CC BY-NC
12
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1-395-79-84 УДК 629.5.035.5
В.А. Бушковский, А.А. Коваль , А.А. Маслова
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННЫХ КАЧЕСТВ ДВИЖИТЕЛЯ «ВИНТ-НАСАДКА»
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является движитель типа «винт-насадка», предназначенный для установки на судах для обеспечения заданных характеристик движения. Цель работы состоит в снижении нестационарных сил на гребном винте при его работе за стойками (кронштейнами) направляющей насадки.
Материалы и методы. Расчетные оценки параметров гребного винта и численные методы моделирования условий работы гребного винта при его работе внутри насадки, разработанные в ФГУП «Крыловский государственный научный центр».
Основные результаты. Проведены расчеты эффективного поля скоростей за стойками насадки движителя с учетом обтекания корпуса судна и его выступающих частей. Выполнены расчеты нестационарных сил, возникающих при работе штатного винта в этом поле. Спроектирован винт с увеличенной саблевидностью лопастей. Выполнены расчеты нестационарных сил, возникающих при работе нового винта в исходном поле. Определены параметры поля скоростей, обеспечивающего снижение нестационарных сил.
Проведены расчеты новой формы стоек насадки для формирования поля скоростей с заданными характеристиками. В новом поле проведены расчеты амплитуд нестационарных сил для штатного винта.
Заключение. На примере численных исследований движителя «винт-насадка» предложен способ формирования поля скоростей в диске гребного винта, позволяющий минимизировать нестационарные силы на гребном винте без изменения геометрических характеристик гребного винта с помощью придания стойкам, поддерживающим насадку, криволинейной формы.
Ключевые слова: движитель «винт-насадка», нестационарные силы, поле скорости, стойки насадки. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-1 -395-79-84 UDC 629.5.035.5
V. Bushkovsky, A. Koval , A. Maslova
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
WAKE OPTIMIZATION OF DUCTED PROPELLER
Object and purpose of research. This paper discusses marine ducted propeller and the ways to ensure its target performance parameters. The purpose of this study was to mitigate unsteady forces on the propeller behind the duct struts.
Materials and methods. Analytical estimates of propeller parameters and in-house KSRC methods for numerical simulation of ducted propeller behaviour.
Main results. Calculations of effective wake behind duct struts taking into account the flow around hull and its appendages. Calculations of unsteady forces for a standard propeller operating in this wake. Design of a propeller with increased
Для цитирования: Бушковский В.А., Коваль А.А., Маслова А.А. Исследование возможности формирования поля скоростей для обеспечения заданных качеств движителя «винт-насадка». Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 1(395): 79-84.
For citations: Bushkovsky V., Koval A., Maslova A. Wake optimization of ducted propeller. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 1(395): 79-84 (in Russian).
blade skew. Calculations of unsteady forces for the new propeller in the initial wake. Wake field parameters contributing to mitigation of unsteady forces.
Calculations for the new strut shape for wake optimization. Calculations of unsteady force amplitudes for standard propeller in the new wake.
Conclusion. Ducted propeller discussed in this study was meant to illustrate how propeller wake properties, like unsteady forces, can be optimized without changing propeller geometry, only by means of curved duct struts. Keywords: ducted propeller, unsteady forces, wake field, duct struts. The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
Периодические гидродинамические силы, возникающие на гребном винте при его работе в неоднородном натекающем потоке и передаваемые корпусу судна, являются источником местной и общей вибрации корпуса, судовых конструкций и вало-провода, могут вызывать усталостные разрушения гребных валов и винтов. Повышенная, в условиях, близких к резонансным, вибрация отрицательно сказывается на работе механизмов и оборудования, ухудшает условия обитаемости.
При отсутствии повреждений и отклонений геометрических элементов гребного винта от проектных силы инерционной природы, обусловленные его механической неуравновешенностью, и неуравновешенные силы гидродинамической природы малы и не могут оказать существенного влияния на формирование уровня вибраций. В этом случае определяющее значение имеют гидродинамические силы, обусловленные конечностью числа лопастей гребного винта и его работой в неоднородном и нестационарном потоке за корпусом.
При фиксированной частоте вращения гребного винта, работающего в потоке за корпусом, происходит периодическое изменение условий обтекания его лопастей вследствие окружной неоднородности потока. Это приводит к возникновению на лопастях и на гребном винте в целом периодической гидродинамической силы (с оборотной (вальной) и лопастной частотами соответственно). Пульсирующая сила, приложенная к винту в целом, определяется суммированием нагрузок на отдельных лопастях с учетом сдвига по фазе. Как известно, нестационарные силы на винте будут возникать только при наличии kZ и kZ ± 1 гармоник неоднородности набегающего потока, где Z -число лопастей винта, причем они будут пульсировать на лопастных частотах:
f = knZ,
где n - частота вращения гребного винта.
Способы снижения нестационарных сил, возникающих на гребном винте
Ways to mitigate unsteady forces on the propeller
Исходя из природы возникновения этих сил, способы их минимизации можно разделить на две основные группы:
■ целенаправленное изменение структуры натекающего на гребной винт потока - оптимизация обводов корпуса, его выступающих частей;
■ отработка конструкции гребного винта - выбор числа лопастей, использование лопастей саблевидной формы.
Использование саблевидной формы контура лопасти призвано обеспечить постепенный вход лопасти в зону подторможенности или ускоренно-сти потока. При этом элементарные нестационарные силы, возникающие на различных участках лопасти, достигают своего максимума в различные моменты времени, поэтому амплитуда результирующей нестационарной силы на каждой лопасти (и на винте в целом) уменьшается, а время действия силы увеличивается, что приводит к уменьшению спектральных уровней сил для гармоник лопастной частоты.
Эффект применения саблевидной формы лопасти зависит не только от величины саблевидности -степени отличия формы лопасти от симметричной, но и от распределения саблевидности вдоль радиуса, которое для каждой картины неоднородности поля оказывается своим [1]. В связи с этим разработаны расчетные методы по определению оптимальной геометрии лопасти, величины и радиального распределения саблевидности, обеспечивающей в заданном неоднородном потоке минимизацию нестационарных сил и излучения гребного винта с дискретным спектром.
В теоретическом плане эта задача принадлежит к разряду вариационных: следует определить минимум функционала, характеризующего зависи-
мость нестационарной силы, возникающей на гребном винте, от геометрических характеристик его лопастей [2].
Использование лопастей саблевидной формы приводит к снижению нестационарных сил на гребном винте, и в то же время изменяются прочностные характеристики лопасти, лопасть становится менее жесткой, особенно при углах сабле-видности больше 25°. Придание лопасти саблевидной формы снижает и пропульсивные характеристики движителя.
К одному из способов минимизации нестационарных сил можно отнести установку на корпус пассивных устройств, формирующих поле скоростей с заданными свойствами в диске винта с целью снижения нестационарных сил [3]. К таким устройствам относятся крылья малого удлинения - вихревые генераторы, которые позволяют выровнять поток в диске гребного винта и уменьшить гармоники поля на лопастных частотах kZ и kZ ± 1. Данные гармоники ответственны за формирование нестационарной силы на гребном винте в целом.
Формирование поля скоростей с помощью движителя «винт-насадка»
Wake adjustment by means of ducted propeller
Воздействие на поток в диске гребного винта можно обеспечить для движителя типа «винт-насадка», формируя поток с заданными свойствами посредством стоек - крыльев, удерживающих насадку. Под движителем типа «винт-насадка» подразумевается движитель, состоящий из про-пульсивной насадки, стоек, удерживающих насадку, и гребного винта. Однако, в отличие от вихревых генераторов [3], снижение нестационарных сил в данном случае происходит не с помощью
уменьшения гармоник поля скорости, а с помощью распределения вдоль радиальной координаты фазовых углов в разложении в ряд Фурье поля скорости в диске гребного винта.
Проекции движителя «винт-насадка» представлены на рис. 1. Насадку удерживают стойки -кронштейны, расположенные перед гребным винтом. Неоднородность потока в диске гребного винта формируется обтеканием стоек, вязкими следами за ними и обтеканием обводов корпуса [5]. В основном неоднородность определяется стойками и следами за ними, а неоднородность от обтекания корпуса, проходя через систему стоек в конфузор-ной насадке, размывается и слабо сказывается в суммарном поле скоростей.
На рис. 2 представлено на относительных радиусах эффективное поле скоростей, рассчитанное за стойками перед гребным винтом с учетом обтекания корпуса и корпусных конструкций. Задача определения поля скоростей в диске винта решалась методами численного моделирования [7]. г* -------
0 50 100 150 200 250 300 0
Рис. 2. Осевая скорость Vx за стойками в диске гребного винта на относительных радиусах r
Fig. 2. Axial velocity Vx behind the struts in propeller disk at relative radii r
Cs 0,1 0 -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5
------ "ч
--- ч
— Исход ное V
--- — Новое \ \ N
\ \
\ \ \
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Рис. 3. Саблевидность лопасти штатного гребного винта и оптимальная саблевидность под заданное поле скорости
Fig. 3. Blade skew of standard propeller and optimal skew for given wake field
Эффективное поле скоростей определяется с учетом работы гребного винта. Поле имеет семь пиков подторможенности потока, обусловленных обтеканием стоек насадки и вязкими следами за ними.
Стойки у ступицы и на средних радиусах имеют шаг и кривизну, а на концевых сечениях расположены почти по потоку без кривизны и шага, как следует из габаритных размеров стоек на виде с кормы на рис. 1. В данном случае система стоек перед гребным винтом является направляющим аппаратом, обеспечивающим требуемую для гребного винта закрутку потока и согласованным с нагрузкой на винте. Придание данной формы стойкам позволяет утилизировать энергию, идущую
г 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2
—
__ - — "
у' у - Icxo.TOf /гол по >е поло> ворота кение _
/ / --
1
-15 -10
10 15 20 0s
Рис. 4. Образующая штатных стоек и криволинейная образующая новых стоек
Fig. 4. Generatrix of standard struts and curved generatrix of new struts
на закрутку потока от гребного винта, и повысить суммарный упор движителя [9].
Для заданного поля проведен расчет нестационарных сил на гребном винте методом, основанным на вихревой теории нестационарной несущей поверхности [4]. Результаты расчета амплитуды нестационарной силы на первой лопатной частоте будут определять эффективность способов снижения нестационарной силы для гребного винта. Для поля, представленного на рис. 2, вариационным методом, описанным в статье [2], проведен расчет оптимальной формы саблевидности лопасти. Как правило, гармоника силы на первой лопастной частоте превалирует над остальными гармониками, поэтому эта форма саблевидности обеспечивает минимально возможную осевую нестационарную силу на первой лопастной частоте для заданного поля скорости.
С физической точки зрения, уменьшение результирующей нестационарной силы, возникающей на лопасти саблевидной формы, связано с частичной взаимной компенсацией элементарных сил, возникающих на отдельных радиальных элементах лопасти. Эта компенсация в основном происходит потому, что фаза гармонической составляющей элементарной силы на лопастной частоте и ее кратных гармониках существенно зависит от радиуса цилиндрического сечения лопасти, на которой она возникает. На рис. 3 приведена саблевидность штатного винта и оптимальная саблевидность, полученная расчетным методом для заданного поля скорости.
Для винта с оптимальной саблевидностью произошло снижение амплитуды нестационарной силы на 40 % относительно винта с умеренной штатной саблевидностью. Введение саблевидности приводит к необходимости корректировки несущих параметров гребного винта с целью сохранения заданных силовых характеристик - упора и гидродинамического момента. Согласно существующей физико-математической модели, переменные периодические гидродинамические силы, возникающие на гребном винте, работающем в неоднородном потоке за корпусом, являются первопричиной акустического излучения, проявляющегося в области низких частот. Кроме того, придание саблевидности лопасти приведет к снижению прочностных характеристик и жесткости лопастей, что, в свою очередь, может вызвать некоторое ухудшение шумности гребного винта в высокочастотной области спектра [6-8].
Как отмечалось выше, снижение нестационарной силы обусловлено разностью фаз гармонической составляющей силы на отдельных радиальных эле-
Рис. 5. Вид сбоку на движитель «винт-насадка» и на стойки с криволинейной образующей
Fig. 5. Ducted propeller with curved struts: side view
Результаты расчетов нестационарных сил Calculation results for unsteady forces
Штатный винт Исходное поле Новый винт Исходное поле Штатный винт Новое поле
Лопастная гармоника Амплитуда силы Амплитуда силы Амплитуда силы
1 7030 4289 3145
2 688 601 582
861
566
882
3
ментах лопасти. Элементарная сила на лопасти напрямую зависит от гармонического разложения поля скоростей в ряд Фурье. Такую же разность фаз можно обеспечить посредством формирования поля скоростей с заданными свойствами. Для этого необходимо придать стойкам насадки криволинейную форму. На рис. 4 показаны осевая линия штатных стоек и форма криволинейной образующей новых стоек. Угол наклона стоек непосредственно связан с величиной саблевидности, найденной из оптимизационной задачи.
На рис. 5 представлен общий вид движителя «винт-насадка» для стоек с криволинейной образующей. Расчет нестационарной силы в поле, сформированном за криволинейными стойками, показал, что их применение приводит к снижению нестационарной силы на первой лопастной частоте, для которой и проводилась оптимизация.
Результаты расчетов для трех модификаций движителя «винт-насадка» приведены в таблице, где представлены амплитуды гармонической нестационарной силы для трех лопастных частот. Нестационарная сила на первой лопастной гармонике больше, чем на высоких гармониках для всех вариантов движителя. На штатном винте, работающем в поле скоростей, сформированном криволинейными стойками, и на винте с увеличенной саблевид-ностью удалось снизить нестационарную силу относительно штатного движителя на 40-50 %. Два
подхода к снижению нестационарной силы дают близкие результаты. Однако второй подход более предпочтителен, т.к. геометрические параметры гребного винта остаются без изменения, также сохраняются прочностные и гидродинамические характеристики.
Заключение
Conclusion
В результате выполнения работы показано, что с помощью стоек движителя «винт-насадка» возможно сформировать поле с заданными характеристиками и при этом обеспечить снижение уровня нестационарных сил, возникающих на гребном винте, без изменения формы лопастей гребного винта и при сохранении его пропульсивных качеств. Проведенные расчеты для некоторого частного примера показали, что предложенный способ снижения нестационарных сил возможно применить и на других движителях типа «винт-насадка».
Список использованной литературы
1. Левковский Ю.Л. Шум гребных винтов / ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Санкт-Петербург, 2005. 184 с.
2. Мухин А.Б. Акустическая оптимизация геометрических элементов гребных винтов подводных лодок // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2009. Вып. 47(331). С. 81-90.
3. Дубенский Л.Н., Крикало Т.В., Пустошный А.Ф. Уменьшение периодических усилий, возникающих на гребном винте, посредством искусственного перераспределения поля скорости в диске гребного винта с помощью пассивных устройств // НТО им. акад. А.Н. Крылова. 1976. Вып. 241. С. 91-98.
4. Гребные винты: современные методы расчета / Ба-вин В.Ф., Завадовский Н.Ю., Левковский Ю.Л., Миш-кевич В.Г. Ленинград: Судостроение, 1983. 296 с.
5. Бушковский В.А. Расчет переменных сил, действующих на движителе «винт в насадке» в неоднородном потоке // Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики: тезисы докл. науч.-техн. конф. «XL Крыловские чтения». Санкт-Петербург: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2001. С. 66-68.
6. Левковский Ю.Л. Физическая природа и методы моделирования шума гребных винтов // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2009. Вып. 47(331). С. 63-72.
7. Лобачев М.П. Расчетная оценка масштабного эффекта поля скоростей с учетом работы гребного винта // Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики. Санкт-Петербург: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1999. С. 20-21.
8. Миниович И.Я., Перник А.Д., Петровский В.С. Гидродинамические источники звука. Ленинград: Судостроение, 1972. 478 с.
9. Численное исследование движителей с гребными винтами-тандем в насадке / А.Ю. Яковлев [и др.] // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Вып. 386(4). С. 50-55.
References
1. Yu. Levkovsky. Propeller noise. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2005. 184 p. (in Russian).
2. A. Mukhin. Acoustic optimization of geometric elements for submarine propellers // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2009. Vol. 47(331). P. 81-90 (in Russian).
3. L. Dubensky, T. Krikalo, A. Pustoshny. Mitigation of periodical forces on propeller through artificial wake redistribution by means of passive devices // Academician Krylov Scientific & Technical Society of Shipbuilders. 1976. Vol. 241. P. 91-98 (in Russian).
4. V. Bavin, N. Zavadovsky, Yu. Levkovsky, V. Mishkevich. Propellers: modern calculation methods. Leningrad: Sudostroyeniye, 1983 (in Russian).
5. V. Bushkovsky. Calculation of variable forces on ducted propeller in non-uniform flow // Ship seakeeping and hydromechanics. Compendium of Papers, XL Krylov
Readings scientific & technical conference. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2001. P. 66-68 (in Russian).
6. Yu. Levkovsky. Propeller noise: physics and simulation methods // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2009. Vol. 47(331). P. 63-72 (in Russian).
7. M. Lobachev. Analytical assessment of wake scaling effect taking propeller operation effect into account // Ship Seakeeping and Hydromechanics. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 1999. P. 20-21 (in Russian).
8. I. Miniovich, A. Pernik, V. Petrovsky. Hydrodynamic sources of sound. Leningrad: Sudostroyeniye, 1972. 478 p. (in Russian).
9. A. Yakovlev et al. Numerical studies of propulsors with nozzled tandem propellers // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018. Vol. 386(4). P. 50-55 (in Russian).
Сведения об авторах
Бушковский Владимир Александрович, к.т.н., ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 317-23-09. E-mail: vladimirbush57@mail.ru.
Коваль Анастасия Александровна, начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (911) 968-02-54. E-mail: 2homyaka@mail.ru. https: //orcid. org/0000-0001-6775-4120. Маслова Анна Андреевна, инженер ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (951) 677-90-74. E-mail: nurok1990@mail.ru. https://orcid.org/0000-0001-5657-6584.
About the authors
Vladimir A. Bushkovsky, Cand. Sci. (Eng.), Lead Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskov-skoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 317-23-09. E-mail: vladimirbush57@mail.ru. Anastasia A. Koval, Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (911) 968-02-54. E-mail: 2homyaka@mail.ru. https://orcid.org/0000-0001-6775-4120. Anna A. Maslova, Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (951) 677-90-74. E-mail: nurok1990@mail.ru. https://orcid.org/0000-0001-5657-6584.
Поступила / Received: 16.09.20 Принята в печать / Accepted: 03.03.21 © Коллектив авторов, 2021
