К внешним моментам относятся момент 1-го порядка (действующий в вертикальной и горизонтальной плоскостях) и момент 2-го порядка (действующий в вертикальной плоскости, потому что он являются следствием действия сил инерции поступательно-движущихся масс).
Существуют моменты и более высоких порядков, но обычно игнорируются вследствие их малости.
Моменты 1-го порядка
Моменты 1-го порядка действуют с частотой равной произведению частоты вращения двигателя на 1.
В целом момент 1-го порядка не вызывает проблем с вибрацией. Однако для 4-тактных двигателей рекомендуется оценить риск, потому что в редких случаях цилиндропоршневая группа этих двигателей могут стать причиной уровней вибрации большой величины.
Резонанс с моментом 1-го порядка может произойти для 2-х и 3-х узловой вибрации корпуса. Этот резонанс может быть рассчитан с разумной точностью. При этом расчеты для конкретной установки покажут, действительно ли на данном 4-тактном двигателе необходим компенсатор.
Резонанс с вертикальным моментом для 2-х и 3-х узловой вибрации корпуса может быть критическим, в то время как резонанс с горизонтальным моментом обычно происходит при более высокой частоте вращения двигателя большей номинальной, из-за более высокой собственной частоты горизонтальных вибраций корпуса.
|
| Рис. 6. Балансировка регулируемыми противовесами момента 1-го порядка. |
Четырехцилиндровые двигателя марки 50МС и больших размерностей стандартно оснащаются регулируемыми противовесами. Для двигателей малых размерностей марки S26MC, L35MC и L42MC настраиваемые противовесы устанавливаются по желанию заказчика.
Эти противовесы помогают понизить вертикальный момент до незначительной величины (хотя они одновременно увеличивают горизонтальный момент), так что с этим резонансом вопрос решается достаточно легко. Решение с нулевым горизонтальным моментом в случае необходимости также возможно (рис. 6).
Пример:
На балкере «Panamax», который был спроектирован и построен для 5-цилиндрового двигателя был установлен двигатель 4L90GBE.
Характеристики вибрации корпуса были измерены на подобном судне (sistership) ибыли известны. Для оптимизации работы движителя двигатель был реконструирован с номинальной частоты вращения 97 об/мин до 84 об/мин. При стандартном балансировании двигателя вертикальны и горизонтальный моменты 1-го порядка при 64 об/мин составлял 1,000 кН/м.
Поскольку собственная частота для вертикальных колебаний корпуса с 3-х узловой формой колебаний приблизительно равна 80 циклов/минуту, резонанс мог произойти от возмущения внешним вертикальным моментом 1-го порядка в нормальном эксплуатационном диапазоне.
Для нейтрализации вертикального момента было принято техническое решение установить настраиваемые противовесы за счет увеличенного горизонтального момента.
Если бы колебания возбужденные горизонтальным моментом 1-го порядка привели бы к вредной вибрации (при возможной горизонтальной 2-х узловой форме колебаний), было бы выполнено дополнительное балансирование двигателя.
Следует заметить, что компенсаторы момента 2-го порядка были установлены вначале.
Замеры, произведенные на ходовых испытаниях с судном в грузу подтвердили удовлетворительный уровень вибрации.
В редких случаях, когда момент 1-го порядка приводит к резонансу и с вертикальной и с горизонтальной вибрацией корпуса в нормальном диапазоне частот вращения двигателя, необходимо устанавливать регулируемые противовесы для снижения вертикального момента до безопасного значения, и компенсатор момента 1-го порядка в шестерне натяжителя цепи привода распределительного вала для нейтрализации горизонтального момента.
|
| Рис. 7. Уравновешивание горизонтального момента 1-го порядка. |
Компенсатор состоит из двух противоположно вращающихся масс с частотой вращения коленчатого вала главного двигателя (рис. 7).
Опыт фактических измерений вибраций показывает, что ближайший к корме узел при горизонтальной 2-х узловой вибрации помещен разумно далекой от компенсатора в цепной передаче.
Так как резонанс и с вертикальной и с горизонтальной вибрацией корпуса редок, стандартный двухтактный двигатель компании MAN B&W не подготовлен к установке таких компенсаторов. Если же риск такого резонанса есть, то необходимо подготовить двигатель к установке таких компенсаторов.
Моменты 2-го порядка
Моменты 2-го порядка действует с частотой в два раза большей частоты вращения коленчатого вала двигателя. Как упоминалось ранее, Моменты 2-го порядка действуют только в вертикальной плоскости.
Вследствие величины момента 2-ого порядка его уместно компенсировать только на 4, 5 и 6-ти цилиндровых двигателях, для которых необходимо конкретно анализировать ситуацию. Резонанс с вертикальной 4-х и 5-ти узловой формой колебаний корпуса может произойти в рабочем диапазоне частот вращения двигателя.
Для возможности управления наступающей реакцией на эти колебания, необходимо устанавливать компенсатор сил 2-го порядка.
Опыт показал, что суда с двигателями S26MC, L35MC и L42MC менее чувствительны к вибрациям корпуса, поэтому на этих двигателях малых размерностей компенсаторы момента 2-го порядка не применяются. Однако в случае наступления такой необходимости они могут быть установлены.
Вычисления вышеупомянутых видов колебаний требует усовершенствованных систем вычисления и часто имеет высокую степень неопределенности. Поэтому очень важно, чтобы судовладелец, руководство верфи и двигателестроитель обсудили этот вопрос еще на стадии проектирования, потому что более позднее принятие мер может оказаться очень дорогостоящим.
Для компенсирования вертикальных моментов 2-го порядка существует несколько технических решений, выбор которых производится по критерию эффективность - стоимость:
а) Отсутствие компенсаторов, если на основании рассмотрения собственной частоты, узловой точки и величины момента 2-го порядка сделан вывод в отсутствии их необходимости;
б) Компенсатор, который устанавливается в кормовой части двигателя в составе главной цепной передачи (рис. 8);
в) Компенсатор устанавливается в передней части двигателя и приводится в движение от коленчатого вала с помощью отдельной цепной передачи;
г) Компенсаторы устанавливаются в кормовой и носовой частях двигателя, полностью устраняя внешние моменты 2-го порядка (рис. 9);
| 
|
| Рис. 8. Компенсатор момента 2-го порядка, расположенный в кормовой части двигателя. | Рис. 9. Компенсатор момента 2-го порядка, расположенный в носовой части двигателя. |
д) Компенсатор с электрическим приводом, синхронизированный по фазе относительно свободного момента.
|
| Рис. 10. Электроприводной компенсатор момента 2-го порядка в рулевом отделении. |
Установка этого типа компенсатора требует дополнительного пространства для размещения. Наиболее удобным для этого является румпельное отделение, где колебания имеют наибольшую величину, и поэтому компенсатор будет наиболее эффективен (рис. 10).
Компенсация внешнего момента с помощью компенсирующей силы возможно только в случае наличия необходимого расстояния от точки приложения силы до местоположения узла вибрации (то есть сила возмущения неэффективна при ее действии в узле).
В результате вращения противовесов установленных на шестерне возникает центробежная сила. Эта сила, умноженная на расстояние до узла, создает компенсирующий момент, величина которого рассчитывается заранее.
Соответственно регулировкой положения противовесов создается компенсирующий момент противоположного направления внешнему возмущающему моменту. Очевидно что при применении этих методов компенсации внешнего момента (б), (в) и (д) для выбора необходимой компенсирующей силы необходимо точное знание расстояния от точки приложения силы до узла колебаний. Это расстояние определяется с помощью проводимых расчетов, но лучше получить его значение в результате морского испытания.
Если местоположение узла колебаний совпадает или находится близко с точкой приложения компенсирующей силы, то компенсирующий момент не будет создан, никакой момент компенсации будет создана. В таком случае применяется решение (г), потому что установка компенсаторов и на передней и кормовой частях двигателя создает свой компенсирующий момент, который уравновешивает свободный момент. В этой случае создания компенсирующего момента достигается независимость от местоположения узла колебаний и поэтому отсутствует необходимость знания формы вибраций корпуса.
Решение размещения в румпельном отделении компенсатора с электрическим приводом (д) по сравнению с другими компенсаторами (б) и (в) также имеет это преимущество – малую зависимость к местоположению узла колебаний. Такое компенсирующее устройство не занимает много места (приблизительно 1 x 2 x 3 м) и приводится в действие электродвигателем мощностью около 15 кВт.
На данный момент времени более 70 судов в эксплуатации имеют компенсатор с электрическим приводом и характеризуются превосходно низким уровнем вибрации.
Если компенсатор (ы) на построенном двигателе не установлен, можно осуществить установку компенсаторов позже. Эта установка должна быть решена на стадии проектирования главной энергетической установки или, самое позднее, при заказе двигателя.