Метод сравнительной эффективности гребных винтов базовых серий Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Литература

1. Агеева Т.И., Афонин А.М., Балдин А.В. и др. Информационные технологии в инженерном образовании / Под ред. С.В.Коршунова, В.Н.Гузненкова -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.

2. Кирбабин О.Е., Шепель А.С, Журавлева Л.В. Моделирование системы информационной поддержки преподавания технологических процессов //Информационные и коммуникационные технологии как инструмент повышения качества профессионального образования: Материалы 3-й Международной Интернет - конференции. - Екатеринбург: Рос. Гос. проф.- пед. ун-т, 2007 - 302 с.

6. Л.В.Журавлева Формализация лекционного материала // Труды Десятого международного симпозиума "Интеллектуальные системы" / Под ред. К.А.Пупкова. - М.: РУСАКИ, 2012. C.576-580.

7. Власов А.И., Журавлева Л.В., Шарипов Н.Р., Шари-пова А.Ф. Архитектура адаптивных мультисервис-ных информационно-образовательных систем // Научное обозрение -2012. - №6. - С.152-155.

8. Власов А.И., Журавлева Л.В. Визуализация творческих стратегий с использованием ментальных карт // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2013. - №1.- С.133-140.

9. Власов А.И., Журавлева Л.В., Резчикова Е.В., Ма-кушина Н.В., ШахновВ.А., Чебова А.И. Онтология наноинженерии // Международный научно-исследовательский журнал. - 2013. - №12 (19), часть 1. -С.50-67.

10. Власов А.И., Журавлева Л.В., Резчикова Е.В. Сборник нормативных документов и технических регламентов организации взаимодействия базы знаний в области технологий микро- и наносистем с научными, образовательными, производственными и коммерческо-внедренческими структурами / под редакцией В.А.Шахнова - М.: МГТУ им.Н.Э.Бау-мана, 2012.

МЕТОД СРАВНИТЕЛЬНОМ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ БАЗОВЫХ

СЕРИЙ

Дружинина Наталия Владиславовна1, Зиневич Андрей Николаевич2

Студенты кафедры Кораблестроения и океанотехники ДВФУ, г. Владивосток 1,2

Общие положения и постановка цели и задач исследования

Гребные винты за счет наиболее высокого коэффициент полезного действия (КПД), а также благодаря своей сравнительной простоте получили наибольшее применение в мировой практике [1]. Существуют два типа гребных винтов фиксированного шага (ВФШ) и винтов регулируемого шага (ВРШ), однако преимущественно используют ВФШ относящейся к той или иной серии (В, Gawn, KCA, KCD, MA, AU, Schaffran, Meridian, DTMB и т.д.). Эти серии были разработаны в стремлении инженеров получить оптимальный винт, который был бы эффективен в различных условиях. Однако несмотря на большое разнообразие гребных винтов фиксированного шага применение отдельных серий ограничивается их использованием в тех странах где они были разработаны. Однако есть серии, которые получили широкое распространение в мировой практике. Наиболее распространёнными сериями являются винты серии B или Трооста (Troost), а также

винты серии Gawn [3]. Основными достоинствами указанных серий является: большой диапазон геометрических параметров, точность полученных данных гидростатических характеристик, а также наличие сквозной аналитической аппроксимации кривых действия степенными функциями, по шаговому и дисковому отношению.

Как правило, результаты серийных испытаний гребных винтов представляют в виде диаграмм, характеризующих зависимость гидродинамических характеристик от относительной поступи и шагового отношения для заданного дискового отношения гребного винта [2]. Для некоторых стандартных серий получены аналитические зависимости, характеризующие взаимосвязь гидродинамических характеристик от их геометрических параметров. С практической точки зрения аналитическое представление кривых действия гребных винтов является более удобным в вычислительном плане, так как позволяет автоматизировать расчеты ходкости и сократить время проектных изысканий. Внешний вид кривых действия гребных винтов показан на рисунке 1.

Существуют различные рекомендации по выбору основных характеристик винта, работающего на задом режиме (тяговый, компромиссный, скоростной), для заданного типа судна (танкер, контейнеровоз, буксир и т.д.). Тем не менее не существует инженерной методики, позволяющей проводить общую сравнительную оценку эффективности гребных винтов различных серий.

Целью настоящей работы является разработка методики сравнительной эффективности гребных винтов стандартных серий, в том числе, в рамках одной серии, но с разными геометрическими параметрами.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

• Разработать алгоритм сравнительного анализа серийных винтов;

• Провести анализ влияния числа лопастей винта на КПД;

• Провести анализ влияния дискового отношения на КПД;

• Разработать критерий оценки, характеризующий предрасположенность гребного винта к определённому режиму работы.

Основные модельные представления

Для разработки методики, позволяющей выполнять сравнительную оценку эффективности движителей различных типов, необходимо иметь аналитические аппроксимации кривых действия для ВФШ различных серий.

Для моделирования движительного комплекса и расчета гидродинамических характеристик были использованы полиномы [3]:

47

(Р/Б)'- (Л / Ай)и

(Z )v

Kq =Z C ( J)

n = 1 39

K = £ Cn (J )Sn (P / D)tn (4 / ЛГ (Z)

(1)

где Z - количество лопастей; AJAo - значение дискового отношения; P/D - конструктивный шаг винтов; J - относительная поступь; Cn, tn и vn - числовые коэффициенты [3]

В качестве примера рассмотрим сравнение гребных винтов серии В и Gawn. Основные геометрические характеристики и интервалы изменения основных параметров винтов рассматриваемых серий приведены в таблице 1.

Основные характеристики гребных винтов серий B и Gawn

Таблица 1.

Серия Число винтов в серии Z Ae/A0 P/D D, мм rh/R

B 120 2 -г- 7 0.3 г 1.05 0.6 г 1.4 250 0.180

Gawn 37 3 0.2 г 1.1 0.4 г 2.0 508 0.200

v

n=1

В таблице 1 через D и rh/R обозначены диаметр и относительный диаметр ступицы гребного винта соответственно, Z - число лопастей гребного винта, P/D - шаговое отношение, Ae/A0 - дисковое отношение.

Алгоритм методики сравнительного анализа эффективности гребных винтов стандартных серий представим в виде блок-схемы на рисунке 2.

Разработанный алгоритм позволяет сравнивать различные серии гребных винтов, отличающихся геометрическими параметрами: дисковое и шаговое отношения, число лопастей. В качестве базового показателя функциональной эффективности гребного винта, был принят КПД изолированного винта вычисленный с помощью формулы (2):

К J

1 =

К 2ж

где: - К - коэффициент упора; К - коэффициент момента; J- относительная поступь; п - математическая константа; 1 - КПД.

(2)

Использование выражения (2) позволяет исключить из рассмотрения влияние корпуса судна и сконцентрироваться на оценке функциональной эффективности изолированного гребного винта. В дальнейшем, в качестве допущения, при учете влияния корпуса судна можно принять коэффициенты влияния неравномерности поля скоростей на упор и момент, попутного потока и засасывания для одного и того же судна одинаковыми для рассматриваемых серий гребных винтов. Это обеспечит равенство внешних условий и сопоставимость результатов для сравниваемых вариантов.

В результате применения формулы (2) получаем вектор значений КПД гребных винтов для каждого значения шагового отношения и заданных дискового отношения, и числа лопастей, что соответствует одной диаграмме, показанной на рисунке 3.

Рисунок 3. Диаграмма кривых КПД, для серии G (3 лопасти) и серии B (5 лопастей), при дисковом отношении 0,4

Площадь под кривой, характеризует эффективность совокупности гребных винтов рассматриваемой серии с заданными дисковым, шаговыми отношениями и числом лопастей, выступающими в качестве параметра, по формуле 3.

0

* = 1 (3)

J=0

где: - J- относительная поступь гребного винта.

Для сравнения указанных серий предлагается использовать показатель, характеризующий интегральную

0.7

эффективность винтов определенной серии, рассчитываемый по формуле:

S = Z5 (4)

P / D

где: P/D - дисковое отношение, принимающее значение P/D= 0.4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2

С практической точки зрения, представляющий проецированную площадь, ограниченную сверху кривыми КПД и снизу осью абсцисс, за исключением участков кривых КПД, перекрывающих друг друга (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Интегральный показатель

0.6 0.5 0.4

КПД

о.з

0.2 0.1 о

Для получения обобщенного показателя сравнительной эффективности винтов различных серий с заданным числом лопастей и различными значениями шагового и дискового отношений рассчитывается суммарная площадь диаграмм рассматриваемой серии винтов по формуле 5, при этом количество расчетных вариантов должно быть одинаковым для винтов сравниваемых серий.

X

*

, * X

*sum - I *

(5)

У -

I *

казател

I * * У

(6)

где: - Sj - интегральный показатель, Xj - положение ЦТ по оси абсцисс (J).

" ' *

Ae / A0

I *

(7)

где: - 8 - сумма проецированных площадей под кривыми КПД, Ае/А0 - дисковое отношение принимающее значение от 0,4^1,0.

Центр тяжести (ЦТ) интегрального показателя характеризует режим работы винта с заданным числом лопастей и всем диапазоном дисковых и шаговых отношений. Рассчитанный по формулам (6), (7) статического момента площади сложной фигуры.

где: - SJ - интегральный показатель, ^ - положение ЦТ по оси ординат (л).

Результаты численного моделирования

Результаты оценки эффективности гребных винтов с различными числами лопастей и дисковыми отношениями полученные по формуле 4 представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Диаграмма изменения интегрального показателя

В целом наибольшие значения интегрального пока- S=0,7915 В6 : Ае/А0= 0,9 S=0,7597; G3: Ае/А0=0,4 зателя эффективности достигаются при: В3: Ае/А0=0,4 8=0,8050.

S=0,8394; В4: Ае/А0=0,5 S=0,8115; В5: Ае/А0=0,7 Результаты, полученные по формуле 4 приведены в

рисунке 6.

3/3 4/3 5/3 6/3

Number of blades

Рисунок 6. Диаграмма суммарного интегрального показателя эффективности гребных винтов базовых серий

Результаты расчетов, приведенные в рисунке 6 показывают на то, что в целом серия В превосходит серию G по суммарному интегральному показателю. А наиболее эффективной серией является четырех-лопастная серия В с суммарным интегральным показателем равным 5,461.

Осреднённые значения положения центра тяжести суммарного интегрального показателя рассчитанные по формулам (6), (7) приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Положения центра тяжести и площадей__

S x У

B3 5,387 0,820 0,310

B4 5,461 0,823 0,313

B5 5,440 0,823 0,311

B6 5,338 0,822 0,305

G3 5,253 0,822 0,303

В данном случае положение центра тяжести характеризует осредненное значение поступи (х) и КПД (у) для винтов конкретной серии.

Сравнивая положения центров тяжести относительно друг друга по оси абсцисс У) можно сделать вывод о предрасположенности винта к определенному режиму работы, для меньших значений режим работы будем считать тяговым ^3, В3), для больших значений - скоростным (В4, В5), среднее значение соответствует компромиссному (В6), а по оси ординат.

Выводы

Задача, связанная с выбором типа и определением характеристик движительного комплекса судна, является неотъемлемой, частью работ при проектировании судна.

В ходе работы разработана методика позволяющая проводить сравнительный анализ эффективности гребных винтов различных серий при помощи интегрального показателя эффективности. Методика позволяет оценивать эффективность серийных гребных винтов, но не учитывает частные случаи, которые будут приняты во внимание в будущем.

В ходе дальнейшей работы планируется продолжить данное исследование и развить следующие направления:

1. Разработать методику оценки частных случаев влияния положения центра тяжести на режим работы.

2. Создать универсальный метод численного анализа эффективности гребных винтов различных серий.

3. Разработать алгоритм получения параметрических данных гребного винта с последующей передачей в систему трех мерного моделирования.

Работа выполнена при поддержке Программы «Научный фонд» ДВФУ в рамках исполнения обязательств по соглашению № 12-08-13021-21/13.

Список литературы:

1. Бавин В.Ф., Завадовский Н.Ю., Левковский Ю.Л., Мишкевич В.Г. Гребные винты. Современные методы расчета. Л.: Судостроение, 1983. - 296 с.

2. Турбал, В.К., Шпаков В.С., Штумпф В.М. Проектирование обводов и движителей морских транспортных судов. Л.: Судостроение, 1983. - 304 с.

3. Breslin, J.P., Andersen, P. Hydrodynamics of Ship Propellers. Cambridge, 1994. - 559 p.

4. Carlton, J.S. Marine propellers and propulsion 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann. 2007. - 533 p.

5. Oosterveld M. W. C., and van Oossanen, P., Further Computer-Analyzed Data of the Wageningen B-Screw Series, International Shipbuilding rogress, Vol. 22, No. 251, July, 1975. - 251-262 p.