CC BY
34В свое время реализации методик по оптимизации работы флота препятствовал уровень развития информационных технологий, как в технологии обработки данных, так и в технологии сбора информации [4].Современные информационные технологии позволяют реализовать поставленную задачу и получить действительный эффект от ее внедрения.
Список литературы:
[1] Астахов В.И., Платов Ю.И. Оперативное управление транспортным предприятием: Конспект лекций по курсу «Оперативное управление транспортными предприятиями» для студентов очного и заочного обучения по специальностям 0608, 0611 / В.И. Астахов, Ю.И. Платов. -Н. Новгород: Издательство ГОУ ВПО ВГАВТ, 2003. - С. 18.
[2] Платов А.Ю. Система показателей работы флота для принятия решений на оперативном уровне / А.Ю. Платов // Речной транспорт (XXI век). - 2010. - № 1. - С. 80-82.
[3] Платов А.Ю., Платов Ю.И. Эффективность оптимизирующих методов при оперативном планировании работы флота / А.Ю. Платов, Ю.И. Платов. // Вестник ВГАВТ. - Н.Новгород, 2013. - № 37. - С. 109-112.
[4] Платов А.Ю., Платов Ю. И. Проблемы внедрения аналитических информационных технологий на речном транспорте / А.Ю. Платов, Ю.И. Платов // Наука и техника транспорта. - 2010. -№ 3. - С. 43-45.
CURRENT STATE AND WAYS OF IMPROVING THE PLANNING SYSTEM OF THE FLEET USE
J.V. Guseva
Keywords: system ofplanning of fleet working, operational planning.
The article is devoted to the modern planning system of the fleet use. The differences between the planning system that existed in the planned economy, and the planning system, functioning at the moment are given. The necessity of development of operational planning method is defined.
УДК 659.62
В.А. Лобанов, профессор, доцент, д.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ПРОПУЛЬСИВНЫЕ КАЧЕСТВА ВИНТОРУЛЕВОЙ КОЛОНКИ ВО ЛЬДАХ
Ключевые слова: Судно, движительно-рулевой комплекс, винторулевая колонка, ледовые качества, ледовые условия, упор, рулевая сила, САЕ-системы, конечноэлементное моделирование.
В работе с применением САЕ-технологий исследован характер работы винторулевой колонки в условиях чистой воды и в тёртых льдах различной толщины и сплочённости. Проведены количественные оценки чистого гидродинамического упора и ледовых нагрузок на комплексе. Получены кривые полезной тяги комплекса в исследованных ледовых условиях. Выявлено существенное падение этой характеристики комплекса при его работе во льдах по сравнению с условиями чистой воды. Показаны качественные особенности характера и соотношения рулевой силы винторулевой колонки во льдах и в условиях чистой воды.
Введение
Такие важные ледовые качества судна, как ходкость и маневренность далеко не в полной мере определяются уровнем, условиями и характером взаимодействия с водо-ледяной средой только его корпуса. Не менее значимым фактором при оценках названных характеристик следует признать пропульсивный потенциал движительно-рулевого комплекса (ДРК) теплохода в ледовых условиях.
При этом необходимо отметить, что современные полуэмпирические методики расчёта ледовой ходкости и маневренности базируются на прогнозе «чистых» ледовых нагрузок [1-4, 11-15], априорно принимая гипотезу о независимости ледового и гидродинамического воздействия на корпус и ДРК судна. Согласно этой гипотезе гидродинамические нагрузки во льдах и на чистой воде эквивалентны при одинаковых режимах эксплуатации судна (скорости движения, частоте вращения движителей, угле перекладки рулевого комплекса). Однако данная гипотеза не подтверждена экспериментально из-за отсутствия каких-либо технических средств, реализующих раздельное измерение ледовых и гидродинамических сил на корпусе судна и элементах его ДРК [7-9].
При решении задач чисто эксплуатационного характера оценка полного ледового сопротивления корпуса судна с учётом «гипотезы независимости» вполне приемлема, так как ледовые нагрузки, как правило, многократно превосходят уровень гидродинамического воздействия. Поэтому даже приближённый учёт последнего не приведёт к значимым погрешностям в прогнозе суммарных корпусных сил. Но такой подход нельзя признать корректным при оценке пропульсивных качеств ДРК ввиду сопоставимости величин ледового и гидродинамического воздействия на него. Кроме того, недопустимо игнорирование различий в характере обтекания жидкостью движителя во льдах и на чистой воде, которые, безусловно, отражаются на его тяговых параметрах.
Научно-техническая деятельность автора связана с оценками ледовых качеств флота внутреннего и смешанного река-море плавания. Ряд последних серий этих судов, имеющих ледовые категории по классификации Российских Регистров (морского и речного), оборудован винторулевыми колонками с насадками (ВРК) в качестве ДРК [5, 6]. Последнее обозначило потребность в адекватных методах анализа тяговых и рулевых характеристик подобных ДРК в ледовых условиях. Авторский опыт показывает, что при отсутствии надёжных аналитических решений эти потребности могут быть вполне удовлетворены в рамках применения САЕ-технологий [16].
Ниже приведён разбор серии САЕ-испытаний, посвящённых оценкам пропуль-сивных качеств ВРК во льдах.
Моделирование
Последующий анализ был связан с обработкой результатов конечноэлементного моделирования нескольких десятков вариантов движения ВРК в различных динамических и ледовых условиях. Как показали натурные ледовые испытания флота, наиболее неблагоприятные эксплуатационные условия для движителей в насадках наблюдаются в сильносплочённых тёртых и зажорных льдах. Эти среды способствуют быстрому «забиванию» льдом ДРК и ощутимому снижению тяги вплоть до её полной потери. Поэтому в данной работе автор ограничил круг численных экспериментов варьированием ледовых условий в границах этих сред.
В расчётных вариантах изменялась скорость движения комплекса (0-5 м/с), его угол перекладки (0-45 градусов), толщина тёртых льдов (0,2-0,6 м), их сплочённость в районе комплекса (6-9 баллов). Модели материалов, типы и формулировки конечных элементов, алгоритмы контактного взаимодействия тел описаны в работе [7].
Пример типовой исходной модели показан на рис. 1. Расчётные характеристики комплекса обозначены на рис. 2 и объяснены в табл. 1.
Рис. 1. Пример исходной модели движения ВРК в тёртых льдах: 1 - насадка; 2 - баллер-редуктор; 3 - гребной винт; 4 - кронштейн-стабилизатор; 5 - тёртые льды; 6 - бассейн с водой
Рис. 2. Параметры ВРК
Таблица 1
Расчётные характеристики ВРК
Параметр Обозначение Единица измерения Величина
Диаметр входного сопла насадки Dh мм 2474
Диаметр выходного сопла насадки Dt мм 2000
Угол наклона образующей насадки а градус 14
Длина насадки Ц мм 990
Максимальная толщина профиля насадки Тр мм 178
Расстояние между началом образующей Rc мм 368
Параметр Обозначение Единица измерения Величина
лопасти винта и передней кромкой насадки
Диаметр гребного винта Dp мм 1970
Диаметр баллера-редуктора Db мм 466
Угол раствора кронштейнов-стабилизаторов градус 120
Крутящий момент на гребном валу кН-м 35
Номинальная частота вращения гребного винта рад/с 27,0
**Расчётный шаг винта мм 2110
**Угол наклона образующей лопасти градус 7
**Количество лопастей 4
**Суммарная площадь лопастей м2 1,734
**Дисковое отношение 0,552
Примечания.
Прототипом модельного ДРК явилась ВРК модели «SRP-1012 FP» фирмы Schottel [0,0]. ** - дополнительные контрольные параметры.
Полезная тяга
Оценка потерь полезной тяги винторулевой колонки в ледовых условиях потребовала предварительного моделирования её движения в чистой воде с целью определения кривых упора. В качестве примера на рис. 3 приведён ряд осциллограмм упора комплекса для нескольких фиксированных скоростей хода. Частота вращения гребного винта ВРК при заданном крутящем моменте на валу (табл. 1) стабилизировалась в пределах 32,0-33,0 рад/с (Рис. 4).
Complex Thrust in clear Water
Рис. 3. Временные зависимости упора комплекса в чистой воде для нескольких скоростей хода: (кривые А-С - результаты численного моделирования; кривые D-F - сглаженные значения)
Propeller angular Velocity
Рис. 4. Стабилизация частоты вращения винта комплекса в чистой воде
Результирующие кривые упора в чистой воде для трёх углов перекладки комплекса (0, 20, 45 градусов), полученные по итогам статистической обработки подобных осциллограмм (Рис. 3), показаны на рис. 5. При коэффициенте корреляции свыше 0,95 следует констатировать хорошую статистическую связь упора ВРК в чистой воде со скоростью движения комплекса.
Complex Thrust in clear Water
Velocity, m/s
Рис. 5. Кривые упора комплекса в чистой воде
По анализу кривых рис. 5 необходимо указать на значимую зависимость этого параметра ВРК от угла её перекладки. Так, в реальном диапазоне скоростей хода при эффективном маневрировании следует ожидать не менее, чем полуторакратных потерь полезной тяги (сравнение кривых А и С, рис. 5). Поэтому можно предполагать, что в ледовых условиях вероятность «заклинивания» судов с исследуемым видом ДРК будет повышенной по сравнению с равномощными однотипными судами, оборудованными традиционными комплексами.
Принципиально важным преимуществом САЕ-технологий по отношению к натурным испытаниям или модельным экспериментам в рамках поставленной задачи является возможность раздельной оценки ледовых и гидродинамических нагрузок на элементы ДРК. Поэтому САЕ-моделирование позволяет проверить адекватность «гипотезы независимости».
Проведённые автором численные эксперименты убедительно показывают, что в
общем случае упомянутая гипотеза не подтверждается. Это можно проиллюстрировать данными, приведёнными на рис. 6. Здесь отображены кривые гидродинамических упоров исследуемого комплекса в чистой воде и тёртых льдах толщиной 0,5 м и начальной сплочённостью около 7 баллов при постоянной скорости движения ДРК равной 2,5 м/с.
Рис. 6. Сравнение гидродинамического упора комплекса в чистой воде и льдах
Анализ зависимостей демонстрирует, что в чистой воде упор комплекса при заданном ходе стабилизируется в пределах 88 кН (осциллограмма А, её сглаженное значение - кривая С, рис. 6) при частоте вращения винта 32 рад/с (кривая С, рис. 4). Моделирование движения комплекса с теми же параметрами в ледовых условиях обнаруживает значительную временную неустойчивость упора (осциллограмма В, её сглаженное значение - кривая D, рис. 6). Его среднее значение во льдах (прямая Е, рис. 6) падает почти вдвое по сравнению с чистой водой (кривая С, рис. 6).
В качестве одной из причин такого снижения следует признать различие характера обтекания жидкостью движителя во льдах и в чистой воде. Последнее можно подтвердить данными рис. 7. На нём для сравниваемых выше вариантов показаны векторные поля распределения скоростей возмущённой жидкости при движении в ней ДРК.
SRP COMPLEX STEERING V2.5 AL00 Time = 1.74 Vector ol Total-velocity mill—I]. at nodes 3001 ma*=32JDB67, at nodes 1205
а
ЗР1Р ЗТЕЕНШЙ НО.5 30.7 У2.5 АЮО Типе = 2.095
'У--' ьч I. it.il .■■!"' ¡Ту
ПШ1=С, .1 г^лН11 ■ 1'11
шак=2Э.1ВЗв, амюйб« 1724
б
Рис. 7. Сравнение характера взаимодействия комплекса с водой (а - чистая вода; б - тёртые льды)
Очевидно, что уровень турбулентности водяного потока в окрестностях комплекса в ледовых условиях (Рис. 7б), льды не показаны в целях сопоставимости картин) значительно превосходит этот параметр для чистой воды (Рис. 7а).
Конечноэлементное моделирование наглядно иллюстрирует плохую приспособленность винторулевой колонки для работы во льдах. Так уже в разреженной ледяной среде начальной сплочённостью 6-7 баллов в районе ДРК он начинает интенсивно «забиваться» льдом (Рис. 8).
Рис. 8. Характер взаимодействия ВРК с тёртыми льдами
При постоянном вращающем моменте на гребном валу такие особенности взаимодействия комплекса с водоледяной средой порождают характерную неустойчивость частоты вращения винта, гидродинамического упора, ледового сопротивления и полезной тяги ДРК. На рис. 9 и 10 это показано на примере движения переложенной на 20 градусов ВРК со скоростью 1,0 м/с в тёртых льдах толщиной 0,5 м и начальной сплочённостью 7 баллов.
Однако следует признать, что флуктуации угловой скорости винта проявляются в меньшей степени, нежели у движителя в поворотной насадке [8]. Это, по-видимому, можно объяснить наличием дополнительной «ледовой защиты» у винта в виде балле-ра-редуктора и кронштейнов-стабилизаторов (Рис. 1).
Thrust and ice Resistance Complex
Рис. 9. Временной характер поведения гидродинамических и ледовых нагрузок на комплексе
Propeller angular Velocity
Рис. 10. Временной характер частоты вращения винта при постоянном вращающем моменте на гребном валу
В качестве статистической точки для каждого варианта динамических и ледовых условий в последующей обработке использовалась средняя величина полезной тяги комплекса (в примере, приведённом на рис. 9 - это уровень прямой D). По результатам анализа была получена серия статистических зависимостей полезной тяги комплекса от скорости его движения, угла перекладки и ледовых условий.
Пример подобных кривых для тёртых льдов толщиной 0,5 м и их начальной сплочённости 7 баллов приведён на рис. 11.
Результаты численных экспериментов показывают сильную зависимость полезной тяги ВРК от толщины и сплочённости льдов. И если первый параметр в конкретных ледовых условиях можно считать постоянной величиной, то распределение льдов в районе ДРК будет определяться геометрией корпуса судна, его осадкой, посадкой и расположением комплекса. Эти факторы, безусловно, значимо скажутся на особенностях ледовой ходкости теплоходов, оборудованных однотипными ДРК. Поэтому ис-
пользование подобных зависимостей (Рис. 11) для выработки практических рекомендаций требует дополнительного изучения (моделирования) характера обтекания льдами судна (Рис. 12).
Complex Thrust in ice Condition
! 1 - > *
-
- ^^ ™ "—. ,__ (■-—.___ L " --iif
- u
I I 1 1 1
Velocity, m/s
Рис. 11. Кривые полезной тяги ВРК в тёртых льдах
Angular displacement:
А 0.0 degress В 20 degress С 45 degress
а
б
Рис. 12. Характер обтекания тёртыми льдами кормы судов с различным формообразованием: а - проект Я5Б44; б - проект Я£Т27
Например, для сухогруза смешанного река-море плавания проекта RSD44 с традиционными носовыми обводами при движении в сильносплочённых льдах (9-10 баллов) следует ожидать сплочённости льдов в районе ВРК не выше 5-6 баллов (Рис. 12а). А корпус бульбоносого танкера проекта RST27 при максимальной осадке практически не способен притапливать лёд и пропускать его «через себя» (Рис. 12б). Поэтому положительным следствием применения такой конструкции судна является существенно меньшая ледовая нагрузка на движительно-рулевой комплекс, что практически не сказывается на потерях упора.
Рулевая сила
Оценки рулевой силы по аналогии с полезной тягой однозначно не выявили ни скоростной характер, ни соотношение исследуемого параметра ВРК во льдах и на чистой воде. Если для ДРК «винт - поворотная насадка» и «винт - руль» с ростом скорости движения комплекса подтверждено увеличение его рулевой силы, а с повышением толщины и сплочённости битых льдов - её падение [8, 10], то в отношении винторулевой колонки эти соотношения неустойчивы.
В качестве примера на рис. 13 показаны итоговые кривые рулевой силы ВРК для углов перекладки 20 и 45 градусов при движении в чистой воде и тёртых льдах толщиной 0,5 м начальной сплочённостью 7 баллов. При этом необходимо отметить, что рулевая сила зависит от борта перекладки, что обусловлено направлением вращения винта. На рис. 13 приведены зависимости, соответствующие стороне перекладки с наибольшими значениями рулевой силы.
Compare Complex steering Force
<
Velocity, m/s
Рис. 13. Кривые рулевой силы ВРК в чистой воде и тёртых льдах
При больших углах перекладки ВРК в чистой воде наблюдается устойчивое увеличение рулевой силы с ростом скорости хода судна (Рис. 13, кривая В). При малых значениях угла перекладки в тех же условиях степень корреляции статистических кривых низка и поэтому можно говорить лишь о «вероятной тенденции» незначительного прироста рулевой силы с увеличением скорости движения (Рис. 13, кривая
А).
Скоростное поведение кривых рулевой силы винторулевой колонки в ледовых условиях качественно соответствует ДРК «винт - поворотная насадка». С высокой долей оправдываемости можно предполагать, что поведение кривых рулевой силы ВРК здесь не будет монотонным, так как режимы движения близкие к «швартовным» на чистой воде и во льдах после «промывания комплекса» должны быть идентичны (Рис. 13, пунктирные участки линий C и D). Однако для описания более детального поведения «ледовых» кривых рулевой силы ВРК требуются дополнительные численные эксперименты в диапазоне очень низких скоростей движения комплекса (менее 1 м/с). Ввиду значительной ресурсоёмкости подобных вариантов расчёта при ограниченных
возможностях вычислительного комплекса автора это уточнение на данном этапе моделирования затруднительно.
Выводы
1. Потребность в численном прогнозе пропульсивных качеств ДРК судна во льдах обусловлена ограниченностью традиционных полуэмпирических методик при описании этого процесса.
2. Упомянутые методики базируются на гипотезе о независимости ледового и гидродинамического воздействия, которая не подтверждена ни натурно, ни экспериментально.
3. С ростом толщины и сплочённости тёртых льдов существенно падает полезная тяга ВРК.
4. Анализ пропульсивных качеств комплекса должен быть совмещён с дополнительным моделированием характера обтекания судна льдами.
5. В отношении уровня и характера рулевой силы ВРК на данном этапе моделирования можно судить только качественно.
Список литературы:
[1] Андрюшин А.В. Теория взаимодействия гребного винта со льдом. Обеспечение эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания и ледоколов : диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук : специальность 05.08.01 - теория корабля и строительная механика / Санкт-Петербург, 2006. - 254 с.: ил. РГБ ОД, 71 09-5/118
[2] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. 2 издание, исправленное. - СПб.: Судостроение, 2014. - 504 с., ил.
[3] Караулин Е.Б., Караулина М.М., Беляшов В.А., Белов И.М. Оценка периодических нагрузок, действующих на гребной винт при взаимодействии со льдом. // Научн. - техн. сборник Российского Морского Регистра Судоходства. Вып. 31. - СПб.: РМРС, 2008. - С. 93-106.
[4] Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. - Л.: Судостроение, 1968. - 238 с.
[5] Лобанов В.А. Ледовая ходкость сухогруза смешанного плавания // Интернет-журнал «Науковедение». - 2013. № 4 (17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - С. 1-12. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/72tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[6] Лобанов В.А. Ледовая ходкость танкера река-море плавания с нетрадиционными носовыми обводами // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №1 (14) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/55tvn113.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[7] Лобанов В.А. Оценки ледовых качеств судов с применением CAE-систем: монография / В.А. Лобанов. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. - 296 с.
[8] Лобанов В.А. Пропульсивные качества комплекса винт-насадка во льдах // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №1 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/36TVN115.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/36TVN115
[9] Лобанов В.А. Численные оценки ледовых качеств гребных винтов // Интернет-журнал «Науковедение». 2012. № 4 (13) [Электронный ресурс]. - М. 2012. - с. 1-15. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/51tvn412.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[10] Лобанов В.А. Рулевая сила комплекса винт-руль во льдах // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №5 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/189TVN515.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/189TVN515
[11] Рывлин А.Я., Хейсин Д.Е. Испытания судов во льдах. - Л.: Судостроение, 1980. - 208 с., ил. - ИСБН.
[12] Сазонов К. Е. Управляемость судов во льдах: методы определения ледовых сил, действующих на движущийся по криволинейной траектории корпус, и зависимости показателей поворотливости судов от характеристик корпуса и внешних условий : диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук : Специальность 05.08.01 - теория корабля и строительная механика / Гос. науч. центр РФ. - Санкт-Петербург, 2004. - 285 с.
[13] Сандаков Ю.А. Об определении полного ледового сопротивления речных судов в битых льдах // Тр. ГИИВТА. Судовождение на внутренних водных путях. Горький, 1971. Вып. 116. Ч. 2. - С. 85-89.
[14] Сливаев Б.Г. Обеспечение безопасной эксплуатации судов ледового плавания при ударном взаимодействии гребных винтов со льдинами: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : специальность 05.22.19 - эксплуатация водного транспорта, судовождение, 05.08.04 - технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства / Владивосток, 2001. - 178 с.: ил. РГБ ОД, 61 02-5/1598-2
[15] Тронин В.А. Повышение безопасности и эффективности ледового плавания судов на внутренних водных путях: диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: специальность 05.22.16 - Судовождение / Горький, 1990. - 414 с.
[16] Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.
PROPULSION PERFORMANCES OF RUDDER-PROPELLER THRUSTER IN ICES
V.A. Lobanov
Keywords: Vessel, propulsion and steering complex, rudder-propeller thruster, ice quality, ice condition, thrust, steering force, CAE-systems, finite element modeling.
The kind of work of the propulsion and steering rudder-propeller thruster in the conditions of clear water and in small ice cakes of various thickness and concentration is investigated in this work with use of CAE-technologies. Quantitative evaluations of a pure hydrodynamic thrust and ice loadings on a complex are made. The curves of useful thrust of a complex in the studied ice conditions are received. The considerable falling of this characteristic of a complex during its work in ices in comparison with clear water conditions is revealed. The qualitative features of the character and ratio of the steering force of a rudder-propeller thruster in ices and in the conditions of clear water are shown.
