O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525 515

Olja Koljesnikov, studentDr. sc. Ante Buka Sveuilite u RijeciPomorski fakultet u RijeciStudentska 251000 Rijeka

Pregledni lanakUDK:621.833

629.5.03 Primljeno: 7. rujna 2009.

Prihvaeno: 4. studenoga 2009.

ZUPANI PRIJENOSI BRODSKOG PORIVNOG SUSTAVA

U radu se daje pregled zupanih prijenosa u brodskim reduktorima porivnog sustava, koji prenose okretni moment i reduciraju brzinu vrtnje porivnog stroja na brzinu vrtnje brodskog vijka. Zupani prijenosi u brodskim reduktorima porivnog sustava mogu biti standardni zupani prijenosi i zupani prijenosi s viestrukim zahvatom. Zupani prijenosi s viestrukim zahvatom dijele se na obine prijenose s viestrukim zahvatom, planetarne prijenose i kombinirane zupane prijenose s viestrukim zahvatom. Zbog dijeljenja ili spajanja mehanike energije kod ovih prijenosa pojavljuje se problem jednake raspodjele okretnog momenta (opteree-nja) na pojedine parove zupanika. Jednaka raspodjela okretnog momenta posti-e se preko elastinih vratila, elastinih spojki, hidraulinih cilindara itd.

Svi modeli zupanih prijenosa porivnog sustava crtani su u raunalnom pro-gramu Autodesk Inventor 2010 Professional.

Kljune rijei: porivni sustavi, zupani prijenosi s viestrukim zahvatom, izjed-naenje optereenja, raspodjela okretnog momenta

1. UVOD

Poveanje tonae brodova poveava i potrebnu snagu pogonskoga stroja. To ima za posljedicu smanjivanje brzine vrtnje brodskog vijka, to uvjetuje po-veanje prijenosnog omjera zupanih prijenosa reduktora porivnog sustava. Uloga zupanih prijenosa u brodskim reduktorima porivnog sustava je da re-duciraju brzinu vrtnje porivnog stroja na brzinu vrtnje brodskog vijka. Povea-njem snage porivnog stroja poveava se dimenzija zupanika, a time veliina i teina brodskog reduktora. Iz toga su razloga zupani prijenosi s viestrukim zahvatom sa svojim prednostima, odnosno manjim dimenzijama i boljim per-formansama od standardnih zupanih prijenosa, vrlo brzo nali svoju primjenu

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava 516 Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525

u brodskom porivnom sustavu. Tvrka Lohman+Stolterfoht prva je poela pro-izvoditi brodske reduktore s obinim zupanim prijenosima s viestrukim za-hvatom [1]. U porivnom sustavu s parnom turbinom za redukciju brzine vrtnje iskljuivo se koristi kombinirani zupani prijenosi s viestrukim zahvatom (pla-netarni i obini prijenosi s viestrukim zahvatom).

Kod ovih prijenosa zbog dijeljenja ili spajanja mehanike energije u toka-ma zahvata jednaku raspodjelu okretnog momenta (optereenja) na pojedine parove zupanika moe se postii aksijalno ili radijalno-slobodnim elementi-ma prijenosa preko elastine ili zglobne konstrukcije [2].

2. ZUPANI PRIJENOSI BRODSKOG PORIVNOG SUSTAVA

Zupani prijenosi u brodskim reduktorima porivnog sustava mogu se po-dijeliti na standardne zupane prijenose i zupane prijenose s viestrukim za-hvatom (Slika 1). Zupani prijenosi s viestrukim zahvatom mogu biti obini prijenosi s viestrukim zahvatom, planetarni prijenosi i kombinirani zupani prijenosi s viestrukim zahvatom.

Slika 1. Podjela zupanih prijenosa u brodskim reduktorima porivnog sustava [3]Figure 1. Gear transmission division in marine gearboxes of propulsion system [3]

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525 517

2.1. Standardni zupani prijenosi

Standardni zupani prijenosi brodskih reduktora porivnog sustava su naj-jednostavniji jednostupanjski zupani prijenosi. Pogonski zupanik ovih prije-nosa ima manji broj zubaca, veu brzinu vrtnje, a spojen je s pogonskim stro-jem, dok gonjeni zupanik ima vei broj zubaca i manju brzinu vrtnje i spojen je na osovinski vod1. Takav je zupani prijenos najee spojen elastinom spojkom. Zupanici koji se primjenjuju u takvim reduktorima su elnici s rav-nim ili kosim zubima. Leajevi ovih prijenosa mogu biti klizni i kotrljajui.

2.2. Zupani prijenosi s viestrukim zahvatom

Zbog dijeljenja ili spajanja okretnog momenta s jednog na dva para zupa-nika ili na vie parova, kod zupanih prijenosa s viestrukim zahvatom manje je optereenje zupanika, koristi se manji modul, a ima za posljedicu manji volumen i teinu prijenosa.

2.2.1. Obini zupani prijenosi s viestrukim zahvatom

Obini zupani prijenosnici s viestrukim zahvatom u brodskim reduktori-ma prema slici 1 dijele se na obine zupane prijenose s viestrukim zahvatom sa spajanjem snage i na obine zupane prijenose s viestrukim zahvatom s di-jeljenjem i spajanjem snage.

2.2.1.1. Obini zupani prijenosi s viestrukim zahvatom sa spajanjem snage

Obinim zupanim prijenosima s viestrukim zahvatom sa spajanjem sna-ge, mogue je spajati okretne momente s dva ili vie meusobno spojena dizel-ska motora [4]. Spajanje dizelskog motora i reduktora postie se elastinim spojkama i spojkama za ukljuivanje i iskljuivanje s konusnim tarnim povri-nama. Zupanici ovih prijenosa su elnici s kosim ili strelastim zubima. Model obinog zupanog prijenosa s viestrukim zahvatom sa spajanjem snage i stre-lastim ozubljenjem prikazan je na slici 2.

1 Toan tehniki naziv bio bi vratilni vod

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava 518 Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525

Slika 2. Model obinog zupanog prijenosa s viestrukim zahvatom sa spajanjem snageFigure 2. Model of ordinary multiple mesh gear transmission with power linking

Na slici 3. prikazan je model obinog zupanog prijenosa sa spajanjem snage koji spaja dva dizelska motora, a opisan je u [2]. Zbog greaka u izradi i montai ne moe se raunati s time da veliki zupanik, koji je spojen s osovin-skim vodom, primi istu veliinu okretnog momenta s dva dizelska motora. Izjednaenje optereenja u ovom se sluaju postie pomou pogonskih elasti-nih vratila i elastinih spojki. Dio momenta pored oznake PTO (Power Take Off) odvaja se za pogon alternatora. Zupanici u ovom prijenosu su elnici sa strelastim ozubljenjem.

Slika 3. Model obinog zupanog prijenosa sa spajanjem snageFigure 3. Model of ordinary gear transmission with power linking

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525 519

2.2.1.2. Obini zupani prijenosi s viestrukim zahvatom s dijeljenjem i spajanjem snage

Na slici 4. prikazan je model reduktora s obinim zupanim prijenosom s viestrukim zahvatom s dijeljenjem i spajanjem snage. Reduktor spaja porivni stroj s vratilom brodskog vijak, a opisan je u [5]. Zupanici ovakvog prijenosa su elnici sa strelastim zubima dok su leajevi klizni.

Slika 4. Model obinog zupanog prijenosa s viestrukim zahvatom s dijeljenjem i spajanjem snage

Figure 4. Model of ordinary multiple mesh gear transmission with distribution and power linking

U prvom dijelu prijenosa okretni moment porivnog stroja dijeli se na dva zupanika dok se u drugom dijelu prijenosa okretni moment spaja s dva na je-dan zupanik. Prijenosnik je statiki neodreen jer se zbog greaka u izradi ne moe raunati s time da svaki zupani par prima polovinu okretnog momenta. Veom tonou izrade dijelova prijenosa moe se smanjiti nejednakost u ras-podjeli okretnog momenta, ali se ne moe raunati na potpuno izjednaenje optereenja. Meutim, pomou dugih elastinih vratila koja spajaju prvi i dru-gi dio prijenosa moe se postii izjednaenje optereenja u cijelom sustavu.

Kod obinih zupanih prijenosa s dijeljenjem i spajanjem snage mogu se primijeniti rjeenja za izjednaenje optereenja koja su opisana u [2], a prika-zana su na slici 5. Jednaka raspodjela okretnog momenta moe se postii aksi-jalnim pomicanjem vratila pomou sklopova za izjednaenje optereenja. Kod ovih se zupanih prijenosa okretni moment dijeli pomou zupanika s kosim

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava 520 Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525

zubima, dok se zupanicima s ravnim zubima okretni moment zbraja. Prema slici 5. (a) aksijalne sile, kod kosog ozubljenja, koje su proporcionalne okret-nom momentu preuzimaju meusobno spojeni hidrauliki cilindri istog pro-mjera i izjednaavaju ih. Na slici 5. (b) prikazano je rjeenje gdje djelovanje aksijalnih sila preuzimaju cilindrine zavojne torzijske opruge i neovisno jedna od druge utjeu na veliinu okretnog momenta.

Slika 5. Rjeenje za izjednaenje optereenja kod obinih zupanih prijenosa s dijeljenjem i spajanjem snage pomou: (a) hidraulikih cilindara i

(b) cilindrinih zavojnih torzijskih oprugaFigure 5. Solution for load equalization by ordinary multiple mesh gear transmission

with distribution and power linking: (a) hydraulic cylinder and (b) cylindrical torsion springs

2.2.2. Planetarni prijenosi

Planetarni prijenosi, koji spadaju u zupane prijenose s viestrukim zahva-tom zbog svojih prednosti nad standardnim prijenosima nali su takoer veli-ku primjenu i u brodskom pogonu (Slika 6.). Pri planetarnim prijenosima po-jedini njihovi dijelovi (planetarni zupanici) izvode dva rotacijska gibanja, rotiraju oko svoje osi na nosau planeta i ujedno oko osi samog prijenosa. Vi-estruki zahvat centralnog zupanika s planetarnim zupanicima dovodi do smanjenja optereenja u tokama zahvata, a ujedno i do manjeg modula, od-nosno do manje veliine i teine brodskog reduktora. Masa pogonskog sustava s planetarnim reduktorom za oko tri puta je laka od jednako standardnog porivnog sustava [6]. Jedina mana planetarnih prijenosa je njihova komplicira-na i skupa izvedba.

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525 521

Kod ovih prijenosa jednaka raspodjela okretnog momenta postie se radi-jalno-slobodnim centralnim zupanikom s vanjskim ili unutarnjim ozublje-njem, planetarnim zupanicima ili nosaem planeta [7]. Kombinirani sustav (radijalno slobodna dva elementa) koristi se za rjeenja s tri ili vie planetarna zupanika. Radijalno-slobodni centralni zupanici u kombinaciji osiguravaju dobru raspodjelu okretnog momenta, stoga se najee primjenjuju, a poseb-no kod redukcije brzine vrtnje parnih i plinskih turbina. Kod takvih rjeenja koristi se dvostruka zubna spojka. Ozubljenje ovakvih prijenosa moe biti rav-no ili koso dok se uporabom strelastog ozubljenja postie dodatna prednost. Aksijalne komponente sila meusobno su jednake, suprotnog smjera i poni-tavaju se pa ne optereuju leajeve planetarnih zupanika.

Slika 6. Model planetarnog prijenosa s tri planetarna zupanika i strelastim ozubljenjem: (a) slika prijenosa i (b) konstruktivna izvedba

Figure 6. Model of planetary gear transmission with three planetary gears and double helical gears: (a) figure transmission and (b) construction design

Kod nekih izvedaba, zupanik s unutarnjim ozubljenjem je podijeljen u dvije polovice, svaka sa suprotnim kosim ozubljenjem. Neovisna radijalna slo-boda svake polovice izvedena je preko dvostruke zubne spojke. Slobodno oslo-njen, ovaj zupanik ima dovoljnu elastinost kako bi osigurao automatsku ras-podjelu optereenja na planetarne zupanike. Osim toga ima sposobnost ublaavanja udarnih optereenja koja mogu biti uzrokovana ekscentricitetom ili grekama ozubljenja.

Konstruktivne izvedbe sklopova za jednaku raspodjelu okretnog momenta u tokama zahvata mogu biti zglobne ili elastine. Pomou zglobne konstruk-cije jednaka raspodjela okretnog momenta u tokama zahvata, radijalno slo-

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava 522 Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525

bodnim planetarnim zupanicima, postie se preko sustava poluga, dok se po-mou elastine konstrukcije jednaka raspodjela okretnog momenta postie pomou elastinih osovina [8] (Slika 7.) ili gumenih leita.

Izradom elastine osovine engleska firma VSEL (Vikers Shipbuilding and Engineering Limited) osigurala je kod AI planetarnog prijenosa (A oznaava vanjsko, a I unutarnje ozubljenje) s pet radijalno-slobodnih planetarnih zupa-nika s ravnim ozubljenjem ne samo izjednaenje optereenja meu planetar-nim zupanicima, nego i ravnomjernu podjelu optereenja po duljini boka zuba. Osim toga, elastine osovine imaju sposobnost ublaavanja udarnih op-tereenja, koja nastaju zbog greaka izrade i pogonskih uvjeta.

Slika 7. Prikaz optereene elastine osovine planetarnog zupanikaFigure 7. Survey of flexible shaft load of planetary gear

2.2.3. Kombinirani zupani prijenosi s viestrukim zahvatom

Zupane prijenose koji se sastoje iz obinog prijenosa s viestrukim zahva-tom i planetarnog prijenosa nazivamo kombiniranim prijenosom s viestrukim zahvatom. Svrha ugradnje takvih prijenosa je reduciranje iznimno visoke brzi-ne vrtnje porivnog stroja na brzinu vrtnje brodskog vijka.

Za redukciju brzine vrtnje parne turbine engleska firma Allen Gear koristi kombinirane prijenose s viestrukim zahvatom (Slika 8.) [2][3]. Ovaj prijenos ugraivan je u seriju kontejnerskih brodova koji za porivni pogon imaju parnu turbinu. Parna turbina sastoji se od visokotlanog dijela (VT) s brzinom vrtnje od 6000 min-1 i niskotlanog dijela s brzinom vrtnje od 3.500 min-1. Brzina vrt-nje brodskog vijka je 127 min-1. Kod ovih prijenosa izjednaenje optereenja na pojedine toke zahvata zupanih parova pri dijeljenju ili spajanju okretnog momenta postie se preko elastinih vratila.

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525 523

Slika 8. Model brodskog kombiniranog zupanog prijenosa s viestrukim zahvatomFigure 8. Model of marine combined multiple mesh gear transmission

3. ZAKLJUAK

U brodskim reduktorima porivnog sustava, zupani prijenosi uz vratila predstavljaju vezu porivnog stroja s brodskim vijkom. Njihova je zadaa redu-ciranje brzine vrtnje porivnog stroja na brzinu vrtnje brodskog vijka. Upotre-bom zupanih prijenosa s viestrukim zahvatom u brodskim reduktorima po-rivnog sustava zbog dijeljenja ili spajanja okretnog momenta s jednog na dva para ili na vie parova zupanika dobiva se prijenosnik manje teine i veliine.

Zupani prijenosi u brodskim reduktorima porivnog sustava dijele se na standardne zupane prijenose i zupane prijenose s viestrukim zahvatom. Zupani prijenosi s viestrukim zahvatom mogu biti obini, planetarni i kom-binirani zupani prijenosi s viestrukim zahvatom. Obini zupani prijenosi s viestrukim zahvatom dijele se na prijenose sa spajanjem snage i na zupane prijenose s viestrukim zahvatom sa spajanjem i dijeljenjem snage.

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava 524 Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525

Raspodjela okretnog momenta kod obinih zupanih prijenosa s viestru-kim zahvatom postie se preko elastinih punih i upljih vratila i elastinih spojki. Predloena su dva rjeenja za raspodjelu okretnog momenta koja se mogu primijeniti kod obinih zupanih prijenosa s viestrukim zahvatom sa spajanjem i dijeljenjem snage. Okretni moment dijeli se pomou zupanika s kosim zubima, dok se zupanicima s ravnim zubima okretni moment zbraja. Aksijalne sile, koje su proporcionalne okretnom momentu, primaju cilindri-ne zavojne torzijske opruge ili hidrauliki cilindri i izjednaavaju ih.

Kod planetarnih prijenosa jednaka raspodjela okretnog momenta na to-ke viestrukog zahvata postie se radijalno-slobodnim centralnim zupanikom s vanjskim i unutarnjim ozubljenjem ili planetarnim zupanicima. Jednaka ras-podjela okretnog momenta s centralnog zupanika na sve toke zahvata s pla-netarnim zupanicima moe se postii preko elastinih osovina.

U brodskim reduktorima porivnog sustava gdje je potrebno reducirati br-zinu vrtnje visokotlanog i niskotlanog dijela parne turbine, koriste se kombi-nirani zupani prijenosi s viestrukim zahvatom. Oni se sastoje od obinih pri-jenosa s viestrukim zahvatom i planetarnih prijenosa. Jednaka raspodjela okretnog momenta kod ovih prijenosa postie se preko elastinih vratila.

LITERATURA

[1] Schaefer, W. F., Grosse Schiffsgetriebe under anlagentechnischen Aspekten, HANSA ,119 (1982), 18, 1197-1200.

[2] Buka, A., Istraivanje raspodjele optereenja kod obinih zupanih prijenosa s dijeljenjem ili spajanjem snage u brodskim reduktorima, Nae more, 44 (1997), 3-4, str. 135-141.

[3] Buka, A., P. Kralj, Zupani prijenosi u brodskim reduktorima porivnog sustava, Nae more, 45 (1998),1-2, str. 33-38.

[4] Buka, A., Dizel-motorni porivni sustavi, Zbornik radova Pomorskog fakulteta u Rijeci, 12 (1998), str. 151-157.

[6] ..Gearing designs, Marine Propulsion, August, 1997, str. 13-14. [7] Buka, A., Izjednaenje optereenja kod zupanih prijenosa s viestrukim zahva-

tom u brodskim reduktorima i njihova konstruktivna rjeenja, Zbornik radova Pomorskog fakulteta u Rijeci, 10 (1996), str. 91-103.

[8] Buka, A., Istraivanje raspodjele optereenja kod zupanih prijenosa s viestru-kim zahvatom, Rijeka, Tehniki fakultet Rijeka, 1988.

[9] Buka A., P. Kralj, D. Martinovi, Istraivanje raspodjele optereenja kod plane-tarnih prijenosa s elastinim osovinama u brodskim reduktorima, Brodogradnja, 4(2001), 1, str. 66-71.

O. KOLJESNIKOV, A. BUKA: Zupani prijenosi brodskog porivnog sustava Pomorstvo, god. 23, br. 2 (2009), str. 515-525 525

Summary

GEAR TRANSMISSION IN THE SHIP PROPULSION SYSTEM

The paper provides a survey of gear transmissions in marine propulsion sy-stem gearboxes which transmit a torque and reduce the rotational speed of the main propelling engine into the rotational speed of the ships propeller. Gear tran-smissions in marine propulsion system gearboxes are divided into standard gear transmissions and multiple mesh gear transmissions. Multiple mesh gear transmi-ssions in marine propulsion system gearboxes are divided into ordinary multiple mesh gear transmission, planetary and combined multiple mesh gear transmissi-ons. Due to the merger or division of the mechanical energy in these transmissi-ons, the problem of equal torque (load) distribution onto individual gear couples appears. An equal torque distribution is achieved by a flexible shaft, flexible cou-plings, hydraulic cylinder etc.

All gear transmission models are designed on the basis of the relevant literatu-re in the computer program Autodesk Inventor 2010 Professional.

Key words: propulsion system, multiple mesh gear transmission, load equali-zation, equal torque distribution

Olja Koljesnikov, student Ante Buka, Ph. D.University of RijekaFaculty of Maritime Studies RijekaStudentska 251000 RijekaCroatia