Mikä on säädettävän nousun potkurin toimintaperiaate?
A Ohjattava potkuri (CPP) toimii pyörittämällä jokaista potkurin siipeä oman pitkittäisakselinsa ympäri samalla kun akseli pyörii tasaisella nopeudella. Tämä pyöriminen muuttaa kulmaa, jossa terä kohtaa veden – tunnetaan nousukulmana – joka ohjaa suoraan, kuinka paljon työntövoimaa syntyy ja mihin suuntaan. Vaihtelemalla tätä kulmaa jatkuvasti navan sisälle sijoitetun hydraulisen servomekanismin avulla, propulsiojärjestelmä voi tuottaa minkä tahansa työntövoiman täydestä eteenpäin täysin taaksepäin muuttamatta koskaan moottorin nopeutta tai pysäyttämättä akselia.
Pohjimmiltaan: moottori asettaa pyörimisenergian ja siiven nousu määrää, mitä potkuri tekee sillä. Tämä nopeudensäädön erottaminen työntövoiman ohjauksesta tekee CPP:stä pohjimmiltaan erilaisen kiinteän nousun järjestelmästä – ja mikä antaa sille sen suorituskykyetuja polttoainetehokkuuden, ohjattavuuden ja toiminnan joustavuuden suhteen.
Jotta ymmärrät, miksi nousukulman muuttaminen ohjaa työntövoimaa, se auttaa ymmärtämään potkurin lavan hydrodynamiikkaa. Jokainen terä toimii pyörivänä kantosiipialana. Kun se liikkuu veden läpi, kaareva etupinta luo alueen, jossa toiselle puolelle on pienempi ja toiselle korkeampi paine, mikä synnyttää nostovoimaa – ja juuri tämä nostovoima, joka jakautuu akselin pyörimissuuntaan ja aluksen kulkusuuntaan, tuottaa työntövoiman ja vääntömomentin.
The nousukulma (kutsutaan myös teräkulmaksi tai asetuskulmaksi) määrittää kulman terän jännelinjan ja pyörimistason välillä. Kun tätä kulmaa suurennetaan, terä jättää enemmän pinta-alaa vastaantulevalle vesivirralle, mikä lisää paine-eroa ja synnyttää enemmän työntövoimaa. Kun kulmaa pienennetään kohti nollaa, terä tulee lähes yhdensuuntaiseksi veden virtauksen kanssa eikä tuota juuri lainkaan työntövoimaa - niin sanottu höyhenen tai nollapituustila. Kun kulma kulkee nollan kautta negatiiviselle alueelle, paine-ero kääntyy ja potkuri kehittää taaksepäin työntövoimaa.
Tyypillisessä suuressa CPP-asennuksessa koko nousualue ulottuu alkaen noin 35° (täysin eteenpäin) 0°:sta (nolla työntövoima) noin −28°:een (täysin taaksepäin) . Koko pyyhkäisy maksimista eteenpäin maksimiin taaksepäin on saavutettavissa 15-30 sekuntia useimmissa nykyaikaisissa järjestelmissä verrattuna useisiin minuutteihin, jotka vaaditaan tavanomaiseen moottorin suunnanvaihtoon.
Äänenkorkeuden muutosmekanismi on CPP-järjestelmän sydän. Kaikki kriittiset komponentit sijaitsevat pyörivän navan sisällä, jonka on pysyttävä täysin vesitiiviinä siirtäen samalla sekä pyörimismomenttia akselilta että nousun muutosvoimat hydraulijärjestelmästä.
Jokaista potkurin siipeä ei ole pultattu jäykästi napaan, kuten kiinteän nousun järjestelmässä. Sen sijaan jokainen terä on asennettu a nivellaakeri — tarkasti koneistettu sylinterimäinen tappi, jonka avulla terä voi pyöriä vapaasti oman säteittäisen akselinsa ympäri. Terän juuressa on laipallinen jalka, joka istuu akselin päällä, ja suurihalkaisijaiset laakerirenkaat (yleensä liuku- tai rullalaakerit pronssista tai ruostumattomasta teräksestä) kantavat täyden keskipako- ja hydrodynaamiset kuormat mahdollistaen samalla tasaisen pyörimisen. Laakerin halkaisija suuressa aluksessa CPP voi ylittää 600 mm , ja järjestelmän on kestettävä keskipakovoimat, jotka lähestyvät useita satoja kilonewtoneja terää kohti täydellä akselin nopeudella.
Naparungon sisällä jokainen terän tappi on yhdistetty keskeiseen liukukomponenttiin, jota kutsutaan nimellä ristipää (kutsutaan myös liukukappaleeksi tai männänvarren jatkeeksi) kampitapin ja kiertokangen järjestelyn kautta. Tämä muuttaa ristipään lineaarisen aksiaalisen liikkeen pyöriväksi liikkeeksi terän nivelessä. Kun ristipää liikkuu eteenpäin akselin akselia pitkin, kaikki terät pyörivät samanaikaisesti yhteen suuntaan; kun se liikkuu perään, kaikki terät pyörivät toiseen suuntaan. Kammen tapin poikkeaman geometria ja kiertokangen pituus määräävät nousun muutosnopeuden – tyypillisesti suunniteltu siten, että koko nousualue katetaan ristipään liikeradalla. 150-400 mm , navan koosta riippuen.
Ristipäätä käyttää a hydraulinen servomäntä , joka on koko sävelkorkeuden muutosjärjestelmän käyttöelementti. Useimmissa malleissa servomäntä kulkee itse navan rungossa olevan sylinterin reiän sisällä tai erillisessä servoyksikössä, joka on asennettu navan taakse. Painehydrauliöljy johdetaan männän kummallekin puolelle onton potkuriakselin läpi porattujen aksiaalisten kanavien kautta. Lisääntyvä paine männän etupuolelle työntää ristipäätä eteenpäin ja pyörivät siivet eteenpäin kohti; lisääntyvä paine takapintaan kääntää liikkeen taaksepäin.
Tyypillisissä CPP-järjestelmissä hydraulinen käyttöpaine vaihtelee 100-250 bar , ja öljyvirtaus nousun vaihdon aikana mitataan tarkasti servosäätöventtiilillä, joka reagoi sillalta tuleviin nousukomentosignaaleihin. Napassa käytetty öljy on tyypillisesti laivojen hydrauliöljyä korroosionesto- ja kulumisenestoaineilla, joka on täysin yhteensopiva nailon-alumiini-pronssi sisäosien kanssa.
Yksi CPP-suunnittelun kriittisimmistä suunnitteluhaasteista on hydrauliöljyn toimittaminen mekanismiin, joka pyörii jatkuvasti navan sisällä. Tämän ratkaisee öljynjakolaatikko (OD-laatikko) , joka tunnetaan myös nimellä siirtoputki tai pyörivä liitos, asennettu propulsiojärjestelmän kiinteään (ei pyörivään) osaan – tyypillisesti vaihteiston takapäähän tai painelaakeripesään.
OD-laatikko sisältää kiinteän ulkokotelon ja pyörivän sisäholkin, joka on kiilattu potkurin akseliin. Nämä kaksi elementtiä erottavat tarkasti asennetut rengasmaiset öljykäyrät ja tiivistysrenkaat, jotka mahdollistavat paineistetun öljyn kulkemisen kiinteästä hydraulipiiristä pyörivien akselien kanaviin - ja paluuöljyn valumisen takaisin ulos - ilman vuotoa, vaikka akseli pyörii 100-600 rpm . Tyypillisesti ylläpidetään kahta tai kolmea erillistä öljykanavaa: yksi eteen-nousupaineelle, yksi peräpintapaineelle ja yksi navan voitelulle ja tyhjennykselle.
OD-laatikon tiivisteet ovat yksi CPP-järjestelmän eniten kuluvista komponenteista ja vaativat tarkastus jokaisen kuivatelakan välein (yleensä 2,5-5 vuoden välein). Nykyaikaisissa malleissa kulumista kompensoivat tiivistejärjestelyt ja kunnonvalvonta öljyhäviöantureiden avulla pidentävät luotettavia huoltovälejä ja antavat ennakkovaroituksen tiivisteen huononemisesta.
Hydraulinen voimayksikkö (HPU) on CPP-järjestelmän rantapuolen tekninen sydän, joka sijaitsee tyypillisesti konehuoneessa vaihteiston tai moottorin vieressä. Se syöttää, suodattaa ja säätelee painetta hydrauliöljyä, joka käyttää servomäntää.
Normaali HPU keskikokoiselle CPP-asennukselle sisältää:
Luokkayhteiskunnan säännöt aluksille, joissa propulsiohäviö aiheuttaisi turvallisuusriskin (lautat, säiliöalukset, jäänmurtajat), vaativat tyypillisesti täyden hydraulijärjestelmän redundanssin. Tämä tarkoittaa päällekkäisiä pumppusarjoja, päällekkäisiä ohjausventtiilisarjoja ja itsenäisiä sähkönsyöttöpiirejä, jotta yksittäisen komponentin vika ei johda nousun hallinnan menettämiseen. Jos hydraulipaine häviää kokonaan, useimmissa CPP-malleissa on mekaaninen lukitus, joka pitää siivet niiden viimeisessä käsketyssä nousussa, mikä muuntaa järjestelmän tehokkaasti kiinteän nousun potkuriksi hätäkäyttöä varten.
Ohjausjärjestelmä muuttaa ruorimiehen vivun liikkeen komentosillalla tarkaksi siiven kulman muutokseksi potkurin navassa. Nykyaikaiset CPP-ohjausjärjestelmät ovat täysin elektronisia ja tyypillisesti integroituja aluksen automaatio- ja moottorinohjausjärjestelmiin.
Useimmissa CPP:llä varustetuissa aluksissa yksi yhdistetty ohjausvipu (CCL) komentosillalla ohjaa samanaikaisesti sekä moottorin nopeutta (RPM) että potkurin nousua esiohjelmoidun kombinaattorikäyrän mukaisesti. Vivun siirtäminen eteenpäin nostaa nousua ja, jos kombinaattori niin vaatii, lisää myös moottorin kierroslukua – mutta kierrosluvun ja nousun välinen suhde on optimoitu polttoainetehokkuuden kannalta pikemminkin kuin suhteellinen. Tämä kombinaattorin ohjausstrategia on yksi tärkeimmistä mekanismeista, joilla CPP-järjestelmät saavuttavat polttoaineen säästöjä FPP-järjestelyihin verrattuna, koska se pitää moottorin lähellä sen vähimmäispolttoaineenkulutuksen (SFOC) toimintapistettä koko aluksen nopeusalueella.
Todellinen nousukulma mitataan jatkuvasti a:lla sävelkorkeuden palauteanturi — tyypillisesti lineaarisesti muuttuva differentiaalimuuntaja (LVDT) tai pyörivä anturi — asennettuna ristipäähän tai servomännän varteen. Tätä takaisinkytkentäsignaalia verrataan suljetun silmukan säätimessä (tyypillisesti PID-algoritmiin) annettuun äänenkorkeuteen, ja kaikki poikkeamat korjataan säätämällä servoventtiiliä. Tuloksena on sävelkorkeuden paikannustarkkuus tyypillisesti sisällä ±0,1° - ±0,3° käsketystä kulmasta jopa vaihtelevissa hydrodynaamisissa kuormiuksissa, jotka vaikuttavat teriin käytön aikana.
CPP-ohjaus on tyypillisesti saatavilla useilta asemilla: pääsillalta, sillan siivet (sataman ohjailua varten), koneen valvontahuoneesta ja paikallisesta hätäkeskuksesta itse HPU:ssa. Luokittelusäännöt edellyttävät yleensä, että sävelkorkeuden ohjauksen on oltava käytettävissä vähintään kahdelta riippumattomalta asemalta ja että paikallisen HPU-paneelin on aina kyettävä ohjaamaan sävelkorkeuden liikettä ylemmän tason ohjauselektroniikan tilasta riippumatta. Tämä kerrostettu redundanssi varmistaa, että sävelkorkeuden hallinta ei koskaan menetä yhden elektroniikkavian vuoksi.
Neljän ensisijaisen äänenkorkeuden tilan ymmärtäminen selventää, kuinka CPP hallitsee työntövoimaa kaikissa käyttöolosuhteissa:
| Pitch State | Tyypillinen kulma | Työntövoiman lähtö | Tyypillinen käyttötapaus |
|---|---|---|---|
| Täysin Edessä | 30° - 35° | Maksimi eteenpäin | Meriliikenne suunnittelunopeudella |
| Osittain Edessä | 10° - 25° | Vähennetty eteenpäin | Hidas höyrytys, satamalähetys |
| Nolla / höyhenpeitteinen | 0° - ±2° | Ei mitään (vähimmäisvastus) | Drift, vain akseligeneraattori |
| Osittainen Astern | -10° - -20° | Alennettu perä | Jarrutus, hallittu lähestyminen |
| Täysi Astern | -25° - -30° | Maksimi taaksepäin | Hätäpysäytys, törmäyspysäytysliike |
Sulkainen tila ansaitsee erityisen maininnan. Kun siivet on asetettu nollaan, ne esittävät pienimmän poikkileikkauksensa vesivirtaukselle, mikä vähentää dramaattisesti pyörivän kokoonpanon vastusta. Kaksoisruuvialuksissa toinen akseli voidaan varustaa ja lukita, kun taas toinen tarjoaa käyttövoimaa - vähentää polttoaineen kulutusta noin 8–12 % verrattuna tuulimyllyn kiinteän nousun potkurin vetämistä alhaisella nopeudella.
Yksi modernin tehokkaimmista ominaisuuksista CPP ohjausjärjestelmä on kombinaattorikäyrä — ohjelmoitu suhde komentosillan vivun asennon, moottorin kierrosluvun ja nousukulmakomennon välillä, joka koodataan ohjausjärjestelmään aluksen käyttöönottovaiheessa.
Sen sijaan, että yksinkertaisesti käskettäisiin enimmäisnousu ja maksimi kierrosluku maksimaalisella työntövoimalla (joka olisi tehotonta keskinopeuksilla), yhdistelmäkäyrä määrittelee kullekin vivun asennolle kierrosluvun ja nousun yhdistelmän, joka tuottaa vaaditun työntövoiman pienimmällä mahdollisella polttoaineenkulutuksella. Tyypillisesti tämä tarkoittaa:
Yhdistelmäkäyrä kehitetään tyypillisesti käyttämällä potkurin laskennallisia nestedynamiikan (CFD) malleja ja valmistajan moottorin suorituskykytietoja, minkä jälkeen sitä hienosäädetään merikokeiden aikana. Hyvin optimoitu yhdistelmäkone voi säästää polttoainetta 5–12 % käyttöjakson aikana verrattuna yksinkertaiseen suhteelliseen kierrosluvun ja sävelkorkeuden säätölakiin.
Kavitaatio tapahtuu, kun paikallinen vedenpaine potkurin lavan pinnalla laskee alle veden höyrynpaineen, jolloin vesi höyrystyy ja muodostaa höyryllä täytettyjä kuplia. Kun nämä kuplat romahtavat, kun ne siirtyvät korkeapaineisille alueille, ne tuottavat voimakkaita paikallisia painepulsseja, jotka aiheuttavat terän kulumista, melua, tärinää ja tehokkuuden heikkenemistä.
Pääasiallinen syy potkureiden kavitaatioon on suunnittelusta poikkeava toiminta – kun siiven iskukulma poikkeaa merkittävästi siitä arvosta, jolle siipi on suunniteltu, paikalliset painegradientit voimistuvat. Kiinteäopeuksinen potkuri on erittäin herkkä tälle millä tahansa muulla nopeudella kuin sen suunnittelunopeudella.
CPP välttää tämän jatkuvasti säädettävä nousu optimaalisen terän iskukulman ylläpitämiseksi millä tahansa nopeudella alus kulkee. Terä toimii aina lähellä suunnittelupistettään akselin kierrosluvusta tai aluksen nopeudesta riippumatta pitäen paikalliset paineminimit selvästi kavitaatiokynnyksen yläpuolella. Operatiiviset mittaukset CPP:llä varustetuilla lautoilla ja laivaston aluksilla on dokumentoitu kavitaatiomelun vaimennus 3-8 dB verrattuna vastaaviin kiinteän nousun asennuksiin sekä huomattavasti pienempien siipien pinnan eroosionopeudet ja pidemmät terien kunnostusoperaatioiden välit.
Dynaamiset paikannusjärjestelmät (DP) käyttävät yhdistelmää potkureita, ohjauspotkureita ja kehittynyttä ohjausohjelmistoa pitämään aluksen kiinteässä asennossa merellä tuulesta, aalloista ja virtausvoimista huolimatta. Propulsiotoimilaitteiden on reagoitava nopeasti ja tarkasti DP-tietokoneen jatkuvasti muuttuviin työntövoiman kysyntäsignaaleihin.
CPP sopii erityisen hyvin DP-käyttöön, koska:
Offshore-huoltoalukset, sukellustukialukset, kaapelinlaskualukset ja kelluvat tuotantoalukset ovat kaikki riippuvaisia CPP-ohjatusta propulsiovoimasta DP-operaatioissa, joissa sijainninpitotarkkuus ±0,5 - ±2,0 metriä tarvitaan rutiininomaisesti meritiloissa merkittäviin 4–5 metrin aallonkorkeuksiin asti.
Yksi tärkeä mutta usein huomiotta jäänyt CPP-ohjausjärjestelmän toiminto on moottorin kuormitussuoja . Raskaalla säällä, kun alus kallistuu ja potkuri nousee ajoittain ilmastetun vedestä tai juoksee siinä, potkurin kuormitus voi heilahtaa voimakkaasti - aiheuttaa moottorin ylinopeuden tai ylikuormituksen nopeasti peräkkäin.
CPP-järjestelmä voi torjua tämän automaattisesti. Ohjausjärjestelmä valvoo moottorin akselin vääntömomenttia (vääntömittareiden avulla tai laskettuna polttoaineen ruiskutustiedoista) ja vähentää automaattisesti nousua, kun vääntömomentti ylittää esiasetetun rajan, mikä estää moottorin ylikuormituksen. Päinvastoin, jos potkurin tuuletus aiheuttaa äkillisen vääntömomentin menetyksen ja moottorin ylinopeuden, nousua nostetaan nopeasti kuormituksen palauttamiseksi. Tämä vääntömomenttia rajoittava nousun säätö toiminto on erityisen arvokas:
Hallitsemalla aktiivisesti potkurin kuormitusta CPP-järjestelmä pidentää tehokkaasti moottorin ja vaihteiston käyttöikää ja vähentää kuormituksen aiheuttamien komponenttien väsymisvikojen esiintymistiheyttä.
Täydellinen CPP-propulsiojärjestelmä yhdistää useita osajärjestelmiä, joiden on toimittava tarkasti koordinoidusti. Alla olevassa taulukossa on yhteenveto kaikista tärkeimmistä komponenteista ja niiden toiminnoista:
| Komponentti | Sijainti | Toiminto | Avainparametri |
|---|---|---|---|
| Potkurin lavat | Napan ulkopuoli | Luo hydrodynaaminen työntövoima | Kaltevuusalue: -28° - 35° |
| Nivellaakerit | Napan runko | Tukee terän pyörimistä kuormituksen alaisena | Halkaisija jopa 600 mm |
| Ristipää / liukuva lohko | Napan sisäpuoli | Muunna lineaarinen männän liike terän kulmaksi | Aksiaalinen liike: 150-400 mm |
| Servo mäntä | Napa / servoyksikkö | Käytä ristipäätä hydrauliikan avulla | Käyttöpaine: 100-250 bar |
| Öljynjakolaatikko | Akseli/vaihteisto takapää | Siirrä öljy kiinteän ja pyörivän välillä | 2-3 erillistä öljygalleriaa |
| Hydraulinen voimayksikkö | Konehuone | Syöttö, suodatin ja paineensäätö | Virtaus: 40-200 L/min |
| Servo ohjausventtiili | HPU / venttiilipaneeli | Mittari öljyn virtaus mäntään per nousu | Vasteaika: <100 ms |
| Pitch-palautteen anturi | Ristipää / napa | Mittaa suljetun silmukan todellinen nousu | Tarkkuus: ±0,1° - ±0,3° |
| Yhdistetty ohjausvipu | Bridge | Komenna kierroslukua ja sävelkorkeutta kombinaattorin kautta | Yksiviputoiminto |
| Paineakku | HPU | Säilytä hätäpainetta pikeä varten | Typen esilataus |
Koska CPP toimii korkeapaineisen hydrauliikan, tarkkuusmekaanisten nivelten ja pyörivien tiivisteiden yhdistelmän avulla – kaikki toimivat merivesiympäristössä – sen huoltovaatimukset ovat huomattavasti suuremmat kuin kiinteän nousun potkurin.
Alukset, joissa on hyvin huollettu CPP-järjestelmä, saavuttavat rutiininomaisesti navan huoltovälit 10-15 vuotta , ja tärkeimmät sisäiset mekanismin osat pysyvät käytössä koko suurten kuivatelakointien välisen ajan, kun öljyn kuntoa ja tiivisteen eheyttä valvotaan tarkasti.
A Ohjattava potkuri (CPP) toimii pyörittämällä jokaista potkurin siipeä oman pitkittäisa...
READ MORESillaMetal vieraili yrityksessämme Äskettäin korealaisen asiakkaan valtuuskunta SillaMetal vierai...
READ MOREA kiinteäsippinen potkuri (FPP) siinä on lavat pysyvästi asetettuna yhteen kulmaan napaan nähden – kun ...
READ MOREPotkurin energiansäästölaitteet (ESD:t) toimivat optimoida hydrodynaaminen ympäristö laiva...
READ MOREOta yhteyttä nyt!