CC BY
62
2003
Известия ТИНРО
Том 135
УДК 639.2.081.117.002.52
А.И.Шевченко, В.А.Татарников
ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОСНАСТКИ ВЕРХНЕЙ ПОДБОРЫ ТРАЛА
Статья посвящена одной из наиболее важных проблем тралового рыболовства — обоснованию гидродинамического устройства (ГДУ) для оснастки трала. В работе для повышения эффективности использования оснастки верхней подборы трала разработан метод, который, учитывая фактические рабочие параметры устройства на трале и гидродинамические характеристики сравниваемых профилей, полученные на моделях, позволяет определять оптимальные профили ГДУ. С этой целью обосновывается объективный критерий оценки гидродинамической эффективности профилей с различными геометрическими параметрами, что дает возможность устанавливать оптимальные значения утолщения устройства. На основе экспериментальных работ с использованием указанных метода и критерия обосновывается оптимальный профиль и конструкция ГДУ. Показано практическое использование данной разработки.
Shevchenko A.I., Та!агшкоу V.A. Substantiation of optimum design of the hydrodynamic device for equipment of trawl headline // Izv. TINRO. — 2003. — Vol. 135. — P. 356-381.
Designing of a hydrodynamic device (HDD) for equipment of trawl is one of the most important problems of trawl fishery. The HDDs with aliform cross-section have better hydrodynamic characteristics, high technological abilities; they are simple in adjustment and convenient in operation. To increase the efficiency of trawl head rope equipment , a technique is developed for optimum HDD cross-section design using the hydrodynamic coefficients values obtained by models testing and actual parameters of the device measured at work of factual trawls. For this purpose the objective criterion of hydrodynamic efficiency of HDD with various geometrical parameters is proved, that allows to substantiate an optimum value of thickness of the device cross-section.
General design features of the HDD are presented: parameters of the cross-section, size of components, and abilities of the device transformation in the case of its operative change. The formulas are proved for calculation the thickening of a cross-section support along the HDD spread. There is shown by experimental data that the HDD elevating force increased on 10-15 % when a differential thickening was used along the HDD spread. Practical recommendations are given for formation of the cross-section support with floats. The using of the elaborated technique in fisheries practice is explained.
Современные рыболовные тралы представляют собой сложные инженерные сооружения, включающие большой комплекс узлов, устройств, деталей и элементов различной сложности структур и исполнения. Поэтому невозможно представить успешную и эффективную работу рыболовного трала без его вооружения современными устройствами раскрытия, которые несут одну из основных
рыболовных функций — обеспечивают зону облова, необходимую рабочую форму и размеры входного устья трала и положение его относительно дна и поверхности водоема и объекта лова (Карпенко, Ф ридман, 1980).
Горизонтальное раскрытие тралов обеспечивается, как правило, распорными траловыми досками, а рабочая форма входного устья трала в вертикальной плоскости создается оснасткой подбор: нижняя подбора оснащается грузами или депрессорами, а верхняя подбора — плавом в виде кухтылей или заменяющим их гидродинамическим устройством (ГДУ), создающим подъемную силу на гидродинамическом принципе.
Как показывает анализ этапов развития крупногабаритных тралов, наблюдается устойчивая тенденция увеличения вертикального раскрытия тралов. Эта тенденция выражает стремление обловить как можно больший объем и тем самым повысить производительность лова. Наряду с этим некоторые исследователи утверждают, что объекты промысла адаптируются к орудиям лова и для успешного их облова рыбаки вынуждены увеличивать параметры входного устья трала (Кудрявцев и др., 1990). Возрастание параметров траловой системы приводит к необходимости создания более эффективных подъемных средств.
Ранее отмечалось, что увеличение вертикального раскрытия трала за счет применения статической плавучести требует применения большого количества кухтылей, что приводит к громоздкости конструкции, затрудняет проведение промысловых операций с тралом. Кроме того, с увеличением скорости траления эффективность статической плавучести падает, повышается сопротивление кух-тылей, уменьшается раскрытие трала. По вышеуказанным причинам практически все разноглубинные тралы и частично донные оснащаются по верхней подборе гидродинамическими устройствами.
В настоящее время работы по увеличению подъемной силы гидродинамических устройств ведутся по двум направлениям: увеличению площади или повышению их гидродинамических качеств.
Как отмечают некоторые исследователи, применение новых, более совершенных ГДУ позволяет увеличить вертикальное раскрытие крупногабаритных тралов и довести его до 140 м (Кудрявцев и др., 1990).
Проводившиеся с использованием буксируемой наблюдательной камеры (БНК) "Тетис" подводные исследования промысловых систем на дальневосточном бассейне показали, что оснастка верхней подборы оказывает значительное влияние на рабочую форму входного устья трала. О тмечено, что на отклонения в работе щитковой оснастки приходится 19,1 % от всех обнаруженных неполадок в работе траловых систем (Антонов, Норинов,1990). Таким образом, гидродинамическая оснастка трала является одним из важнейших элементов траловой системы, определяющих ее успешную, эффективную работу в процессе траления и, в конечном счете, уловистость.
Эффективность работы любого устройства, работающего на гидродинамическом принципе, зависит от его положения в потоке. Проведенный ранее анализ показал, что до настоящего времени настройка ГДУ на трале осуществлялась путем проб и ошибок или элементы оснастки рассчитывались по эмпирическим формулам, выведенным также опытным путем. Во всяком случае, рабочая форма ГДУ, его положение в потоке и на трале остаются до сих пор не исследованными.
Анализ имеющихся материалов позволяет сделать вывод, что для повышения эффективности использования ГДУ на верхней подборе трала требуется разработать и использовать для выбора оптимального профиля ГДУ метод, сочетающий в себе фактические рабочие геометрические параметры устройства на трале и гидродинамические характеристики сравниваемых профилей, полученные на моделях.
Общие геометрические соотношения оснастки ГДУ на верхней подборе трала
Гибкие щитки крепятся к гужу, подборы трала — задней кромкой, и только передняя кромка присоединяется к подборе посредством оттяжек. Обычно на практике используются два варианта оснастки верхней подборы гидродинамическими щитками, первый — фальшгуж короче гужа, второй — длина гужа и фальшгужа одинаковы.
Некоторые исследователи предлагают использовать для расчета длины оттяжек 1о уравнение, которое учитывает пространственное положение ГДУ на подборе:
4/44 (/02 - /2) - /42(/2 - /2 -/2)2 = (/2 -/2 - /2 )2 (72 + /2 + 2/, - /2 sin V!) - 411, - /2(/2 + /2 - /2) х х cosv! с°5(а;-01),
где углы v1 и 0j зависят от силы, с которой оттяжка действует на подбору, и от ее ориентации. При определении 1о в первом приближении полагают 01 = 0вп, а угол v1 снимают с чертежа трала (Габрюк, 1995).
Обычно на практике длину оттяжек 1о подбирают опытным путем или рассчитывают по формуле. Длина участка подборы /под (рис. 1), на котором крепится оттяжка I , обычно выбирается не менее длины гужа I.
Рис. 1. Схема оснастки верхней подборы трала с одинаковой длиной гужа и фальшгужа: b — ширина ГДУ, 1о — длина оттяжки, I. — длина
' фг
фальшгужа, l г — длина гужа, 1под — длина участка подборы от точки крепления оттяжки гужа
Fig. 1. The circuit of the trawl head rope equipment with equal length of bosom and falsebosom: b — HDD width , 1о — guy length , 1фг — falsebosom length, l — bosom length, l — length of a head rope site from a point of
о ' г О ' под 0 г г
bosom guy tier
В "Руководстве ..." (1988) и пособии "Мастеру по добыче ..." (1992) рекомендуется рассчитывать длину оттяжки по упрощенной эмпирической формуле:
1 = (1 + 21 - (1ф + 0,5 0,6))/2
А "г ТТ/-1ГТ х rnr 7 7 ' ' '
фг
(1)
где 1о — длина оттяжки; /г — фактическая длина гужа; /под — фактическая длина подборы от точки крепления оттяжки гужа; /фг — фактическая длина фальшгужа; 0,5^0,6 м — эмпирические коэффициенты для гибкого ГДУ шириной 0,4 м.
В указанных выше рекомендациях рыбакам особо отмечается, что для успешной работы щитковой оснастки необходимо строго выполнять условие: разность длин по подборе и фальшподборе между точками соединения оттяжек и подборы должна составлять 0,6 м при ширине щитка 0,4, т.е. при Ь = 0,4 м имеем:
(21 + 1) - (21 + 1ф) = 0,6.
4 тт/->гг г' 4 A mr' 7
фг
(2)
Расчет длины оттяжки по данной формуле вполне удовлетворяет практическим требованиям, но только при неизменной ширине щитка 0,4 м. Очевидно, что при другой ширине щитка эта разница длины подборы и фальшподборы будет иной.
Для того чтобы можно было оперировать параметрами тросовой остропки ГДУ независимо от ширины щитка, предлагается в дальнейшем использовать термин "укорочение оттяжки", которое выражается относительной величиной:
А/ = ((2/т„ + /) - (2/„ + /фг))/26
(3)
Величина А/ обозначает разность длин отрезка подборы и фальшподборы на участке их совместной работы. Данную характеристику можно использовать в качестве сравнительного параметра настройки ГДУ при работе со щитками различной ширины.
Существующие методы выбора профиля ГДУ по гидродинамическим характеристикам позволяют выбрать наилучший профиль по максимальному значению коэффициента подъемной силы или качеству только на отдельных углах атаки. Гидродинамические устройства на трале работают в определенном диапазоне углов атаки, поэтому необходимо оценить гидродинамические характеристики устройства (или профиля) в этом диапазоне рабочих углов и выбрать лучшую конструкцию ГДУ или профиля.
Лабораторией промышленного рыболовства ТИНРО-центра предлагается методика обоснования оптимальной конструкции ГДУ для оснастки верхней подборы трала, которая включает модельные, натурные, численные методы и метод логического подбора. Методика учитывает и увязывает гидродинамические коэффициенты моделей ГДУ и рабочие параметры ГДУ на трале. На рис. 2 представлена блок-схема алгоритма обоснования оптимального конструкции ГДУ. Для реализации данной методики вначале выбирается прототип ГДУ из используемых конструкций. С наибольшей достоверностью определить перспективную конструкцию, которая является прототипом, позволяют сравнительные промысло-во-технические испытания.
Рис. 2. Блок-схема обоснования оптимальной конструкции гидродинамического устройства для оснастки верхней подборы трала
Fig. 2. The block diagram of optimum design substantiation of an of the hydrodynam-ical device (HDD) for the trawl head rope equipment
Сравнительные испытания тралов с различной гидродинамической оснасткой
В морских условиях были проведены сравнительные испытания трала, оснащенного по верхней подборе разными гидродинамическими устройствами, при этом прочая оснастка оставалась постоянной. Испытано три варианта оснастки: ГДУ "Крыло", "Гиплан-3" и щиток, изготовленный из транспортерной ленты, условно названный "Пластина". ГДУ "Крыло" и "Пластина" имели одинаковую площадь в плане. Верхняя подбора трала 108/528 м поочередно оснащалась этими устройствами по всей длине гужа.
При сравнительных испытаниях каждой оснастки определялась оптимальная длина оттяжек. Критериями оценки оптимального варианта были приняты h — вертикальное раскрытие трала и Н — горизонт хода верхней подборы трала. Данные параметры замерялись штатным прибором контроля трала Ф НР-400. Остропка ГДУ считалась оптимальной, когда вертикальное раскрытие трала было максимальным, а горизонт хода верхней подборы трала — минимальным. Длина ваеров во время эксперимента выдерживалась постоянной и составляла для ГДУ "Крыло" и "Пластина" 350 м, а для "Гиплан-3" — 300 м. Скорость траления выбиралась в пределах 2,75-2,80 м/с.
При оснастке верхней подборы ГДУ "Крыло" трал работал устойчиво в диапазоне длин оттяжек от равных участку подборы (А/ = 0 %) до меньших (А/ = 44 %) (рис. 3). Как показали экспериментальные исследования, изменение длины оттяжек в указанном диапазоне практически не влияло на вертикальное раскрытие трала, а верхняя подбора шла по поверхности. Укорочение или удлинение оттяжек на большую величину приводило к резкому заглублению трала и уменьшению его вертикального раскрытия.
Рис. 3. Зависимость горизонта хода верхней подборы Н (/) и вертикального раскрытия трала h (2) от АI при оснастке трала ГДУ "Крыло"
Fig. 3. Dependence of а course horizon of the head rope H (/) and vertical disclosing of trawl h (2) from AI at the trawl equipment HDD "Wing"
Траления с ГДУ "Пластина" проводились при разности длин оттяжки и участка подборы в пределах от 0 до 78 % (рис. 4). Оптимальная разность длин оттяжки и участка подборы составила от 16 до 58 %. Уменьшение или увеличение этой разности приводило к уменьшению вертикального раскрытия и заглублению трала.
Рис. 4. Зависимость горизонта хода верхней подборы Н (/) и вертикального раскрытия трала h (2) от АI при оснастке трала ГДУ "Пластина"
Fig. 3. Dependence of а course horizon of the head rope H (/) and vertical disclosing of trawl h (2) from AI at trawl equipment HDD "Plate"
10 20 30 40 50 60 70 80 Al, %
Зависимость вертикального раскрытия 108/528-метрового трала и горизонта хода верхней подборы трала от длины оттяжки при оснастке подборы устройствами "Гиплан-3" показана на рис. 5. Изменение длины оттяжки в пределах 21-63 % на вертикальное раскрытие трала почти не влияло. В случае, когда оттяжка была равна отрезку подборы, происходило заглубление верхней подборы на 7 м.
Рис. 5. Зависимость горизонта хода верхней подборы H (1) и вертикального раскрытия трала h (2) от AI при оснастке трала ГДУ "Гиплан-3"
Fig. 5. Dependence of a course horizon of the head rope H (1) and vertical disclosing of trawl h (2) from AI at trawl equipment HDD "Giplan-3"
Сравнивая величины вертикального раскрытия и горизонт хода верхней подборы трала, оснащенного различными типами ГДУ, при оптимальной для каждого случая оснастке (длине оттяжек), можно судить о величине создаваемой гидродинамической силы при прочих равных условиях траления. Трал, оснащенный ГДУ "Крыло", имел вертикальное раскрытие 35-37 м, а его верхняя подбора шла по поверхности при длине ваеров 350 м, в то время как трал с ГДУ "Пластина" максимально раскрывался по вертикали на 34-35 м и при той же длине ваеров верхняя подбора шла на глубине 19-24 м. Оснастка трала ГДУ "Гиплан-3" позволила обеспечить стабильное вертикальное раскрытие трала 2427 м и вывести верхнюю подбору трала на поверхность только при длине ваеров 300 м. Таким образом, косвенным путем установлено, что ГДУ "Крыло" обладает наибольшей подъемной силой.
Схема исследуемого устройства ГДУ "Крыло" и основные размеры секции ГДУ показаны на рис. 6.
Р ис. 6. Секция ГДУ "Крыло"
Fig. 6. Section of HDD "Wing" наплав
фальшгуж-
Общие геометрические характеристики профиля ГДУ типа "Крыло"
При дальнейших исследованиях гидродинамическое устройство, представляющее собой крыло бесконечного размаха, передняя кромка которого перпендикулярна направлению скорости набегающего потока, будем называть прямым ГДУ, устройство, передняя кромка которого не перпендикулярна направлению скорости набегающего потока, — скользящим ГДУ, а угол между вектором скорости и его нормальной к передней кромке составляющей — углом
30
0 10 20 30 40 50 60 70
AI, "Ml
скольжения р. Угол между вектором скорости и хордой в нормальном сечении — углом атаки прямого ГДУ (ап), а в скользящем устройстве угол между вектором скорости по потоку и хордой в сечении по потоку — углом атаки скользящего ГДУ (а) (рис. 7).
Р ис. 7. Скользящее ГДУ: 1 — поверхность ГДУ,
2 — профиль в сечении по нормали, 3 — профиль в сечении по потокУ
Fig. 7. Sliding HDD: 1 — HDD surface, 2 — normal section of cross-section,
3 — section on a flow of cross-section
Рассмотрим некоторые особенности обтекания скользящих крыльев (Краснов и др., 1974). Поток около таких крыльев можно разделить на два течения: одно из них продольное, характеризующееся скоростью, параллельной передней кромке, а другое — поперечное, зависящее от величины нормальной составляющей скорости к этой кромке. Распределение давления по крылу (подъемная сила крыла) не зависит от продольного течения, а обусловливается лишь поперечным обтеканием со скоростью У^п = Характер этого обтекания, а следова-
тельно, и распределение подъемной силы изменяются в зависимости от формы профиля, совпадающего с сечением крыла, плоскостью, нормальной к передней кромке, и угла атаки, измеряемого в этой плоскости. В соответствии с этим гидродинамические характеристики этого профиля будут такими же, как профиля, принадлежащего прямому крылу, обтекаемому со скоростью набегающего потока У^п под указанным углом атаки. Отсюда следует также вывод, согласно которому гидродинамические характеристики скользящего крыла можно определить, если известны соответствующие значения для прямого крыла.
При определении гидродинамических характеристик скользящее крыло можно рассматривать как прямое, повернутое на угол скольжения. В этом случае у скользящего крыла в нормальном сечении профиль такой же, как у прямого.
Профиль и угол атаки в плоскости, нормальной к передней кромке, отличаются от профиля и угла атаки в сечении по потоку (рис. 7). Хорда в нормальном сечении Ьп и хорда вдоль потока Ь связаны соотношением Ьп = Ь ■ со$р.
Угол атаки ап в нормальном сечении определяется из выражения:
sinаn = Н/Ьп = Н/Ь • со$р = $та/со$р, (4)
где а — угол атаки в плоскости потока.
Если известен коэффициент подъемной силы крыла при прямом обтекании (без скольжения) со скоростью У^, то при повороте ГДУ на угол в коэффициент
Сур (при сохранении угла атаки в нормальном сечении, равным углу атаки про-
филя прямого крыла) будет определяться по формуле
С в = С ■ cos2B.
yp yn г-
(5)
Учитывая, что гуж трала будет располагаться в плоскости горизонта, гидродинамическая подъемная сила скользящего крыла будет определяться:
„ о V Ry = С cos2e^— S.
(6)
Рассмотрим основные геометрические параметры гидродинамического устройства применительно к ГДУ" Крыло" (рис. 8).
Рис. 8. Параметры профиля ГДУ и схема действующих на него гидродинамических сил в поточной и связанной системах осей координат: а — вид сверху, б — вид сбоку
Fig. 8. Parameters of a HDD cross-section and circuit of hydrody-namical forces, working on it in flow and connected systems of coordinates axes: а — top view, б — side view
Так как профиль ГДУ является частным случаем профиля крыла, то и основными геометрическими параметрами, определяющими его гидродинамические характеристики, являются следующие: b — хорда профиля; t — толщина профиля, в нашем случае диаметр профилезадающей опоры;
I
длина средней линии про-
филя, равная максимальной хорде bma ; I — длина ГДУ; угол атаки а (см. рис. 7); угол скольжения профиля относительно потока в (рис. 7); а также относительные величины: относительное удлинение X = L/b ; относительная
' max' _
толщина профиля t = t/bmax; прогиб профиля принимаем как
/ = ь/К р.
Анализируя перечисленные величины, необходимо определить, какие из них известны, а какие требуется найти при исследовании рабочих параметров ГДУ на трале.
Параметры, которые известны или их можно рассчитать: величина относительного удлинения X, известна и задается конструктивно; относительная толщина профиля t , также задается конструктивно и известна. В частном случае, при использовании в качестве профилезадающей гирлянды из наплавов типа А-30, изменяющих свой диаметр в зависимости от глубины погружения, относительная толщина профиля ГДУ может изменяться в зависимости от глубины хода трала. Изменение толщины профиля ГДУ "Крыло" вследствие сжатия наплавов не обязательно исследовать на трале, так как данная зависимость может быть получена в лабораторных условиях.
Параметры, которые необходимо было исследовать на трале: углы атаки скользящего ГДУ (а) и углы скольжения (р) во время траления, которые измерялись с помощью специальных устройств или приспособлений, работающих на механическом или электрическом принципе, и непосредственно подводных наблюдений, с использованием фотометрического метода; прогиб ГДУ (определялся путем измерения длины хорды ГДУ во время траления). Данная величина необходима для задания прогиба моделям при исследовании их гидродинамических характеристик.
Измерив на ГДУ во время траления длину хорды Ь и учитывая, что величина I известна конструктивно, рассчитывали величину прогиба как
ср / = Ь/1ср. (7)
Очевидно, что при изменении режимов траления изменяется и положение ГДУ в потоке за счет изменения горизонта хода трала, натяжения кабеля прибора контроля трала, течения и других факторов. Таким образом, в течение одного траления углы атаки могут изменяться в широких пределах. При измерениях рабочих параметров ГДУ необходимо учитывать данное обстоятельство и измерять минимальные и максимальные значения углов атаки ГДУ на различных режимах траления, при паспортных (конструктивных) параметрах раскрытия устья трала.
Таким образом, исследование рабочих параметров ГДУ с гибким профилем на верхней подборе трала сводится к определению углов атаки в сечении по потоку, углов скольжения относительно потока по размаху (длине) устройства и прогиба ГДУ во время траления.
Так как данные параметры в отдельных сечениях по размаху ГДУ имеют различные значения, предлагается исследовать рабочие параметры в следующих сечениях: в центре, по кромкам и между ними через 1,5-2,0 м. Так как ГДУ симметрично относительно центра гужа трала, достаточно измерить рабочие параметры на одной из половин ГДУ.
Обоснование критерия выбора оптимального профиля ГДУ
Основными гидродинамическими характеристиками ГДУ являются зависимости коэффициентов подъемной силы С , лобового сопротивления Сх от углов атаки и качество К = С / Сх, а также координаты центра давления Хг
Обычно значения гидродинамических коэффициентов ГДУ получают опытным путем на их физических моделях. При соблюдении критериев геометрического, кинематического и динамического подобия модели и натуры их гидродинамические коэффициенты будут одинаковы. Но для переноса полученных на моделях гидродинамических характеристик ГДУ на натуру необходимо знать рабочие геометрические параметры натуры.
Известно, что доля сил сопротивления ГДУ в сопротивлении траловой системы незначительна и не оказывает существенного влияния на скорость буксировки и залавливающие свойства трала. Кроме того, сопротивление ГДУ создает за собой зону турбулентности, расположенную вдоль верхней пласти, что препятствует выходу рыбы в этой части трала (Рыкунов, Норинов, 1 975). Известны случаи применения специальных шлейфообразователей с повышенным сопротивлением для отпугивания рыбы в зону облова (Мартышевский, 1971).
Методы исследований характеристик и критерии выбора гидродинамических устройств, применяющихся для оснастки тралов, были заимствованы из авиации, при этом в самолетостроении в первую очередь представляют интерес профили с низкими коэффициентами сопротивления Сх. Как отмечал Э.М.Рыку-нов (Рыкунов, 1967), коэффициент подъемной силы Су авиационных крыльев ниже, чем у плоских прямоугольных досок. В авиации низкий коэффициент Су компенсируется большой скоростью полета. В рыболовстве очень часто уловис-тость трала на оптимальных скоростях траления больше, чем на более высоких
скоростях. Ф.И.Баранов (1971) показал, что из всех гидродинамических характеристик для распорных досок определяющее значение имеет коэффициент подъемной силы Су. Коэффициент сопротивления только увеличивает потребную для буксировки трала мощность судна. Установлено, что, в отличие от закономерностей авиации, в рыболовстве даже при значительном увеличении С , например на 50 %, общий расход мощности увеличивается не более чем на 10 % (Рыкунов, 1967). Таким образом, в промышленном рыболовстве нужен иной подход к выбору гидродинамических профилей распорных средств, чем в авиации.
Мы полагаем, что в дальнейшем сравнение различных подъемных устройств или профилей можно проводить оценивая подъемную силу, но не учитывая их сопротивление.
Результаты экспериментальных работ
Таким образом, при реализации методики разработки оптимальной конструкции ГДУ выполнены следующие экспериментальные работы:
— исследования гидродинамической подъемной силы моделей прямых ГДУ, проводимые в условиях морского полигона с использованием гидродинамических весов. Для соблюдения условий моделирования и подобия физических моделей и натуры основные геометрические параметры — длина хорды профиля натуры и модели — принимались равными;
— для выявления влияния утолщения профиля на подъемную силу ГДУ исследовались гидродинамические характеристики подъемной силы профилей с относительным утолщением от 0 до 37 %;
— модельные испытания для получения значений гидродинамического коэффициента подъемной силы в диапазоне углов атаки от 0 до 50°, шаг изменения углов атаки принимался не более 5°;
— рабочие геометрические параметры ГДУ исследовались на натурном трале в морских условиях. В качестве прототипа для изучения рабочих параметров использовалось ГДУ "Крыло". Как показали сравнительные испытания, ГДУ этого типа обладает лучшими гидродинамическими показателями, за счет чего трал, оснащенный этим устройством, имел большие вертикальное раскрытие и горизонт хода, кроме того, диапазон длин оттяжек, при котором обеспечивается стабильная работа трала, значительно шире, чем у сравниваемых ГДУ "Пласти-
I? up ЛИ
на" и "Гиплан-3";
— при исследовании рабочего положения ГДУ на трале по размаху ГДУ замерялись значения следующих геометрических параметров в отдельных сечениях: углы атаки а по потоку, углы скольжения в, длина хорды b;
— углы а и в измерялись с помощью углографов специальной конструкции;
— путем визуального снятия показаний мерного штока из БНК "Тетис" во время траления определялась длина хорды b, она в пределах точности измерений равнялась b ;
max
— рабочие параметры ГДУ на трале, оснащенном кабельным прибором контроля, исследовались в диапазоне длин оттяжек, при которых стабильно обеспечивается паспортное вертикальное раскрытие на трале с бескабельным прибором контроля с оптимальной длиной оттяжки;
— на трале с кабельным прибором контроля одновременно с измерениями рабочих параметров ГДУ производилось измерение глубины хода и расстояния между точками соединения голых концов верхней подборы и кабелями.
Гидродинамические коэффициенты подъемной силы моделей
С целью получения гидродинамических коэффициентов подъемной силы прямых ГДУ с гибким профилем проведены модельные исследования в ус-
ловиях морского полигона. Для замера гидродинамических силовых характеристик использовались 2-компонентные гидродинамические весы, при этом соблюдались условия гидродинамического и геометрического подобия модели и натуры.
Значения коэффициентов подъемной силы для моделей прямого устройства с относительной толщиной профиля 0, 10, 17, 27, 37 % в зависимости от изменения углов атаки С п = /(ап) от 0 до 50° приведены на рис. 9.
я я
•е
Углы атаки, град.
Рис. 9. Изменение коэффициентов С моделей с различным утолщением профиля (1 — 0 %, 2 — 10, 3 — 17, 4 — 27, 5 — 37 %) от угла атаки
Fig. 9. Change of models С factors with a various thickening of cross-section (1 — 0 %, 2 — 10, 3 — 17, 4 — 27, 5 — 37 %) from attack corner
Углы атаки скользящих ГДУ по длине гужа трала с кабельным и бескабельным приборами контроля трала
Углы атаки скользящих ГДУ на трале с кабельным прибором контроля измерялись при пяти различных длинах оттяжек (от AI = 10 % до AI = 70 %), а на трале с бескабельным прибором контроля — при AI = 25 %. При каждой длине оттяжки производились измерения углов атаки между вектором скорости по потоку и хордой в сечении по потоку (а) таким образом, чтобы получить крайние, min и max, значения углов атаки. В результате были получены данные, позволившие определить область изменения а по длине устройства при оттяжках различной длины.
По полученным данным построены графические зависимости изменения угла атаки скользящего ГДУ от разности длин оттяжки и подборы в каждой точке, где были установлены углографы (рис. 10).
На графиках (рис. 10) видно, что форма ГДУ при оснастке трала бескабельным прибором контроля отличается от формы, которую принимает ГДУ при использовании кабельного прибора. Углы атаки скользящего ГДУ в центре в этом случае лишь незначительно отличаются по величине от значений этого параметра в средней части рассматриваемого участка устройства. Значительное уменьшение значений углов атаки наблюдается только на самой кромке ГДУ, на расстоянии 400 см от центра гужа. Абсолютные значения углов атаки ГДУ с бескабельным прибором в центре гужа сопоставимы со значениями макси-
мальных углов атаки ГДУ с той же длиной оттяжки при установке кабельного прибора.
0 12 3 4 Расстояние от центр а гужа, м
а) Д1 = 10 %
40 35 30 25 20 15 10 5 0
» 1 \
\ ч
> ь
1- 1
,1
2
0 12 3 4 Расстояние от центра гужа, м
f
t ✓ V ч Ji
N S * ч
s s
|1
12 3 4 Расстояние от центра гужа, м
б) Д1 = 2 5 %
40 35 S 30
I 20
I 15
I 10
5 0
J A "S
1
в) Д1 = 40 %
12 3 4 Расстояние от центра гужа, м
Г") Д1 = 5 5 %
40
|зо
i 25 I 20
I 15 >■ 10
5
0
1 ill
I \
V v
J \
1 у 4 V
i 4
Лл
'2
0 1 2 3 4 5 Расстояние от центра гужа, и
д)Д1 = 70 %
0 12 3 4
Расстояние о т центра гужа, м
е)Д1 =25 %
Рис. 10. Изменение рабочих углов атаки скользящего ГДУ: а—д — для трала с кабельным прибором; е — с бескабельным; 1 — максимальные значения углов атаки; 2 — минимальные значения углов атаки
Fig. 10. Change of working attack corners of sliding HDD: a—д — for trawl with the cable device; е — with the cableless device; 1 — maximal value of attack corners; 2 — minimal value of attack corners
Углы скольжения, углы между вектором скорости и его нормальной к передней кромке составляющей, по размаху ГДУ измерявшиеся в тех же сечениях, что и углы атаки, приведены на рис. 11.
Для дальнейшего использования экспериментальных данных, полученных на скользящих ГДУ, установленных на натурных тралах (см. рис. 10, 11), а также согласно выражению (4), были определены углы атаки и их диапазон изменения в нормальном сечении скользящих ГДУ.
Расстояние от центра гужа, см
Расчет оптимального профиля ГДУ
Очевидно, исходя из рабочей формы ГДУ следует задавать профиль, обеспечивающий максимум подъемной силы и надежность работы подъемного устройства. Так как различные участки ГДУ работают в различных диапазонах углов атаки, следовательно, и утолщение ГДУ на различных его участках должно быть соответствующим максимальным гидродинамическим коэффициентам подъемной силы. Параметром объективной оценки подъемной силы в определенном диапазоне рабочих углов атаки являются интегральные характеристики функции Суп = / (ап) (Шевченко и др., 1998). Интеграл функции Суп = = / (ап) в диапазоне углов, соответствующих рабочим углам атаки ГДУ на трале, характеризует площадь криволинейной трапеции под участком графика на этом участке.
Интегральная характеристика представляет собой площадь криволинейной
а2
трапеции. Рассмотрим интеграл | ^уп^а , где ап1—ап2 — диапазон углов атаки,
а1
на которых оценивается функция С п (рис. 12).
Рис. 12. Площадь графика Cyn = = f(а) в диапазоне рабочих углов атаки ГДУ
Fig. 12. The area of the diagram С = f(a) in a range of HDD working attack corners
Т1ТТТГГ
«1 «2
Углы атаки, град.
Так как функция Суп положительна внутри отрезка [ап1, ап2], то интеграл численно равен площади криволинейной трапеции, ограниченной значениями углов атаки ап1, ап2 и кривой графика Суп.
Таким образом, указанный интеграл в заданном интервале углов атаки характеризует площадь под графиком функции Суп на этом участке. Интегрирование функции в исследуемом интервале осуществлялось на ПЭВМ по формуле трапеций. При задании достаточно малого шага интегрирования ошибка расчета
составляет незначительную величину. Например, при задании шага интегрирования 0,01° обеспечивается точность расчета до 0,001.
Шаг интегрирования выбирается исходя из допустимой погрешности.
Для расчета интегральных характеристик каждого графика из семейства зависимостей Суп = f (an) для профилей с различными геометрическими характеристиками, в любом диапазоне углов, для которых имеются экспериментально полученные коэффициенты подъемной силы, составлена программа "Doska" на языке Paskal (Шевченко, Т атарников, 1994).
Расчет интегральных характеристик производится по следующему алгоритму.
1. На основе коэффициентов подъемной силы, во всем диапазоне нормальных углов атаки для различных профилей ГДУ измеренных на рабочем трале, полученных на моделях, создается матрица, изображенная в табл. 1.
Таблица 1
Матрица коэффициентов подъемной силы различных профилей
Table 1
The matrix of elevating force factors of various cross-sections
Утолщение Углы атаки
профиля ai а2 аз а4 а n
П1 Суа1П1 С а2П1 С а3П1 СуаЛ ЧаЛ
П2 С^П,, СУа2П2 суазП2 Суа4П2 Суа„П2
П3 С а1П3 Суа1П3 Суа1П3 С а1П3 С а П3
П п Са,П y 1 n С а2П y2n С а3П у 3 п cVn у 4 n Са П у n n
2. После расчета интегральных характеристик для всех профилей по максимальному значению этой характеристики выбирается оптимальный профиль для каждого отдельного сечения. Таким образом, по интегральным характеристикам графиков моделей со сравниваемыми профилями можно объективно выбрать профиль с оптимальными геометрическими характеристиками по критерию создаваемой им подъемной силы в диапазоне углов, соответствующих рабочим углам атаки в нормальном сечении ГДУ вдоль потока на трале.
3. По полученным коэффициентам подъемной силы на моделях с различным утолщением профиля рассчитаны интегральные характеристики функций Суп= /(ап) в диапазонах изменения рабочих углов атаки ГДУ на трале по сечениям, в которых измерялись рабочие углы атаки. По максимальному значению этих характеристик и выбирается оптимальный профиль для каждого отдельного сечения.
Расчет интегральных характеристик осуществлялся отдельно для ГДУ с кабельным прибором контроля при различной длине оттяжек и для ГДУ с гидроакустическим каналом связи (бескабельным прибором контроля). Сводная таблица интегральных характеристик для ГДУ на трале, оснащенном кабельным и бескабельным прибором контроля, представлена в табл. 2 и 3.
Наибольшие значения интегральных характеристик по сечениям в диапазонах рабочих углов атаки выделены в табл. 2.
В качестве примера рассмотрим выбор оптимального утолщения профиля ГДУ при А/ = 10 % (см. табл. 2). Рабочие углы атаки по размаху ГДУ от центра гужа измерялись:
— в центре гужа, диапазон изменения углов атаки 24,6-29,0°, наибольшее значение интегральной характеристики в этом сечении 6,35 соответствует профилю с утолщением 10 %, следовательно, в этом сечении оптимальным является профиль с данным утолщением;
— в сечении на расстоянии 120 см от центра гужа, диапазон изменения углов атаки 37,3-44,2°, наибольшее значение интегральной характеристики 11,13 также соответствует утолщению профиля 10 %;
— на расстоянии 300 см от центра, углы атаки изменяются в пределе 39,3-60,1°, максимальное значение интегральной характеристики 22,6 соответствует профилю с утолщением 10 %;
— на кромке ГДУ (расстояние от центра гужа 480 см), диапазон изменения рабочих углов атаки 9,5-17,4°, самое высокое значение принадлежит плоскому профилю.
Таблица 2
Интегральные характеристики графиков Cjn = f(an) ГДУ с различным утолщением профиля в диапазонах рабочих углов атаки в нормальном сечении скользящего ГДУ с кабельным прибором
Table 2
The integrated diagrams Су11 = f(an) characteristics of HDD models with a various thickening of cross-section in ranges of working attack corners in normal section of sliding HDD with the cable device
Укорочение длины оттяжки, % Расстояние от центра гужа, см Диапазон изменения an, град. 0 Утолщение профиля, % 10 17 27 37
0 24,6- -29,0 6,07 6,35 5,28 3,21 2,16
10 120 37,3 44,2 8,84 11,13 10,17 5,55 4,4
300 39,3 60,3 18,42 22,6 19,95 11,57 8,61
480 9,5 -17,4 2,44 2,13 2,18 1,36 0,76
0 23,2 -29,0 7,9 8,12 6,75 4,13 2,78
25 120 30,0 37,7 9,68 11,03 9,47 5,53 4,13
300 33,5 48,8 14,45 16,27 14,02 8,17 6,08
480 13,7 -21,9 4,17 3,02 2,99 1,73 0,88
0 15,2- -22,0 7,59 6,33 5,29 3,26 1,8
40 120 28,0 38,0 12,45 13,93 11,92 7,02 5,15
300 33,2 40,2 6,64 7,04 5,84 3,53 2,4
480 10,7 -22,2 5,13 3,92 3,89 2,32 1,2
0 14,8-19,6 5,18 4,07 3,47 2,16 1,04
55 120 29,8-34,5 5,9 6,56 5,48 3,23 2,3
300 41,3-47,2 5,49 6,42 5,67 3,28 2,56
480 15,4-21,6 3,39 2,41 2,38 1,35 0,69
0 9,4-14,2 3,39 2,49 2,51 1,43 0,76 70 120 34,1-35,5 1,72 1,98 1,72 1,02 0,77 70 300 42,6-48,5 5,52 6,54 5,86 3,32 2,67 _480_15,9-19,2 1,62 1,16 1,19 0,64 0,36
Таблица 3
Интегральные характеристики графиков C n = f(an) моделей в диапазонах рабочих углов атаки ГДУ на трале с бескабельным прибором
Table 3
The integrated diagrams С n = f(an) characteristics of models in ranges of working attack corners of HDD on trawl with cableless device
Расстояние Диапазон
от центра изменения углов Утолщение пр°филя, %
гужа, см атаки, град. 0 10 17 27 37
0 30,2-36,8 9,59 11,5 10,35 5J1 468 200 38,9-45,5 7,31 8,96 8,2 4,4 3,71 400_32,3-39,1 5,88 5,82 4,84 3,02 2
Из результатов расчета следует, что оптимальным является профиль с дифференцированным утолщением по размаху ГДУ. Причем характер дифферен-
циации зависит от длины оттяжек, при длинных оттяжках (А/ = 10-25 %) в центральной части гужа, где углы атаки составляют 24-29°, за оптимальную следует принять относительную толщину профиля, близкую к 10 %. По оконечностям ГДУ целесообразно применять плоский профиль либо профиль с малым утолщением (до 2 %). Более сложную форму профиль должен иметь при средних и коротких оттяжках (А/ = 55-70 % ширины ГДУ), в этом случае желательно применять плоский профиль в центральной части и по оконечностям ГДУ. В средней части ГДУ, между центром гужа и боковой кромкой, оптимальным также является профиль с утолщением 10 %.
В табл. 3 представлены результаты расчета интегральных характеристик для ГДУ на трале с бескабельным прибором контроля для оттяжки с укорочением 10 %.
Максимальные значения интегральных характеристик в табл. 3 выделены. В центре гужа и на расстоянии 200 см от него максимальные значения интегральных характеристик соответствуют утолщению профиля 10 %, на кромке устройства лучшие показатели этой характеристики имеет плоский профиль. Из этого можно сделать вывод, что при использовании на трале бескабельного прибора контроля ГДУ должно иметь изменяемое утолщение профиля по размаху. Характер изменения утолщения в этом случае — такой же, как и в случае с кабельным прибором при использовании длинных оттяжек (А/ = 10-25 %), т.е. в центре гужа и вблизи него целесообразно задавать ГДУ утолщение порядка 10 %, а ближе к кромкам утолщение необходимо уменьшать.
Таким образом, независимо от типа прибора контроля трала при использовании для настройки рабочих углов ГДУ на трале длины оттяжек с укорочением А/ = 10-25 % характер дифференциации утолщения профиля по размаху ГДУ является одинаковым, а именно: максимальное утолщение профиля соответствует центру гужа, по оконечностям устройства утолщение профиля ГДУ сводится к минимуму.
Обоснование конструкции гидродинамического устройства для оснастки верхней подборы трала
Конструкция гибкой оболочки. Кроме высокой эффективности, ГДУ необходимо иметь и высокие эксплуатационные качества: удобство монтажа на трале, универсальность применения на различных типах тралов, возможность оперативного изменения создаваемой устройством величины гидродинамической подъемной силы, автоматизм приведения устройства в рабочее состояние, соответствие современному развитию промысловой техники и возможность ремонта в судовых условиях.
Величину подъемной силы можно регулировать путем изменения площади ГДУ. Площадь оболочки предлагается изменять путем подбора необходимой ширины или длины ГДУ на верхней подборе трала. Для удобства монтажа ГДУ на трале, технологичности изготовления и возможности использования ГДУ на тралах с различной длиной гужевой части трала оболочку ГДУ необходимо изготавливать секционно. Исходя из необходимой подъемной силы верхняя подбора трала может оснащаться различным количеством секций. Оптимальная длина секции ГДУ обуславливается технологией изготовления, удобством монтажа на трале и универсальностью применения секционного принципа набора на тралах с различной длиной гужа. ГДУ предназначены в первую очередь для оснастки разноглубинных тралов, и именно они оснащаются ГДУ по всей длине гужа. Проанализировав размеры гужевой части подборы основных типов разноглубинных тралов, получивших наибольшее распространение на промысле, пришли к выводу, что почти все современные тралы имеют длину гужа, кратную 2. Следовательно, исходя из этого целесообразно за основу конструкции оболочки ГДУ с гибким профилем принять длину секции равной 1 или 2 м. Учитывая, что
гужей короче, чем 2 м, нет ни у одного трала, а более длинная секция позволяет снизить время на оснастку ГДУ и избежать дополнительных соединений боковых кромок секций, оптимальной длиной секции являются 2 м.
Так как относительное утолщение профиля определяется как
t = d /b, (8)
on' '
где d — диаметр опоры, b — хорда профиля (ширина ГДУ), то очевидно, что с изменением ширины b изменяется утолщение профиля и площадь ГДУ. Следовательно, конструкция гибкой оболочки должна предусматривать возможность ее трансформации по ширине.
На внутренней стороне гибкой оболочки необходимо предусмотреть наличие карманов для размещения в них профилезадающей опоры. В случае отсутствия таких карманов, как показал опыт эксплуатации ГДУ "Крыло", во время промысловых операций по постановке или выборке трала опора может смещаться внутри оболочки, тем самым нарушая форму профиля. Карманы изготавливаются одинаковой ширины по всей внутренней поверхности оболочки ГДУ, их размер определяется периметром наплава, максимальным диаметром из числа используемых для формирования опоры. Ширина одного кармана рассчитывается как
C = nd /2, (9)
max' '
где С — ширина кармана, dmax — диаметр наплава.
На рис. 13 представлена схема трансформации ГДУ по ширине и показана базовая схема его оснастки. В этом случае опора размещается в центральном кармане оболочки. По продольным кромкам оболочки пропускаются тросы гужа, которые соединяются между собой и устанавливаются на место гужа трала. Непосредственно к ним крепятся канатные элементы трала. В случае необходимости увеличения площади ГДУ изменяется схема оснастки. Опора переносится на необходимое расстояние в другой карман. В этом случае в схему включается дополнительный элемент: регулировочные перемычки, которые соединяют между собой тросы гужа. Перемычки, одинаковой длины, устанавливаются по всему размаху ГДУ и изготавливаются из стального тросика или цепочки малого калибра.
Рис. 13. Схема трансформации гибкой оболочки для изменения относительного утолщения профиля и площади ГДУ: а — базовая схема оснастки, б —
jу д 2 \ 3 \4_\б_ \ g измененная схема;
Ж/ — профилезада-ющая опора, 2 — фальшгуж, 3 — карманы для опоры, 4 — оболочка для ГДУ, 5 — тросы гужа, 6 — регулировочная перемычка
Fig. 13. The circuit of transformation of a flexible envelope for change of a relative cross-section thickening and HDD area: a — base circuit of rig, б — changed circuit; 1 — a cross-section maker support, 2 — false bosom, 3 — pockets for a support, 4 — envelope for HDD, 5 — bosom cables, 6 — adjusting dam
Оптимальная форма профилезадающей опоры. Результаты анализа существующих гидродинамических устройств, а также проведенные исследования по выбору оптимального профиля ГДУ показали, что наиболее полно отвечает условиям промысла и обладает высоким потенциалом создания гидродинамической подъемной силы гидродинамическое устройство с гибким крыловидным профилем.
Основываясь на результатах выбора оптимального утолщения профиля ГДУ и расчетах подъемной силы, можно сделать вывод, что оптимальной является конструкция ГДУ с дифференцированным изменением толщины профиля по размаху.
Конструкция ГДУ должна быть простой в изготовлении и в то же время обеспечивать надежность работы. Как отмечалось выше, за прототип ГДУ с гибким профилем с дифференцированным утолщением профиля по размаху была взята конструкция ГДУ "Крыло". ГДУ данного типа представляет гибкую оболочку, внутри которой в носовой части находится профилезадающая гирлянда (опора), состоящая из плавучего материала. Начальная статическая плавучесть задает первоначальные углы атаки ГДУ в момент постановки трала и обеспечивает стабильность работы во время траления при травлении ваеров и циркуляции траулера.
Толщину опоры ГДУ по его размаху предлагается рассчитывать по эмпирической формуле (А.с. № SU 1611306). Как показывают расчеты, наиболее соответствует оптимальной толщине опоры экспонента вида
d1 =
be
6ЛL
3п
(10)
где — диаметр опоры в рассчитываемом сечении; Ь — ширина ГДУ; Ь — расстояние от центра гужа до сечения для которого рассчитывается ¿1; АЬ — элементарный участок ГДУ.
Начальной точкой отсчета при расчете толщины профилезадающей опоры является центр гужа. Таким образом, при использовании оттяжек оптимальной длины опора имеет максимальный диаметр в центре гужа, и ее толщина уменьшается к боковым кромкам устройства. При использовании коротких оттяжек, А/ = 40-70 %, необходимо использовать опору более сложной формы, в этом случае ее максимальное утолщение приходится на сечения, расположенные на расстоянии 1/4 длины ГДУ от центра гужа. Однако, учитывая сложность изготовления подобной опоры и снижение статической плавучести за счет уменьшения общего объема профилезадающей опоры, использование такой сложной формы нерационально. Таким образом, рекомендуется применение оттяжек с укорочением 10-25 % от ширины ГДУ независимо от типа используемого на трале прибора контроля параметров входного устья. В этом случае оптимальная форма опоры ГДУ имеет веретенообразную форму с максимальным утолщением в центре гужа.
На рис. 1 4 в графическом виде представлена зависимость изменения утолщения по размаху ГДУ.
Рис. 14. Расчетное относительное утолщение по размаху ГДУ
Fig. 14. A calculated relative thickening on HDD spread
Расстояние от центра гужа, м
Материал и схема набора профилезадающей опоры. Опору необходимо изготавливать из материала с положительной плавучестью, которая обеспечивает задание начального угла атаки во время постановки трала. Для удобства монтажа ГДУ и надежности крепления его тросовой оснастки профилеза-дающую опору предлагается формировать из поплавков, насаженных на общий трос — фальшгуж.
Наборная схема из отдельных наплавов обеспечивает гибкость конструкции за счет возможности свободного перемещения соседних наплавов относительно друг друга. Как показал опыт эксплуатации ГДУ "Крыло", такая конструкция проста в изготовлении, надежна и эффективна в работе.
Попытки использования синтетических плавучих материалов для оснастки верхней подборы трала предпринимались и ранее: так, на донном трале использовались пенопластовые плиты в качестве подъемных щитов (Яковлев, 1955).
Неоднократно проводились опыты по оснастке верхней подборы трала пенопластовыми наплавами и эксперименты по исследованию степени сжатия и влияния этого сжатия на геометрию и подъемную силу наплавов из пенопласта (А.с. № 138782; Xомка, 1964; Павлюченко, 1976). В результате этих экспериментов было выяснено, что пенопластовые наплава легки, имеют высокую плавучесть, эластичность, долговечность и пригодны для оснастки тралов. Однако при погружении наплавов на глубину происходят их значительное сжатие и потеря плавучести.
В современных условиях в качестве составных элементов профилезадаю-щей опоры можно использовать эластичные пенополиэтиленовые наплава. Особенностью использования таких наплавов в качестве оснастки трала является то, что при погружении на глубину под воздействием гидростатического давления они сжимаются до определенного предела, при подъеме же трала на поверхность — расправляются и принимают свою первоначальную форму. Такое регулярное сжатие и расширение не оказывает отрицательного влияния на качественное состояние наплавов. После 400 тралений они сохраняют первоначальную плавучесть и не имеют видимых признаков разрушения.
Для формирования профилезадающей опоры можно использовать и твердые винипластовые или капроновые наплава с внутренней полостью, заполненной воздухом, однако данный тип наплавов имеет ограничения по глубине погружения, они эффективны при работе на небольших глубинах или в поверхностном варианте траления.
Таким образом, гирлянда из эластичных наплавов является подходящим профилезадающим элементом для ГДУ. Кроме того, у наплавов из пенополиэти-лена отсутствует водопоглощение. Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается широкий размерный ассортимент эластичных наплавов, что позволяет без труда подобрать необходимый их диаметр для набора опоры оптимального утолщения ГДУ практически любой ширины.
При этом, учитывая тот факт, что во время траления верхняя подбора буксируется на глубине, где под воздействием давления диаметр наплавов, а значит и всей опоры, уменьшается за счет сжатия наплавов, соответственно уменьшается и относительное утолщение профиля.
Для определения влияния глубины на геометрические параметры наплава из пенополиэтилена был проведен эксперимент по установлению степени сжатия наплавов в зависимости от глубины погружения. Кошельковый наплав А-30 помещался в барокамере в аквариум с морской водой. Наплав полностью погружался в воду. Давление в барокамере изменялось от атмосферного до соответствующего глубине погружения на 100 м с дискретностью погружения 5 м. На каждой глубине делалась выдержка в течение 5 мин, после чего через иллюминатор визуально снимались показания мерных линеек. Как показал эксперимент, под воздействием давления изменяется только диаметр на-
плава. Длина наплава оставалась неизменной на протяжении всего эксперимента (видимо, за счет капроновой втулки, вставленной в центральное отверстие наплава).
В результате эксперимента было установлено, что диаметр наплава уменьшается до глубины 85 м, а при дальнейшем погружении изменение его геометрических параметров не наблюдается (15).
Рис. 15. Изменение диаметра пенополиэтиленового наплава в зависимости от глубины погружения
Fig. 15. Change of foam polyethylen float diameter depending on immersing depth
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Глубина погружения, м
Очевидно, что и относительное утолщение профиля ГДУ изменяется на горизонтах траления от 0 до 85 м. При работе на глубинах более 85 м утолщение профиля соответствует диаметру предельного сжатия наплавов и остается постоянным.
Исходя из полученных экспериментальных данных по изменению формы наплавов при их погружении на различную глубину можно рассчитать фактический диаметр опоры на горизонте траления и, следовательно, относительное утолщение профиля.
В табл. 4 представлены расчетные диаметры наплавов на различной глубине для основного ассортимента пенополиэтиленовых наплавов, используемых на дальневосточном бассейне (Справочник ..., 1989).
Таким образом, для формирования профилезадающей опоры, обеспечивающей оптимальное утолщение ГДУ в процессе траления на определенной глубине, необходимо подобрать соответствующий ассортимент наплавов.
Для соблюдения оптимального утолщения профиля необходимо использовать при формировании профилезадающей опоры наплава подходящего диаметра или, при сохранении диаметра опоры и утолщения профиля, должна быть изменена ширина ГДУ.
Необходимая ширина ГДУ рассчитывается по формуле:
ьгт = цт • 100)//, (11)
где Ьгт — ширина ГДУ, ¿гт — диаметр опоры на горизонте траления, / — оптимальное относительное утолщение профиля.
Ввиду того что пенополиэтиленовые наплава подвержены сжатию, возможны следующие варианты формирования опоры:
— базовый вариант, для работы на глубинах, превышающих предельную глубину сжатия наплавов, в этом случае опора формируется из пенополиэтиле-новых наплавов, диаметр которых на глубинах свыше 85 м обеспечивает оптимальное утолщение профилю ГДУ;
— вариант для работы в горизонтах траления от поверхности до глубины 85 м (зона сжатия пенополиэтиленовых наплавов), в этом случае опора формируется из наплавов, диаметр которых на предполагаемой глубине тра-
Таблица 4
Диаметры наплавов на различных глубинах
Table 4
Floats diameters on various depths
Глубина, м
Диаметр наплава, мм
ления обеспечивает оптимальное утолщение ГДУ. И ли используется опора из базового варианта, но увеличивается ширина ГДУ до соответствующей оптимальному утолщению, с учетом фактического сжатия наплавов на горизонте траления;
— универсальный вариант, опора формируется из твердых винипластовых или капроновых наплавов с воздушным наполнением, исходя из оптимального утолщения профиля, в этом случае относительное утолщение ГДУ остается постоянным независимо от горизонта траления, но глубина работы трала ограничена предельной глубиной погружения наплавов (обычно 150-200 м), глубже наплава такого типа могут быть раздавлены.
Рассмотрим пример формирования про-филезадающей опоры для трала 108/528 м с длиной гужа 10 м при ширине ГДУ 650 мм для работы на глубинах более 85 м. Выбираем базовый вариант оснастки (см. рис. 13, а). Как видно на графике (см. рис. 14), утолщение опоры в пределах одной секции ГДУ изменяется незначительно, а ассортимент имеющихся наплавов не позволяет точно подобрать необходимое утолщение, поэтому можно формировать подбору по секциям ГДУ. По данным табл. 4 для ГДУ определенной ширины можно вычислить относительное утолщение профиля на любом горизонте траления. В табл. 5 приведены значения относительного утолщения на различной глубине для ГДУ шириной 650 мм.
Для формирования опоры центральной секции ГДУ (± 1 м от центра) используются наплава диаметром 110 мм, в этом случае на глубинах более 75 м относительное утолщение профиля этой секции составит 11 %.
Для формирования опоры средних секций (две секции справа и слева на расстоянии 1-3 м от центра гужа) целесообразно использовать наплава диаметром 85 мм, при работе глубже 60 м относительное утолщение этих секций составит 9 %. Опоры крайних двух секций (3-5 м от центра гужа) необходимо формировать из наплавов диаметром 60 мм. Оптимальное утолщение этих секций достигается уже на глубинах более 60 м. В табл. 6 приведены некоторые параметры наплавов и секций ГДУ шириной 650 мм, сформированных из наплавов различного диаметра.
Для оснастки ГДУ с дифференцированным утолщением потребуется 1 4 наплавов диаметром 110 мм, 32 наплава диаметром 85 мм и 34 наплава диаметром 60 мм (табл. 6). Общая плавучесть опоры составит 387 Н.
0 60 85 110 1 45 160 180 195 210
5 60 85 109 1 44 159 179 194 209
10 59 84 108 1 43 158 177 192 207
15 58 83 107 1 41 155 175 189 204
20 57 80 104 137 151 170 184 1 98
25 55 77 100 132 1 46 164 178 191
30 51 73 94 124 137 154 167 180
35 49 70 90 119 131 1 48 160 1 72
40 48 68 88 116 128 1 44 156 168
45 46 66 85 112 124 139 151 163
50 45 64 83 110 121 136 1 48 159
55 44 63 81 107 118 133 1 44 155
60 43 61 79 105 115 130 1 41 152
65 42 60 77 102 112 127 137 1 48
70 41 58 75 99 110 123 134 1 44
75 40 57 74 98 108 121 131 1 42
80 40 56 73 96 106 120 130 1 40
85 40 56 73 96 106 119 129 139
90 39 56 72 95 105 118 128 138
95 39 56 72 95 105 118 128 138
100 39 56 72 95 105 118 128 138
Таблица 5
Относительное утолщение профиля ГДУ в зависимости от глубины погружения для различных значений диаметра используемых наплавов, %
Table 5
A relative thickening of HDD cross-section depending on immersing depth for various meanings of diameter used floats, %
Глубина погружения, м 50 60 Диаметр наплава, мм 85 110 145 160 180 195 210
5 8 9 13 17 22 24 28 30 32
10 8 9 13 17 22 24 27 30 32
15 7 9 13 16 22 24 27 29 31
20 7 9 12 16 21 23 26 28 30
25 7 8 12 15 20 22 25 27 29
30 7 8 11 15 19 21 24 26 28
35 6 8 11 14 18 20 23 25 26
40 6 7 10 14 18 20 22 24 26
45 6 7 10 13 17 19 21 23 25
50 6 7 10 13 17 19 21 23 24
55 6 7 10 12 16 18 20 22 24
60 6 7 9 12 16 18 20 22 23
65 5 6 9 12 16 17 19 21 23
70 5 6 9 12 15 17 19 21 22
75 5 6 9 11 15 17 19 20 22
80 5 6 9 11 15 16 18 20 21
85 5 6 9 11 15 16 18 20 21
90 5 6 9 11 15 16 18 20 21
95 5 6 9 11 15 16 18 20 21
100 5 6 9 11 15 16 18 20 21
Таблица 6
Параметры относительного утолщения опоры ГДУ в воздухе и на глубине более 80 м
Table 6
Parameters of relative thickening of HDD support in air and on depth more than 80 m
Диаметр Длина Плаву- Относительное Кол-во Суммарная Диаметр Относительное
наплава, наплава, честь, утолщение наплавов плавучесть на глубине утолщение
мм мм H профиля ГДУ в одной одной более профиля ГДУ
с наплавами, секции, секции, H 80 м, мм на глубине
% шт. более 80 м, %
60 120 2,5 9 17x2 42,5x2 40 6
85 125 5,0 13 16x2 80x2 56 9
110 145 10,0 17 14 138 73 11
Всего 80 383
Таким образом, подводя итоги выбора оптимального профиля ГДУ с гибким профилем большого удлинения, можно сделать следующие выводы.
Выбор оптимального профиля по интегральным характеристикам графиков подъемной силы моделей, рассчитанным в диапазонах рабочих углов атаки в нормальном сечении скользящего устройства на трале, позволяет определить оптимальное относительное утолщение профиля по размаху.
Результаты расчетов интегральных характеристик и подъемной силы ГДУ показали, что профиль ГДУ по размаху должен иметь дифференцированное утолщение.
За счет придания ГДУ дифференцированного утолщения по размаху возможно увеличить гидродинамическую силу устройства на 13-15 %, учитывая отсутствие на передней кромке ГДУ гирлянды наплавов, фактическая подъемная
сила ГДУ с дифференцированным утолщением профиля выше, чем ГДУ с плоским профилем, на 20-24 %.
Утолщение профиля по длине ГДУ рекомендуется рассчитывать по формуле:
Для настройки ГДУ на рабочие углы атаки оптимальной является оттяжка с укорочением А/ = 10-25 % как при оснастке трала кабельным прибором контроля, так и бескабельным. При такой длине оттяжек создаются оптимальные углы атаки ГДУ и, как следствие, большая подъемная сила. При проведении сравнительных испытаний именно с такой длиной оттяжек трал имел наибольшее раскрытие и более высокий горизонт хода.
Гибкую оболочку ГДУ целесообразно изготавливать в виде секций длиной 2 м, необходимо предусмотреть возможность трансформации гибкой оболочки по ширине.
Для формирования профилезадающей опоры необходимо использовать наплава различного диаметра. При использовании пенополиэтиленовых наплавов опору необходимо формировать с учетом предполагаемых горизонтов работы трала и сжатия наплавов на этих горизонтах. В случае работы на горизонтах частичного сжатия наплавов относительное утолщение необходимо корректировать за счет увеличения ширины ГДУ путем трансформации гибкой оболочки и изменения размещения в ней опоры. При использовании твердых наплавов с воздушным наполнением необходимо учитывать предельную глубину возможного погружения.
Практическое использование результатов исследований
В практике тралового рыболовства часто возникает необходимость проведения промысла одной и той же конструкцией трала на различных горизонтах траления и с различными параметрами входного устья. На это могут влиять множество факторов, как-то: горизонт нахождения скопления или косяков рыб, направление ухода рыб из зоны облова в момент встречи с орудием лова и тому подобное. Поэтому параметры оснастки входного устья трала, подобранные или определенные опытным путем в процессе технических испытаний и настройки трала при определенных рабочих параметрах и скоростном режиме, в реальных процессах эксплуатации могут изменяться.
Для того чтобы определить необходимые параметры оснастки входного устья трала, в лаборатории промышленного рыболовства ТИНРО-центра совместно с Дальрыбвтузом была разработана методика аналитического расчета параметров оснастки входного устья разноглубинного трала (Бойцов, А стафьев, 1983). Дальнейшие теоретические и экспериментальные работы показали, что параметры оснастки входного устья трала взаимосвязаны с пространственным положением траловой системы. Следовательно, задаваясь необходимым для ведения тралового промысла на определенных видах рыб пространственным положением траловой системы и определив по методике (Бойцов, Астафьев, 1 983) параметры оснастки входного устья трала, можно регулировать положение трала относительно горизонта хода траловой распорной доски. При этом обеспечивается необходимое для ведения промысла раскрытие входного устья (Бойцов и др., 1985).
Возможность регулирования пространственного положения траловой системы повышает эффективность работы тралов на объектах с различной реакцией на приближающиеся орудия лова. Особый интерес представляет возможность облова объектов, которые держатся в верхних слоях и на поверхности воды (сайра, сардина, летучие рыбы, анчоусы и т.д.). Использование методики оснастки входного устья при поверхностном траловом лове позволяет выводить трал
^ =
3п
на поверхность, оставляя распорную доску в заглубленном состоянии, что улучшает ее гидродинамические характеристики (по сравнению с поверхностным вариантом), не затрудняет настройку и обеспечивает стабильную работу на поверхности.
Определение необходимой подъемной силы оснастки верхней подборы вытекает из условия ее равновесия. Сумма проекций всех действующих на подбору сил на горизонтальную ось X и вертикальную ось Z равняется нулю, т.е.:
£ прх fk = 2 г/ cosvA" cos 07 - Rx! - RT - RT = 0; £nPzF = Qen + 2TA cosvA sinввлп + RXTtga'c - Rz! - Щви = 0,
где R^, r™, Rx" — гидродинамические сопротивления оснастки верхней подборы (ГДУ), верхней пласти трала, верхней подборы; R^, Re™ — подъемная сила оснастки верхней подборы и верхней пласти трала; а6 — угол атаки верхней пласти трала в районе крыльев; q вп — масса в воде верхней подборы; TJ" — натяжение верхней подборы в ее передней точке (в точках крепления к кабелям); v™ — угол между касательной к верхней подборе трала в ее передней точке и вертикальной плоскостью; 0 Лп — угол между плоскостью касательной к верхней подборе в передних точках и плоскостью горизонта.
Проведя необходимые математические преобразования, получили формулу для расчета необходимой подъемной силы по верхней подборе трала:
Rz! = R®M(tgaec -tgOA")+ een - Rf - (( + Rex" )Лп. (12)
Используя формулу (12), рассчитали необходимую подъемную силу, обеспечивающую оптимальное пространственное положение траловой системы в поверхностном, пелагическом и придонном вариантах траления для ряда промысловых разноглубинных тралов, используемых на дальневосточном бассейне. Расчет сделан для трех значений реальных скоростей тралений. Значения подъемной силы приведены в табл. 7.
Таблица 7
Необходимая подъемная сила для оснастки траловой системы, Н
Table 7
Necessary elevating force for trawl system equipment , N (Newton)
Тип Скорость траления, м/<
1,54 2,06 2,57
трала 1 2 3 1 2 3 1 2 3
54,4/192 1700 - 2600 3100 - 4500 4800 - 7000
40,6/156 2200 - 3500 4000 - 6300 6200 - 9800
119/450 3200 4400 6000 5400 7600 10400 8200 11800 15800
108/528 2600 3300 4000 4800 6200 6900 7300 9600 10500
158/880 2700 3500 5000 4700 6000 8200 7500 9500 13000
264/1008 - - - - - - 13500 16000 25000
118/620 2900 3500 5200 5100 6400 9000 8000 9900 13800
100/460 4600 5700 8700 8700 11100 15900 14100 18300 25200
63/240 2300 3400 3700 3800 5700 6700 6100 8900 10400
57/360 3300 5000 6000 5700 8600 10800 - - -
138/900 3500 4500 6000 5500 6700 10000 7600 10500 15000
147/640 2500 4000 7200 3250 6000 10500 6000 9000 1 7500
62/368 3000 4200 5600 5200 7000 9300 7600 11000 15200
Примечание. 1 — придонный, 2 — пелагический, 3 — поверхностный вариант траления.
Необходимая подъемная сила на современных разноглубинных канатных тралах создается с помощью щитков — гидродинамических устройств (ГДУ), которые устанавливаются на гуже верхней подборы трала.
Примером такого типа ГДУ можно считать устройства "Крыло" (A.c. № 1264883 SU) и "Крыло-2" (A.c. № 1611306 SU). Утолщение профиля такого ГДУ задается профилезадающей опорой из наплавов, насаженных на общий трос и размещаемых в носовой части устройства. Наиболее совершенным является ГДУ "Крыло-2" с дифференцированным утолщением профиля по размаху, достигаемым путем использования наплавов различного диаметра (Шевченко и др., 1992).
В процессе экспериментальных работ определялись углы атаки по потоку и скольжения по размаху ГДУ на промысловом трале (Татарников, Астафьев, 1996). В результате были получены данные, позволившие, используя зависимость (4), определить область изменения an в плоскости нормальной к передней кромке по длине устройства при оттяжках оптимальной длины.
При анализе полученных данных было установлено, что по длине ГДУ оптимальной является веретенообразная форма профилезадающей опоры. Утолщение профиля ГДУ по размаху рассчитывалось по формуле (11).
Используя полученные значения an в нормальном сечении по размаху ГДУ и графики изменения гидродинамических коэффициентов подъемной силы моделей от угла атаки, по формуле (6) рассчитывали величину подъемной силы, создаваемой ГДУ различной площади на верхней подборе трала.
По полученным расчетным данным построены графические зависимости подъемной силы ГДУ от площади устройства для скоростей траления — 1,54; 2,06; 2,57 м/с (рис. 16).
25000
20000
-С -
§ 15000
я
а X
§ 10000
ч о С
5000 0
0 1 2 3 4 5 6
Площадь ГДУ, м2
Рис. 16. Графики изменения подъемной силы ГДУ в зависимости от площади для различных скоростей траления: 1 — 1,54 м/с, 2 — 2,06 м/с, 3 — 2,57 м/с
Fig. 16. The diagrams of HDD elevating force change depending on the area for various hauling speeds: 1 — 1,5, 2 — 2,06, 3 — 2,57 m/s
Используя значения величины необходимой подъемной силы, выбранные из табл. 7 для каждого конкретного трала, исходя из горизонта траления, по графикам подъемной силы определяли необходимую площадь ГДУ "Крыло", исходя из необходимой для облова скорости буксировки.
Литература
A.c. № 1264883 SU. Устройство "Крыло" для вертикального раскрытия трала / В.М.Костюков, В. А.Татарников, М.А.Мизюркин, А.А.Гольдин. — 1986. — Бюл. № 39.
A.c. № 1611306 SU. Гидродинамическое устройство для вертикального раскрытия трала / В. А.Татарников, С.М.Абалтусов, А.И.Шевченко. — 1990. — Бюл. № 45.
A.c. 138782. Прибор для определения плавучести пенопластовых и тому подобного пористых рыболовных поплавков / Э.С.Хомка. — 1961. — Бюл. № 11.
Антонов В.П., Норинов Е.Г. Результаты подводных исследований промысловых траловых систем на дальневосточном бассейне. — Владивосток: ОНТИ НПО "Даль-рыбсистемотехника", 1990. — 26 с.
Баранов Ф.И. Избранные труды. — Т. 3: Теория рыболовства. — М.: Пищ. пром-сть, 1971. — 304 с.
Бойцов А.Н., Астафьев С.Э. Оснастка входного устья разноглубинного трала // Поведение рыб и орудия лова. — Владивосток: ТИНРО, 1983. — С. 27-32.
Бойцов А.Н., Астафьев С.Э., Абалтусов С.М. Пространственное положение траловой системы // Обоснование орудий промышленного рыболовства. — Владивосток: ТИНРО, 1985. — С. 43-47.
Габрюк В.И. Компьютерные технологии в промышленном рыболовстве. — М.: Колос, 1995. — 542 с.
Карпенко В.П., Фридман А.Л. Устройства раскрытия рыболовных тралов. Проектирование и эксплуатация. — М.: Пищ. пром-сть, 1980. — 248 с.
Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Данилов А.Н. и др. Прикладная аэродинамика. — М.: Высш. шк., 1974.
Кудрявцев Н.М., Хизовец Г.Т., Курляндский Ю.М. и др. Основные этапы развития крупногабаритных тралов. — Калининград: АтлантНИРО, 1990.
Мартышевский В.Н. Результаты экспериментов по замене сетных пластин системой канатов с гидродинамическими щитками // Тр. АтлантНИРО. — 1971. — Вып. 50. — С. 108-115.
Мастеру по добыче на судах средне- и малотоннажного флота: Пособие / Под ред. Н.П.Рыбаченок. — Находка: Приморская экспериментальная база промышленного рыболовства, 1992. — 286 с.
Павлюченко В.В. Исследование пенопласта ПХА под давлением воды // Рыб. хоз-во. — 1976. — № 2. — С. 54-55.
Руководство по применению тралов на крупнотоннажных судах дальневосточного бассейна. — Владивосток: ДВФ НПО промрыболовства, 1988. — 193 с.
Рыкунов Э.М. К обоснованию форм распорных траловых досок / Сб. науч.-техн. информ. — М.: ВНИРО, 1967. — Вып. 7. — С. 41-56.
Рыкунов Э.М., Норинов Е.Г. Исследование влияния толщины телесного авиационного профиля на гидродинамику средств вертикального и горизонтального раскрытия рыболовных тралов // Промышленное рыболовство. — Владивосток: ТИНРО, 1975. — Вып. 5. — С. 122-131.
Справочник по сетеснастным материалам и промысловому вооружению. — Владивосток: ОНТИ НПО "Дальрыбсистемотехника", 1989. — 209 с.
Хомка Э.С. Изменение удельной плавучести пенопластовых наплавов при изменении глубины лова // Рыб. хоз-во. — 1964. — № 4. — С. 22-28.
Татарников В.А., Астафьев С.Э. Исследование рабочего положения гидродинамического устройства // Рыбохозяйственные исследования океана: Материалы юбилейной науч. конф. — Владивосток: Дальрыбвтуз, 1996. — С. 116-117.
Шевченко А.И., Абалтусов С.М., Татарников В.А. Гидродинамическое устройство для вертикального раскрытия трала "Крыло-2" // Информационный листок Приморского центра научно-технической информации. — 1992. — № 95-92.
Шевченко А.И., Татарников В.А. Интегральные характеристики графиков подъемной силы моделей: Сб. трудов, посвященный памяти Н.Н.Андреева. — М.: ВНИРО, 1994.
Шевченко А.И., Татарников В.А., Шабельский Д.Л. Выбор оптимального профиля гидродинамического устройства по интегральным характеристикам подъемной силы моделей // Вопросы теории и практики промышленного рыболовства. Поведение гидробионтов в зоне действия орудий лова. — М.: ВНИРО, 1998. — С. 142-145.
Яковлев А.И. Основы гидродинамического расчета траловых распорных досок // Тр. ВНИРО. — 1955. — Т. 30. — С. 61-76.
Поступила в редакцию 27.06.03 г.
