Изследване на причините, възпрепятвали нормалната работа на кормилното устройство но новопостроен кораб

Емра Къзълай

Технически университет – Варна, ул. „Студентска”№1
По време на стадъчни изпитания, провеждани във Варна на построен в Русенска корабостроителница химикаловоз се появява сериозен проблем, който се явява непреодолимо препятствие пред въвеждането на кораба в експлоатация изразяващ се в следното: При изпитване на кормилното устройство на кораба, който е двубинтов и с две кормила, при последавателно отклоняване на кормилата към ляв и десен борд, при пълен преден ход на кораба, не колкократко, лявото, а в някои случаи и дясното кормило остават блокирани в крайно положение.

За решаване на проблема от ръководство на Русенския завод бе потърсена помощта на Техническия университет във Варна. За изнасяване на причините, довели до горепосочения проблем от група преподаватели, докторанти и студенти, от катедра Корабостроене на ТУ-Варна съвместно със специалисти от завода производител, бяха напревени съответните, проверочни изчисления, тензометрични измервания, анализи и др. и предприети поредица от мерки, довели до успешното приключване на сдатъчните изпитания

Екстрените анализи на проблема, които бяха проведени , без да може да бъде осигурена на този етап чертожна документация, само по външния вид на кормилното устройство и резултатите от изпитанията, способстваха за оформянето на следните първоначални хипотези за причините довели до моментното заклонване перото, при пълен ход:

Освен, съмненията за недостатъчна хлабина, поради набъбване на пластмасовата втулка на долния лагер,и нараснало триене от увеличения брой набивки в салниковия възел, още от външния вид на устройството, което можеше добре да бъде наблюдавано от брега , поради изпомпания баласт, ставше ясно, че конструкцията на кормилата и закрепването им към корпуса на кораба не са традиционни. Кормилата бяха от висящ тип, без никакви стабилизиращи балера кронщейни или рудерпост. От друга страна горната шайба на перото е значително отдалечена от кърмата и затова се е наложило монтирането на обтекател, който има формата на перото и е заварен за долната част на кърмата. виж фиг. 1

Тъй като конструкцията на кормилната машина е такава, че изпълнява едновременно и ролята и на горен радиален и осов ( опорен ) лагер, тя поема и вертикалните усилия от теглото на балера и перото. За да се предпази кормилната машина от евентуални непредвидени удари на кормилото в грунта или подводна скала, които могат да превишават допустимото вертикално усилие, на горната шайба на перото са монтирани ограничителни планки, които трябва да имат хлабина от 1-2 мм спрямо долната шайба на обтегателя, т.е. би трябвало да не позволят вертикално повдигане на кормилото на не повече от 1-2мм.Измерените от екипажа хлабини бяха едва 0,5 – 0,6 мм, което породи съмнения от притискане на планките към долната шайба на обтекателя при огъване на балера . За анализиране влиянието на деформациите, предизвикани от огъване при конзолно закрепване на вала и ограничение в осовите хлабини беше изработен в най-кратки срокове физичен модел, чиято схема и външен вид са показани на фиг.2 и фиг.3.

фиг. 1 Схема на кормилното устройство при външен оглед

За анализиране влиянието на деформациите, предизвикани от огъване при конзолно закрепване на вала и ограничение в осовите хлабини беше изработен в най-кратки срокове физичен модел, чиято схема и външен вид са показани на фиг.2 и фиг.3.

Фиг..2 Схема на модела на кормилното устройство



Фиг.3 Външен вид на физичния модел

Проведените експерименти с физичния модел показаха рязко нарасване до 10 пъти на необходимия въртящ момент при едно и също радиално натоварване, но при различни монтажни аксиални хлабини. Виж фиг. 5.4

В резултат на анализа, на така оформените хипотези бяха предприети следните възможни на този етап действия:

1. За отстраняване евентуалното влияние на увеличения брой салникови набавки, едната лоена набавка беше временно отстранена, а салникът разхлабен, което не представляваше особена трудност.

2. За увеличаване хлабината между ограничителните планки и доланата шайба на обтекателя от екипажа на кораба бяха положени къртовски усилия. В продължение на 4 дни, от лодка с помощта на лист от ръчна ножовка, поради

трудно достъпното им положение, ограничителните планки бяха изпилени с още 1 мм. В резултат осовата хлабина беше доведена до препоръчителните 1.5мм./фиг.5.5/

Проведените ходови изпитания с кораба, след изпълнение на горепосочените мероприятия, за съжаление не показаха подобрение в работата на кормилното устройство при движение на кораба на пълен ход. Заклинванията на кормилното устройство при отклоненоно кормило и при започване на връщането му към неутрално положение продължиха.

Удълженият срок на сдаване на кораба и все по-нарастващите загуби свързани с това изискваха по-задълбочен анализ на причините и вземане на адекватни мерки.

От строителите накораба, вече бяха осигурени чертежи на кормилното устройство и бяха посочени данни за някои от основните характеристики на кораба. В резултат на това беше решено да се направят проверочни хидравлични изчисления за странична сила, възникваа в перото на пълен ход, а така също и за необходимия въртящ момент.

Подробното хидравлично изчисление изискваше задълбочен подход, тъй като формата на кораба е комбинация между еднокорпусна и катамаранна в кърмовата част.

От друга страна, перото е с нехарактерна форма, а наличието на обтекател, още повече усложнияваше пресмятането.

Хидравлични изчисления за определяне на характеристиките на кормилното устройство.

Изходни данни за пресмятане на хидродинамичните характеристики на перото

1) Дължина между перпендикулярите L₁₁ = 82,000 м

2) Коефициент на обща пълната С_B = 0,780 м

3) Брой на кормилата nр = 2

4) Брой на винтовете n_B = 2

5) Площ на перото S_р = 5,460 м²

6) Площ на частта на перото попадаща в струята на винта S_b = 3,950 м³

7) Височина на перото, измерена по осто на балера h_p = 3,500 м

8) Средна хорда на перото b_cp = 1,560 м³

9) Относително удължение на перото λ = 2,244

10) Коефициент на компенсация на перото К = 0,353

11) Диаметър на винта D_b = 2,500 м

12) Разстояние от остта на винта до остта на балера У_р = 0,000 м

13) Максимална дебелина на профила на перото на

нивото на оста на винта δ_n = 0,474 м

14) Разстояние от диска на винта до предния ръб. на перото Х_р = 1,200 м

15) Радиус на главината на винта r = 0,375 м

16) Относително удължение на частта на перото, в

студята на винта λ₁= 1,582

17) Средна хорда на частта от перото, обтичана от горната

половина на струята на винта В_СР1 = 1,620 м

18) Средна хорда на частта от перото, обтичана от долната

половина на струята на винта В_СР2 = 1,540 м

19) Средна хорда на частта от перото, обтичана

от струята на винта В_СРb = 1580 м

20) Относително напредване на гребния винт λ_р = 0,501

21) Коефициент на упора на винта К₁ = 0,238

22) Коефициент на момента на винта К₂ = 0,0363

23) Разстояние от долния ръб на перото да оста на винта d =2,150 м

24) Скорост на кораба на преден ход V_S = 12,5 kn (6,425 m/s)

25) Упор на винта при скорост при V_o P= 112303 N = 11447,8 _KгC

26) Cкорост на кораба на заден ход V_З = 8,0 kn ( 4,112 m/s)

27) Посока на въртене на гребните винтове - винтовете са с „външно ” въртене : десния на дясно, левия на ляво. Ще определим характеристиките на дясното перо, отчитайки, че при преден ход винта се върти на дясно. На лявато перо характеристиките ще бъдат аналогични.

По нататък хидравличините изчисления обхващаха следните етапи, сотчитане на особености като:

1.Зависимост на хидродимичните характеристики на изолираното перо от ъгъла на атака;

2.Перото има трапецовидна форма горния му край се намира на разстояние от корпуса по-голямо от максималната дебелина на профила.

3. Скорост на потока, обтичащ частите на перото не попадащи в струята на винта;

4. Коефициент на натоварване на гребният винт по упор;

5. Скорост на обтичане на перото на руля с отчитане влиянието на винта

6. Максимален ъгъл на скоса (косото обтичане / дължащ се на усукването на струята на винта.

7. Среден ъгъл на сила на потока от усукването на струята за частта от руля попадаща в струята.

8. Хоризантално изместване на перото спрямо оста на винта няма следователно.

9.Среден ъгъл на скоса на потока от усукването на струята за цялото перо.

10. Ъгъл на скосяване на потока, предизвикан от границата на струята на винта.

11.Определяне на ъглите на отклонение на перото на руля,съответсващи на ъглите на атака

12. По данните за С_yp , C_xp и С_р при λ=2,244 за ъгла на атака са построениграфиичните зависимости

13. От кривите на фиг: 3 са снети стойностите на коефициентите на С_yp , C_xp, C_p за ъгъла на отклонение на перото на руля α равни съответно на 5,10...35º.

За тези ъгла са пресметнети коефициентите на нормалната сила С_np и на момента С_мр;



Фиг. 6

14. Тъй като средния ъгъл на скоса на потока , то към коефициента на момента се въвежда допълнителна покривка , отчитаща изменението на ъглите на атака по хордата на перото (2);

Изчисленията са извършена в табл: 4.

15. Перото на руля при е в една равнина с оста на валолинията, затова няма корекция към С_yp и С_mp за изместване в хоризонталната равнина.

16. По данните от табл: 4. за коефициентите C_yp, C_xp, C_no и C_mp се определят хидродинамичните сили P_X , P_y ,P_n момента М, действащи на перото на руля.

Изчисленията са извършена в табл; вид, а графичните зависимостта P_y ,P_x, M= са показани на фиг.7. Фиг.7 Графично представяне зависимостите на нормалната сила Ру, силата Рх и момент М отъгъла на завъртане на перото.

1.От резултатите на проведените хидравлични изчисления, показани на фиг.7.,следва,че максималният въртящ момент, от обтичането на перото при пълен ход на кораба не превишава 35,5 kNm

2. Поради силно изтеглената назад ос на балера на кормилото, което е довело до голяма степен на балансираност на перото, моментът остава отрицателен, при отклоняване от неутрално положение към бордовете, т.е рулевата машина само компенсира разликата между хидравличния момент и момента от триене като фактически задържа перото. Същинското натоварване на машината се получава при връщане на перото от крайно ляво ( дясно ) положение към неутрално , когато двата момента се сумират.

3. Максималната ,резултатна странична сила, възникваща при обтичане на перото на пълен ход е 165 kN.

Тази странична сила, освен че предизвиква хидравличния момент е в основата на момента от триене, който също е максимален в крайно отклонено положение.

Анализът на резултатите от проверочните хидравлични изчисления, даде възможност за оформяне на следните хипотези, обясняващи възникналите проблеми:

Независимо от неособено удачната форма на перото, изразяваща се в голяма балансираност, възникващият въртящ момент в балера в резултат от хидродинамичните сили е по-малък от допустимия въртящ момент на кормилната машина, макар и запасът да не е голям. Това показва, че блокирането на кормилното устройство, не би могло да се дължи на недостатъчна мощност на кормилната машина, а може да се дължи на следните причини:

1. Блокиране на самата хидравлична машина, т.е. заклинване по някаква причина на ротора в статора, в резултат на което, въпреки скока в налягането на помпите, въртящия момент, предаван от кормилната машина на балера ,остава същия или незначително се променя.

1. 
   Блокиране поради нерегламентирано триене, поради неточности в салниковия възел, проблеми в лагеруването на балера в долния лагер, в резултат на триене, несъосност или друга причина, които рязко нарастват в крайните ъгли на отклонение.
   

За предприемане на по-нататъшни мерки по решавне на проблема, беше необходимо да се установи:

1. 
   Дали кормилната машина блокира при големи ъгли на отклонение
   
2. 
   Дали балерът заклинва в резултат на неточен монтаж или недобро лагеруване
   

Във втория случай, беше необходимо да се разглоби кормилното устройство и да се ремонтира.

Тъй като и двата варианта бяха свързани с много разходи, предложено беше на строителите, първоначалното да се измери експериментално, предавания от хидравлична мащина въртящ момент, по време на ходови изпитания в момент на блокиране на кормилното устройсво, за да се установи дали е изправна или не!

Ако предавания въртящ не се промени, това щеше да означава, че повредата е в хидравличната машина и тя трябва да се подмени, ако той нарасне и въпреки това не придвижва кормилното устройство, повредата трябва да се търси в монтажа или лагеруването на балера.

За съжаление, притиснати от сроковете за сдаване на кораба, строителите предприеха всичко едновременно. От чужбина, срочно беше повикан специалист да установи евентуална повреда в монтираната кормилна машина, а от Русе незабавно беше транспортирана нова рулева машина и специалисти за подмяната и със старата.

Въпреки всичко, преди да бъдат подменени кормилните машини, беше проведено измерване на предавания въртящ момент непосредствено между салника и кормилната машина. Виж фиг. 8



Фиг.8 Разположение на тензодатчиците на балера , между салника и кормилната машина

Налягането на предпазните клапани, с разрешение на производителя бе повишено на 150 бара. Измерването беше осъществено с тензометрична апаратура, макар и при недосатъчно прецизни условия, изразяващи се в трудно поддържане на зададена скорост на кораба, поради продължително движение с отклонено кормило, и непрекъснати колебания в показанията, дължащи се на преходните процеси, свързани с отклоняването на перото.

Резултатите от ограничения брой изпитания, проведени при относително близки скорости, показаха следното:

а) Относително бавното отклоняване на лявото кормило към ляв борд, със задържане през 5 градуса не довежда до блокиране на кормилното устройство. Отклонението бавно на десен борд също не довежда до блокиране на устройството.

б) Рязкото отклоняване на кормилното на ляв борд и връщане към неутрално положение при скорост над 12 възела довежда до блокиране на кормилното устройство в крайно ляво положение и невъзможност за връщането му в изходно положение, виж. Фиг. 9 и 10.



Фиг.9 Зависимост на измерения въртящ момент ,предаван от хидрамличната машина във функция от ъгъла на отклонение.



Фиг.10 Изменение на въртящия момент в зависимост от спадането на скоростта на кораба при блокиране на кормилото.

Задържането на обратния ход на кормилото, което бе съпроводено с рязко, почти трикратно нарастване на момента, въпреки че скоростта падна до 8,1 възела показа , че кормилната машина предава превишаващ номиналния въртящ момент, който бе пропорционален на увеличеното налягане на манометрите. Затова проблемът трябваше да се търси по продължение на балера, някъде по-надолу от тензометричната апаратура.

г) Аналогични измервания бяха проведени с дясното кормило, но при него не беше отчетено заклинване.

Анализът на резултатите от проведените експерименти, дадоха възможност за оформяне на следните изводи:

2. Рязкото нарастване на въртящия момент в крайно ляво положение, при пълен ход и последователна смяна на посоката на движение се дължи на силно затруднено завъртане на балера, което може да се дължи на

а)триене на балера при деформация в хоризонталната плоча под салника, в случай че същата е неточно монтирана към корпуса тъй като последната не се разтиргва при монтажа на устройството, виж фиг. 11.

б) недопустимо голямо триене на балера в пластмасовата втулка на долния лагер. Последното може да се дължи на :

- недостатъчна хлабина от набъбване на пластмасата във водата.

- несъосност при монтажа на балера към кормилната машина, при поставяне на фиксиращите пръстени, виж фиг.7.4

- несъосност при разстъргването на леглото за пластмасовата втулка на долния лагер.

- неотчетени деформации на балера при екстремални хидродинамични натоварвания на перото.

За окончателно решаване на възможните проблеми, възпрепятстващи нормалната работа на кормилното устройство , трябваше да се установи точно последователността на предприеманите мерки, тъй като това означаваше големи разходи на време и средства.

След като отпаднаха и последните съмнения за неточности в салниковия възел, беше взето решение за разглобяване на кормилните устройства, което беше проведено в следната последователност:

1. 
   Повдигане на кораба с помоща на сухия док на кораборемонтния завод , „Одесос” фиг8.1.
   

3. Спускане на перата , с помоща на лебетки /тали/ на палубата на дока.

4.Спускане на балерите през хелпортовите тръби с помощта на система от лебедки /тали/.

5. Измерване действителните размери на лагерната втулка и облицовката на балера и оглеждане лагерната повърхнина, виж фиг. 8.4.

6. Центроване на балерите на струг и финно отнемане от облицовката на стружка с обща дебелина 0,9мм, виж фиг 9.

7. Монтаж на кормилното устройство по обратен ред.

Отнемане на част от материала на лагерната облицовка на балера бе предприето след като бе отчетено, че хлабината между балера и втулката бе само 0,2мм, което за диаметър от 300мм е недостатъчно за компенсиране на допуснатите неточности при монтажа и деформациите от хидродинамичните сили върху кормилото.



Фиг.9 Центроване балера на струг , снемане на стружка и шлайфане

Съгласно изискванията на БКР ,монтажната хлабина между шийките на балера и бронзови лагерни втулки е равна на ~0,002d, като за диаметър d=275-325мм стойността е 0,60-0,70мм.При лагери от бакаут ,обаче е посочена стойост, която е около три пъти по-голама.

1. Анализът на проблемите възникнали при ходовите изпитания на изследваното кормилно устройство , показва че проектантите трябва много внимателно да подхождат към избора на пластмаси, заменящи металните, гумените или бакаутови лагери, както при хемпортовата тръба, така и при дейдвудните устройства. Стриктно трябва да се спазват препоръките на фирмите производителки, по отношение допуските и сглобките, за да се гарантират необходимите хлабини след неизбежното набъбване на материала.