CC BY
15В итоге выполненного обзора можно сказать, что характерными чертами грузовой базы Дальнего Востока России являются:
- устоявшийся в объемах и структуре прямой грузопоток, осредненно - порядка 4,5 млн. т. в год,
- устоявшийся в объемах и структуре обратный грузопоток, осредненно - порядка 0,9 млн. т. в год, и
- устоявшиеся в объемах и структуре внутрибассейновые перевозки, осредненно - порядка 0,5 млн. т.
Иная характерная черта - это низкая степень покрытия прямого каботажа обратным грузопотоком для сухогрузов и контейнерных грузов, и практическое отсутствие обратных наливных и навалочных грузопотоков. Несомненно, данный фактор имеет как объективный характер проявления, так и существенно удорожает работу дальневосточного транспортного флота.
Список литературы:
[1] Дальневосточный научно-исследовательский институт морского флота. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dniimf.ru/
[2] Гулев Я.Ф., Лебединский П.К. Основные показатели и измерители работы транспорта: справочник / Я.Ф. Гулев, П.К. Лебединский. - М.: Транспорт, 1980. - 216 с.
[3] Регистровая книга / Российский морской регистр судоходства. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rs-class.org/ru/
MODERN CARGO BASE OF THE FAR EASTERN CABOTAGE AND ITS IMPACT ON THE TRANSPORT FLEET OPERATION
J. V. Vedernikov, D.J. Vedernikov
Key words: freight base, direct cabotage, reverse cabotage, in-basin transportation.
The article is aimed at the study of the current status of the short sea cargo base in the Far East in Russia. The work is based on the statistical data formed by the OJSC «DNIIMF».
Статья поступила в редакцию 18.01.2017 г.
УДК 659.62
В.А. Лобанов, профессор, доцент, д.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ТОРМОЗНЫЕ КАЧЕСТВА ВИНТОРУЛЕВОЙ КОЛОНКИ ВО ЛЬДАХ
Ключевые слова: судно, движительно-рулевой комплекс, винторулевая колонка, тормозная сила, ледовые качества, ледовые условия, CAE-системы, конечно-элементное моделирование.
В работе с применением CAE-технологий исследован реверсивный режим работы винторулевой колонки в условиях чистой воды, в мелкобитых и тёртых льдах различной толщины и сплочённости. Проведены количественные оценки чистого гидродинамического сопротивления и ледовых нагрузок на комплексе. Получены кривые тормозной силы комплекса в исследованных ледовых условиях. Выявлены качественные осо-
бенности характера и соотношения тормозной силы комплекса во льдах и в условиях
чистой воды.
Введение
Уровень, условия и характер взаимодействия судового корпуса с водоледяной средой далеко не в полной мере определяют основные ледовые качества судна - ходкость и маневренность. Значимым аргументом при оценках этих характеристик являются пропульсивные возможности движительно-рулевого комплекса (ДРК) судна во льдах.
Следует отметить, что современные полуаналитические методы расчёта названных ледовых качеств базируются на прогнозе «чистых» ледовых нагрузок [1-9]. При этом априорно принята гипотеза о независимости ледового и гидродинамического влияния на судно и ДРК. В рамках этой гипотезы гидродинамические нагрузки во льдах и на чистой воде равны при эквивалентных режимах эксплуатации судна (скорости хода, частоте вращения винтов, угле перекладки ДРК). Однако эта гипотеза пока не подтверждена экспериментально из-за невозможности на данном этапе раздельно измерить ледовые и гидродинамические силы на корпусе судна и элементах его ДРК [10-12].
В задачах чисто эксплуатационного характера решения на основе «гипотезы независимости» допустимы ввиду значительного превышения уровня ледовых нагрузок над гидродинамическими. Поэтому даже приближённый учёт последних не приведёт к ощутимым погрешностям в прогнозе результирующих корпусных сил. Но такой подход вряд ли можно считать корректным при оценке пропульсивных качеств ДРК ввиду сопоставимости уровней ледового и гидродинамического воздействия на комплекс. Кроме того неприемлемо пренебрежение различиями в характере обтекания движителя жидкостью в ледовых условиях и на чистой воде, которые, безусловно, сказываются на его тяговых возможностях.
Научная деятельность автора связана с прогнозом ледовых качеств судов внутреннего и смешанного река-море плавания. Многие серии этих судов имеют ледовые категории по нормативам Российских Регистров (морского и речного). При этом ряд из них оборудован винторулевыми колонками с насадками (ВРК) в качестве ДРК [13, 14], что потребовало адекватных методов анализа пропульсивных характеристик подобных ДРК во льдах.
Авторский опыт показывает, что при отсутствии надёжных аналитических решений эти потребности могут быть вполне удовлетворены при использовании САЕ-технологий [10-15]. Ниже это дополнено и продемонстрировано итогами очередной серии САЕ-испытаний традиционно расположенной ВРК при её работе в реверсивных режимах в ледовых условиях.
Моделирование
Приведённый ниже анализ реализован по результатам САЕ-моделирования нескольких десятков вариантов движения ВРК в различных динамических и ледовых условиях. Натурные наблюдения за ледовой работой флота показали, что наиболее неблагоприятные эксплуатационные условия для винтов в насадках наблюдаются в сильносплочённых тёртых льдах и ледяной каше. Такие среды способствуют интенсивному «забиванию» льдом ДРК и значительному снижению тяги вплоть до её полной потери. Поэтому в настоящей работе набор численных экспериментов обусловлен варьированием ледовых условий в границах этих сред.
В расчётных вариантах изменялась скорость движения комплекса (0-5 м/с), толщина тёртых льдов (0,2-0,6 м), их сплочённость в районе комплекса (3-9 баллов). Модели материалов, типы и формулировки конечных элементов, алгоритмы контактного взаимодействия тел описаны в работе [10].
Пример 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 Чистая вода
Оценка вероятных изменений тормозной силы винторулевой колонки в исследованных льдах потребовала предварительного изучения движения комплекса в условиях чистой воды с целью определения скоростной кривой этой силы.
Гидродинамическая «неустойчивость» движителя в реверсивных режимах при постоянном крутящем моменте на валу (см. табл. 1) потребовала отработки закона регулирования этого момента. Установленный закон обеспечил следующее: максимальная частота вращения винта не должна превышать 10% от номинального значе-
ния (см. табл. 1); при падении частоты вращения ниже номинальной величины должен быть увеличен крутящий момент на валу, но не более чем на 10% от номинала (см. табл. 1).
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 Ln мм 990
Максимальная толщина профиля насадки Tp мм 178
Расстояние между началом образующей лопасти винта и передней кромкой насадки Rc мм 368
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 [13, 14]. ** - дополнительные контрольные параметры.
Рис. 3. Временные зависимости тормозной силы ВРК в чистой воде при установленном законе регулирования крутящего момента (кривые А-С - результаты численного моделирования; кривые D-F - сглаженные значения)
Для выбранного закона регулирования в качестве примера на рис. 3 приведены фрагменты осциллограмм тормозной силы ВРК для ряда скоростей хода. Частота
вращения гребного винта при этом стабилизировалась в пределах 26,5-27,6 рад/с (рис. 4).
Рис. 4. Характер стабилизации частоты вращения винта при заданном законе регулирования крутящего момента
Конечно-элементное моделирование показало, что в общем балансе тормозной силы ДРК значимо влияние насадки. При этом на малых скоростях хода насадка демпфирует тормозные качества винта, так как характер обтекания оказывает «подгоняющее» действие на комплекс. С ростом скорости движения знак продольной силы на насадке меняется, что приводит к увеличению результирующей тормозной силы комплекса. В качестве примера это можно подтвердить данными рис. 5, на котором приведены продольные составляющие гидродинамических нагрузок на комплексе при его движении в условиях чистой воды со скоростью 1,0 м/с и 5,0 м/с.
Рис. 5. Временные зависимости продольных гидродинамических нагрузок на винте и насадке в чистой воде (кривые А, В - скорость движения 1,0 м/с; кривые С, D - скорость движения 5,0 м/с)
Итоговая скоростная зависимость тормозной силы комплекса в чистой воде (рис. 6) получена по результатам обработки осциллограмм (см. рис. 3). При этом сглаживание экспериментальных данных полиномом третьей степени с коэффициентом корреляции свыше 0,95 показывает хорошую статистическую связь тормозной силы со скоростью движения ДРК в чистой воде.
Качественное поведение кривой (см. рис. 6) с имеющимся минимумом в исследованном диапазоне скоростей сходно с аналогичной зависимостью для комплекса
«гребной винт - руль» [16]. Но этот минимум для ВРК существенно смещён влево по оси скорости (в интервал «самого малого хода») и характеризуется заметно меньшей выраженностью. Однако из-за ограниченности количества поставленных численных экспериментов автор не берётся утверждать об однозначности такого вида скоростной кривой тормозной силы винторулевых колонок с насадками. На данном этапе справедливым будет признать приближённый (дискуссионный) характер полученной зависимости в отношении ВРК с иными конструктивными особенностями насадок.
Velocity, m/s
Рис. 6. Кривая тормозной силы ВРК в чистой воде
Ледовые условия
Виртуальное моделирование движения ВРК в мелкобитых и тёртых льдах при реверсивной работе винта показало, что скоростной режим комплекса определяет характер и уровень ледовых нагрузок на нём. Низкие скорости хода (не выше самого малого) позволяют движителю «размыть» собственной струёй даже толстую сплочённую ледяную среду, минимизируя вероятность непосредственного ледового контакта. Для более высоких скоростей движения интенсивность ледового взаимодействия комплекса существенно увеличивается. Качественно и количественно это продемонстрировано на рис. 7 и 8 примерами движения ВРК в сплочённых тёртых льдах толщиной 0,5 м.
SRP REVERSE Н0.5 S0.7 V5
Рис. 7. Качественный характер взаимодействия ВРК со сплочёнными тёртыми льдами (а - толщина льда 0,5 м, скорость хода 1,0 м/с; б - толщина льда 0,5 м, скорость хода 5,0 м/с)
Так, например, в тёртых льдах толщиной 0,5 м и начальной сплочённостью в районе комплекса около 1-8 баллов увеличение скорости хода с 1,0 м/с до 4,0 м/с обеспечивает пятикратный прирост ледовых нагрузок (рис. S, сглаженные кривые C и D). Следует отметить, что на низких скоростях движения ледяная среда может оказывать малозначимое «подгоняющее» воздействие на ВРК.
Compare ice Force on Complex (h05 s07)
0-5-1-----
Velocity
_A_1.0 m/s FEM _B_4.0 m/s FEM _C_1.0 m/s smooth JL4.0 m/s smooth
Рис. 8. Временной характер ледовых нагрузок на комплексе в сплочённых тёртых льдах
Гидродинамическая и чисто ледовая составляющие полного ледового сопротивления комплекса зависят от толщины преодолеваемых льдов, их сплочённости и раздробленности, а также скорости взаимодействия ВРК с водоледяной средой. Это наглядно демонстрируют графики, приведённые на рис. 9.
Так разреженные (при начальной сплочённости в районе комплекса менее 5-6 баллов) тонкие льды (не толще 0,2 м) незначимо сказываются на уровне полного ледового сопротивления ВРК, доминирующую часть в которое вносит гидродинамическая составляющая (рис. 9, а).
С повышением толщины, протяжённости, сплочённости льдов и скорости движения комплекса существенно возрастает уровень чисто ледовых нагрузок в балансе
полного ледового сопротивления винторулевой колонки. При этом следует отметить увеличение степени временной нестабильности результирующих нагрузок на ВРК (рис. 9, б). Это обусловлено как случайностью чисто ледового взаимодействия, так и тем, что в такой среде при выбранном законе регулирования крутящего момента на гребном валу двигателю не всегда хватает мощности для поддержания частоты вращения винта в пределах номинального режима (рис. 10). Последнее приводит к потерям гидродинамической составляющей тормозной силы по сравнению с условиями чистой воды. Кроме того, наличие льдов вносит изменения в характере обтекания комплекса жидкостью, что дополнительно снижает его тормозные возможности.
Полное ледовое сопротивление винторулевой колонки допустимо отождествлять с результирующей тормозной силой. Расчётной точкой для конкретного варианта ледовых и динамических условий при статистической обработке данных являлась средняя величина тормозной силы комплекса (в примере, приведённом на рис. 9, - это уровень прямой D). По результатам анализа был получен набор сглаженных скоростных зависимостей тормозной силы ВРК в различных ледовых условиях.
Compare on Complex resultant Forces (h02 s03 v1)
Force Issue
Hydrodynamic В Ice
С Resultant D mean Resultant
Time, s
а
Compare on Complex resultant Forces (h05 s07 v4)
Force Issue:
^^Hydrodynamic В Ice
_jC_Resultant D mean Resultant
б
Рис. 9. Сравнение составляющих полного ледового сопротивления ВРК в различных условиях (а - толщина льда 0,2 м, сплочённость льда 3-4 балла, скорость хода 1,0 м/с; б - толщина льда 0,5 м, сплочённость льда 7-8 баллов, скорость хода 4,0 м/с)
Propeller ngular Velocity (h05 s07 v4)
Рис. 10. Временной характер частоты вращения движителя в тёртых льдах (толщина льда 0,5 м, сплочённость льда 7-8 баллов, скорость хода 4,0 м/с)
Пример подобных кривых для тёртых льдов толщиной 0,2 м и 0,5 м при их различной начальной сплочённости в районе ВРК приведён на рис. 11.
Velocity, m/s
Рис. 11. Кривые тормозной силы ВРК в тёртых льдах
Анализ результатов численных экспериментов выявил следующее:
В исследованных ледовых условиях характер скоростной зависимости тормозной силы ВРК со слабо выраженным минимумом сохраняется аналогичным условиям чистой воды (Рис. 11, сравнение поведения кривых В - Е с кривой А).
В диапазоне скоростей движения «швартовный режим - самый малый ход» (рис. 11, интервал ~ 0,0 - 1,5 м/с) ледяная среда может оказывать малозначимое «попутное» воздействие на комплекс, частично снижая гидродинамическую составляющую его тормозной силы.
Существенный (20% - 100%) прирост тормозной силы за счёт чисто ледового сопротивления ВРК наблюдается на скоростях её взаимодействия с ледяной средой выше уровня «малого хода» (рис. 11, сравнение кривых В - Е с кривой А в интервале ~ 2,0 - 5,0 м/с).
В интервале скоростей движения более «малого хода» (~ 2,0 - 5,0 м/с) тормозная сила ощутимо зависит от размеров и сплочённости льдов в районе комплекса (Рис. 11, сравнение кривых D, Е с кривыми В и С).
Необходимо отметить, что сплочённость и раздробленность льдов как значимые аргументы результирующей тормозной силы ВРК зависят не только от естественного
состояния водоледяной среды. На эти характеристики льдов в месте расположения комплекса влияет форма корпуса судна, его осадка и посадка. Поэтому применение зависимостей, аналогичных показанным на рис. 11, требует обязательного учёта характера обтекания конкретного судна ледяной средой. В свою очередь это требует дополнительного моделирования его движения в исследуемых льдах.
Список литературы:
[1] Андрюшин А.В. Теория взаимодействия гребного винта со льдом. Обеспечение эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания и ледоколов: диссертация ... доктора технических наук: специальность 05.08.01 - теория корабля и строительная механика. - СПб., 2006. - 254 с.
[2] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. 2 издание, исправл. - СПб.: Судостроение, 2014. - 504 с.
[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] Рывлин А.Я., Хейсин Д.Е. Испытания судов во льдах. - Л. : Судостроение, 1980. - 208 с.
[6] 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 . доктора технических наук : Специальность 05.08.01 - теория корабля и строительная механика / Гос. науч. центр РФ. - Санкт-Петербург, 2004. - 285 с.
[7] 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.
[8] Сливаев Б.Г. Обеспечение безопасной эксплуатации судов ледового плавания при ударном взаимодействии гребных винтов со льдинами: диссертация . 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.
[9] Тронин В.А. Повышение безопасности и эффективности ледового плавания судов на внутренних водных путях: диссертация ... доктора технических наук: специальность 05.22.16 - Судовождение. - Горький, 1990. - 414 с.
[10] 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.
[11] 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
[12] 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.
[13] 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.
[14] 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.
[15] Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.
[16] Лобанов В.А. Тормозные качества комплекса «гребной винт-руль во льдах // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 50. - Н. Новгород: Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2017. - С. 225-235.
BRAKE QUALITIES OF THE AZIMUTH COLUMN IN THE ICE
V.A. Lobanov
Key words: ship, propulsion - steering complex, the azimuth column, brake force, ice qualities, ice conditions, CAE systems, finite element modeling.
In the operation with the use of CAE technologies the authors researched reverse operation of the azimuth column in clean water, in finely broken and grated ice of different thickness and cohesion. A quantitative assessment of the net hydrodynamic resistance and ice loads on the complex was conducted. The braking force curves of the complex in the studied ice conditions were obtained. The qualitative features of the nature and the ratio of the braking force of the complex in ice and clean water conditions were revealed.
Статья поступила в редакцию 09.03.2017 г.
УДК 629.12.001.2: 656.66.
М.Н. Покусаев, д.т.н., профессор, ФГБОУВО «АГТУ» А.А. Хмельницкая, аспирант, ФГБОУ ВО «АГТУ» 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 16
ИСПЫТАНИЯ ПОДВЕСНЫХ МОТОРОВ МАЛОМЕРНЫХ СУДОВ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ С ОТРАБОТАВШИМИ ГАЗАМИ
Ключевые слова: маломерные суда, подвесные моторы, вредные выбросы, отработавшие газы, оксид углерода и углеводорода, газоанализатор «Инфракар-А».
В 2016 году нами были проведены эксперименты по измерению вредных выбросов оксида углерода (CO) и углеводорода (CH) для маломерных судов с подвесными моторами зарубежного производства. Согласно ГОСТ 28556-16 «Моторы лодочные подвесные. Общие требования безопасности» и Техническому регламенту таможенного союза ТР ТС 026/2012 «О безопасности маломерных судов», и методике 770020000 ПМ 28, предельно допустимое содержание СО в отработавших газах не должен превышать 4,8%, а CH - 6000 млн'1 (ппм).
В Астраханской области на учете по данным Государственной инспекции по маломерным судам (ГИМС) МЧС России по Астраханской области в 2016 году маломерных судов составило 53613 штук - лодок и катеров с мощностью двигателей и подвесных моторов от 3 л.с. до 375 л.с.
Если брать статистику по подвесным моторам, то в навигацию 2016 года эксплуатировалось подвесных моторов по разным видам 18982 шт., по видам представлено на рис. 1.
