0 / CSAK ISKOLAI HASZNÁLATRA / VÍZI GÉPJÁRMŐ SZERKEZETEK /HAJÓK I. RÉSZ/ ÖSSZEÁLLÍTOTTA: SZEKERES GYÖRGY
1 A hajók gépszerkezetei. A belvízi és tengeri hajók fı szerkezeti és gépészeti felépítése alapvetıen megegyezik. Rendelkeznek: -célszerően kialakított hajótesttel - megfelelı típusú és teljesítményő hajtóegységgel /motorral, propellerrel/ - segédüzemő berendezésekkel - szivattyúkkal és csıvezetékekkel - biztonsági berendezésekkel - navigációs rendszerekkel - fedélzeti gépekkel - kormánymővel Hajtóegység / motor /: A hajó hajtásához szükséges mechanikai energiát szolgáltató erıgépet a hajó fıgépének nevezik. A belvízi hajók fıgépei általában dieselmotorok, de vannak dugattyús gızgépekkel üzemeltetettek is. A kisebb hajókon (átkelıhajókon, vízibuszokon, kis áruszállító hajókon, stb.) továbbá az önjáró uszályokon általában gépjármő motorokat, alkalmaznak. A hajókon a fıgépek hosszú ideig, megszakítás nélkül üzemben vannak, így a hajtásra figyelembe vehetı tartós teljesítményük a jármővek számára megadott névleges teljesítménynek kb. 60-70 százaléka lehet, A nagyobb belvízi önjáró áruszállító hajókban, -tolóhajók, vontatóhajók - a hajózás igényeinek megfelelı, négyütemő dieselmotorokat alkalmaznak. Ezek teljesítménye 200-700 kw, névleges fordulatszáma 3-5/s vagy 10-15/s tartományokban van. A korlátozott merülési lehetıségek miatt a belvízi hajókon alkalmazható legnagyobb hajócsavar átmérıje 1,5-1,8 m lehet. A hajócsavarok optimális fordulatszáma 3-5/s értékek között van a szokásos sebességeknél és teljesítménynél. Így a kisebb fordulatszámú motorok közvetlenül hajtják a hajócsavar tengelyét. Ezek a motorok un. reverzálható kivitelben készülnek; a vezérlésük átállításával mindkét irányban forogva mőködhetnek. A motor leállítása, ellenkezı forgásirányra való átállítása, s újraindítása 10 20 sec alatt lehetséges. A rövid idıtartam azért lényeges, mert a hajó fékezését csak a propellerek ellenkezı irányba forgatással lehetséges megoldani. A 10-15/s fordulatszámú motorok 2,5-3,5 módosítású, lassító fogaskerekeken keresztül hajtják a hajócsavarokat. Kisebb teljesítményeknél oldható tengelykapcsolóval csatlakozik a motor a fordulatszám csökkentı hajtómőhöz, melynek egy elıre és egy hátramenetnek megfelelı forgásirányt biztosító fokozata van. A tengeri hajók fıgépeként általában dugattyús gızgépet, gızturbinát, dieselmotort alkalmaznak. A hajóknak darabszám szerint kb. 90 százaléka, térfogatra kb. 64 százaléka dieselmotoros. A kisebb teljesítménynél kb. 4000 kw teljesítményig négyütemő, egyszeres mőködéső dieselmotorokat a1ka1maznak. Irányváltó hajtómővet csak a kb. 1000 kw alatti teljesítményő motoroknál építenek be. A nagyobb teljesítményőeknél 2-3000 kw teljesítményig még alkalmaznak fordulatszám csökkentı áttételeket A nagy teljesítményő diesel motorok általában közvetlenül, hajtják a hajócsavarokat. Így a fordulatszámuk igen kicsiny, 1-3/s. A 4 5000 kw teljesítmény felett általában kétütemő dieselmotorokat építenek be a hajókba. A 10-15000 kw feletti teljesítményigényeket általában ızturbinával elégítik ki. Az összes hajóknak darabszám szerint kb. 5 százalékát, térfogat- ra 35 százalékát kitevı nagyobb hajók fıgépe gızturbina. A gız fejlesztésére olajtüzeléső kazánokat, vagy nukleáris reaktort alkalmaznak. A nukleáris reaktort olyan hajókba építik elsısorban, melyek kevés idıt töltenek állással, rakodással. A motorok közvetett hőtésőek. A motorok megfelelı tisztaságú hőtıvize zárt körben áramlik a motor és a hıcserélı között. A hıcserélıben külsı vízzel hőtik le a hőtıvizet. A hıcserélın áthaladó külsı víz egy részét még másra is felhasználják. Innen elvezetett vízzel hőtik a tolócsapágyat, a kenıolajat, s a távozó felmelegedett víz egy részét a hajócsavar-tengely vízkenéső csapágyain keresztül vezetik ki a környezetbe. A dieselmotorok indításához 1-3 10 6 Pa nyomású levegıt vezetnek a motor egy vagy két, megfelelı helyzetben álló hengerébe. A hajók indulásakor és leállásakor, a kikötıbe befutás és kifutás alkalmával, vonták és tolatmányok összeállítása során gyakran szükséges egymás után elıre és hátrafelé mutató irányú tolóerı kifejtése. Így a hajócsavar tengelyéhez közvetlenül kapcsolódó motort gyakran kell leállítani, s újra indítani ellenkezı forgásirányban. Ez igen sok indító levegıt kíván. A hajókon általában két kompresszor biztosítja a szükséges levegı mennyiséget. Az egyik a fıgépre szerelve, a másik villamos motorhajtással tölti a légtartályokat, melyek térfogata 10-15 indítást biztosít utántöltés nélkül. A dieselmotorok s a kazánok üzemolaját a hajó különbözı részein elhelyezett tankokban helyezik el. Általában 4-8 órai üzemhez szükséges mennyiséget a fıgép (kazán) közelében, annál magasabban elhelyezett, un. napi tartályban tartanak. Innen gravitációsan jut el az adagoló szivattyúig.
2 Szabályzófokozatú hajófıgép, gızturbina: 1, szabályzó fokozat forgó lapátrácsa 2, fıfokozatok lapátjai 3, szabályzó fokozati fúvókák 4, szabályzó szelepek 5, tömszelencék Segédüzemi berendezések: A hajó elektromos energiával való ellátását biztosító berendezéseket együttesen a hajó segédüzemének nevezik. A hajó elektromos energia igénye változó, ezért az egyes hajókba több, különbözı teljesítményő áramfejlesztı berendezést építenek. A legnagyobb elektromos energiát a hajó rakodó berendezései, a horgonycsörlı és a kikötı kötélcsörlık igénylik. A további villamos energiafogyasztók: szivattyúk, ventillátorok, kompresszorok villamos motorjai, kormányberendezés, hőtıgépek, főtés, fızés, világítás, mőszerek, navigációs berendezések. A hajótípusonként változó maximális villamos teljesítményigény kb. a fıüzemi teljesítmény 5 15 százaléka. Az áramfejlesztı gépcsoportok teljesítményét úgy választják, hogy azok minden üzemállapotban jó hatásfokkal s üzembiztosan termeljék a szükséges energiát. A maximális terhelésnél (rakodás éjjel, télen) valamennyi gépcsoport termel, míg a minimális terhelésnél (menetben, nappal nyáron) a fıgéprıl hajtott 10 50 kw teljesítményő generátor biztosítja a villamos energiát. A legnagyobb fogyasztók, a rakodó és kikötıberendezések villamos motorjai. Szivattyúk, csıvezetékek: A csövek, csıvezetékek egyszerő gépek. Funkciójukat viszont legtöbb esetben a szivattyúkkal együtt mőködtetve töltik be. A hajókon kialakított csırendszereket három csoportba sorolhatjuk: 1. Gépüzemet kiszolgáló csırendszerek: üzemanyag, kenıolaj, hőtıvíz, indítólevegı és kipuffogó csırendszer. 2. A hajótest csırendszerei: ballasztvíz, fenékvíz, tőzoltóvíz, széndioxid csırendszer. 3. A személyeket kiszolgáló csırendszerek: ivóvíz, mosdóvíz-, használati víz-, szennyvíz, szellızı csırendszer. A hajótest csırendszerei a hajó biztonságos üzemét biztosítják. A hajón ballaszt-terek vannak kialakítva az orr és a far környezetében, s a hajótest középrészén a kettısfenék egyes tereiben. Ömlesztett rakományt, olajat szállító hajóknál sok esetben a fedélzet közelében is van ballaszt tank. Ezeket a tereket a hajó megfelelı úszási helyzetének, s a kedvezı stabilitási, illetve a lengési tulajdonságoknak biztosítására, különbözı rakományterhelések esetén vízzel feltöltik. A ballaszt csırendszer csıvezetékei s szivattyúi biztosítják a lehetıséget a külsı víznek egyes ballaszt tankokba juttatására, a tankok ürítésére, továbbá a víznek egyik tankból a másikba juttatására. A fenékvíz csırendszer a hajótestben összegyőlı víz eltávolítására szolgál. A fenékvíz kis részben a nyílásokon bejutó csapadékvízbıl, többségében a levegıbıl kicsapódó kondenzvízbıl keletkezik. A tőzoltóvíz csırendszert a tapasztalatokon alapuló elıírások szerint alakítják ki. A hajón annyi tömlıcsatlakozást létesítenek, hogy minden hely két irányból tömlıvel elérhetı legyen, s a szivattyúkat úgy választják meg, hogy megfelelı mennyiségő vizet juttassanak a tömlıkhöz. A víz mellett széndioxidot is használnak oltásra. A széndioxidot a hajó orr-részén kialakított térben, palackokban tartják. A palackoktól csıhálózat juttatja el a hajótest tereibe. Ivóvíz csırendszer biztosítja az iváshoz, fızéshez, mosogatáshoz szükséges vizet. Egy különlegesen gondosan kialakított burkolattal ellátott tartályból hidroforon keresztül jut az ivóvíz a fogyasztási kifolyóhoz. A mosdóvíz általában az ivóvízzel azonos minıségben kerül a hajóra. Azonban a mosdóvíz tartályok kialakítása egyszerőbb. A mosdóvíz a hidroforon keresztülhaladva kétfelé ágazik. Az egyik ág közvetlenül, a másik ág a melegvízkazánon keresztül jut el a mosdókhoz. A használati víz szolgál a takarításhoz, WC. öblítéshez. A használati víz csırendszerben gyakran nincs hidrofor vagy tartály, a külsı vizet a szivattyúk közvetlenül juttatják a kifolyókhoz.
3 A hajókon a lakóhelyiségek, munkahelyek levegıcseréjét nyomó ventillátorok biztosítják. Az elhasznált levegıt a folyosókon át az ún. nedves helyiségekbıl (konyha, mosdó, WC, stb.) szívóventillátor távolítja el. A rakterek szellıztetése a rakomány jellegétıl függ.. A hajók többségén melegvíz főtés van. A vizet önálló, olajtüzeléső kazán vagy a hajó kipuffogó csırendszerébe épített hıcserélı melegíti. Fedélzeti gépek: A hajó fedélzetén elhelyezett gépi berendezések: a horgony, kikötı és a rakodó berendezés A horgonyberendezés: a hajó orrában van. A hajók nagyrészének horgonyberendezése az ábrán láthatóhoz hasonló. 1, horgonycsörlı villamos motorral, 2, lánckamra 3, lánccsı, 4, láncfék A kikötı berendezés: a kikötı kötelek rögzítését, feszítését és bevonását biztosítja. A rögzítésre különbözı méret és elhelyezéső kikötı bakok szolgálnak. Általában kettıs kikötıbakot alkalmaznak, melyre nyolcas alakban tekerik fel a kötelet. A súrlódás miatt igen nagy kötélerık esetén is jó rögzítést biztosítanak. A kötelek feszítésére és bevonására kötélcsörlıket szerelnek fel a hajó fedélzetén. A horgonycsörlı vízszintes tengelyének két vége is kötélcsörlıként szolgál. A rakodó berendezések: feladata a hajó mellıl partról, vagy rakodó bárkákból a rakomány berakása vagy kirakása. A hajók többsége árbócdarukkal van felszerelve. Az árbócdaru kis önsúlyú, egyszerő szerkezető, és kezeléső, üzembiztos szerkezet. Az ábrán látható módon, az árbócdaru gémjeit párosan használják. Az egyik gém a feszítı, álló kötélzetével úgy van rögzítve, hogy a gém végén elhelyezett kötélterelı tárcsa a hajó mellé nyúlik ki. A másik gém vége a hajó raktárnyílása fölött helyezkedik el. Mindkét gém emelıkötele külön csörlıre tekeredik. A csörlık egymástól függetlenül külön vezérelhetı. Általában egyenáram villamos motorral, vagy hidraulikus motorral hajtják meg azokat. A kormányberendezés: feladata a hajó mozgása közbeni irányítása, kormányzása. A ha általában a hajócsavarok mögött helyezik el a kormánylapátot, hogy a nagy sebességő áramlásban nagyobb kormányerık keletkezhessenek. A kormánylapátok mozgatására mechanikus, elektromos vagy hidraulikus szer kezetekkel történik. Mechanikus kormányszerkezet 1, kormánylapát; 2, tengely;3, mozgatókar; 4, rugók; 5, fogas ív; 6, fogaskerék Hidraulikus kormányszerkezet: 1, kulissza; 2, hidraulikus hengerek; 3, szivattyú; 4, villamos motor 5, 6, vezérlı rudazatok
4 Hajók hajtása. A hajók tolóerejét létrehozó szerkezetet, gépet, propellernek nevezzük. A propeller mőködtetéséhez szükséges energiát általában a hajón elhelyezett erıgép (belsıégés motor, gızgép, gızturbina, gázturbina) vagy emberi erıforrás biztosítja. A hajó hajtásához szükséges energiát egyes esetekben a szél energiája vagy a folyóvíz energiája is szolgáltathatja. Így a propellereket két nagy csoportba sorolhatjuk: - belsı erıforrással és - külsı erıforrással mőködı propellerek Az általánosan használatos típusok: a, belsı erıforrással mőködı propellerek: hajócsavar, győrős hajócsavar, a sugárhajtómő, lapátoskerék, cikloldal propeller, evezı. b, külsı erıforrást felhasználó hajtási módok: vitorlázás, folyóvíz energiájának hasznosítása. A hajón elhelyezett, belsı erıforrás energiáját hasznosító propellerek, azonos alapelv szerint mőködnek, így a mőködésük során jelentkezı energiaátalakulásokat, azok törvényszerőségeit együttesen vizsgálhatjuk. A hajtás folyamatát propulziónak nevezik. A propeller a fıgéptıl felvett teljesítményt az általa megmozgatott víz energia- tartalmának növelésére fordítja. A mőködı propeller elıtt nyomáscsökkenés (szívás), mögötte pedig nyomásnövekedés lép fel. Ezen nyomáskülönbség p hatására a víz hátrafelé felgyorsul. A nyomásváltozások a propeller elıtt ás mögött csak bizonyos távolságon belül jelentkeznek. Ezen a szakaszon gyorsul fel a víz. A gyorsulási szakasz elıtt és mögött a környezet által megszabott nyomás (p 0 ) alakul ki a vízben. Tehát a víz nyomása azonos az energiaátalakulás elıtt, és után. Csupán a víz sebessége, azaz a mozgási energiája növekedett. A propulzió folyamata során tehát a propeller által felvett mechanikai munkából folyadék mozgási energia lesz A víz felgyorsulását, az energia átadását a propeller két oldala közötti nyomáskülönbség, azaz a propeller és a víz között fellépı erıhatás hozta létre. Ez az erıhatás a propeller tengelyén keresztül átadódik a hajótestnek. A propeller és a víz között fel lépı eredı erı haladásirány összetevıje a tolóerı A propeller és a víz között fellépı erık iránya azonos a víz sebességváltozásának irányával. A hajó hajtásához csak az erınek a hajó haladási irányába esı össze tevıje szükséges. Ennek megfelelıen csak a sebességváltozás haladásirány összetevıje hasznos. Az energia átalakítás során veszteségek jelentkeznek. Ezek a propeller lapátjain (szárnyain) fellépı súrlódási és ütközési veszteségek Ezeken kívül, az elızıek alapján, veszteségnek kell tekintenünk, a hajó haladási irányától eltérı irányú vízsebesség változások létrehozásához szükséges munkát is. A hajócsavar A hajócsavar geometriai jellemzıi: - átmérı (a befoglaló kör átmérıje), - agy átmérıje, -szárnyak száma, -szárny körvonalának alakja, -a szárnymetszetek alakja és emelkedése. A hajócsavar átmérıje az ideális hatásfok nagyságát befolyásolja. Így célszerő az elhelyezhetı legnagyobb átmérıjő hajócsavart alkalmazni. A hajócsavar által felgyorsított vízsugár számára rendelkezésre álló 2 π keresztmetszet: A = D 1 d 2 ; d = 0,15..0, 45 -azaz a szabad 4 D D ( ) keresztmetszet a merevszárnyi hajócsavarnál kb. 97 %-a, állítható, hajócsavarnál csak 80-90 %-a a külsı átmérıvel számolt körterületnek. Így azonos külsı átmérıjő merev hajócsavar ideális hatásfoka jobb, mint az állítható szárnyúké. A szárnyak száma elsısorban a hajócsavar rezgést keltı hatását befolyásolja. A hajócsavarhoz érkezı víz sebessége nem azonos a csavarkör minden részén. A csavar elıtti hajótest, az abból kiálló alkatrészek helyi sebességeltéréseket okoznak. Amikor a csavarszárny az átlagos sebességtıl eltérı sebességő zónában halad, a szárnyon keletkezı erıhatás bizonyos százalékkal megváltozik. Többszárnyú csavar esetén az egy szárnyra esı erıhatás kisebb, Így a változás is kisebb mértékő. Tehát a hajócsavar szárnyszámának növelésével csökken a hajócsavar tengelyén a hajónak átadódó, periódikus rezgést okozó erıhatás nagysága. A rezgések csökkentése lényeges, mivel a hajócsavar keltett rezgések veszélyes sérüléseket okozhatnak.
5 Győrős hajócsavar: A folyami vontatóhajók, tolóhajók és tengeralattjárók általában győrős hajócsavart használnak. A nagy propellerterheléső tengeri hajóknál is egyre elterjedtebben alkalmazzák a győrővel körül vett hajócsavart. A csavart körülvevı győrőt Kort-győrőnek is nevezik. A hajócsavart körülvevı győrő hossza a hajócsavar átmérıjének 0,5-1,0 szerese. A győrő külsı felülete enyhén kúpos A belsı keresztmetszete a hajócsavar elıtti szakaszon szőkül, a közép részen hengeres, a csavar mögötti szakaszon egészen kis mértékben bıvül. A győrőben mőködı hajócsavar a propellerhez v A sebességgel érkezı vizet beszívja a győrőbe, s ott felgyorsítja. Így a győrőben a hajócsavar elıtt a víz sebessége nagyobb a v A haladási sebességnél. A győrő elsı felében a víz nyomása kisebb a propellerhez érkezı víz p 0 nyomásánál. A győrő külsı oldalán avíz relatív sebessége v k kisebb a haladási sebességnél, s így a nyomás nagyobb a propeller elıtti, zavartalan áramlásban mérhetı p 0 értékénél. A külsı és belsı nyomás különbsége a felületre merıleges erıhatást okoz F, ennek vízszintes összetevıje a tolóerıje T g. Vízsugárhajtás: A vízsugárhajtásnál a hajótest körvonalain belül elhelyezett hosszabb, vagy rövidebb csatornában egy szivattyú (hajócsavar) mőködik. A szivattyú a hajó fenekén vagy oldalán beszívott vizet a kívánt tolóerıvel ellentétes irányban kinyomja a víz felszíne alatt vagy felett. Cikloidal propeller: A cikloidal propeller vagy más néven Voith Schneider propeller a legjobb hatásfokú propulziót biztosítja. Azonban költséges, kényes szerkezet, ezért csak olyan úszómővekre építik be, melyeknél különlegesen jó manıverképességet kell biztosítani. Elsısorban úszódaruknál, komphajóknál és különleges kikötıi vontatóknál alkalmazzák. A cikloidal propeller egy szerkezeti megoldása: a hajtómotorhoz kapcsolódó tengelyen lévı fogaskerék egy fogaskoszorúval a teljes belsı szerkezetet forgatja. A külsı házon kívül csak a vezérlı tengely van nyugalomban. A szerkezetbıl függılegesen lefelé lógó lapátok aránylag nagy kerületi sebességgel forognak. A lapátok a forgó belsı szerkezetben csapágyazva is vannak. A csapágyazás lehetıvé teszi, hogy forgás közben a lapátok a körpályán érintıleges irányban, vagy attól befelé, illetve kifelé 5-10 0 elfordulva haladjanak. Ha a vezérlıtengely végét azonos irányban, a középponttól egyre nagyobb távolságra mozdítjuk, a lapátoknak a körpálya érintıjével bezárt állásszöge növekszik. Így az eredı tolóerı nagyobb lesz azonos fordulatszám és azonos haladási sebesség esetén. Ha a vezértengelyt más irányban mozdítjuk ki, akkor a tolóerı iránya megváltozik. Tehát a cikloidal propellerrel azonos haladási sebesség és azonos fordulatszám esetén tetszıleges irányú és nagyságú tolóerı fejthetı ki. A tetszıleges irányú tolóerı beállításának lehetısége igen hatásos kormányzást biztosit, s a hajón külön kormányberendezés nem is szükséges. A tólıerı a haladási iránnyal ellentétes is lehet változatlan fordulatszámnál.
6 Lapátos kerék: A múlt század elsı felében általánosan használt hajtó eszköz volt tengeri és folyami hajóknál egyaránt. Eleinte a hajó farába építették, de a tengeri hajók nagymértékő bukdácsolása miatt késıbb (csak) a hajó közepén, oldalt elhelyezett kerekeket alkalmaztak. Az oldallapátkerék mőködését nagyon zavarja a hullámzás. A lapátkerék vízbemerülésének változásakor változik a kifejtett tolóerı és a felvett nyomaték.. Így a hullámzó vízfelszínen már a hajó kismértékő billegése azt eredményezte, hogy a billegés ütemében változott a tolóerı a hajó két oldalán. Ez a hajó csellengését okozta, s a váltakozó erı hatására a lapátoskerék törése is gyakran bekövetkezett. Ezen okok miatt a hajócsavar teljesen kiszorította a tengerrıl, s a múlt század közepe óta csak folyami hajók propellereként használják.