CC BY-NC
17
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-31-42 УДК 629.5.036
, A.B. Сверчков©, A.A. Рудниченко , Ф.Е. Мамонтов©, A.A. Ермолаев
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДОМЕТНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ КАТЕРОВ ПОВЫШЕННОЙ МОРЕХОДНОСТИ
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является принципиально новый водометный движитель (ВД), предназначенный для установки на судах повышенной мореходности с дискретно-переменной ки-леватостью днища. Цель работы состоит в численном моделировании и экспериментальной проверке трех конструкций ВД, которые могут быть установлены на судах с большой килеватостью днища, эксплуатирующихся при тяжелых погодных условиях.
Материалы и методы. Использованы экспериментальные данные испытаний ВД в составе самоходных моделей, полученные в глубоководном опытовом и кавитационном бассейнах ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Выполнено численное моделирование течения в водоводах судна натурного масштаба с учетом работы ВД. Основные результаты. В результате выполненных экспериментальных и расчетных исследований получены характеристики трех конструкций ВД, оснащенных частично-напорными водозаборниками: пара ВД с изолированными одноколенными водоводами и водозаборниками на участке днища со средней килеватостью, конструкция «II»; пара ВД с объединенным водоводом и водозаборниками на участке днища с максимальной килеватостью и с двойным выбросом струи, конструкция «X»; единый ВД с двухколенным раздвоенным водоводом и парой водозаборников на участке днища с максимальной килеватостью, конструкция «Y».
Заключение. Выполненные исследования показали, что все разработанные инновационные конструкции ВД практически не уступают по эффективности традиционным, а просос воздуха создает плавное, а не резкое снижение сил на рабочем колесе. Предпочтение отдано ВД с раздвоенным водозаборником и объединенным водоводом, т.к. при ходе в условиях интенсивного волнения даже при попадании воздуха в один из водозаборников судно не будет резко терять скорость или сбиваться с курса.
Ключевые слова: водометный движитель, судно с дискретно-переменной килеватостью днища, водозаборник, самоходные испытания, испытания в кавитационном бассейне, численное моделирование. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
В.А. Родионов
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-31-42 UDC 629.5.036
У. Rodionovl, A. Sverchkov , A. Rudnichenko , F. Mamontov , A. Ermolaev
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDIES OF BOAT WATERJETS WITH INCREASED SEAKEEPING PERFORMANCE
Object and purpose of research. The object of the research is a fundamentally new waterjet, intended for installation on ships of increased seakeeping performance with discrete-variable bottom deadrise. The purpose of the research is to develop and test three waterjet designs that can be installed on vessels with large deadrise, operating in severe weather conditions.
Materials and methods. Experimental data of waterjet tests as a part of self-propelled models obtained in deep-water and cavitation test tanks of KSRC. Numerical simulation of the flow in water conduits of full-scale vessel taking into account the waterjet performance.
Для цитирования: Родионов В.А., Сверчков А.В., Рудниченко А.А., Мамонтов Ф.Е., Ермолаев А.А. Экспериментальные и численные исследования водометных движителей катеров повышенной мореходности. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 4(394): 31-42.
For citations: Rodionov V., Sverchkov A., Rudnichenko A., Mamontov F., Ermolaev A. Experimental and numerical studies of boat waterjets with increased seakeeping performance. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 4(394): 31-42 (in Russian).
Main results. As a result of the performed experimental and computational studies, the characteristics of three waterjet designs with partial-pressure water inlets were obtained: two waterjets with isolated single-elbow water ducts and inlets on the bottom section with medium deadrise, "II"design; two waterjets with combined water duct and inlets on the bottom section with maximum deadrise and double jet, "X" design; single waterjet with bifurcating two-elbow water duct and a pair of water inlets on the bottom section with maximum deadrise, "Y" design.
Conclusion. The studies have shown that all the developed innovative waterjet designs are practically equal to conventional ones (or even better than them), and air suction creates a smooth, rather than a sharp force decrease on the impeller. The preference is given to a high-pressure water inlet with a bifurcated water inlet and a combined water conduit, because in intense waves, even if one of the inlets is aerated, the vessel will not abruptly lose speed or run off the course.
Key words: waterjet, vessel with discrete variable bottom deadrise, water inlet, self-propulsion tests, tests at cavitation tank,
numerical simulation.
The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
В результате разработки принципиально нового водометного движителя (ВД) для судна повышенной мореходности с дискретно-переменной килева-тостью днища была спроектирована и экспериментально проверена лопастная система, а также предложены конструктивные схемы его водоводов с частично-напорными водозаборниками. Основные результаты этой работы представлены в статье «Разработка типового ряда водометных движителей судов повышенной мореходности», помещенной в настоящем сборнике (с. 13).
Для экспериментального исследования были выбраны три базовые конструкции ВД:
■ пара ВД (правый и левый) с изолированными одноколенными водоводами и водозаборника-ми на участке днища со средней килеватостью, конструкция «II»;
■ пара ВД (правый и левый) с объединенным водоводом и водозаборниками на участке днища с максимальной килеватостью и двойным выбросом струи, конструкция «X»;
■ единый ВД с двухколенным раздвоенным водоводом и парой водозаборников на участке днища с максимальной килеватостью, конструкция «Y». Все исследуемые ВД используют одинаковые
лопастные системы и приспособлены к работе в экстремальных условиях, в том числе при сильном волнении, когда судно подвержено воздействию жестких знакопеременных нагрузок.
Следующим шагом стала экспериментальная проверка в глубоководном опытовом бассейне трех выбранных конструктивных схем водометных дви-жительных систем в составе самоходной модели судна повышенной мореходности с дискретно-переменной килеватостью днища. В кавитационном бассейне проведены испытания ВД с соблюдением подобия по числам кавитации. Параллельно с само-
ходными испытаниями было выполнено численное моделирование течения в водоводах судна натурного масштаба.
Основные результаты проведенных экспериментальных и численных исследований, а также расчеты ходкости натурного судна представлены в данной статье.
Проведение самоходных испытаний моделей с дискретно-переменной килеватостью днища при бескавитационном режиме работы водометных движителей
Self-propulsion tests of models with discrete-variable bottom deadrise and cavitation-free waterjet operation
В качестве объектов исследования, на которых предстояло экспериментально определить эффективность трех конструкций ВД, были выбраны модели двух катеров повышенной мореходности с дискретно-переменной килеватостью днища, обводы которых соответствовали описанию патента Валеева - Морозова [1].
Первый катер длиной 16,5 м [2] имеет днище, состоящее их трех дискрет с килеватостью на транце (по направлению от диаметральной плоскости к борту) 45, 24, 18°. На его модели были проведены испытания двух конструкций движительного комплекса с парой водометов: конструкции «X» с водо-заборниками на участке днища с максимальной (45°) килеватостью, а также конструкции «II» с изолированными одноколенными водоводами и водозаборниками на участке днища со средней (24°) килеватостью.
Второй катер длиной 7 м имеет днище, состоящее их двух дискрет с килеватостью около киля 35° и около борта 19°. На его модели отрабатывался во-
Таблица 1. Главные размерения корпуса самоходных моделей катеров с дискретно-переменной килеватостью днища
Table 1. Main dimensions of the hull for self-propelled boat models with discrete-variable bottom deadrise
Характеристика, единицы измерений Модель двухвального судна Модель одновального судна
Длина корпуса максимальная, м 4,522 2,677
Длина корпуса по скуле Ьс, м 4,463 2,639
Ширина корпуса максимальная, м 1,196 0,928
Высота борта, м 0,700 0,492
Килеватость дискрет на транце (по направлению от диаметральной плоскости к борту), градус 45/24/18 35/19
Весовое водоизмещение, кгс 526,47 636,15 189,36
Положение центра тяжести от транца ЬСо, м 1,745 1,657 1,033
Относительная центровка Ьсс /Ьс 0,39 0,37 0,39
Диапазон исследуемых скоростей V, м/с 0,5-14,2 0,5-10,9 0,6-15,8
домет конструкции «У» с одним рабочим колесом (РК) и единым выбросом струи при раздвоенном заборе воды с участка днища с килеватостью 35°.
Основные характеристики корпусов самоходные моделей этих катеров содержатся в табл. 1. Трехмерные модели катеров с дискретно-переменной килеватостью днища, оборудованные различными конструкциями водовода ВД, показаны на рис. 1 и 2.
Кормовые части моделей оборудованы нишами, в которые вставляются сменные пенопластовые блоки. Замена блоков позволяла проводить как буксировочные испытания «голым» корпусом, так и самоходные испытания с ВД разных конструкций.
Испытания моделей проходили в глубоководном опытовом бассейне Крыловского государственного научного центра (КГНЦ). Для получения более полной информации двухвальная модель была испытана при двух существенно различающихся нагрузках (табл. 1). В этих испытаниях диаметр сопла d не варьировался и был выбран равным 71,2 мм, что соответствует расчетному поджатию сопла врасч = 0,370. Испытания одновальной модели проводились при одной нагрузке, но с четырьмя вариантами поджатия сопла: в = 0,362 (4 = 70,4 мм); в = 0,370 (4 = 71,2 мм); врасч = 0,378 (4 = 72,0 мм); в = 0,387 (4 = 72,8 мм).
В процессе самоходных испытаний измерялись следующие величины: скорость движения буксировочной тележки Ум; частота вращения РК правого (пП) и левого (пЛ) бортов; крутящие моменты правого (ОП) и левого (ОЛ) бортов; тяга ТЕ; динамический дифферент у; динамическое всплытие/погружение АТ в месте расположения буксиро-
а)
Рис. 1. Модель двухвального судна с водометом конструкции: а) «II»; б) «X»
Fig. 1. The two-shaft vessel model with a waterjet of a) "II" and b) "X" design
Рис. 2. Модель одновального судна с водометом конструкции «Y»
Fig. 2. Single-shaft vessel model with "Y" design waterjet
Рис. 3. Конструкции самоходных испытаний двух- и одновальной моделей: а) «X»; б) «Y» Fig. 3. Two- and single-shaft models used in self-propulsion tests: a) "X"; b) "Y"
вочного пилона. Кормовая часть моделей во время самоходных испытаний с работающими водометами показана на рис. 3.
Результаты самоходных испытаний представлялись в виде безразмерных коэффициентов: ■ коэффициент тяги движителя
Ke =-
«П + n
(1)
D 4
коэффициент крутящего момента вп + вя .
K
в
(2)
D5
пропульсивный коэффициент
J • Ke
2 • • K
(3)
в
где В - диаметр РК; 2Р - число валов; 3 - поступь РК.
В ходе проведения самоходных испытаний была обнаружена отличительная особенность работы ВД конструкции «X» с объединенным водоводом, проявлявшаяся в разных значениях коэффициента крутящего момента РК правого и левого бортов (рис. 4, см. вклейку). Разница в значениях коэффициента крутящего момента была максимальна на малых поступях и особенно велика на швартовном режиме. По мере увеличения поступи графики коэффициентов крутящих моментов постепенно сближались, пересекались и начинали расходиться. Такой режим
работы ВД с объединенным водоводом имел место при обеих испытанных нагрузках модели.
Объяснить физическую природу возникновения этого эффекта удалось только после численного моделирования течения в водоводах, выполненного специалистами Суперкомпьютерного центра математического моделирования КГНЦ. Согласно результатам расчетов, течение на выходе из объединенного водовода приобретает закрутку. В водоводах правого и левого бортов течение закручивается в противоположные стороны и в таком закрученном состоянии попадает на РК, которые вращаются в одном направлении. Соответственно, на одно РК натекает поток с таким же, как у него, направлением вращения, что приводит к уменьшению момента, а на второе - с противоположным вращением, что ведет к увеличению момента.
В результате испытаний самоходных моделей были получены характеристики трех конструктивных схем ВД при условии моделирования кинематического подобия по относительной поступи на ходовом режиме судна при бескавитационном режиме работы движителей. Особенность этих испытаний заключалась в том, что варьировались только конструкции водоводов и поджатие сопла, в то время как параметры РК и спрямляющих аппаратов ВД сохранялись без изменений.
На рис. 5 (см. вклейку) для оборотов РК п = 37,9 об/с в зависимости от поступи 3у приведено сопоставление пропульсивных коэффициентов трех вариантов конструкции ВД, оснащенных частично-напорными водозаборниками. На этом же рисунке отражено влияние изменения нагрузки (водоизмещения и центровки) двухвальной модели.
E
и
D
10 Kç KE
2,0
1,5
1,0
0,5
VV <v о- 50
Л и
pai Sblf ва
ж
и
eBi 1Й вал
< J1 "С
T Yl
-О. ■О гг
1 Ля
ii г
г XI
■а
-
Ли 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0,5
1,0
1,5 Jv
Пара водометных движителей с изолированными одноколенными водоводами и водозаборниками на участке днища со средней килеватостью
■ £>м= 526,47 кгс
■ Ди= 636,15 кгс
Единый водометный движитель с двухколенным 1 ' раздвоенным водоводом и парой водозаборников" ■ на участке днища с максимальной килеватостью -- йм= 189,36 кгс
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Jv
Рис. 4. Коэффициенты упора и момента, пропульсивный коэффициент в зависимости от поступи, п = 37,9 об/с. Весовое водоизмещение модели 526,47 кгс
Fig. 4. Thrust and torque coefficients and propulsive efficiency
versus advance ratio, n = 37.9 rps.
Weight displacement of the model 526.47 kgf
Рис. 6. Зависимость 10K?, KE от относительной поступи J при атмосферном давлении
Fig. 6. 10KQ, КЕ versus advance ratio J at atmospheric pressure
Рис. 5. Сопоставление пропульсивных коэффициентов r|D трех вариантов конструкции водометных движителей в зависимости от поступи ^для оборотов рабочего колеса п = 37,9 об/с, диаметр сопла 71,2 мм
Fig. 5. Propulsive efficiencies r|D versus impeller advance ratio Jv of three waterjet designs: impeller speed n = 37.9 rps: nozzle diameter 71.2 mm
Рис. 7. Зависимость 10K?, KE от относительной поступи J при натурном числе кавитации oD = 0,8 Fig. 7. 10KQ, КЕ versus advance ratio J at full-scale cavitation number an = 0.8
Рис. 9. Поле скорости в сечении 0,50 перед диском рабочего колеса (вид с носа), водометы конструкции: а) «II»; 6) «X»; в) «У»
Fig. 9. Velocity field in section 0.5D in front of the impeller disk (view from the bow), waterjets of the design: a) "II"; b) "X"; c) "Y"
Рис. 10. Поля радиальной (a) и окружной (б) компоненты скорости в сечении 0,5D перед диском винта, водомет конструкции «X», вид с носа. Положительные значения окружной компоненты скорости соответствуют направлению против часовой стрелки и по направлению вращения рабочего колеса
Fig. 10. Fields of radial (a) and circumferential (b) velocity components in section 0.5D in front of the propeller disk, waterjetof "X" design, view from the bow. Circumferential velocities are positive counter-clockwise and in the direction of the impeller rotation
Как можно видеть из представленных материалов, наибольшими потерями обладает единый ВД конструкции «Y». Максимальное значение его про-пульсивного коэффициента при оборотах РК n = 37,9 об/с не превышает 0,50. Наивысшую эффективность, равную 0,565, имеет традиционная конструкция «II», состоящая из пары ВД с изолированными одноколенными водоводами и водозабор-никами на участке днища со средней килеватостью. Промежуточное положение занимает конструкция «X». При тех же оборотах РК максимальное значение пропульсивного коэффициента этого комплекса равняется 0,544.
При увеличении оборотов РК до 50 об/с максимальное значение пропульсивных коэффициентов всех рассмотренных конструкций ВД увеличивается примерно на 0,02. У водомета конструкции «II» про-пульсивный коэффициент достигает значения 0,59.
Следует обратить внимание, что согласно [6] применение частично-напорного водозаборника снижает пропульсивный коэффициент водомета на 0,02-0,03 по сравнению с традиционным водоза-борником статического типа.
По полученным при самоходных испытаниях данным можно сделать вывод, что при движении на тихой воде в частично-напорные водозаборни-ки не попадает воздух за счет их расположения на средней и максимальной килеватости. Такое расположение водозаборников возможно благодаря обводам катера с дискретно-переменной килева-тостью днища.
Испытания водометного движителя с соблюдением подобия по числам кавитации
Waterjet tests at equivalent cavitation numbers
Модельные испытания по определению тяговых и мощностных характеристик ВД с соблюдением подобия по числам кавитации были проведены в кавитационном бассейне [3] на модели одноваль-ного судна (табл. 1) с одним вариантом компоновки ВД (конструкция «Y») с четырьмя сменными соплами, различающимися диаметрами выходных сечений. При испытаниях в кавитационном бассейне фиксировались следующие параметры: крутящий момент Q, Н м; тяга движителя ТЕ, Н; сопротивление модели R, Н; частота вращения РК n, об/с; скорость буксировочной тележки V, м/с;
давление над свободной поверхностью воды P0, Па;
давление насыщенных паров воды Pd, Па; число кавитации по частоте вращения РК стд вычисляется по формуле
_ - Pd)
(nD)2
(4)
Испытания в кавитационном бассейне проводились по следующей программе:
■ на ВД последовательно устанавливались разные реактивные сопла, различающиеся поджатием;
■ для каждой компоновки устанавливалась постоянная частота вращения РК п = 31 об/с;
■ фиксация параметров происходила с изменением скорости буксировочной тележки V от 0 до 6,2 м/с;
■ для каждой компоновки самоходные испытания проходили при атмосферном давлении и при натурном числе кавитации cD = 0,8 для определения тяговых и мощностных характеристик ВД. Результаты испытаний в виде зависимостей
коэффициентов момента 10^ и тяги ^ от относительной поступи J представлены на рис. 6 и 7 (см. вклейку).
По итогам испытаний определен момент появ-
Рис. 8. График риска возникновения второй стадии кавитации
Fig. 8. Chart of thrust-breakdown cavitation risk
■
■
■
D
ления второй стадии кавитации, результат представлен в виде зависимости тяги КЕ от числа кавитации Стд на рис. 8. В диапазоне ниже кривой не происходит падения пропульсивных характеристик ВД, обусловленного второй стадией кавитации лопастей.
Испытания при натурных числах кавитации показали, что на исследуемом ВД при числе кавитации 0,8 характеристики плавно снижаются при коэффициенте тяги более 0,58. Следовательно, на всех исследуемых ВД не происходит падения характеристик, обусловленного кавитацией лопастей. Такой вывод сделан из анализа чисел кавитации и графика на рис. 8 (все числа кавитации лежат ниже кривой).
Численное моделирование течения в водоводах судна натурного масштаба с учетом работы водометного движителя
Numerical simulation of the flow
in the water conduits of a full-scale vessel taking
into account waterjet operation
Задачи решались на Суперкомпьютере КГНЦ в среде пакета Star-CCM+. Осуществлялось решение системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса, дополненной системой уравнений
&-ю SST-модели турбулентности Ментера в низко-рейнольдсовой постановке. Для моделирования свободной поверхности применялся метод Volume of Fluid. Задачи решались в нестационарной постановке для всех трех исследуемых конструкций ВД в условиях «тихой воды».
В табл. 2 приведены значения дифферента, осадки центра тяжести судна, а также гидродинамические характеристики РК, полученные при численном моделировании в условиях тихой воды. Для водометов конструкций «II» и «X» приведены средние значения для правого и левого движителя.
На рис. 9 (см. вклейку) представлены поля осредненной за три оборота РК обезразмеренной на V0 = VS = 18,0 м/с скорости в сечении в 0,5D перед диском РК для трех исследуемых конструкций ВД. Для наглядности показаны обводы каналов водовода, вид с носа перпендикулярно диску РК. На рисунке видно влияние формы канала водовода: области повышенной скорости сохраняются с внутренней стороны колена канала, застойные зоны могут сохраняться с обратной стороны. Поля скорости в сечении перед правым и левым РК несимметричны - таким образом, возможно, необходима установка РК левого вращения на левом валу. Важным результатом расчетных исследований является выявление выраженного вихря в ка-
Таблица 2. Основные гидродинамические характеристики судов с различными конструкциями водометных движителей
Table 2. Main hydrodynamic characteristics of vessels with different waterjet designs
Характеристика, единицы измерений Двухвальное судно, конструкция «II» Двухвальное судно, конструкция «X» Одновальное судно, конструкция «Y»
Скорость движения судна VS, м/с 18,0 18,0 18,0
Приведенный диаметр РК ,Одиаг. РК, м 0,675 0,675 0,675
Частота вращения РК n, об/с 21,6 21,6 21,6
Кажущаяся поступь РК Jv 1,235 1,235 1,235
Угол дифферента, град. 3,88 3,64 3,72
Осадка на LCG /Lc = 0,40, м 0,979 1,008 0,578
Результирующая сила (тянущая), кН 14,0 11,7 9,5
Коэффициент упора лопаток РК KT 0,780 0,790 0,767
Коэффициент момента лопаток РК 10Ke 1,536 1,542 1,516
Коэффициент упора водомета KTT 0,458 0,451 0,459
Va /Vo (0,5D перед РК) 0,744 0,739 0,740
Поступь РК Ja 0,919 0,913 0,914
КПД водомета п 0,586 0,575 0,595
Объемный расход q, м3/с 3,09 3,06 2,89
налах водомета конструкции «X».
На рис. 10 (см. вклейку) показаны поля радиальной и окружной компонент скорости в сечениях 0,5D перед диском РК водомета конструкции «X». Видно, что вблизи правой и левой стенок правого (в большей степени) и левого (в меньшей степени) канала водомета конструкции «X» соответственно происходит образование вихря.
На рис. 11-13 показана визуализация областей возможного возникновения кавитации (р < 1700 Па) в канале водовода.
По результатам численного моделирования установлено, что области возможного возникновения кавитации в канале водомета конструкции «II» отсутствуют. В канале водомета конструкции «X» существуют области возможного возникновения
кавитации на боковых стенках канала в области сопряжения, а также вблизи губы водозаборника на входе в канал. На входе в канал водомета конструкции «У» возможно возникновение кавитации вблизи губы водозаборника.
На рис. 14 показана визуализация возможного возникновения кавитации (р < 1700 Па) вблизи и на поверхности РК. При анализе результатов видно, что при работе РК на расчетном режиме возможно возникновение кавитации на засасывающей стороне вблизи верхней кромки. Возможно, необходима корректировка геометрических характеристик лопаток РК для отдаления начала кавитации.
Результаты численных исследований показали, что при максимальных скоростях эксплуатации исследуемых ВД возникает кавитация не
Рис. 11. Области возможного возникновения кавитации в канале водометного движителя конструкции «II»: а) изометрия; б) вид снизу на вход в канал водовода
Fig. 11. Areas of possible cavitation inception in waterjet duct of design "II": a) isometry; b) bottom view of water inlet
i
Рис. 12. Области возможного возникновения кавитации в канале водометного движителя конструкции «X»:
а) изометрия; б) вид снизу на вход в канал водовода; в) вид на место сопряжения двух каналов
Fig. 12. Areas of possible cavitation inception in waterjet duct of design "X":
a) isometry; b) bottom view of water inlet; J
c) place of intersection between ducts 4
Рис. 13. Области возможного возникновения кавитации в канале водометного движителя конструкции «Y»: а) изометрия; б) вид снизу на вход в канал водовода
Fig. 13. Areas of possible cavitation inception in waterjet duct of design "Y": a) isometry; b) bottom view of water inlet
только на лопастях РК, но и на водозаборниках. У водомета конструкции «X» также возможна кавитация внутри канала водовода. Для уменьшения ее интенсивности необходимо оптимизировать место слияния водоводов.
Предлагаются два пути модернизации:
■ увеличение площади объединенного сечения путем его расширения. Такой подход однозначно снизит интенсивность кавитации, но неизбежно приведет к увеличению сопротивления водовода и снижению эффективности ВД;
■ изменение формы объединенного сечения на гладкий эллипс с удлиненной осью в горизонтальной плоскости. При этом площадь сечения не изменяется по сравнению с исходной. Реализация такого подхода практически никак не повлияет на эффективность ВД. Минусами является сложность конструкции для проектирова-
ния и изготовления деталей водомета, а также необходимость выполнять дополнительные численные исследования.
Кроме этого, проводилось численное моделирование хода натурного судна на косом волнении. Основные результаты этой работы представлены в статье «Расчетно-экспериментальное определение возможности попадания воздуха в движитель при движении на волнении», помещенной
в настоящем сборнике (с._). По результатам
расчетов можно отметить, что при оголении водо-заборника с объединенным водоводом к обоим движителям продолжает поступать вода за счет объединения водоводов, и судно начинает плавно терять скорость, не сбиваясь с курса. В свою очередь, в случае использования классических изолированных водоводов при оголении одного во-дозаборника на косом волнении судно теряет не
Рис. 14. Области возможного возникновения кавитации вблизи РК, водомет конструкции: а) «II»; б) «X»; в) «Y». Вид на засасывающую поверхность лопаток
Fig. 14. Areas of possible cavitation inception near the impeller, waterjet of the design: a) "II"; b) "X"; c) "Y". View of the suction surface of the blades
только скорость, но и свои курс, т.к. в водомет через оголившийся водозаборник вместо воды начинает поступать воздух.
Расчеты ходкости натурного судна
Propulsion performance calculations of a full-scale vessel
По результатам модельных испытаний был произведен расчет ходкости натурного судна. Учитывая, что модели ВД и корпуса судна с дискретно-переменной килеватостью днища выполнены в одном масштабе и при этом соблюдается полное геометрическое подобие моделей и натурных объектов, расчеты ходкости проведены с использованием пропульсивных коэф-
V, уз 35
30 25 20 15 10 5 0
1000
1100
1200
n, об/мин
фициентов, полученных по данным самоходных испытаний. Была произведена серия расчетов ходкости:
■ двухвального судна водоизмещением 50 т при волнении 4 балла, с парой ВД с изолированными одноколенными водоводами и водозаборни-ками на участке днища со средней килевато-стью, конструкция «II» (рис. 15);
■ двухвального судна водоизмещением 50 т при волнении 4 балла, с парой ВД с объединенным водоводом и водозаборниками на участке днища с максимальной килеватостью, конструкция «X» (рис. 16);
■ двухвального судна водоизмещением 29 т на тихой воде, с парой ВД с изолированными од-ноколенными водоводами и водозаборниками
N кВт 1550
1350 1150 950 750 550
1000
1100
1200
n, об/мин
Рис. 15. Графики зависимости скорости (а) и потребной мощности (б) двухвального судна от частоты вращения рабочего колеса, конструкция «II»
Fig. 15. Speed (a) and power demand (b) versus impeller speed of a twin-shafted vessel: Design "II"
V, уз 35
30 25 20 15 10 5 0
N, кВт 1550
1350
1150
950
750 550
1000
1100
1200
n, об/мин
1000
1200
n, об/мин
Рис. 16. Графики зависимости скорости (а) и потребной мощности (б) двухвального судна от частоты вращения рабочего колеса, конструкция «X»
Fig. 16. Speed (a) and power demand (b) versus impeller speed of a twin-shafted vessel: Design "X"
Рис. 17. Графики зависимости скорости (а) и потребной мощности (б) двухвального судна от частоты вращения рабочего колеса, конструкция «Y»
Fig. 17. Speed (a) and power demand (b) versus impeller speed of a twin-shafted vessel: Design "Y"
Рис. 18. Графики зависимости скорости (а) и потребной мощности (б) опытного катера от частоты вращения рабочего колеса, конструкция «II»
Fig. 18. Speed (a) and power demand (b) versus impeller speed of an experimental boat: Design "II"
на участке днища со средней килеватостью, конструкция «Y» (рис. 17); ■ опытного катера в двумя дискретами киле-ватости водоизмещением 3,5 т на тихой воде, с парой ВД с изолированными одноколенны-ми водоводами и водозаборниками на участке днища со средней килеватостью, конструкция «II» (рис. 18).
Из рис. 15 следует, что расчетная скорость полного хода 50-тонного судна на волнении 4 балла составляет 30 уз при диаметре РК 0,675 м, диаметре входа в лопастную систему 0,545 м, частоте вращения РК 1353,5 об/мин и потребной мощности каждого ВД 1500 кВт.
Из рис. 16 следует, что расчетная скорость полного хода 50-тонного судна на волнении 4 балла составляет 30,9 уз при диаметре РК 0,675 м, диаметре входа в лопастную систему 0,545 м, частоте вращения РК 1341 об/мин и потребной мощности каждого ВД 1500 кВт.
Из рис. 17 следует, что расчетная скорость полного хода 29-тонного судна на тихой воде составляет 50,6 уз при диаметре РК 0,675 м, диаметре входа в лопастную систему 0,545 м, частоте вращения РК 1362 об/мин и потребной мощности каждого ВД 1500 кВт.
Из рис. 18 следует, что расчетная скорость полного хода опытного катера на тихой воде составля-
ет 34,2 уз, диаметр РК - 0,219 м, диаметр входа в лопастную систему - 0,177 м, частота вращения - 3759,0 об/мин, потребная мощность каждого ВД - 115 кВт.
Заключение
Conclusion
В результате выполнения работы достигнута основная цель, которая заключалась в создании ВД для судов, эксплуатирующихся при тяжелых погодных условиях, когда волнение может достигать 4 баллов. Проведено всестороннее экспериментальное и расчетное исследование трех конструкций ВД, оснащенных частично-напорными водозаборниками в составе корпуса с переменой килеватостью днища:
■ пара ВД с изолированными одноколенными водоводами и водозаборниками на участке днища со средней килеватостью, конструкция «II»;
■ пара ВД с объединенным водоводом и водоза-борниками на участке днища с максимальной килеватостью и с двойным выбросом струи, конструкция «X»;
■ единый ВД с двухколенным раздвоенным водоводом и парой водозаборников на участке днища с максимальной килеватостью, конструкция «Y».
Результаты испытаний показали, что новые разработанные конструкции ВД практически не уступают по эффективности традиционным [4], а просос воздуха создает плавное, а не резкое снижение сил на РК.
В качестве вывода, сделанного по результатам проведенного исследования модели ВД в кавита-ционной трубе и испытаний самоходных моделей в глубоководном бассейне, можно отметить, что преимущества применения раздвоенного водоза-борника с объединенным водоводом очевидны, т. к. при ходе в условиях интенсивного волнения даже при попадании воздуха в один из водозаборников судно не будет резко терять скорость или сбиваться с курса. До настоящего времени подобные ВД не применялись, в частности из-за опасения снижения эффективности и возможных сильных ударных нагрузкок при прососе воздуха [5]. Для улучшения эксплуатационных характеристик этого водомета необходимо обеспечить противоположное вращение его РК.
Проблема кавитации на водозаборниках и внутри водовода в настоящей работе решена не полностью. Предложены пути ее решения, но
требуются дополнительные исследования, которые целесообразно выполнить на стадии работы над конкретным проектом судна с учетом индивидуальных особенностей днищевых обводов его корпуса и условий эксплуатации.
Список использованной литературы
1. Корпус глиссирующего судна с обводами Валее-ва - Морозова: пат. 154728 Рос. Федерация / Ва-леевХ.-М.М., МорозовД.Р. № 2014151976/11; заявл. 22.12.2014; опубл. 10.09.2015, Бюл. № 25. 8 с.
2. КазаросянА.С., ВалеевХ.-М.М. Загадочный «Сле-минг-2» - реалии и перспективы // Морская политика России. Люди. События. Факты. 2019. № 28. С. 50-53.
3. Современные гидродинамические лаборатории / Борусевич В.О., Русецкий А.А., Сазонов К.Е., Соловьев И.А. - Санкт-Петербург: Крыловский государственный научный центр, 2019. 316 с.
4. Справочник по теории корабля в трех томах. Том 1. Гидромеханика. Сопротивление движению судов. Судовые движители. / Под ред. Я.И. Войткунского, Ленинград, «Судостроение», 1985 г.
5. Мавлюдов М.А., Русецкий А.А. Основы теории и проектирования водометных движителей. Санкт-Петербург: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2009. 94 с.
6. Родионов В.А. Отработка оптимальных элементов водометного движителя глиссирующего катера // Труды ЦНИИ им. А.Н. Крылова. 1996. Вып. 2(286). Новые технические решения в области гидродинамики быстроходных судов. С. 57-63.
References
1. Glider hull with Valeev - Morozov contours: Pat. 154728 Russia / H.-M.M. Valeev, D.R. Morozov. No. 2014151976/11; declared 12/22/2014; publ. 10.09.2015. Bul. No. 25. 8 p. (in Russian).
2. A. Kazarosyan, H.-M.M. Valeev. Mysterious "Sleming-2" - realities and prospects // Sea policy of Russia. 2019. No. 28. P. 50-53 (in Russian).
3. V. Borusevich, A. Rusetsky, K. Sazonov, I. Solo-vyev. Modern hydrodynamic laboratories. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2019. 316 p. (in Russian).
4. Handbook on the theory of the ship: In 3 vol. Vol. 1. Hydromechanics. Resistance to ship traffic. Ship propellers / [Ya. Voitkunsky et al.]. Leningrad: Shipbuilding, 1985. 764 p. (in Russian).
5. M. Mavlyudov, A. Rusetsky. Fundamentals of the theory and design of the waterjet. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2009. 94 p. (in Russian).
6. V. Rodionov. Waterjet optimization for a glider // Transactions of the Krylov State Research Centre. 1996. No. 2(286). New technical solutions in the field of high-speed vessels hydrodynamics. P. 57-63 (in Russian).
Сведения об авторах
Родионов Валерий Андреевич|, к.т.н., старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44.
Сверчков Андрей Владимирович, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 748-63-26. E-mail: ksri@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-9006-8812.
Рудниченко Алексей Андреевич, инженер 1 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (903) 099-85-86. E-mail: rudnik.mail@gmail.com. https://orcid.org/0000-0002-4567-7125.
Мамонтов Федор Евгеньевич, инженер ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (904) 606-41-94. E-mail: fedoziche@mail.ru. https://orcid.org/0000-0001-5688-0930.
Ермолаев Андрей Александрович, начальник стенда ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Москов-
ское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (965) 006-12-95. E-mail: ermandalex@gmail.com. https://orcid.org/0000-
0001-7786-6556.
About the authors
\Valeriy A. RodionoV, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Andrey V. Sverchkov, Cand. Sci. (Eng.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 748-63-26. E-mail: ksri@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-9006-8812. Alexey A. Rudnichenko, 1st category Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (903) 099-85-86. E-mail: rudnik.mail@gmail.com. https://orcid.org/0000-
0002-4567-7125.
Fedor E. Mamontov, Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (904) 606-41-94. E-mail: fedoziche@mail.ru. https://orcid.org/0000-0001-5688-0930. Andrey A. Ermolaev, Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (965) 006-12-95. E-mail: ermandalex@gmail.com. https://orcid.org/0000-0001-7786-6556.
Поступила / Received: 21.08.20 Принята в печать / Accepted: 25.11.20 © Коллектив авторов, 2020
