Технология моделирования работы судовых винто-рулевых комплексов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО

Калининградский государственный технический университет

Кафедра промышленного рыболовства

Контрольная работа

По дисциплине: Морское дело и промышленное рыболовство

Тема

Технология моделирования работы судовых винто-рулевых комплексов

Выполнила студентка

Гр. 10 БП Арис Светлана

Руководитель к.т.н., доцент

Коротков Виктор Константинович

Калининград - 2013 г.

Содержание:

1. Винто-рулевой комплекс судна

2. Недостатки устройства

3. Устройство работает следующим образом

4. Формула изобретения

1. Винто-рулевой комплекс судна

Винто-рулевой комплекс судна содержит приводной двигатель, расположенный выше ватерлинии судна и связанный через механическую передачу с размещенным на подшипниках в гондоле ниже ватерлинии судна валом, который через главный упорный подшипник соединен с гребным валом с установленным на нем гребным винтом. В состав комплекса введен верхний вал, расположенный параллельно нижнему валу и соединенный с выходным валом приводного двигателя. Верхний и нижний валы выполнены в виде коленчатых валов, связанных друг с другом через размещенную между ними механическую передачу в виде шатунного механизма, оснащенного шатунными подшипниками. Шатунные и коренные подшипники нижнего коленчатого вала выполнены в виде работающих на водной смазке подшипников скольжения. Гондола выполнена с возможностью сообщения ее полости с забортной водой. Достигается повышение надежности и коэффициента полезного действия винто-рулевых колонок.

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания движительных, винто-рулевых и подруливающих комплексов и может быть использовано на судах различного типа и назначения.

Известен винто-рулевой комплекс в виде винто-рулевой угловой колонки типа "Аквамастер" (прототип), у которого крутящий момент от приводного двигателя, например дизеля или электродвигателя, расположенного выше ватерлинии (обычно в кормовой оконечности судна), передается на гребной вал, расположенный ниже ватерлинии, с помощью углового редуктора (УР).

УР размещен в герметичном корпусе (гондоле), заполненном смазочным маслом. Выходной вал УР проходит через дейдвудное устройство (сальник) и соединен через муфту и главный упорный подшипник с гребным винтом.

2. Недостатки устройства

Недостатками такого устройства являются:

- наличие дейдвудного устройства, которое не может полностью исключить попадание воды в редуктор, что снижает надежность всего устройства, так как редуктор не может работать на обводненном масле;

- наличие угловой редукторной передачи, которая приводит к увеличению уровня шума и вибрации (структурной и подводной компонент);

- большой диаметр гондолы, в которой располагается нижний угловой редуктор и главный упорный подшипник, по сравнению с диаметром гребного винта, что снижает пропульсивный коэффициент полезного действия движителя.

Последний недостаток связан с тем, что высокая мощность, передаваемая угловой передачей на гребной винт, требует применения шестерен большого диаметра. В то же время пропульсивный коэффициент полезного действия (КПД) зависит от отношения диаметра гондолы к диаметру гребного винта - К_д. Чем меньше К_д, тем выше КПД. В настоящее время в винто-рулевых комплексах с угловыми редукторами (а также в варианте со встроенными в гондолу гребными электродвигателями) значение К_д лежит в пределах 0,5-0,6.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков известного устройства.

Это достигается тем, что в состав винторулевого комплекса судна, содержащего приводной двигатель, расположенный выше ватерлинии судна и связанный через механическую передачу с размещенным на подшипниках в гондоле ниже ватерлинии судна валом, который соединен с гребным валом с установленным на нем гребным винтом, введен верхний вал, расположенный параллельно нижнему валу и соединенный с выходным валом приводного двигателя. При этом верхний и нижний валы выполнены в виде коленчатых валов, связанных друг с другом через размещенную между ними механическую передачу в виде шатунного механизма, оснащенного шатунными подшипниками. Причем шатунные и коренные подшипники нижнего коленчатого вала выполнены в виде работающих на водяной смазке подшипников скольжения, а гондола выполнена с возможностью сообщения ее полости с забортной водой.

При этом шатунный механизм с целью сужения средней части пилона, на котором крепится гондола, и таким образом уменьшения лобового сопротивления пилона может быть выполнен в виде крейцкопфного механизма. Кроме того, шатунные и коренные подшипники скольжения нижнего коленчатого вала оснащены вкладышами, выполненными на основе металлокерамики или углепластиков.

Кроме того, гондола вместе с пилоном может быть выполнена с возможностью поворота вокруг вертикальной оси для реализации функции управления направлением движения судна.

Введение двух параллельно расположенных коленчатых валов, передающих момент первичного двигателя на гребной винт, вызвано способностью кривошипно-шатунного механизма работать в водной среде в отличие от прототипа, у которого угловая зубчатая передача может работать только при заполнении маслом редуктора, что требовало применения сложного и ненадежного дейдвудного устройства. Замена дейдвудного устройства на обычный подшипник скольжения и заполнение гондолы забортной водой повышает надежность работы винто-рулевого комплекса. Радиус кривошипов может быть в несколько раз меньшим, чем радиус шестерен, используемых в прототипе, что позволяет уменьшить диаметр гондолы.

Коэффициент полезного действия гребного винта существенно зависит от диаметра гондолы, но практически (в известных пределах) не зависит от ее длины. Это обстоятельство позволяет наращивать передаваемую на гребной винт мощность, увеличивая число кривошипов на валах, то есть длину коленчатых валов, сохраняя малый радиус кривошипа, а значит, и гондолы в целом.

Характер взаимодействия элементов кривошипно-шатунного механизма отличается от кинематики зубчатой передачи. И в коренных, и в мотылевых шейках используются подшипники скольжения, которые надежно работают в воде при использовании современных металлокерамических или углепластиковых материалов.

Выполнение связи между коленчатыми валами с помощью крейцкопфного механизма позволяет снизить площадь поперечного сечения пилона, на котором укреплена гондола, и таким образом снизить лобовое сопротивление подводной части винто-рулевого комплекса судна.

Устройство предлагаемого винто-рулевого комплекса судна поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически представлен общий вид винто-рулевого комплекса, а на фиг.2 - вид сбоку устройства на фиг.1.

Устройство включает в себя приводной двигатель 1, в качестве которого могут быть использованы любые первичные двигатели, применяемые в судостроении (дизель, дизель-редукторный агрегат, газо или турборедукторный агрегат, гребной электродвигатель), с выходным валом 2 которого соединен верхний коленчатый вал 3, связанный через шатуны 4 и ползуны крейцкопфного механизма 5 с нижним коленчатым валом 6, размещенном в гондоле 7, причем один из концов нижнего коленчатого вала через главный упорный подшипник 8 соединен с гребным винтом 9. Нижний коленчатый вал 6 имеет коренные подшипники 10 и шатунные подшипники 11. Винто-рулевой комплекс крепится к корпусу судна 12 и располагается ниже ватерлинии.

3. Устройство работает следующим образом

Приводной двигатель 1 вращает верхний коленчатый вал 3. Момент вращения через систему шатунов 4 и ползуны крейцкопфного механизма 5 передается нижнему коленчатому валу 6, расположенному ниже ватерлинии судна и работающему в гондоле 7, заполненной забортной водой. Нижние коренные 10 и шатунные подшипники 11 работают в воде. Несущая способность воды как смазки подшипников скольжения ниже, чем у смазочного масла. Однако вкладыши подшипников на основе металлокерамики или углепластиков, например, типа "ФУТ" в паре с материалом "Анита-10" успешно применяются в современных дейдвудных устройствах гребных валов, а также в подшипниковых узлах погружных насосов, роторных механизмах гидроэлектростанций и имеют большой ресурс.

Расчеты показывают, что отношение диаметра гондолы к диаметру гребного винта с применением кривошипно-шатунной передачи может быть снижено до значений К_д<0,25. Это обстоятельство приводит к существенному повышению КПД винта по сравнению с прототипом.

Использование современных материалов для подшипников скольжения кривошипно-шатунного механизма позволяет обеспечить его надежную работу не в масляной среде, а в воде. Таким образом, устраняется недостаток прототипа винто-рулевого комплекса, а дейдвудное устройство можно исключить из его состава.

Наличие кривошипно-шатунной передачи в предлагаемом винто-рулевом комплексе судна позволяет избавиться от повышенной виброактивности, присущей прототипу, поскольку кривошипно-шатунные механизмы в диапазоне частот вращений гребных винтов работают практически бесшумно, что позволяет говорить об устранении такого недостатка, присущего зубчатым передачам.

винтовой рулевой кривошипный шатунный

4. Формула изобретения

1. Винто-рулевой комплекс судна, содержащий приводной двигатель, расположенный выше ватерлинии судна и связанный через механическую передачу с размещенными на подшипниках в гондоле ниже ватерлинии судна валом, который через главный упорный подшипник соединен с гребным валом с установленным на нем гребным винтом, отличающийся тем, что в состав комплекса введен верхний вал, расположенный параллельно нижнему валу и соединенный с выходным валом приводного двигателя, при этом верхний и нижний валы выполнены в виде коленчатых валов, связанных друг с другом через размещенную между ними механическую передачу в виде шатунного механизма, оснащенного шатунными подшипниками, причем шатунные и коренные подшипники нижнего коленчатого вала выполнены в виде работающих на водной смазке подшипников скольжения, а гондола выполнена с возможностью сообщения ее полости с забортной водой.

2. Винто-рулевой комплекс судна по п.1, отличающийся тем, что шатунные и коренные подшипники скольжения нижнего коленчатого вала оснащены вкладышами, выполненными на основе металлокерамики или углепластиков.

3. Винто-рулевой комплекс судна по п.1, отличающийся тем, что шатунный механизм выполнен в виде крейцкопфного механизма.

4. Винто-рулевой комплекс судна по п.1, отличающийся тем, что гондола выполнена с возможностью поворота вокруг вертикальной оси.

Движительно-рулевой комплекс является основным источником сил, приводящих судно в движение. При выборе и проектировании ДРК приходится руководствоваться не только необходимостью обеспечить судну заданные маневренные качества, но и рядом других требований, связанных с обеспечением ходкости судна, с условиями размещения ДРК и т.д. Поэтому задача выбора оптимального ДРК для проектируемого судна требует обширных, трудоёмких экспериментальных исследований ввиду большого числа варьируемых параметров (характеристик гребного винта, руля, кронштейна и их взаимного расположения).

Одним из методов исследования ДРК судна является физический эксперимент, который проводится в опытовом бассейне, аэродинамической или кавитационной трубе. Это один из классических методов исследования, позволяющий получить достоверные результаты характеристик ДРК при различных углах перекладки руля, скорости набегающего потока и частоты вращения гребного винта, однако достаточно трудоемкий и дорогостоящий.

Теоретические методы исследования действия ДРК, как средства управления судном, эффективны для малых углов атаки и коэффициентов нагрузки гребных винтов. В частности, вихревая теория требует больших ресурсов, однако недостаточно точно учитывает форму гребного винта, вязкостные составляющие, и применима лишь при больших поступях гребного винта и малых углах перекладки руля.

Ещё одним методом исследований ДРК является метод имитационного моделирования. Реализованные в CFD-пакете программ методы вычислительной гидродинамики являются той ветвью, которая связывает воедино теоретическую и экспериментальную гидроаэродинамику и является эффективным средством моделирования реальных течений. Одним из таких пакетов является FlowVision.

Получаемые результаты моделирования задач гидродинамики в среде FlowVision достаточно хорошо согласуются с результатами физического эксперимента при определенных задаваемых параметрах моделирования - начальных значениях, граничных условиях, степени и виде адаптации, размерах расчётной области, схеме расчёта, шага по времени и др.

В ходе численного моделирования исследовалось:

- влияние шага по времени на результаты расчёта;

- влияние выбранной модели турбулентности;

- влияние выбираемой схемы расчета;

- влияние степени и вида адаптации сетки.

Тестирование полученных результатов проводилось путём сравнения сил и моментов, действующих на ДРК, с данными физического эксперимента, проведенного в университете Саутгемптона (Великобритания) в 1993 году A.F. Molland и S.R. Tumock.

В аэродинамическую трубу с поперечным сечением 2,5x3,Ом был помещён движительно-рулевой комплекс, состоящий из гребного винта, руля, кронштейна и привода. Четырёхлопастной гребной винт серии В4.40, диаметр - 0,8м, шаговое отношение - 0,95, дисковое отношение - 0,4. Руль с профилем NACA0020, средняя хорда - 0,667м. Исследовалось влияние частоты вращения гребного винта, углов перекладки руля и скорости потока на силы и моменты, действующие на элементы ДРК.

Для проведения численного экспсримс1гга с помощью инструментов программы Solid Works были построены твердотельные модели руля, кронштейна, привода, гребного винта соответствующих размеров. В ходе создания проекта в программном комплексе FlowVision в бокс, имеющий форму параллелепипеда, при помощи фильтра подвижного тела были помещены элементы ДРК, соответствующие физическому эксперименту.

Расставлены граничные условия Входа, Выхода, Стенок. Также задавались угол перекладки руля, частота вращения движителя и скорость набегающего потока.

Математическая модель движения жидкости представляет собой совокупность уравнений, для решения которых используется метод конечных объёмов. В этом методе уравнения интегрируются по объёму каждой ячейки расчётной сетки и по отрезку времени (шаг по времени). В FlowVision имеется возможность расчёта этих уравнений явным и неявным алгоритмом (скошенная и неявная схема). В ходе проведения ряда экспериментов было установлено, что для моделирования винто-рулевых комплексов приемлема неявная схема расчёта.

Bo FlowVision имеется возможность выбора модели турбулентности согласно специфике решаемой задачи.

Для моделирования данной задачи исследовались следующие модели турбулентности:

- стандартная к-е модель турбулентности;

- модель турбулентности SST;

- модель турбулентности SA.

Первоначально была задана стандартная к-е модель турбулентности. Проводился ряд экспериментов с различными шагами по времени при одних и тех же скорости потока, частоте вращения гребного винта и угле перекладки руля. В результате численных экспериментов обнаружено существенное влияние шага по времени на сходимость процесса расчета. Установлен предел величины шага, начиная с которого происходит численная неустойчивость решения. Представленные на рис.1 зависимости демонстрируют влияние шага по времени на момент и упор гребного винта при скорости потока 10м/с, частоте вращения гребного винта 2100об/мин и угле перекладки руля 29,6°.

Если для указанных условий шаг по времени равен или меньше 0,00079, то численное решение устойчиво и хорошо совпадает с экспериментальными значениями. На рис. 16 наблюдается расходимость процесса после 200 итерации с шагом по времени 0,0025. Кроме того, на этом же рисунке хорошо видно влияние сил трения на результаты расчёта - момент с учётом трения больше чем момент без учёта трения.

Для надежного моделирования винто-рулевого комплекса предлагается использовать время одного оборота как физическую величину, которая позволяет вычислить шаг по времени в зависимости от частоты вращения гребного винта и задать эту величину шага при моделировании во FlowVision. Чем больше частота вращения гребного винта, тем меньше оптимальный шаг по времени.

Наиболее эффективной для решения данной задачи выступает модель турбулентности SA. Ниже, на рис.2а, 26 представлены результаты моделирования работы винто-рулевого комплекса при скорости потока 10м/с с частотой вращения гребного винта 2100об/мнн. На рис.2а представлен график зависимости угла перекладки руля от коэффициента подъемной силы руля (кружочками обозначены результаты физического эксперимента, а квадратиками - результаты численного эксперимента). На рис.26 представлен график зависимости угла перекладкируля от коэффициентов упора и момента гребного винта (линиями обозначены результаты физического эксперимента, а квадратиками - результаты численного эксперимента). Таким образом, отмечена достаточно хорошая согласованность результатов физического и численного экспериментов.

С целью исследования влияния потока на вращающийся гребной винт с заданным углом перекладки руля были заданы слои визуализации Давление и Скорость.

На рис. 3а представлена картина распределения давления на поверхности гребного винта: повышенное давление на нагнетающей стороне, пониженное давление на засасывающей стороне. На рис. 3б представлена картина распределения скоростей при обтекании ДРК потоком воздуха.

При исследовании влияния степени адаптации сетки по граничному условию Стенка, заданному на поверхности гребного винта, было установлено, что повышение уровня адаптации со второго на третий практически не влияет на результаты расчета.

Несмотря на невысокую вычислительную эффективность (вычислительная эффективность - это отношение реального времени к времени, затраченному на численный эксперимент), равную Ю^-6, разработанная технология моделирования винто-рулевых комплексов достаточно эффективна, о чем свидетельствует хорошее совпадение результатов физического и численного экспериментов.

Практическая ценность данной работы состоит как в создании самой технологи моделирования, так и в рекомендациях по выбору параметров моделирования.

Размещено на Allbest.ru