CC BY
27УДК 629.122
Е.В. Купальцева, аспирантка ФГБОУВО «ВГУВТ»
Е.П. Роннов, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РАСЧЁТ ХОДКОСТИ «МАЛОГО» ПАССАЖИРСКОГО СУДНА НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Ключевые слова: сопротивление движению судна, смоченная поверхность, обводы корпуса судна.
В статье рассматриваются вопросы определения составляющих буксировочного сопротивления судна на начальной стадии проектирования. Для нахождения площади смоченной поверхности «малого» пассажирского судна на основе анализа предложена уточненная формула Зиньковского-Горбатенко, учитывающая особенности судовых обводов. Для определения остаточного сопротивления судна предложена методика, основанная на формуле А.Б. Карпова. Данная методика уточняется при использовании для судов с числом Фруда по длине более 0,28.
На начальных стадиях обоснования элементов и характеристик судна расчеты ходкости при заданной скорости сводятся к определению необходимой мощности главных двигателей. В обратной задаче при заданной мощности рассчитывается допустимая скорость хода, при этом главные размерения и параметры известны.
Для расчетов ходкости используются уравнения, отражающие связь сопротивления, действующего на корпус судна с характеристиками двигателя, развивающего необходимый упор, а также движителя с двигателем:
( \ В
R v,L,B,T,5,/,®, —,...
Т
= ХвРн (1)
Ме (у,Н,п,Ое,Не,..) = Мде (цр.к^,..) (2)
Первое уравнение отражает равенство при установившемся прямолинейном движении сопротивления воды и силы полезного упора, развиваемого движителем. При этом расчетное сопротивление должно определяться с учетом его зависимости от скорости хода, основных размерений и характеристик судовых обводов. Полезный упор,
суммируемый по числу движителей Хв, определяется при заданной скорости в зависимости от мощности и числа оборотов, диаметра винта и т.д.
Второе выражение отражает равенство моментов Мв, необходимого для вращения движителя, при развитии им упора Рн, моменту, развиваемому двигателем Мдв и передаваемому на движитель (гребной винт).
Для принятого двигателя Мдв зависит от индикаторного давления р, числа цилиндров кц и их диаметра, частоты вращения и др. Момент Мв и полезный упор
движителя рассчитывается по известным отработанным методикам [1]. Поэтому решение вопросов ходкости на начальной стадии проектирования прежде всего связано с необходимой точностью определения сопротивления движению судна. Уровень решения данной задачи существенно влияет на достоверность решения задачи оптимизации главных размерений с целью обеспечения таких их значений, при которых будут достигнуты наилучшие показатели эффективности судна.
Согласно квадратичному закону, буксировочное сопротивление водоизмещающе-го судна можно представить в следующем виде [1]
2
Я = ДТр + До + Ддоб = (С тр + ^о + Св.ч. + Сш + С а 8 , (3)
где Ятр - сопротивление трения; Яо - остаточное сопротивление; Ддоб - добавочное сопротивление;
С тр - безразмерный коэффициент сопротивления трения; С о - безразмерный коэффициент остаточного сопротивления;
С вч. - безразмерный коэффициент, учитывающий сопротивление выступающих частей;
С ш - безразмерный коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности; С а - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления; и - скорость движения судна, м/с; 8 - смоченная поверхность судна, м2.
На основании уравнения (3) задача определения полного буксировочного сопротивления сводится к нахождению безразмерных коэффициентов и смоченной поверхности. При этом определение коэффициента трения проводится с использованием экстраполятора трения по общепринятым методикам, а коэффициенты С в.ч., С ш, С а -принимают в виде надбавок, величина которых представлена в [2]. Таким образом, на начальной стадии проектирования перед проектировщиком стоит задача определения коэффициента остаточного сопротивления С о и смоченной поверхности судна 8.
Наиболее точно определить величину смоченной поверхности можно посредст-вам интегрирования смоченных длин полупериметров равноотстоящих шпангоутов, снятых с проекции «Корпус». Однако на стадии предэскизного проектирования, когда теоретический чертеж еще не разработан, а известны лишь главные размерения судна, используются приближенные методики определения данной величины. Формулы данных методик учитывают особенности формы корпуса судна. В данной работе были исследованы методики, представленные в [3, 4] и др. Результаты расчета по рассматриваемым формулам, дающим наиболее близкие результаты по судам рассматриваемого типа, приведены в таблице 1. Рассматриваемые формулы учитывают особенности судовых обводов. Анализируя форму корпусов эксплуатирующихся пассажирских судов, можно сделать выводы о том, что это суда преимущественно с глубокой V-образной носовой оконечностью и заостренными к носу ватерлиниями, что, с одной стороны, позволяет снизить волновое сопротивление, с другой стороны, благодаря достаточному развалу шпангоутов у палубы удовлетворять условию размещения пассажиров на ней. Форма кормовых образований зависит, прежде всего, от условий эксплуатации и типа используемых движителей. В условиях мелководья и при использовании водометных движителей форма кормы туннельная. Для двухвинтовых судов класса «О» свойственна и-образная форма.
Таблица 1
Сравнение результатов расчета величины смоченной поверхности
Проект судна 839 780 935 К-80 544 515 Р51Э 930 Пр.1 1411 Ср. квад. знач. отн. ошибки
Смоченная поверхность по ТЧ, Sт 122,6 235,5 241 78,5 104,3 87,4 173 70,4 229,4 89,6 —
По Ольсену 5 = ¿(0,46 • В +1,22 • Т) • (8 + 0,765) 126,4 233,2 247,7 77,6 101,8 89,5 173,7 69,2 240,6 99,3 3,07
По Мурагину 5 = L • (1,3 • ЗВ + 1,36Т) 126,1 239 252 85,3 107,8 97,1 176,1 73,3 239,1 97,1 5,1
По Семе 5 = ЬТ • ке В 2 +1,37 •(З- 0,274)— 101,8 194 205,3 65,4 84,9 77,5 138,3 52,4 206,8 81,9 20,4
По Карпову 5 = V 2/3^5.1 + 0,074 • Ь - 0,48^| 117,7 219,9 234,2 74 96,8 84 162 69,2 228,2 95,6 4,5
По ЦНИИЭВТу 5 = Ь ^0,5 8 + 0,41)-(В + 2Т) 129,3 239 253,5 81,1 105,4 92,7 179 73,1 242,6 100,6 4,9
По Зиньковскому-Горбатенко 119,5 225,6 238,4 82,9 102,2 92,5 166,2 71,2 229,4 93,4 3,02
5 = Ь • Т 1,75 + ^0.8 • В •8^ + 0,0974 • ")2)
На основании среднего взвешенного значения наиболее точные результаты дает формула Ольсена и Зиньковского-Горбатенко для судов с V-образной носовой оконечностью.
График поправочного коэффициента, учитывающего особенности формы корпуса, к, = Sm / S представлен на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость коэффициента к,
С учетом отмеченного, смоченную поверхность «малого» пассажирского судна предлагается рассчитывать по выражению
(
5 = L -Т • 1,75 + (0,8-В • + 0,0974-(В^
• ks, (4)
где = 8 -10 652 + 2,9 -10 3 • 5 + 0,78 - поправочный коэффициент.
Как отмечалось выше, при расчете составляющих буксировочной мощности наибольшие затруднения возникают при определении остаточного сопротивления. Существует большое количество разнообразных эмпирических методик нахождения собственно искомой величины, так и коэффициента остаточного сопротивления, полученных на основе статистических данных по судам различных типов. Анализ способов расчёта остаточного сопротивления показал, что наиболее близкие значения к фактическим для «малых» пассажирских судов дает формула А.Б. Карпова, которая имеет вид
R = С DE^tER/TFrf (5)
ост к ^ В/Т Ь ^ '
где
ТГ 0,5 - ¥ть
Е =-Ь- - коэффициент, учитывающий влияние призматического
р 1,28 - р- 1,25 ¥ть
коэффициента р;
В
Ев/т = 0,79 + 0,07— - коэффициент, учитывающий влияние В/Т ;
Ск = 120 [1 + (№гЬ - 2)2] - коэффициент, учитывающий влияние скоростного режима;
ГгЬ - число Фруда по длине; р - призматический коэффициент; D - водоизмещение судна, т.
Данная формула применима в диапазоне чисел Фруда 0,1 < ¥гь < 0,28. Однако для судов рассматриваемого типа свойственен следующий диапазон -0,21 < ¥ть < 0,39.
Таким образом, возникает задача корректировки формулы (5), с целью учета высоких значений числа Фруда по длине и параметров формы корпуса, отражающие особенности судовых обводов. В рамках рассматриваемой методики такими параметрами являются отношение В / Т и призматический коэффициент р , характер влияния которых безусловно связан со скоростным режимом. Но наряду с этим в методике Карпова, в силу изначально оговоренного скоростного режима, не учитывается влия-
, Ь
ние удлинения корпуса судна. Влияние относительной длины I = = можно формализовать введением коэффициента к
к1 = 2,19 - 0,227 I - при В / Т > 4,1,0,28 < FrL < 0,39.
Уточнить влияние призматического коэффициента при расширенном скоростном режиме предлагается сделать путем введения к нему показателя степени в выражении
для коэффициента Е* в формуле А.Б. Карпова
Е = °,5 ^
1,28 -рп - 1,25FrL
(6)
Показатель степени представляет из себя функцию двух аргументов п = f (FrL ;р), принимаемую по графику рис. 2.
Рис. 2. Значение показателя степени п Таким образом, откорректированная формула А.Б. Карпова будет иметь вид
Я = СОЕК^^Ггк
к^^р^ В / Т^ 'Ь'
(7)
Результаты оценки адекватности рассматриваемого способа приведены в табли-
це 2.
Таблица 2
Сравнительный анализ точности расчета остаточного сопротивления судна
Проект Параметры Остаточное сопротивление по модельным испытаниям, кН Остаточное сопротивление расчетное, кН Погрешность, %
В / Т <р ргь
935 4 0,61 0,31 8,98 10,25 8,4
Р35 4,7 0,56 0,36 4,91 4,73 3,7
930 6,85 0,65 0,39 2,53 2,74 7,8
544 4,9 0,7 0,34 4,25 4,66 8,8
Данные таблицы 2 указывают на адекватность уточненной методики расчета остаточного сопротивления и применимость ее для «малых» пассажирских судов. На основании выполненных расчетов можно проследить влияние характеристик судовых обводов на величину сопротивления. Такой качественный подход позволяет уже на начальной стадии проектирования учесть влияние особенностей судовых обводов на сопротивление движению судна.
Список литературы:
[1] Басин A.M. Ходкость и управляемость судов: учебное пособие для вузов водного транспорта / A.M. Басин. - М.: Транспорт, 1977. - 456 с.
[2] Басин A.M. Гидродинамика судна / A.M. Басин, В.Н. Анфимов. - Л.: Речной транспорт, 1961.
[3] Войткунский Я.И. Справочник по теории корабля. Т. 1. / Я.И. Войткунский, Р.Я. Першиц, И.А. Титов. - Л.: Судпромигиз, 1985. -764 с.
[4] Мордвинов Б.Г. Справочник по малотоннажному судостроению / Б.Г. Мордвинов. - Ленинград: Судостроение, 1987. - 575 с.
[5] Карпов А.Б. Графики для приближенного расчета сопротивления воды движению речных судов. Доклады XIV научно-технической конференции кораблестроительного факультета / А.Б. Карпов. - Горький: Министерство высшего и средн. спец. образ. РСФСР. Горьк. Политехн. Инт им. А.А. Жданова, 1967. - 302 с.
THE «SMALL» PASSENGER VESSEL PROPULSION ESTIMATION AT THE INITIAL DESIGN STAGE
E. V. Kupaltseva, E.P. Ronnov
Key words: resistance to the vessel's movement, wetted surface, the vessel's hull shape lines
The questions concerning the vessel's towing resistance components determination at the initial design stage are considered. To determine a «small» passenger ship's wetted surface area on the analysis base Zinkovsky- Gorbatenko verified formula is toffered. It takes into account the specific ship contours.The method for determining the residual ship resistance based on the formula offered by A. B. Karpov. This methos is verified for ships with Froude number more than 0,28.
УДК 629.025: 629.069.
А.С. Курников, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУВО «ВГУВТ» Д.С. Мизгирев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Т.А. Михеева, к.т.н. ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЖЕКТОРА-КАВИТАТОРА КАК ОДНОГО ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ СИСТЕМ
Ключевые слова: кавитация, генераторы кавитации, кавитаторы гидродинамические, струйные аппараты, эжекторы, эжекторы-кавитаторы, методика расчета.
В статье рассматривается явление кавитации и его полезное использование при обработке различных технологических сред. Приведена классификация видов кавитаци-онных явлений и устройств, необходимых для их генерации. Показана целесообразность применения гидродинамических кавитаторов, в частности, эжектора-кавитатора при очистке загрязненных вод. Представлена методика проектирования данного устройства и перспективы его применения в судовых системах.
1. Общие положения
Эксплуатация судов неизбежно связана с возникновением и решением проблем охраны окружающей среды и обеспечения соответствия выбросов и сбросов загрязняющих веществ современным нормативным требованиям.
