CC BY
307
УДК 629.5.01 ББК 39.425.1:39.12
Нгуен Дык Тхинь
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ В ПЕРВОМ ПРИБЛИЖЕНИИ
Nguyen Duc Thinh
METHOD OF CALCULATION OF PASSENGER HOVERCRAFT'S BASIC CHARACTERISTICS TO THE FIRST APPROXIMATION
Предложена методика определения основных характеристик пассажирских судов на воздушной подушке для использования во Вьетнаме, которые должны соответствовать характеристикам линий эксплуатации. Получены статистические зависимости для определения в первом приближении главных размерений и основных характеристик судна. В качестве примера выполнен расчет основных характеристик пассажирских судов на воздушной подушке на линии Дананг - Нячанг.
Ключевые слова: пассажирское судно на воздушной подушке, главные размерения, давление в воздушной подушке, Дананг, Нячанг.
The method for determining the main characteristics of passenger hovercrafts for exploitation in Vietnam is offered; they must correspond to the characteristics of the lines of transport operation. The statistical dependences are obtained to determine the main dimensions and the basic characteristics of the vessel. The basic passenger hovercraft characteristics are calculated by the line Danang - Nha-trang as an example.
Key words: passenger hovercraft, main dimensions, pressure in the air cushion, Danang, Nhatrang. Постановка задачи
При проектном анализе судов совокупность характеристик и проектировочных ограничений является сложной многоуровневой системой. Реализацию задачи по определению главных элементов судов на воздушной подушке (СВП) предполагается произвести методом вариаций проектирования судов, т. е. рассматривая множество вариантов СВП и варьируя их основные характеристики (пассажировместимость, габариты, водоизмещение, мощность энергетической установки и др.).
Применение общих приближенных зависимостей в методике определения основных характеристик СВП приведёт к получению результатов с большой погрешностью. Для получения характеристик судов с более высокой степенью точности основных характеристик принято решение о составлении приближенных зависимостей для массивов пассажирских СВП, пригодных для эксплуатации во Вьетнаме. Для этого необходимо произвести выборку судов с приемлемыми характеристиками и произвести статистический анализ этой выборки для получения соответствующих статистически-аналитических зависимостей.
Расчет основных характеристик пассажирских судов на воздушной подушке
Схему последовательности обоснования основных характеристик пассажирских СВП можно представить в виде нескольких блоков (рис. 1).
Блок 1. Определение диапазона изменения пассажировместимости ппасс и скорости хода и судов, предназначаемых для i-й линии эксплуатации.
Блок 2. Статистические функциональные зависимости основных характеристик проектируемых СВП.
Массив СВП для статистического анализа был сформирован на основании данных ряда источников [1, c. 14, 15, 46, 47; 2, с. 319-326; 3, c. 106-119; 4]. Созданная выборка судов общим количеством 238 СВП (80 из них - пассажировместимостью более 20 чел.) достаточно полно охватывает диапазон изменения характеристик СВП для эксплуатации во Вьетнаме. Статистический анализ характеристик пассажирских СВП даёт возможность построить графики функциональных зависимостей главных размерений и их отношений от полного водоизмещения Dn.
Рис. 1. Блок-схема расчета основных характеристик пассажирских судов на воздушной подушке Графики зависимости длины судна L от ширины В и водоизмещения Dп приведены на рис. 2-3.
0.0
0.0 10.0 20.0 30.0
Ширина В, м
Рис. 2. Функциональная зависимость длины Ь от ширины В судна
0.0 Iі 1 і | і і і і | і і і і —
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0
Полное водоизмещение Dn , т
Рис. 3. Функциональная зависимость длины Ь от полного водоизмещения Dп судна
Расчетная длина судна в зависимости от ширины В и водоизмещения Dп может быть представлена следующими выражениями:
Ь = 7,53 Dп0•326;
Ь = 1,83 В + 4,16.
График зависимости ширины судна В от его полного водоизмещения Dп приведен на рис. 4. Ширина судна аналитически может быть представлена как
В = 2,923 Dп0•363.
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0
Полное водоизмещение Dп, т Рис. 4. Функциональная зависимость ширины В от полного водоизмещения Dп судна Зависимость высоты гибкого ограждения ^о от ширины судна В приведена на рис. 5.
Ширина В, м
Рис. 5. Функциональная зависимость высоты гибкого ограждения Нго от ширины В судна
Аналитическая зависимость высоты гибкого ограждения от ширины судна В имеет вид
= 0,076 В + 0,632.
Блок 3. Составляющие нагрузки масс и уравнение масс.
Полная масса судна должна быть определена как сумма ее составляющих по уравнению
Dп = I Р + DW,
где I Р, - сумма зависимых масс; DW- сумма независимых масс.
При разбивке полной массы по схеме D = D0 + DW подразумевается, что в массу порожнем D0 входят статьи нагрузки 01, 02, 03, 04, 05, 07, 09, 10, 11, 12, 13; в составе дедвейта DW: 14, 15, 16, 17 согласно ОСТ 5.0206-76.
Таблица 1
Разделы, составляющие нагрузку СВП
Характеристика нагрузки Раздел нагрузки Кодовое обозначение Стандартное обозначение Обозначение в данной работе
Масса судна порожнем Корпус 01 Poi Dк
Судовые устройства 02 P 02 Dсу
Судовые системы 03 Роз Ат
Энергетическая установка 04 P 04 Dэу
Электроэнергетическая система 05 P 05 Аэс
Вооружение 07 P 07 А
Запасные части 09 P 09 Ач
Балласт 10 Pi0 Ал
Запас водоизмещения, остойчивости 11 Pii Ав
Постоянные жидкие грузы 12 P12 -^^жгр
Снабжение постоянное, имущество 13 Pi3 Ан
Дедвейт Экипаж, провизия, вода 14 P14 Dэпв
Груз перевозимый (грузоподъемность) 15 P i5 Dгр
Запас топлива 16 Pi6 А
Переменные жидкие грузы 17 P i7 Dпжг
Уравнение масс можно записать также в виде
Dп = Dк + DCу + Dт + DГр + Dэу + Dcт + Dээс +DЖГр +DCн + Dзв + Dэпв + Dго,
где Dп - полное водоизмещение;
Dк - масса корпуса СВП. Dк в долях от полной массы судна:
Dк _Рк Dп ,
где рк - измеритель массы корпуса.
Dcу - масса судовых устройств (рулевое, якорное, швартовное, буксирное, спасательное, подъемное) без учета массы гибкого ограждения:
Асу рсу Dп,
где рсу - измеритель массы судовых устройств.
Dт - запасы топлива, необходимого для обеспечения судну заданной дальности хода г, определяются исходя из суммарной мощности главной энергетической установки N1, расчетной скорости хода ирасчет, удельного расхода топлива рт [5]:
Dт а1 а2 рт NI г/ ^расчет
где а1 - коэффициент, учитывающий морской запас на случай непогоды, вызывающей снижение скорости. В связи с этим коэффициент а! принимается обычно равным 1,1.
Расчетная скорость и расчет = и - (3...5) км/ч.
а2 - коэффициент, учитывающий несливаемый остаток в топливных цистернах, дополнительные расходы топлива на прогрев главного двигателя, их работу на холостом ходу, запуски, а также расход топлива на работу пусковых агрегатов и т. д. Среднее значение этого коэффициента также оценивается величиной 1,1.
Удельный расход топлива рт зависит от типа двигателя и режима его работы; рт можно принять равным 210 г/(кВт • ч) (у современных быстроходных дизелей).
Dэу - масса энергетической установки, находится в прямой зависимости от суммарной мощности главного источника энергии:
Dэу = Рэу N1,
где рэу - измеритель этого раздела массы. Статистические данные по построенным СВП позволяют назначать величину рэу из диапазона [5]:
рэу = (2,0...3,0) кг/кВт.
Dcт - масса судовых систем, может быть оценена выражением
Dcт рст Ап*
Dзв - запас водоизмещения и остойчивости:
Dзв рзв А,
DГp - масса судна полезная (переводимая); определяется исходя из оговоренного в техническом задании числа пассажиров. По опыту постройки пассажирских СВП масса пассажира с багажом и провизией при ограниченной продолжительности хода 4-6 ч колеблется от 76 до 106 кг и в среднем для СВП может быть принята из расчета 80-90 кг/пасс. Принимаем 80 кг/пасс, т. е.
Агр = Р • 0,08.
Аэпв - масса экипажа, провизии, воды, расходные материалы:
Аэпв Аэк + Апр + Ав*
Масса экипажа
Аэк 0,1 «эк ,
где «эк - число членов экипажа. Принимаем «эк = 3; 0,1 т - средний норматив массы одного члена экипажа.
Масса запасов провизии:
Апр 0,004 (пэк + ппасс) г/(24ирасчетХ
где 0,004 т - средний норматив запаса провизии на 1 сутки.
Масса пресной питьевой и мытьевой воды
Ав 0,15 (пэк + ппасс) r/(24upаcчет),
где 0,15 т - минимальная норма расхода пресной воды на одного человек в сутки; г - дальность плавания; «пасс - пассажировместимость.
Асн - масса постоянного снабжения и имуществ:
Асн рсн Ап.
Ажгр - масса жидких грузов:
Ажгр ржгр Ап*
Аээс - масса электроэнергетической системы:
Аээс рээс Ап ,
где рст, рзв, рсн, ржгр, рээс - измерители масс судовых систем, запаса водоизмещения постоянного снабжения, жидких грузов и электроэнергетической системы.
Аго - масса гибкого ограждения [2]:
Аго рго *^п hго ,
где 5Л - площадь воздушной подушки, м2:
^ = 0,8 • LB = 0,8 • 7,53 Ап0,326 • 2,923 Ап0,363 = 17,6 Ап0,689; hГо - высота гибкого ограждения:
= 0,076 В + 0,632 = 0,076 (2,923Ап0,363) + 0,632 = 0,222Ап0,363 + 0,632; рго - измеритель массы гибкого ограждения, рго = 7 кг/м3 [6];
=> Аго = 0,007 • 17,6Ап°’689(0,222Ап°’363 + 0,632) = 0,027Ап1’052 + 0,078Ап0’689.
Тогда уравнение нагрузки можно переписать в виде [2]:
Ап (рк + рсу + рст + рээс + ржгр + рсн + рзв) Ап + Аго + (рэу + а1 а2 рт г/и расчет)(^1/Ап) Ап + Агр + Аэпв*
Значения измерителей масс показаны в табл. 2.
Таблица 2
Измерители масс [2]
Измеритель Обозначение Значение
Корпус Рк 0,3
Судовые установки р су 0,02
Судовые системы рст 0,02
Электроэнергетическая система рээс 0,03
Переменные жидкие грузы Ржгр 0,01
Снабжение рсн 0,004
Запасы водоизмещения рзв 0,07
^т/Ап - удельная энерговооруженность. При решении уравнения нагрузки в первом приближении обычно задаются величинами необходимой удельной энерговооруженности. Значение N1 / Ап можно определить по рис. 6 в зависимости от скорости судна.
N ^ /D п , кВт/т
Рис. 6. Удельная энерговооруженность различных транспортных средств в функции от развиваемой скорости, уз: 1 - водоизмещающие суда; 2 - глиссирующие суда; 3 - суда на подводных крыльях; 4 - СВП; 5 - вертолеты; 6 - экранопланы [2]
Получаем следующее уравнение нагрузки:
(0,454 -(0,002 + 0,000254 г/и^)N /Ап) А - 0,027 Аи^052 - 0,078 Ап
- (0,08«пасс + 0,154 (3 + ппасс) Г/(24ирасчет) + 0,03) = 0.
(1)
Решение полученного уравнения нагрузки позволит найти в первом приближении водоизмещение судна Ап.
Блок 4. Определение главных размерений СВП в первом приближении.
Длина наибольшая L:
Ширина наибольшая В: Коэффициент X:
L = 7,53 Ап0,326.
L = 1,83 В + 4,16 => В = ^ - 4,16)/1,83. X = L/В.
(2)
(3)
(4)
Среднее давление в воздушной подушке:
Среднее давление для СВП по зарубежному опыту рекомендуется в начале проектирования принимать по зависимости [7]:
Рп = k (Ап)1/5, (5)
где рп - давление в воздушной подушке, Па; k - коэффициент пропорциональности, принимаемый для пассажирских СВП в пределах 900-1050 [7].
Площадь воздушной подушки 5Л [6]:
^п § Ап/рп.
Ширина воздушной подушки Вп [6]:
= 0
Вп = (5п / 0,95 Хп)1/2,
^п = 0,95.Lп Вп = 0,95 Хп Вп2;
где коэффициент Хп = Lп/Вп . Принимаем Хп = X. Длина воздушной подушки Lп:
Высота гибкого ограждения ^о:
Lп Хп Вп.
hго = 0,076 В + 0,632.
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
По требованию обеспечения остойчивости высота гибкого ограждения должна удовлетворять условию [6]:
0,689
< 0,15.0,17 Вп. (11)
Расход воздуха Qп - через воздушную подушку, м3/ч [2]:
Qп = (0,79 ± 0,12)& ^о0,5. (12)
Мощность энергетической установки N [2]:
N = (КоК1К2/Птр) ^пУ / КгкПпр) (1 + КзК4КгкПпр^о0’5) / (и Ппк), (13)
где к0 - коэффициент, учитывающий потери мощности из-за разрежения, возникающего на срезе воздухоприемника двигателя при прохождении воздуха через совокупность воздузоприемных шахт и каналов, систему воздухоочистительных фильтров, и из-за необходимости преодолевать газовоздушной смесью гидравлическое сопротивление в системе газовыхлопа двигателя. Значение к0 можно оценивать величиной к0 = 1,05...1,1 [5]; к! - коэффициент, учитывающий отбор мощности от главного двигателя (или от трансмиссии) для привода вспомогательных механизмов; отбор горячего воздуха из проточной части главного двигателя за компрессором для внутренних судовых нужд. Значение рассматриваемого коэффициента следует принимать к] = 1,05... 1,07 [5]; к2 - коэффициент, учитывающий использование двигателей на крейсерских режимах, к2 = 1,0 [5]; к3 - коэффициент, учитывающий отбор части воздуха из ресивера в систему для питания двигателей и для функционирования воздушных маслорадиаторов, охлаждения горячих частей двигателей и. т. д. Значение к3 может быть принято 1,05... 1,10 [5]; к4 = 0,79 ± 0,12; кгк -гидродинамическое качество. На тихой воде в интервале значений скорости (40. 60) уз большинство амфибийных СВП имеют кгк = 16.22 [2]; птр - КПД трансмиссии птр = 0,93... 0,95; ппр - про-пульсивный коэффициент СВП, ппр можно принимать равным 0,45.0,55; ппк - коэффициент эффективности подъемного комплекса ппк = 0,42 ± 0,02 [5].
Показатель эффективности кэ
Для более объективной оценки возможностей пассажирских СВП считается целесообразным рассматривать не величину производительности, а показатель эффективности кэ, объединяющий три параметра [1]:
кэ = ^/(«пассУ), (14)
где N - мощность главного двигателя, кВт; «пасс - пассажировместимость судна, чел.; и - скорость хода судна, км/ч. Оптимальное сочетание варьируемых переменных (скорость и пассажировместимость) соответствует минимальному значению кэ.
Блок 5. Таблица значений основных характеристик СВП. Результаты расчета приведены в табл. 3.
Таблица 3
Основные характеристики СВП
Характеристика ппасс 1 ппасс 2 ппасс 3 ппасс і
и 1 ^2 ик иі ^2 ик иі ^2 ик иі ^2 ик
L
В
дп
Вп
кто
D
Рп
kэ
В качестве примера использования методики ниже приводится расчет основных характеристик СВП для перевозки пассажиров на маршруте Дананг - Нячанг протяженностью 500 км.
Блок 1. Диапазон изменения пассажировместимости ппасс и скорости хода и судов, предназначаемых для линии Дананг - Нячанг:
- пассажировместимость ппасс - от 70 до 100 пассажиров;
- скорость хода и - от 60 до 100 км/ч;
- дальность плавания - г = 500 км.
Блоки 2-5. Используем формулы (1)-(14) для расчета основных характеристик СВП для данной линии эксплуатации. Полученные результаты расчета приведены в табл. 4.
Таблица 4
Основные характеристики СВП для эксплуатации на маршруте Дананг - Нячанг
Характеристика Пассажировместимость, чел.
ппасс = 70 ппасс = 80
Скорость хода, км/ч
60 70 80 90 100 60 70 80 90 100
L, м 22,93 22,66 22,51 22,43 22,42 23,88 23,60 23,44 23,36 23,35
B, м 10,26 10,1 10,03 9,99 9,98 10,78 10,63 10,54 10,49 10,49
Lo, м 19,86 19,60 19,45 19,38 19,37 20,78 20,51 20,36 20,28 20,26
Вп, м 8,88 8,74 8,66 8,63 8,62 9,38 9,23 9,15 9,11 9,10
Аго, м 1,41 1,40 1,39 1,39 1,39 1,45 1,44 1,43 1,43 1,43
D, т 30,43 29,36 28,76 28,46 28,41 34,49 33,27 32,58 32,24 32,18
рп , кПа 1,78 1,77 1,76 1,76 1,76 1,83 1,81 1,81 1,80 1,80
Ny , кВт 2 602 2 789 3 005 3 246 3 512 2 962 3 172 3 416 3 689 3 990
k3 0,62 0,57 0,54 0,52 0,50 0,62 0,57 0,53 0,51 0,50
L, м 24,76 24,47 24,31 24,22 24,21 25,58 25,28 25,11 25,02 25,00
B, м 11,26 11,10 11,01 10,96 10,95 11,71 11,54 11,45 11,40 11,39
Lo, м 21,65 21,36 21,20 21,12 21,10 22,46 22,16 21,99 21,90 21,88
Вп, м 9,84 9,69 9,60 9,56 9,55 10,28 10,12 10,02 9,98 9,97
Аго, м 1,49 1,48 1,47 1,47 1,46 1,52 1,51 1,50 1,50 1,50
D, т 38,54 37,17 36,40 36,02 35,95 42,59 41,07 40,21 38.54 37,17
рп , кПа 1,87 1,85 1,85 1,84 1,84 1,91 1,89 1,88 1,88 1,88
Ny , кВт 3 323 3 558 3 830 4 134 4 470 3 686 3 944 4 244 4 580 4 951
k3 0,62 0,56 0,53 0,51 0,50 0,61 0,56 0,53 0,51 0,50
Заключение
Таким образом, нами разработана методика расчета основных характеристик СВП. Получены статистические зависимости для определения в первом приближении главных размерений и основных характеристик судна. Разработана математическая модель определения водоизмещения на начальной стадии проектирования посредством постатейного расчета нагрузки масс.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Злобин Г. П. Суда на воздушной подушке / Г. П. Злобин, Ю. А. Симонов. Л.: Судостроение, 1971. 212 с.
2. Демешко Г. Ф. Проектирование судов: Амфибийные суда на воздушной подушке/ Г. Ф. Демешко. Т. 2. СПб.: Судостроение, 1992. 329 с.
3. БенуаЮ. Ю. Суда на воздушной подушке / Ю. Ю. Бенуа, В. М. Корсаков. Л.: Судостроение, 1962. 121 с.
4. Злобин Г. П. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке / Г. П. Злобин, С. П. Смигельский. Л.: Судостроение, 1976. 263 с.
5. Демешко Г. Ф. Проектирование судов: Амфибийные суда на воздушной подушке /
Г. Ф. Демешко. Т. 1. СПб.: Судостроение, 1992. 269 с.
6. Ваганов А. М. Проектирование скоростных судов / А. М. Ваганов. Л.: Судостроение, 1978. 279 с.
7. Колызаев Б. А. Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания / Б. А. Колызаев, А. И. Косоруков, В. А. Литвиненко. Л.: Судостроение, 1980. 472 с.
REFERENCES
1. Zlobin G. P., Simonov Iu. A. Suda na vozdushnoi podushke [Hovercrafts]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1971. 212 p.
2. Demeshko G. F. Proektirovanie sudov: Amfibiinye suda na vozdushnoi podushke [Vessel designing: Amphibian hovercrafts]. Vol. 2. Saint Petersburg, Sudostroenie Publ., 1992. 329 p.
3. Benua Iu. Iu., Korsakov V. M. Suda na vozdushnoi podushke [Hovercrafts]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1962. 121 p.
4. Zlobin G. P., Smigel'skii S. P. Suda na podvodnykh kryl'iakh i vozdushnoi podushke [Foilcrafts and hovercrafts]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1976. 263 p.
5. Demeshko G. F. Proektirovanie sudov: Amfibiinye suda na vozdushnoi podushke [Vessel designing: Amphibian hovercrafts]. Vol. 1. Saint Petersburg, Sudostroenie Publ., 1992. 269 p.
6. Vaganov A. M. Proektirovanie skorostnykh sudov [Designing of high-speed vessels]. Leningrad, Sudos-troenie Publ., 1978. 279 p.
7. Kolyzaev B. A., Kosorukov A. I., Litvinenko V. A. Spravochnik po proektirovaniiu sudov s dinamicheskimi printsipami podderzhaniia [Reference on designing vessels with dynamic principles of support]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1980. 472 p.
Статья поступила в редакцию 3.07.2013, в окончательном варианте - 25.07.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Нгуен Дык Тхинь — Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; аспирант кафедры «Кораблестроение и авиационная техника»; thinhsmtu@gmail.com.
Nguyen Duc Thinh — Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Aviation Equipment"; thinhsmtu@gmail.com.
