CC BY
16
Теория корабля и строительная механика
DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-3-5 УДК 629.124.8.039(07)
В.М. Козин
КОЗИН ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ - д.т.н., профессор по кафедре кораблестроения, главный научный сотрудник лаборатории проблем создания и обработки материалов и изделий, AuthorID: 151655, SPIN: 1265-7970, ResearcherID S-6053-2016, ScopusID:8548383800, https://orcid.org/0000-0002-2673-469X, e-mail: kozinvictor@rambler.ru
Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН Металлургов ул., 1, Комсомольск-на-Амуре, Россия, 681005
Зависимость суммарной мощности энергетической установки ледокольного судна на воздушной подушке от толщины ледяного покрова, разрушаемого резонансным методом
Аннотация: Отмечены особенности эксплуатации амфибийных судов на воздушной подушке (СВП), совмещающих транспортные функции с ледокольными при разрушении ледяного покрова резонансным методом, т.е. путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн. На основании ранее полученных автором зависимостей массы, площади и давления в воздушной подушке судна, достаточных для разрушения ледяного покрова, а также известных работ по проектированию СВП рассчитана зависимость суммарной мощности судна от толщины разрушаемого льда. На ранних стадиях проектирования выполненная нами работа позволит определить минимальные энергозатраты СВП, достаточные для разрушения ледяного покрова резонансным методом, т.е. оценить эффективность использования СВП для решения ледотехнических задач.
Ключевые слова: судно на воздушной подушке, ледяной покров, разрушение, резонансный метод, энергетическая установка, суммарная мощность.
Введение
Необходимость в использовании судов на воздушной подушке (СВП) для разрушения ледяного покрова резонансным методом (рис. 1), т.е. при их движении по льду со скоростью резонансных изгибно-гравитационных волн [1], возникает в тех случаях, когда с помощью традиционных ледокольных средств затруднительно, а иногда и невозможно решить ряд ле-дотехнических задач [4]. К таковым можно отнести: разрушение ледяного покрова на мелководье, т.е. когда глубина акватории оказывается недоступной для ледоколов из-за их осадки; разрушение заторов и зажоров во время весенних ледоходов с целью предотвращения разрушительных наводнений; быстрое разрушение льда на больших площадях при обслуживании ГЭС для уменьшения подпора воды в нижнем бьефе русла реки с целью повышения уровня выработки электроэнергии и вскрытие ледяного покрова водохранилищ и заливов рек с целью более раннего открытия навигации на внутренних водных путях и пр. [6]. В работе решается задача по определению суммарной мощности СВП, достаточной для разрушения ледяного покрова резонансным методом, т.е. для возможности использования для этой
© Козин В.М., 2019
О статье: поступила: 08.04.2019; финансирование: работа выполнена в рамках государственного задания № 075-00414-19-00.
цели существующих судов при заданной толщине льда, или при проектировании ЧВП, совмещающих ледокольные функции.
Особенности эксплуатации СВП в ледовых условиях
Эксплуатация амфибийных СВП в ледовых условиях (рис. 1) в отличие от обычной эксплуатации имеет свои особенности, влияющие на мощность их энергетических установок. Несмотря на возможность использования обычных СВП в качестве ледоразрушающего средства (СВПЛ), для более успешной их эксплуатации к вновь проектируемым судам предъявляют дополнительные требования к конструкции и оборудованию. Для речных условий эти требования менее жесткие, чем для условий Арктики [5]. Общими для арктических и речных условий являются требования, предъявляемые к конструкции СВПЛ. Движение над заторошенными участками ледяного покрова требует большей высоты гибкого ограждения (ГО) [2, 9]. В наиболее вероятных местах контакта ГО со льдом необходимо утолщение стенок ГО. Наиболее целесообразна пальцеобразная конструкция ГО, обеспечивающая быструю смену поврежденных элементов и их большую податливость при контакте с водой и препятствиями. Материал ГО наряду с общепринятыми требованиями [9] должен удовлетворять и требованиям специальным: сохранение эластичности, хорошей износостойкости и прочности при отрицательных температурах.
Рис. 1. Разрушение ледяного покрова СВП «Мурена» резонансным методом.
Более суровые условия Арктики и высокие скорости движения требуют установки на судах эффективной и точной системы обнаружения препятствий. Работа в паковом льду с большим количеством торосов требует улучшенной по сравнению с существующими судами маневренности. Большее количество маневров требует дополнительного расхода топлива [4]. При работе в ледовых условиях СВПЛ должны иметь повышенную тяговую мощность по сравнения с судами, работающими в условиях чистой воды. Как показывают исследования [11], на больших СВП, более чувствительных к массе механизмов, целесообразна установка газотурбинных двигателей. Поэтому, по-видимому, потребуется корректировка существующих уравнений масс, так как при работе в зимних условиях для жилых и служебных помещений необходимы большие площади. При этом особенности СВПЛ, способных работать в ледовых условиях, не должны ограничивать область их использования в любой период навигации.
СВП нового типа, создаваемые для народного хозяйства, должны обладать высокими эксплуатационными качествами и надежностью в самых разнообразных природных и климатических условиях. Конструкция перспективных СВП путем несложной модификации основного варианта должна обеспечивать возможность их многоцелевого использования. Вы-
полнение этого требования особенно важно для легких и средних СВП, предназначенных для обширных малоосвоенных районов Севера и Северо-Востока России со слаборазвитой дорожной сетью, где обычные виды транспорта, за исключением воздушного, практически неприменимы. Для эксплуатации в малонаселенных районах северных широт, очевидно, наиболее удобны амфибийные СВП, представляющие по своему архитектурно-конструктивному типу суда-площадки. Грузовая палуба таких судов должна проектироваться с учетом горизонтального способа погрузки-выгрузки, что отвечает требованию перевозки грузов широкой номенклатуры: контейнеров; поддонов; пакетов; бочек; колесных, гусеничных машин; различного оборудования и т.д. При проектировании модульных корпусов СВП необходимо предусматривать и возможность создания на их базе несамоходных лихтеров на воздушной подушке.
Зависимости для определения мощности движительного
и подъемного комплексов СВП
Удовлетворить все вышеперечисленные требования к СВПЛ возможно, если обеспечить им достаточную энерговооруженность. На начальной стадии проектирования полную мощность энергетической установки судна можно считать состоящей из мощности, необходимой для его движения с заданной скоростью N^g, и мощности для создания воздушной
подушки (ВП) Nвп. Мощность Nдв может быть определена по формуле
^ДВ = ^ (1)
^ДВ
где R - полное сопротивление движению судна для заданного режима; v - скорость движения судна; 77^ - коэффициент полезного действия движителя, выбираемый в соответствии с
рекомендациями [3].
В общем случае полное сопротивление можно представить в виде суммы [6]
Rn = Reog + RuMn + Rp + Re + R + Rp + R6p > (2)
где R - воздушное сопротивление; R - импульсное сопротивление; R - сопротивление, вызванное силой реакции воздушных струй, вытекающих из ВП; R - волновое сопротивление; R - сопротивление формы; R - сопротивление трения; R - брызговое сопротивление.
Для традиционных СВП полное сопротивление и, соответственно, необходимую суммарную мощность определяют по известным зависимостям [3, 6, 10, 12]. При этом следует отметить, что остаточное сопротивление ГО, включающее брызговое сопротивление, сопротивление формы и реактивную тягу воздушных струй, становится значительным при больших скоростях движения судна [9]. Расчетным режимом при применении РМРЛ (резонансный метод разрушения ледяного покрова) будет движение СВПЛ со скоростью, соответствующей наибольшему волновому сопротивлению судна, т.е. при небольших числах Fr [4]. При таких скоростях воздушное, импульсное и остаточное сопротивления несущественны. Кроме того, движение судна по льду в отношении R и R равносильно движению над
твердым экраном [8], так как окончательное разрушение льда при РМРЛ происходит за судном. Поэтому эти составляющие из уравнения (2) можно исключить. Отсутствие замыва ГО при движении судна в режиме разрушения сплошного льда делает несущественной и величину R . Пренебрежение в расчетах этими составляющими, дающее погрешность в большую сторону (в сторону уменьшения мощности), компенсировалось выбором завышенных прочностных характеристик льда (принимался верхний предел значений в диапазоне разброса их
величин). Определяющую же роль в общем балансе сопротивления СВПЛ при разрушении ледяного покрова резонансным методом будет играть волновая составляющая. Аналогичны заключения и для обычных СВП, движущихся по чистой воде. Это следует из зависимостей работы [8], в которой также отмечается, что выбор мощности механической установки СВП во многом определяется величиной тяги, необходимой для преодоления «горба» волнового сопротивления [12]. Поскольку режим движения, соответствующий ^тах, является основным для СВПЛ, то можно записать
стахР2 В п.\
^ _ св РВПВВП , (3)
П
Рв 4
где с- максимальное значение коэффициента волнового сопротивления судна; q -
ускорение силы тяжести; рв - плотность воды; Рвп - давление в воздушной подушке; Ввп — ширина воздушной подушки. Откуда
(4)
ст Р2 В V
_ в ВВП ВП ■
ДВ
Рв
Битый лед на поверхности воды, как показали проведенные эксперименты [2], слабо влияет на параметры гравитационных волн вблизи судна. Поэтому при определении стах с ошибкой в сторону увеличения ^ (битый лед уменьшает амплитуду возбуждаемых волн), т.е. в безопасную сторону, можно воспользоваться графическими зависимостями С = /,^вп ) для чистой воды, приведенными в [10].
Величину Ывп с достаточной для начальной стадии проектирования степенью точности можно определить по формуле [12]
Н = ОР, , (5)
ВП
V,
где О - объемный расход воздуха в ВП в режиме движения на волнении; Рр = 1,3РВЯ - требуемый полный напор; г]в - КПД нагнетательной установки (по данным работы [9] г]в = 0,50-0,65).
Его значение определяется передаточным отношением и типом редукторов, количеством и типом закреплений и подшипников, протяженностью линий вала и пр. [3]. Совокупные потери мощности двигателя, связанные с прохождением воздуха через воздухопроточные шахты, каналы, фильтры, различные гидравлические сопротивления, функционирования маслоради-аторов и т.п., могут составлять около 10% [3].
Необходимый объемный расход воздуха при сопловой схеме образования ВП можно определить по формуле [12]
О = КА4рп, (6)
где: К - коэффициент расхода воздуха; А = ае - площадь истечения воздуха из ВП; Нд -воздушный зазор; ае - периметр ГО. Откуда
КА^пРу (7)
N = е' е
14 ВП
V,
Рассчитанные по зависимостям (4) и (7) мощности в сумме позволяют приближенно определить необходимо длительную мощность энергетической установки СВПЛ. Так как длительная мощность газотурбинных двигателей составляет 75-80% от полной мощности [12] , то полная мощность энергетической установки СВПЛ будет равна
Ып =1,25( Nдв+Ывп ).
(8)
Определение суммарной мощности СВПЛ
Расчеты по формуле (8) выполнены для СВПЛ, имеющих параметры, обеспечивающие разрушение ледяного покрова заданной толщины резонансным методом. На рисунках 2 и 3 приведены эти зависимости, взятые из [7].
Рвп = сосре, ГОТОЧЕ иная ( ила — /
Р вп = 8 кПа - //
Рвп - 7 кП —у ^уг *
РВ1 I = 6 к 1а — \ 4 \ А •
1 Ьп= 5 кПа *
Рвп = 4 к! 1а
Р] ш = 3 кПа -
Рвп - 2 кПа —\ \ Нвп = ? кПа
\ — Рвг - 10 сПа
М, т 300
250
200
150
100
50 0
0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1.1 Цм
Рис. 2. Зависимость массы СВПЛ (М)с от толщины разрушаемого ледяного покрова
и давления в ВП [7].
Рис. 3. Зависимость толщины разрушаемого льда от давления и площади ВП (Бвп) [7].
Результаты выполненных расчетов для случая: удлинения ВП Авп = 2;
И = 0,15 м; Н = да ; И / Г = 2 ( - толщина сопла); К = 0,48 м 2 /н
Я. Я J J х
в таблицы 1 и 2, а также представлены на рис. 4.
0,5
[3] сведены
Таблица 1
Расчет мощности СВПЛ, необходимой для движения судна
р А вп кПа Ь, м Мс, т (рис. 2) 8вп , м2 (рис. 3) Ввп , м Число Fr, соответствующее ^шах в стах , [3] Ядв , [10] ВДВ , кВт (ф.4)
2,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 115 500 1270 2500 4400 60 250 630 1260 2200 5,5 11,1 17.7 24.8 33,2 0,63 2,41 0,10 0,14 0,17 0,20 0,25 330 703 1170 1650 2210
4,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 115 440 1040 1900 3000 30 110 260 475 750 3,9 7,4 11,4 15.3 19.4 0,63 2,41 0,09 0,13 0,15 0,17 0,18 870 1670 2760 3780 5070
6,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 90 360 900 1590 2430 15 60 150 265 405 2,7 5,5 8,7 11,5 14,3 0,63 2,41 0,08 0,11 0,14 0,15 0,17 1350 2910 4420 6250 7660
Таблица 2
Расчет полной мощности энергетической установки СВПЛ
к, РВП , БВП , м 2 ае, NП , ЩВ, NП +Щв , N 1,'йт
м кПа (рис. 3) м кВт кВт кВт !\„, кВт
2,0 60 32,8 458 330 788 985
0,2 4,0 30 23,2 915 870 1780 2230
6,0 15 16,4 1190 1350 2540 3170
2,0 250 67,0 935 703 1640 2050
0,4 4,0 110 44,6 1760 1670 3430 4280
6,0 60 32,8 2380 2910 5290 6610
2,0 635 106,8 1490 1170 2660 3330
06 4,0 260 68,4 2700 2760 5460 6820
6,0 150 51,9 3760 4420 8180 10230
2,0 1250 149,9 2090 1650 3740 4680
0,8 4,0 475 92,4 3640 3780 7430 9280
6,0 265 69,0 5000 6250 11250 14100
2,0 2200 198,9 2780 2210 4990 6240
1,0 4,0 750 116,0 4580 5070 9650 12000
6,0 405 85,3 6180 7660 13840 17300
Сопоставление полученных результатов с полной мощностью энергетических установок СВПЛ с мощностью существующих СВП с аналогичными главными размерениями показали их заниженные значения. Это означает, что для разрушения ледяного покрова резонансным методом энерговооруженность существующих СВП вполне достаточна. Приведенные расчеты выполнены для бесконечно глубокой воды. На мелководье происходит увеличение волнового сопротивления и смещение его максимума в сторону меньших значений скорости. На практике влияние мелководья приближенно можно учесть путем увеличения «горба» волнового сопротивления в 1,5-2 раза, что позволяет учитывать и уменьшение тяги движителей с понижением скорости СВП [10].
N11
мВт
14 12 10
8 6 4 2
' 01 02 ОЗ 04 03 06 07 08 0.9 Ь> Рис. 4. Зависимость суммарной мощности СВПЛ от толщины льда и давления в ВП.
Заключение
Выполненные расчеты позволяют на ранних стадиях проектирования оценить минимальные энергозатраты СВПЛ, достаточные для разрушения ледяного покрова заданной толщины. Это, в свою очередь, позволит предварительно оценить эффективность использования СВП для разрушения ледяного покрова резонансным методом с целью решения различных ледотехнических задач.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Букатов А.Е. Волны в море с плавающим ледяным покровом. Севастополь: ФГБУН МГИ, 2017. 360 с.
2. Грамузов Е.М., Москвичева Ю.А., Зуева Е.А. Технико-экономический анализ разрушения ледяного покрова с использованием технологий на воздушной подушке // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL: http://www.science-education.ru/ru/artic-le/view?id=16710 (дата обращения: 03.08.2019).
3. Демешко Г.Ф. Проектирование судов: амфибийные суда на воздушной подушке: в 2 кн. СПб.: Судостроение, 1992. Кн. 1. 269 с.; кн. 2. 329 с.
4. Зуев В.А., Москвичева Ю.А. Прогнозирование сопротивления окружающей среды при проектировании ледокольных платформ на воздушной подушке // Судостроение. 2017. № 4. С.11-13.
5. Ионов Б.П., Грамузов Е.М., Зуев В.А. Проектирование ледоколов. СПб.: Судостроение, 2013. 512 с.
6. Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. СПб.: Судостроение, 2013. 504 с.
7. Козин В.М., Земляк В.Л. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом. Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН: ПГУ им. Шолом-Алейхема: АМГПГУ, 2013. 250 с.
8. Москвичева Ю.А., Ларин А.Г. Оценка напряженно-деформированного состояния ледяного покрова при движении над ним ледокольных платформ на воздушной подушке // Современные проблемы науки и образования. 2015. № 2 (ч. 2).
URL: http://science-education.-ru/ru/issue/view?id=129 (дата обращения: 01.03.2019).
9. Москвичева Ю.А. Вопросы проектирования платформ на воздушной подушке // Транспортные системы. 2016. № 1. С. 44-49.
10. Титов И.А., Егоров И.Т., Дробленков В.Ф. Ходкость быстроходных судов. Л.: Судостроение, 1979. 256 с.
11. Gold L.W. Use of Ice Covers for Transportation. Canadian Geotechnical J. 1971(8): 170-181.
12. Yun L., Bliault A. Theory and Design of Air Cushion Craft. London, 2000, 632 p.
13. URL: http://bookre.org/reader?file=466651 - 31.05.2019.
FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2019. N 3/40
Theory of the Ship and Construction Mechanics www.dvfu.ru/en/vestnikis
DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-3-5
Kozin V.
VICTOR KOZIN, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Department of Shipbuilding, Chief Researcher of the Laboratory for Problems of Creation and Processing of Materials and Products, Researcher ID S-6053-2016, Scopus ID: 8548383800, https://orcid.org/0000-0002-2673-469X, e-mail: kozinvictor@rambler.ru Institute of Machine Science and Metallurgy, FEB RAS 1, Metallurgov St., Komsomolsk-on-Amur, Russia, 681005
The dependence of the integral capacity of the hovercraft icebreaker power plant on the thickness of the ice cover destroyed by the resonance method
Abstract: The article features the specifics of amphibious hovercraft (SVP) operation, combining icebreaking functions in the destruction of the ice cover by the resonance method, i.e. by exciting resonant flexural-gravity waves in ice. Based on the previously obtained dependencies of mass, area and pressure in the air cushion of the vessel, sufficient for the destruction of the ice cover, as well as well-known works on designing SVP, the dependence of the total capacity of the vessel on the thickness of the ice to be destroyed was calculated. It is concluded that in the early stages of the design, the results of our research will make it possible to determine the minimum energy consumption of the SVP, sufficient to destroy the ice cover by the resonant method, and evaluate the effectiveness of using SVP for solving ice engineering problems.
Keywords: hovercraft, ice cover, destruction, resonance method, power plant, total power. REFERENCES
1. Bukatov A.E. Waves in the sea with floating ice cover. Sevastopol, MGI, 2017, 360 p.
2. Gramuzov E.M., Moskvicheva Yu.A., Zueva E.A. Feasibility study of ice sheet destruction using hovercraft technologies. Modern problems of science and education. 2014;6. URL: http://www.science-education.ru/en/article/view?id=16710 - 08/03/2019.
3. Demeshko G.F. Ship design: amphibious hovercraft: in 2 books. SPb., Shipbuilding, 1992, Book 1, 269 p., Book 2, 329 p.
4. Zuev V.A., Moskvicheva Yu.A. Prediction of environmental resistance in the design of icebreakers hovercraft. Shipbuilding. 2017;4:11-13.
5. Ionov B.P., Gramuzov E.M., Zuev V.A. Design of icebreakers. SPb., Shipbuilding, 2013, 512 p.
6. Ionov B.P., Gramuzov E.M. Ship ice speed. SPb., Shipbuilding, 2013, 504 p.
7. Kozin V.M., Zemlyak V.L. The physical basis of ice cover destruction by the resonance method. Kom-somolsk-on-Amur, IMiM FEB RAS, PSU named after Sholem Aleichem; AMGPGU, 2013, 250 p.
8. Moskvicheva Yu.A., Larin A.G. Assessment of the stress-strain state of the ice cover during movement of ice cushioned ice-breaking platforms above it. Modern problems of science and education. 2015;2 (part 2). URL: http://science-education.ru/en/issue/view?id=129. - 03/01/2019.
9. Moskvicheva Yu.A. Design issues for hovercraft platforms. Transport systems. 2016;1:44-49.
10. Titov I.A., Egorov I.T., Droblenkov V.F. Speed of high-speed vessels. L., Shipbuilding, 1979, 256 p.
11. Gold L.W. Use of Ice Covers for Transportation. Canadian Geotechnical J. 1971(8): 170-181.
12. Yun L., Bliault A. Theory and Design of Air Cushion Craft. London, 2000, 632 p. URL: http://bookre.org/reader?file=466651. - 31.05.2019.
