CC BY
88
УДК [629.5.012/.017:629.5.031/.038.001.26]:629.561.5
А. А. Темникова
СУЖЕНИЕ ОБЛАСТИ РАСЧЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ГЛАВНЫХ РАЗМЕРЕНИЙ ЛЕДОКОЛОВ ИЗ УСЛОВИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ
При проектировании движительного комплекса судна необходимо решить вопрос о выборе типа движителя исходя из опыта проектирования и эксплуатации судов, однотипных с проектируемым, условий эксплуатации, экономичности и надежности движителя. Для этого производятся вариантные расчеты ходкости судна с различными движителями и принимается тот вариант, который наиболее полно удовлетворяет указанным требованиям. Данный подход используется для разработки методики сужения области расчетных значений главных размерений судна из условия оптимального использования гребных винтов на примере ледоколов, эксплуатируемых в Волго-Каспийском морском судоходном канале и на Северном Каспии. Для выбранного типа судна задается ряд серий гребных винтов, количество винтов и диапазон диаметров. Проводится расчет оптимального гребного винта, который заключает в себе определение минимально допустимого дискового отношения. Расчет минимально допустимого дискового отношения ведется из условия обеспечения достаточной прочности лопасти и из условия отсутствия второй стадии кавитации. Затем определяются области, удовлетворяющие условиям минимальных дисковых отношений для каждой рассматриваемой серии гребных винтов. На основании расчетов задаются предельные значения главных размерений судна для каждой серии гребных винтов в зависимости от диаметра гребного винта с опорой на минимально допустимые дисковые отношения. Для сужения исходной области значений главных размерений задаются граничные условия. Приводится структура данной методики.
Ключевые слова: гребной винт, оптимизация, ледовое сопротивление, пропульсивный комплекс, ледокол, дисковое отношение.
Введение
В процессе проектирования пропульсивного комплекса судна с большим разбросом возможных комбинаций главных размерений необходимо сужать вариативную область значений. Этого можно достичь за счет оптимизации различных эксплуатационных параметров на этапе проектирования. В данной работе приводится методика сужения области расчетных значений главных размерений судна из условия оптимального использования гребных винтов на примере ледоколов, эксплуатируемых в Волго-Каспийском морском судоходном канале (ВКМСК) и на Северном Каспии.
Рабочая область главных размерений представлена на рис. 1 [1], где отображается зависимость главных размерений.
Рис. 1. Рабочая область главных размерений [Ьш, В, Т]: Ьдп - длина судна между перпендикулярами; В - ширина судна; Т - осадка судна
При проектировании движительного комплекса судна необходимо решить вопрос о выборе типа движителя исходя из опыта проектирования и эксплуатации однотипных с проектируемым
судов, условий эксплуатации, экономичности и надежности движителя. В исследовании производятся вариантные расчеты ходкости судна с различными движителями и принимается тот вариант, который максимально удовлетворяет указанным требованиям. Наиболее распространенный тип движителя - гребной винт. В зависимости от назначения и условий эксплуатации на ледоколах применяются:
— гребные винты фиксированного шага (ВФШ) цельнолитые либо со съемными лопастями;
— гребные винты регулируемого шага (ВРШ);
— ВФШ и ВРШ в стационарных или в поворотных насадках.
Выбор серий гребных винтов
Гребные винты ледоколов и судов ледового плавания отличаются повышенной прочностью лопастей и, в случае применения съемных лопастей, увеличенным диаметром ступицы, к таким относятся винты серии Г. А. Звездкиной.
Неподвижные и поворотные направляющие насадки применяются для повышения эффективности гребных винтов, работающих при больших и умеренных нагрузках. Направляющие насадки эффективны для буксиров и толкачей.
Согласно [2], особенностью гребных винтов регулируемого шага является возможность поворота лопастей в широком диапазоне угловых положений, а также возможность передавать на гребной винт мощность главного двигателя независимо от скорости движения судна за счет соответствующего изменения шага лопастей. Это способствует увеличению тяговых характеристик на промежуточных и малых скоростях, что особенно важно для ледоколов. Также положительным эффектом является возможность получения любой скорости движения - от скорости полного переднего до скорости заднего хода - без изменения режима работы двигателя.
Для рассмотрения выбираются несколько серий гребных винтов, характеристики которых приводятся в табл. 1. Согласно статистическим данным постройки и эксплуатации ледоколов, на судно устанавливают преимущественно четырехлопастные винты.
Таблица 1
Серии гребных винтов
Наименование (форма лопасти) Обозначение серии Число лопастей, Z Дисковое отношение, Ае/Ао Шаговое отношение, Р/D Относительный диаметр ступицы, dJD Относительная толщина лопасти, eo/D Относительная длина насадки Коэффициент раствора Коэффициент расширения
ВФШ со съемными лопастями - серия Г. А. Звездкиной Серия XV 4 0,50 0,4-1,2 0,28 - - - -
ВФШ в насадке (саблеобразная) Серия N1 4 0,75 - 0,2 0,06 0,6 1,3 1,2
ВРШ открытого типа Серия Аи-СР 4 0,70 - 0,3 0,04 - - -
ВРШ в насадке Серия NR 4 0,57 - 0,317 0,06 0,6 1,3 1,12
Расчет параметров оптимального гребного винта
Чтобы избежать перегрузки двигателей внутреннего сгорания при работе с гидродинамически тяжелыми гребными винтами, рекомендуется увеличивать расчетное значение мощности на гребных винтах на 10-15 %.
В условиях ходовых испытаний гребной винт должен быть гидродинамически легким, чтобы в процессе эксплуатации за счет обрастания корпуса и влияния гидрометеорологических факторов двигатель догружался бы, но не испытывал перегрузок.
Полезная тяга гребного винта рассчитывается по формуле источника [2]:
R
7' _ эксп
р —"
где Яэксп = Я ■ 1,15 - эксплуатационное значение ледового сопротивления; Я - расчетное ледовое сопротивление судна, принимаемое из [3], или сопротивление судна на чистой воде; - число
гребных винтов (согласно [4], на судах, эксплуатирующихся в выбранном районе плавания, используются 2 и 3 кормовых винта, при этом по предварительным оценкам использование 3 винтов является оптимальным решением).
Для расчета параметров оптимального винта и необходимой для обеспечения заданной скорости судна мощности задается диапазон значений диаметра гребного винта от 50 % до 70 % от осадки судна (в [4] был выбран диаметр винта, равный 60 % от осадки судна).
Для нахождения параметров оптимального гребного винта необходимо определить минимально допустимую величину дискового отношения:
— во-первых, из условия обеспечения достаточной прочности лопастей (определяется для режима движения во льдах, т. к. с точки зрения нагрузки, действующей на лопасти гребного винта, ледовый режим является наиболее опасным) [1]:
f А ^ ae
V А0 /min
> 0,375 •
f с' • Z > D • е
V D cmax /
2/3
3 m ^ Тв
V 100
где Ае - площадь спрямленной поверхности всех лопастей; А0 - площадь диска винта; ёшах = 0,8 ; О - диаметр гребного винта, м; Z - число лопастей; с4 - коэффициент, зависящий от материала, равный 0,055 (нержавеющая сталь); Тв - упор гребного винта, кН; т - коэффициент, учитывающий возрастание нагрузки на лопасть в зависимости от условий работы винтов, равный 2,0 - для ледоколов;
— во-вторых, из условия отсутствия второй стадии кавитации (определяется для режима движения судна на чистой воде, т. к возникновение кавитации на больших скоростях оказывает наиболее неблагоприятное воздействие на гребной винт) [5]:
f А ^ ae
T
>(1,5 + 0,35 • Z)--в-— + 0,2/ZB,
А0 ' ([Р0 — Pv ]' )
где Zв - число винтов; р0 = ра + у • Нв - давление на оси гребного винта; Нв - заглубление оси гребного винта; ру = 2 кПа - давление насыщенных паров воды; ра = 101 кПа - атмосферное давление. Коэффициент попутного потока определяется по формуле источника [5]:
Шу
Щ = 0,165 • — АЩ,
где х - показатель степени, равный 2, для бортовых винтов; V - водоизмещение судна, м3; АЩ - коэффициент волнового попутного потока; О - диаметр винта, м; 5 - коэффициент общей полноты.
Коэффициент волнового попутного потока учитывается только для > 0,2 и рассчитывается по формуле
ДЩ = 0,1 • 5 •(¥т — 0,2). По [6] определяется коэффициент засасывания:
г = 0,25 • Щ + 0,14
и рассчитывается упор гребного винта:
Т
Т = Те
1 -1
При выборе дискового отношения гребного винта в насадке расчетные значения дисковых отношений необходимо увеличить на 15-20 %.
Области значений минимального допустимого дискового отношения для четырехлопаст-ных гребных винтов с диапазоном диаметра винтов от 0,5Т до 0,7Т при условии использования на двухвинтовой или трехвинтовой судовой энергетической установке (СЭУ) представлены на рис. 2-5 (показаны проекции на плоскости координат).
(AE/Ac),
(ae/aq)
D = 0,5 T D = 0,7 T
L
Рис. 2. Область значений
С А >
ae
Aq
из условия обеспечения достаточной прочности лопастей
V ^ У min
(двухвинтовая СЭУ) для: а - открытых винтов; б - винтов в насадке
Рис. 3. Область значений
С А ^
Ae
Aq
из условия отсутствия второй стадии кавитации
V ^ У min
(двухвинтовая СЭУ) для: а - открытых винтов; б - винтов в насадке
Рис. 4. Область значений
С А >
AE
Aq
из условия обеспечения достаточной прочности лопастей
V У min
(трехвинтовая СЭУ) для: а - открытых винтов; б - винтов в насадке
м
B, м
Ьпп. м
б
а
б
а
б
а
(трехвинтовая СЭУ) для: а - открытых винтов; б - винтов в насадке
Итоговое расчетное значение дискового отношения для всех гребных винтов должно приниматься по тому минимально допустимому значению дискового отношения, которое больше для каждого расчетного случая.
На рис. 6 и 7 показаны области, удовлетворяющие условиям минимальных дисковых отношений для каждой рассматриваемой серии гребных винтов.
Рис. 6. Области, удовлетворяющие условиям минимальных дисковых отношений, для открытых винтов: а - 2-винтовая СЭУ; б - 3-винтовая СЭУ
Рис. 7. Области, удовлетворяющие условиям минимальных дисковых отношений, для винтов в насадке: а - 2-винтовая СЭУ; б - 3-винтовая СЭУ
Результаты расчетов по допустимости использования выбранных серий гребных винтов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Предельные значения главных размерений судна для выбранных серий гребных винтов в зависимости от диаметра гребного винта
Диаметр гребного винта, Т Серия гребных винтов 2-винтовая СЭУ 3-винтовая СЭУ
Длина судна Ьтах, м Ширина судна Вmax, м Осадка судна ^т^ м Ь/В тах В/Т тах Длина судна Ьmax, м Ширина судна Вmax, м Осадка судна Тmin, м Ь/В тах В/Т тах
0,7 ТУ - - - - - 93,74 20 3,85 4,93 4,52
NT 87,10 17,89 4,09 5,43 4,37 93,85 20 3,42 5,44 5,36
Аи-СР 92,51 19,27 3,95 5,23 4,57 93,85 20 3,04 5,44 5,63
NN - - - - - 92,93 19,84 3,93 5,36 4,07
0,6 ТУ - - - - - 73,15 20 4,19 4,37 3,88
NT - - - - - 92,98 19,51 3,93 5,15 4,61
Аи-СР - - - - - 93,85 20 3,66 5,44 4,91
NN - - - - - - - - - -
0,5 ТУ - - - - - - - - - -
NT - - - - - - - - - -
Аи-СР - - - - - 74,86 16,45 4,18 4,68 3,83
NN - - - - - - - - - -
Из табл. 2 можно сделать следующие выводы:
— в рассматриваемом районе плавания нерационально использовать гребные винты диаметром не менее 0,7Т для 2-винтовой СЭУ;
— серию ТУ рационально использовать только для 3-винтовой СЭУ с диаметром гребных винтов не менее 0,6Т;
— серию рационально использовать для 2-винтовой СЭУ с диаметром гребного винта не менее 0,7Т; для 3-винтовой СЭУ с диаметром гребного винта не менее 0,6Т;
— серию Аи-СР рационально использовать для 2-винтовой СЭУ с диаметром гребного винта не менее 0,7Т; для 3-винтовой СЭУ во всем рассматриваемом диапазоне диаметров гребных винтов;
— серию NN рационально использовать только для 3-винтовой СЭУ с диаметром гребных винтов не менее 0,7Т;
— для всех рассматриваемых серий гребных винтов установлены ограничения по главным размерениям судна, следовательно, с целью оптимизации проектирования СЭУ необходимо сократить диапазон расчетных значений главных размерений.
Сужение области значений главных размерений судна
Как видно из табл. 2, в расчетах участвует весь спектр значений длин судна между перпендикулярами и ширины судна. Поэтому основным показателем оптимизации на данном этапе является предельная осадка, при которой возможно использование выбранных серий гребных винтов без возникновения второй стадии кавитации и потери прочности.
Для сокращения расчетной области Ьпп, В, Т задаются граничные условия:
— минимальная осадка судна из спектра предельных значений для рассматриваемых серий гребных винтов (табл. 2) - 3,04 м;
— максимальное значение отношения В/Т из спектра предельных значений для рассматриваемых серий гребных винтов (табл. 2) - 5,63 м.
Введение двух граничных условий в область главных размерений судна приведено на рис. 8. Уменьшенная область расчетных значений главных размерений из условия оптимальности использования гребных винтов приведена на рис. 9.
Рис. 8. Граничные условия для расчетной области |ХШ, В, Т], связанные с оптимальностью использования гребных винтов: а - горизонтальная плоскость - условие 1, наклонная плоскость - условие 2;
б - концептуальная схема
Ч Т, ы
Рис. 9. Отсечение области расчетных значений главных размерений из условия оптимальности использования гребных винтов - заштрихована отсекаемая часть (а); уменьшенная область расчетных значений главных размерений (б)
Заключение
На примере ледоколов, эксплуатируемых в Северном Каспии и ВКМСК, была разработана методика сужения области расчетных значений главных размерений судна из условия оптимального использования гребных винтов. Методика для ледоколов и судов ледового плавания имеет следующую структуру:
I. Определение исходной области расчетных значений главных размерений судна.
II. Выбор ряда серий гребных винтов.
III. Определение количества гребных винтов.
IV. Выбор оптимального диапазона значений диаметра гребных винтов.
V. Расчет оптимального гребного винта (расчеты выполняются для всего диапазона расчетных значений главных размерений и диапазона диаметра гребных винтов):
1) расчет полезной тяги гребных винтов в условиях хода во льдах и на чистой воде;
2) определение коэффициента попутного потока;
3) определение коэффициента засасывания;
4) расчет упора гребного винта;
5) определение минимально допустимого дискового отношения:
— расчет минимально допустимого дискового отношения из условия обеспечения достаточной прочности лопастей;
— расчет минимально допустимого дискового отношения из условия отсутствия второй стадии кавитации;
— определение максимального расчетного значения минимально допустимых дисковых отношений;
— определение области, удовлетворяющей условиям минимальных значений дисковых отношений, для каждой рассматриваемой серии гребных винтов.
VI. Задание предельных значений главных размерений судна для каждой серии гребных винтов в зависимости от диаметра гребного винта, опираясь на минимально допустимые дисковые отношения.
VII. Задание граничных условий для сокращения области значений главных размерений судна.
VIII. Сужение области значений главных размерений судна.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Темникова А. А. Определение рабочей области статистических данных для проектирования ледокола, эксплуатирующегося в Северном Каспии и ВКМСК / А. А. Темникова // Проблемы современной науки: сб. науч. тр. Ставрополь: Центр науч. знания «Логос» РиЬ1., 2014, № 14. С. 29-36.
2. Слижевский Н. Б. Расчет ходкости надводных водоизмещающих судов: учеб. пособие / Н. Б. Слижев-ский, Ю. М. Король, М. Г. Соколин, В. Ф. Тимошенко; под общ. ред. проф. Н. Б. Слижевского. Николаев: НУК, 2004. 192 с.
3. Темникова А. А. Определение расчетного диапазона значений ледового сопротивления ледоколов, эксплуатируемых в Волго-Каспийском морском судоходном канале и на Северном Каспии / А. А. Темни-кова // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2015. № 4. С. 45-57.
4. Темникова А. А. Определение количества винтов и мощности на гребных валах ледокола, эксплуатирующегося в Северном Каспии и ВКМСК, на начальных стадиях проектирования // Междунар. науч. конф. науч.-пед. работников Астрахан. гос. техн. ун-та, посвящ. 85-летию со дня основания вуза (59 НПР) (Астрахань, 20-25 апреля 2015 г.) // ИЯЬ: 59_conf_1.exe.
5. Мирохин Б. В. Теория корабля: учеб. / Б. В. Мирохин, В. Б. Жинкин, Г. И. Зильман. Л.: Судостроение, 1989. 352 с.
Статья поступила в редакцию 08.02.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Темникова Алёна Александровна - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Судостроение и энергетические комплексы морской техники»; [email protected].
А. А. Temnikova
NARROWING OF THE RANGE OF THE CALCULATED VALUES OF THE MAIN DIMENSIONS OF ICEBREAKERS TAKING INTO ACCOUNT THE CONDITIONS FOR OPTIMAL USE OF PROPELLERS
Abstract. When designing the propulsion complex of the vessel it is necessary to resolve the issue of choosing the type of propeller on the basis of experience in designing and operating the same type vessels with the designed ones, operating conditions, propeller economy and reliability.
In this regard, the alternative calculations of the propulsive system of the ship with different engines were made, and the option that mostly meets the specified requirements is adopted. This approach is used for development of the method of narrowing the range of the calculated values of the main dimensions of the vessel taking into account the conditions for optimal use of the propellers by the example of icebreakers operating in the Volga-Caspian shipping channel and the Northern Caspian. For the type of the ship a number of series of propellers, a number of propellers and diameter range are defined. The calculation of optimal propeller, which contains the definition of the minimum disk ratio, is made. The calculation of the minimum disk ratio is carried in accordance with the condition to ensure sufficient strength of the blade and the conditions for the absence of the second stage of cavitation. Then the areas satisfying the conditions of minimum disk ratio for each series of the propellers are determined. Based on the calculations, the specific values of the main dimensions of the vessel are set for each set of propellers depending on the diameter of the propeller, based on the minimum disc ratio. The boundary conditions are given to narrow the range of the original main dimensions. The structure of this method is presented.
Key words: propeller, optimization, ice resistance, propulsion complex, icebreaker, disk ratio.
REFERENCES
1. Temnikova A. A. Opredelenie rabochei oblasti statisticheskikh dannykh dlia proektirovaniia ledokola, ek-spluatiruiushchegosia v Severnom Kaspii i VKMSK [Determination of the operating area of the static data for designing the icebreaker, operating in the Northern Caspian and Volga-Caspian shipping channel]. Problemy sovremennoi nauki: sbornik nauchnykh trudov.Stavropol, Tsentr nauchnogo znaniia «Logos», 2014, no. 14, pp. 29-36.
2. Slizhevskii N. B., Korol' Iu. M., Sokolin M. G., Timoshenko V. F. Raschet khodkosti nadvodnykh vodo-izmeshchaiushchikh sudov: ucheb. posobie [Calculation of the propulsion system of underwater vessels: manual]. Nikolaev, Izd-vo NUK, 2004. 192 p.
3. Temnikova A. A. Opredelenie raschetnogo diapazona znachenii ledovogo soprotivleniia ledokolov, ekspluatiruemykh v Volgo-Kaspiiskom morskom sudokhodnom kanale i na Severnom Kaspii [Determination of the calculating range of the values of ice resistance of icebreakers, operating in the Volga-Caspian shipping channel and the Northern Caspian]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2015, no. 4, pp. 45-57.
4. Temnikova A. A. Opredelenie kolichestva vintov i moshchnosti na grebnykh valakh ledokola, eksplua-tiruiushchegosia v Severnom Kaspii i VKMSK, na nachal'nykh stadiiakh proektirovaniia [Determination of the number of propellers and power of the propellers of the icebreaker operating in the Northern Caspian and Volga-Caspian shipping channel, at the initial stage of designing]. Mezhdunarodnaia nauchnaia konferentsiia nauchno-pedagogicheskikh rabotnikov Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, posviashchennaia 85-letiiu so dnia osnovaniia vuza (59 NPR) (Astrakhan', 20-25 aprelia 2015 g.). Available at: 59_conf_1.exe.
5. Mirokhin B. V., Zhinkin V. B., Zil'man G. I. Teoriia korablia: uchebnik [Theory of the vessel: manual]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1989. 352 p.
The article submitted to the editors 08.02.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Temnikova Alyona Aleksandrovna - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Senior Lecturer of the Department "Shipbuilding and Power Complexes of Marine Engineering"; [email protected].
