanie wrażliwe na tzw. błędy położenia wynikające np. z niedokładnej obróbki. Dla przykładu nie prostopadłość czołowej powierzchni pędnika lub pochwy wału do osi wału napędowego (osi obrotu) może spowodować wycieki oleju gdyż uszczelnienie nie jest samonastawne. Problem ten uwzględniono w nowoczesnych rozwiązaniach np. firmy Cedervall. Pierścienie ślizgowe osadzone są w korpusach z pewnym luzem, a uszczelnienie zapewniają o-ringi (rys. ). 10
Nowoczesne czołowe uszczelnienie firmy CEDERVALL Uszczelnienie wargowe typu Simplex Schemat uszczelnienia rufowego wargowego typu SIMPLEX. 1-korpus uszczelnienia, 2- pochwa wału, 3- tuleja łożyska pochwy, 4-tuleja wału, 5- pierścień prowadzący, 6-tylne pierścienie uszczelniające, 7- przedni pierścień uszczelniający, 8- sprężyna, 9- piasta śruby, 10- wał śrubowy, 11- osłona, 12-korek. 11
Schemat uszczelnienia rufowego wargowego typu Sublime. 1-korpus uszczelnienia, 2- tuleja łożyska pochwy, 3- tuleja wału, 4-pierścień prowadzący, 5- elastyczna membrana gumowa, 6- pierścienie uszczelniające, 7- piasta śruby, 8- wał śrubowy Uproszczony schemat układu olejowego do smarowania uszczelnień wału śrubowego 12
13
14
15