Теория устройства судна

В заключение отметим, что точное определение напряжений в лопастях в различных условиях эксплуатации (реверс, движение на волнении и др.) пока еще не всегда возможно. Это компенсируется значительными запасами прочности, вводимыми при назначении допускаемых напряжений.

На предварительных стадиях расчета винта для оценки его прочности можно использовать выражение (20.1).

Контрольные вопросы:

1. Что собой представляют диаграммы для расчета гребных винтов?

2. Как с их помощью проектируется оптимальный гребной винт?

3. Ледовые гребные винты и их особенности.

Работа пропульсивного комплекса судна. Особенности характеристик ВФШ и ВРШ

Главная механическая установка и движитель -- единый пропульсивный комплекс, кинематические и динамические характеристики отдельных элементов которого должны быть жестко увязаны. Действительно, частота вращения гребного винта равняется (или кратна в случае наличия редуктора) частоте вращения движителя, мощность, развиваемая последним, за вычетом потерь в передаче, равна мощности, потребляемой движителем.

Однако каждый из элементов комплекса характеризуется собственной зависимостью мощности от частоты вращения. Для гребного винта она определяется кривыми действия, для двигателя -- режимом работы и подачей топлива.

Сегодня на транспортных судах наибольшее распространение имеет двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - дизель.

Расчетный, или номинальный, режим работы этого двигателя соответствует точке А на графике рисунке 21.1, в которой частота вращения и мощность имеют номинальные значения n_н и Р_sн. В этом режиме ДВС может работать неограниченное время, соответственно значения n_н и Р_sн являются максимально допустимыми при длительной работе. После устойчивой работы ДВС заключено между четырьмя линиями: верхней 1 и нижней 3 ограничительными характеристиками, которые отвечают максимальной и минимальной мощности, развиваемой двигателем в зависимости от частоты вращения. Замыкают это поле (горизонтальная штриховка на рисунке 21.1) линия минимально устойчивых оборотов 2 к регуляторная ограничительная характеристика 4. Последняя обеспечивается работой регулятора частоты вращения, не допускающего разноса двигателя при внезапном снижении нагрузки.

Рисунок 21.1 Работа пропульсивного комплекса двигатель - движитель

Двигатель вырабатывает ровно столько мощности, сколько потребляет гребной винт. С учетом потерь в передаче эта величина составляет:

(21.1)

Для водоизмещающих судов и кораблей скорость движения V практически пропорциональна частоте вращения гребного винта п, т.е. J = соnzt. В связи с этим в (21.1) для оценок можно принять и К_Q = соnst. Тогда мощность ДВС при работе на гребной винт

(21.2)

где С -- постоянный для конкретных условий плавания коэффициент

Говоря об условиях плавания, имеем в виду водоизмещение судна, его посадку, состояние поверхности корпуса, волнение моря и т. д. Другими словами величина С фактически определяется конкретной зависимостью R_v. Весь диапазон изменения коэффициента С заключен между граничными значениями, отвечающими самому тяжелому режиму -- швартовному (R) и самому легкому -- движению свежеокрашенного судна в балласте на тихой воде (R =R_min).

Зависимости (21.2) называются винтовыми характеристиками двигателя. Та из них, которая проходит через точку А (кривая I на рисунке 21.1) является номинальной (расчетной). Граничные винтовые характеристики -- швартовного режима (кривая II) и движения в балласте (кривая III) -- существенно сужают поле возможной работы ДВС (вертикальная штриховка на рисунке 21.1).

В точке А гребной винт при номинальной частоте вращения использует номинальную мощность двигателя -- говорят, что в этом случае движитель соответствует механической установке. Эта точка расположена на расчетной винтовой характеристике, и она единственная, где соответствие двигателя и гребного винта имеет место. В более тяжелых, чем расчетные, условиях плавания (левее расчетной винтовой характеристики на рисунке 21.1), двигателю не хватает мощности, чтобы вращать винт с номинальной частотой вращения. При этом говорят, что винт гидродинамически тяжелый. Когда сопротивление уменьшается, винтовая характеристика идет ниже расчетной для вращения винта с номинальной частотой требуется мощность, меньшая, чем номинальная; винт в этом случае гидродинамически легкий (на практике обычно говорят просто тяжелый и легкий винт).

И тяжелый и легкий винты не соответствуют механической установке. Общее для них -- недоиспользование мощности Р_sЛ._Т < Р_SН, однако если первый работает по верхней ограничительной характеристике с частотой п_т<n_Н, то второй располагается на регуляторной характеристике и у него n_Л > n_Н.

Для того чтобы привести тяжелый гребной винт в соответствие с двигателем, надо уменьшить либо его шаговое отношение, либо диаметр. Последний способ наиболее эффективен (см. (21.1)), иногда он используется на практике: винт «облегчают», обрубая его лопасти.

Сложнее обстоит дело в другом случае - ни увеличить Р/D, ни диаметр готового винта, оказавшегося легким, практически невозможно. Единственный выход из положения -- замена движителя.

Соответствие гребного винта и двигателя имеет место лишь в одном режиме -- расчетном. Таким образом, выбор последнего при проектировании движителя приобретает весьма важное значение.

В процессе эксплуатации среднее сопротивление всегда выше, чем у свежеокрашенного корпуса на тихой воде. Причины тому -- обрастание обшивки и ее коррозия, волнение моря, лед, ветер и т. д. Эти обстоятельства, а также ухудшение поверхности лопастей приводят к утяжелению гребного винта, спроектированного на условия сдаточных испытаний.

Поэтому на практике обычно гребной винт предварительно облегчают. Для этого в качестверасчетного задается режим движения, когда сопротивление несколько выше, чем на тихой воде. Таким образом обеспечивается некоторый запас мощности, учитывающий условия эксплуатации, отличные от идеальных. Аналогичного облегчения гребного винта можно достичь, повышая на (3-5)% расчетную частоту вращения по сравнению с номинальной.

Выбор расчетного режима зависит и от типа двигателя. Если в качестве такого на судне служит турбина или электродвигатель, то предварительно облегчать гребной винт не требуется: обе эти установки позволяют поддерживать номинальную мощность и при оборотах, меньших номинальных.

Ходовые характеристики судна. Гребной винт проектируется на один расчетный режим движения. Чтобы иметь представление о ходовых качествах судна, условиях работы гребного винта и двигателя на любых, возможных в эксплуатации режимах строят так называемые ходовые характеристики. Последние часто называют также и паспортной диаграммой судна.

Судно - единый энергетический комплекс, отдельные элементы которого -- двигатель, корпус и движитель -- являются соответственно источником, потребителем и преобразователем энергии. Работа всех этих элементов, естественно, должна быть согласована.

Потребитель энергии - корпус судна - характеризуется зависимостью сопротивления от скорости R(v), источник энергии - двигатель - полем устойчивой работы, расположенным ниже верхней ограничительной и регуляторной характеристик, которые представляют зависимости максимальной мощности от частоты вращения Рs(п). Таким образом, характеристики этих двух элементов комплекса - источника и потребителя энергии-- не имеют точек соприкосновения. Для их согласования служит движитель, преобразующий энергию двигателя в полезную тягу, преодолевающую сопротивление корпуса. Потребляемая гребным винтом мощность и создаваемый ими упор определяются режимом его работы, т. е. отношением скорости и частоты вращения.

Таким образом, характеристики гребного винта Р_D(v,п) и T_Е(v,п) являются связующим звеном между характеристиками корпуса R(v) и двигателя Рs(п).

Ходовыми характеристиками (паспортной диаграммой) судна будем называть совокупность согласованных между собой характеристик корпуса, двигателя и движителя, построенных в функции от скорости движения. Паспортная диаграмма состоит из двух частей. На одной из них, которую обычно располагают вверху рисунка, сопоставляют сопротивление корпуса и полезную тягу движителя, на второй, нижней, -- мощности двигателя и движителя. Ось абсцисс у обоих графиков общая,, вдоль нее откладывают скорость судна. Поскольку диаграмма относится к единому комплексу, обе части ее должны быть согласованы.

На рисунке 21.2 приведена паспортная диаграмма водоизмещающего судна. В расчетном режиме движения (точка А) мощность и частота двигателя имеют номинальное значение. Кривая 1 - расчетная зависимость К(v), которую на диаграмме еще называют кривой потребной тяги. Соответствующая ей зависимость 1', перестроенная на нижнюю часть диаграммы, суть потребная мощность. Совокупность кривых 2 и 2' -- зависимости полезной тяги и потребляемой винтом мощности от скорости движения при фиксированных значениях частоты вращения.

Кривые 3 и 4 представляют собой верхнюю ограничительную и регуляторную характеристики двигателя, т. е. максимальную располагаемую мощность последнего. Перестроив эти кривые на вторую половину паспортной диаграммы, получим предельную располагаемую тягу, которую в зависимости от скорости могут обеспечить заданные двигатель и движитель. Совершенно очевидно, что режимы, соответствующие участкам диаграммы, расположенным выше кривых 3 и 4 (3' и 4'), нельзя реализовать.

Расстояние между кривыми располагаемой 3' и потребной 1 тяги суть запас тяги на данной скорости. Для буксирных судов он определяет максимальное усилие на гаке, т. е. сопротивление буксируемого судна. Для судов всех типов, чем больше запас тяги на промежуточных режимах (v < v_расч), тем быстрее осуществляется выход на расчетный режим движения.

Ходовые характеристики судна служат для решения задач, связанных с определением параметров движения на всех режимах, отличных от расчетного. Так, если зависимость сопротивления от скорости К(у) отличается от заложенной в расчет (кривая 1), то достаточно нанести ее на верхнюю половину диаграммы, чтобы в точке пересечения с кривой располагаемой тяги (3' или 4') найти максимальную достижимую судном при этом режиме скорость и соответствующую частоту вращения винта. Спроектировав указанную точку на нижнюю часть диаграммы, получим используемую мощность двигателя. Если точка пересечения находится на кривой 3 -- винт тяжелый, на кривой 4 - винт легкий.

Рисунок 21.2 Паспортная диаграмма судна

Для построения паспортной диаграммы необходимо иметь данные по взаимодействию корпуса и движителя. Основная особенность ходовых характеристик СДП -- наличие горба сопротивления в переходном режиме. В результате может оказаться, что хотя пропульсивный комплекс и обеспечит судну заданную скорость в расчетном режиме, реализовать его невозможно, поскольку без посторонней помощи горб сопротивления не преодолевается (кривая располагаемой тяги 1 на рисунке 21.3). Поэтому при проектировании движительного комплекса СДП требуется обеспечить не только расчетную скорость, но и требуемый запас тяги на горбе сопротивления (кривая 2, рис. 21.3).

Рисунок 21.3. Паспортная диаграмма СДП

При построении паспортной диаграммы судна с сильнокавитирующим гребным винтом необходимо учитывать зависимость числа кавитации от скорости. Если гребной винт частично погруженный, то следует учитывать возможное изменение его погружения с изменением посадки при различных режимах движения.

Гребные винты регулируемого шага. Для приведения гребного винта (тяжелого или легкого) в соответствии с механической установкой надо изменить его шаговое отношение. Таким образом, универсальным способом обеспечения соответствия двигателя и движителя на всех режимах движения является использование гребных винтов регулируемого шага (ВРШ), лопасти которых могут поворачиваться от положения переднего до положения заднего хода. Каждому углу поворота лопастей (т. е. каждому значению шагового отношения) ВРШ отвечают свои, вполне определенные кривые действия, соответственно гидродинамические характеристики единственного ВРШ отвечают ГДХ серии ВФШ. Возможность обеспечения постоянного значения коэффициента момента К_Q=сопst в широком диапазоне изменения относительной поступи позволяет приводить ВРШ в соответствие с двигателем на всех режимах движения, вплоть до швартовного. Однако соответствие - не самоцель, использование номинальной мощности во всех условиях плавания позволяет повысить, а порой и значительно, тяговые характеристики пропульсивного комплекса. Это свойство особенно важно для судов, имеющих несколько равноценных режимов движения. Так, например, если гребной винт траулера рассчитать на свободный ход, он будет тяжелым в режиме движения с тралом. Если расчетным сделать последний, снизится скорость свободного хода (легкий винт), увеличится время перехода из базы в район лова. «Компромиссный» вариант винта не позволит использовать номинальную мощность ни в одном из указанных режимов. Установка ВРШ в этом случае - эффективное решение проблемы.

Определенные преимущества сулит и применение ВРШ на СДП, таким образом можно повысить запас тяги на горбе сопротивления без ущерба для расчетного режима движения.

Основное преимущество ВРШ -- возможность использования полной мощности двигателя на всех режимах. Кроме того, ему свойственны еще и следующие достоинства:

1) реверс судна осуществляется без реверса механической установки, что повышает маневренность судна, снижая время реверса, а также позволяет использовать более легкие и дешевые, имеющие больший моторесурс нереверсивные двигатели;

2) при скорости движения меньшей, чем расчетная, может быть выбрано такое сочетание шага и частоты вращения ВРШ, при котором расход топлива будет минимальным;

3) на всех режимах движения (вплоть до стопа) можно поддерживать номинальную частоту вращения, что обеспечит стабильность характеристик вспомогательных механизмов, работающих непосредственно от двигателя;

4) проще осуществляется автоматизация управления пропульсивным комплексом;

5) парциальные режимы движения судна осуществляются с меньшими потерями мощности за счет поворота лопастей ВРШ во флюгерное положение.

Если бы ВРШ обладали только достоинствами, то они бы вытеснили все остальные движители. Этого не произошло, поскольку ВРШ имеют по сравнению с ВФШ и ряд серьезных недостатков:

1) сложность конструкции, относительно высокую удельную массу и стоимость;

2) необходимость увеличения диаметра ступицы для размещения механизма поворота лопастей, что приводит к снижению КПД на (1-3) %;

3) дополнительное снижение КПД из-за искажения формы профиля сечения лопасти при ее повороте из положения, соответствующего расчетному режиму;

4) более раннее возникновения кавитации вследствие увеличения относительной толщины корневого сечения лопасти, хорда которого ограничена размерами фланца;

5) во избежание задевания лопастей друг за друга при повороте дисковое отношение ВРШ не должно превышать А_Е/Ао = 0,75.

Последние два недостатка делают весьма проблематичным использование ВРШ на высокоскоростных СДП. Здесь, однако, можно говорить о применении сильнокавитирующих и частично погруженных ВРШ.

На водоизмещающих транспортных судах ВРШ находят в последнее время все более широкое распространение, благодаря их эксплуатационным достоинствам, прежде всего экономичности и улучшенным маневренным качествам.

Паспортная диаграмма судна с ВРШ отличается тем, что при построении кривой располагаемой тяги исходят из условия Рs = Рsп = соnst, что означает и К_Q, = соnst (при n=n_в). При этом, в частности, можно определить закон управления перекладкой лопастей во время разгона судна до расчетной скорости.

Ходовые испытания судов. Каждое новое или капитально отремонтированное судно проходит сдаточные испытания, основным элементом которых являются испытания ходовые (или пропульсивные). Последние предназначены для определения ходовых качеств судна, проверки достоверности заложенных в проект расчетов. В процессе этих испытаний изучают характеристики работы пропульсивного комплекса судна, делают вывод о соответствии (либо его отсутствии) движителя главной механической установке. Анализ результатов испытаний дает богатый материал для совершенствования существующих методик расчетов ходкости.

Ходовые (пропульсивные или скоростные) испытания основной целью имеют определение скорости движения судна при различных режимах работы пропульсивной установки. Для обеспечения высокой точности результатов еще на стадии подготовки к испытаниям следует выполнить ряд условий: водоизмещение судна должно соответствовать проектным данным и его необходимо замерить с высокой точностью; состояние поверхности корпуса должно отвечать свежеокрашенному, заложенному в расчеты, поэтому между спуском (докованием) судна и его ходовыми испытаниями время не должно превышать установленные пределы (для южных морей и Дальнего Востока 10-15 суток, для северных морей и Балтики - 30). Регламентируются и гидрометеорологические условия: волнение моря не должно превышать 2-3 баллов, сила ветра - 3-4 баллов, причем нижний предел относится к сравнительно небольшим судам (D1000 т), а верхний к достаточно крупным (D20 000т). Перед испытаниями проверяют соответствие геометрии гребноговинта проектным данным, поверхности лопастей очищают, их кромки сглаживают.

Ходовым испытаниям предшествуют швартовные, в ходе которых опробывают все механизмы, выполняют необходимые регулировочные работы с целью обеспечения требуемых режимов главной механической установки.

В процессе ходовых испытаний скорость судна определяют как путь, пройденный за фиксированное время. Таким образом непосредственно замеряют расстояние между двумя конкретными точками. Сегодня радионавигационные средства дают возможность определить местоположение судна с высокой точностью, что позволяет проводить пропульсивные испытания в открытом море.

Однако чаще эти испытания проводят на специально оборудованном полигоне -- мерной миле (или мерной линии). Как правило, это защищенный от господствующих ветров прибрежный участок моря, который имеет достаточную глубину при отсутствии заметных течений.

Скорость определяют относительно берега, где установлены ведущие и секущие створы. Первые задают направление движения, пересечение которого с линиями, проходящими через две пары секущих створов, определяет две фиксированные точки положения судна. Расстояние между ними («мерная миля»), деленное на время прохождения, суть скорость движения.

В процессе ходовых испытаний, кроме скорости, регистрируют следующие величины: частоту вращения и мощность двигателя, а также, гораздо реже, упор гребного винта. Режимы работы двигателя, при которых требуется проводить стандартные, скоростные испытания, регламентируются. Так, например, для головных в серии транспортных судов, оборудованных ДВС, обязательными являются режимы: п = п_Н, 1,03п_н, 0,91п_н,. 0,80п_н, 0,63п_н.

Для исключения влияния гидрометеорологических факторов (ветер, течение, волнение моря) скорость определяют по результатам трех пробегов: два в одном направлении - один в противоположном:

(21.3)

Установленные на судне штатные тахометры не обеспечивают необходимой точности замера частоты вращения, поэтому используют различные суммирующие счетчики, определяющие среднее за некоторый промежуток времени значение частоты вращения гребного вала.

Наибольшую точность в измерении мощности получают с помощью специальных приборов: торсиометров, предназначенных для определения крутящего момента на гребном валу. Если торсиометр отсутствует, мощность находят по косвенным показателям: в зависимости от расхода топлива и частоты вращения с использованием данных стендовых испытаний двигателя.

Выше уже говорилось, что прямое изменение сопротивления К натурного судна практически исключено. Косвенный путь определения R - основного параметра, закладываемого в расчеты ходкости, тоже не всегда возможен. Даже если судно оборудовано упоромером, что само по себе бывает достаточно редко, то выделение сопротивления из упора с использованием (19.12) тоже проблематично, поскольку необходимый для этого коэффициент засасывания, определяемый в ходе самоходных испытаний, не свободен от масштабного эффекта. В еще большей степени этому эффекту подвержен коэффициент попутного потока.

Существуют специальные методы анализа результатов скоростных испытаний, позволяющие проверить соответствие заложенного в расчет сопротивления реальным данным. Кроме того, эти испытания дают возможность оценить согласованность работы пропульсивного комплекса. Так, если обнаруживается несоответствие гребного винта двигателю, то решается вопрос о корректировке геометрических элементов движителя.

Если судно оборудовано ВРШ, объем ходовых испытаний значительно возрастает. Определению подлежат оптимальные для ряда скоростей сочетания частоты вращения и шагового отношения, при которых удельный расход топлива минимален.

Во время скоростных испытаний быстроходных судов иногда возникает необходимость наблюдать за процессами развития кавитации на гребном винте. В этом случае в днище судна делают специальные иллюминаторы.

Наряду со скоростными большую информацию о ходовых качествах судна дают и эксплуатационные испытания, совмещаемые с рабочими рейсами судна. При этом изучают и движение судна в условиях волнения -- его поведение, скоростные качества. Следует отметить, что точность замеров в ходе эксплуатационных испытаний существенно ниже, чем на мерной миле, однако их количество зачастую может компенсировать недостаточно высокое качество.

И пропульсивные и эксплуатационные испытания дают богатый материал для совершенствования методик расчета ходовых качеств судна.

Контрольные вопросы:

1. Почему большинство современных морских транспортных судов одновинтовые?

2. Что собой представляют ходовые характеристики судна?

3. Что такое винт регулируемого шага?

Расчет ходкости судна. Расчеты сопротивления. Расчет гребного винта

Выбору механической установки предшествует расчет ходкости судна, состоящий из двух частей. Первая заключается в определении зависимости сопротивления от скорости движения, а вторая -- в расчете движителя. Последний расчет, в свою очередь, выполняют поэтапно: в первом приближении определяют все, кроме шагового отношения, геометрические характеристики гребного винта и коэффициенты его взаимодействия с корпусом; затем рассчитывают оптимальный гребной винт, обеспечивающий заданную скорость движения и определяют необходимые для этого мощность и частоту вращения главной механической установки. Далее выбирают подходящий двигатель, а поскольку его характеристики (Рsn и n_n ) в общем случае всегда отличаются от полученных на предыдущем этапе, то приходится заново рассчитывать винт, который находился бы в соответствии с двигателем и обеспечивал судну наибольшую достижимую скорость.

Завершающий этап -- расчет ходовых характеристик судна -- с одной стороны, дает необходимую информацию о всех возможных в эксплуатации режимах движения, а с другой -- выполняет и контрольные функции по отношению к предыдущим расчетам.

Сказанное выше подкрепим конкретным примером -- расчетом ходкости судна «Инженер». Его основные характеристики приведены выше, все, что понадобится дополнительно, будем вводить по ходу расчетов.

Расчеты сопротивления. Расчет сопротивления на тихой воде. Определяем число Фруда, соответствующее расчетной скорости v_s = 21 уз = 10,8 м/с:

Данные модельных испытаний отсутствуют; рассчитывать сопротивление будем приближенным методом, используя для этого «Серию быстроходных и среднескоростных судов». Выбор данного метода диктуется назначением судна, основными характеристиками формы его корпуса (д, L/B, В/Т, носовой бульб), а также расчетной относительной скоростью.

Площадь смоченной поверхности принимаем Щ=5650м². Для построения кривой сопротивления расчет будем производить для чисел Фруда в диапазоне Fг=0,180,30 с интервалом ?Fг=0,02. В соответствии с рекомендациями коэффициенты дополнительных составляющих сопротивления принимаем: С_A =0,2 * 10^-3 ; С_ар = 0,1·10^-3; С_АА = 0. Все дальнейшие расчеты сведем в таблице 22.1

Таблица 22.1 Расчет сопротивления движению судна «Инженер»

№	Величина	Размерность	Численные значения
1	Fг	-	0,18	0,20	0,22	0,24	0,26	0,28	0,30
2	СRO .103	-	0,50	0,57	0,72	0,97	1,22	1,60	2,40
3	СRO .103 (L/В = 6,13)	-	0,48	0,52	0,67	0,82	0,93	1,15	1,49
	(рис. 3.10)		0,56	0,59	0,70	0,88	1,00	1,15	1,72
4	СRO .103 (L/B = 5,64)	-	0,85	0,88	0,95	0,93	0,93	0,89	0,86
	(рис. 3.10)		6	1	7	2	0	8	6
5	kL/B =(3):(4)	-	1,03	1,03	1,03	1,02	1,01	1,06	1,08
6	kB/T,	-	0,44	0,51	0,71	0,92	1,15	1,52	2,25
7	СR103= (2). (5). (6)	-	1	7	0	2	10,7	11,5	12,4
8	v = Fг	м/с	7,42	8,24	9,06	9,89	11,8	12,7	13,7
9	10-8 Rе,	-	8,18	9,08	9,98	10,9	1,54	1,52	1,51
10	СFO .103 (3.15))	-	1,61	1,59	1,57	1,55	2,98	3,35	4,06
11	С· 103 = СR + СF0 + СA	-	2,35	2,41	2,58	2,78	991	129	1790
	+ СAP		375	487	614	786	10	0 14	22
12	R	рН	278	390	556	7770	600	900	200
13	Ре = R*v	кВт	0	0	0	19,2	20,8	22,4	24,0
14	хs = х/0,514	уз	14,4	16,0	17,6

Результаты расчета представляем графически (рисунок 22.1); они соответствуют условиям сдаточных испытаний -- движению свежеокрашенного корпуса на тихой воде.

Расчет сопротивления при движении в штормовых условиях. Диапазон скоростей принимаем тот же, что и ранее; расчеты будем проводить для двух состояний моря, соответствующих б и 7 баллам (при волнении большей интенсивности вопрос о возрастании сопротивления не актуален: скорость движения будем выбирать такой, чтобы качка судна была минимально возможной в данных условиях.

Необходимые для расчета параметры волнения и ветра принимаем:

Волнение моря, баллы 6 7

Высота волн 3 %-й обеспеченности hв 3% м 6,0 8.5

Расчетная скорость ветра v_w , м/с 19 24

Дополнительное сопротивление на волнении, кН, для нашего судна (д =0,619, L = 173 м, В = 28,2 м) примет вид

(22.1)

Дополнительное воздушное сопротивление определяем с учетом при С_аа = 0,7, р_А = 1,23-10^-3 т/м³, запишем, как

(22.2)

Результаты расчетов в виде полного сопротивления в штормовых условиях приведены на рисунке 22.1, здесь же нанесено и сопротивление на тихой воде, найденное по данным таблицы 22.1

Расчет сопротивления в канале за ледоколом. Принимаем, что судно движется в канале за ледоколом, проложенном во льду толщиной h_л = 1,5м, средний размер льдин r= 1,3 м. Следуя рекомендациям задавая а0 = 25°, рассчитываем сопротивление по формуле которая для нашего судна принимает вид

Расчет гребного винта. Выбор геометрических характеристик и определение коэффициентов взаимодействия. Судно одновинтовое, поэтому выбираем число лопастей 2_Р = 4. Максимальный диаметр винта принимаем D_mах = 6,6 м.

В качестве расчетного берем сопротивление, на 15 % превышающее таковое на тихой воде. При заданной скорости v_s = 21 уз по рисунку 22.1 определяем Rтв = 1030 кН и находим R_расч= 1,15 R_TB = 1180 кН

Коэффициент попутного потока рассчитываем по (19.4):

Коэффициент засасывания находим по (19.13):

Коэффициенты влияния неравномерности принимаем i_Т = i_Q = 1,0.

Определяем минимально допустимое дисковое отношение: -- из условия обеспечения прочности по (20.1)

из условия отсутствия вредных последствии кавитации по (19.24)

Таким образом, более жесткие требования к дисковому отношению предъявляет условие отсутствия кавитации. Это, кстати говоря, типично для гребных винтов транспортных судов. Принимаем ближайшее большее значение дискового отношения А_е/А₀ = 0,85.

Расчет гребного винта, обеспечивающего судну заданную скорость. Выбор двигателя.

Расчет оптимального гребного винта будем производить с использованием коэффициента задания Кот. Расчетную диаграмму -- см. на рисунке 18.7: Z_Р = 4; А_е/А₀ = 0,85. Данные, закладываемые в расчет: v_А= v(1-W_Т) = 10,8(1,0-0,216) =8,46 м/с; Т=1380 кН;

- МО в корме.

Задавая частоту вращения гребного винта в диапазоне п=(80-140) об/мин, дальнейшие расчеты ведем в табличной форме (таблица 22.2).

Таблица 22.2 Расчет гребного винта, обеспечивающего заданную скорость

№	Величина	Размерность	Численные значения
1	n	об/мин	80	100	120	140
2	n	об/с	1,33	1,67	2,00	2,33
3		-	1,21	1,08	0,986	0,913
4	J=f(KNT)	-	0,745	0,675	0,615	0,565
5	J=J·1,05	-	0,782	0,709	0,646	0,593
6	Dорт=vANj/	м	8,11	7,16	6,55	6,11
7	KT=T/pn2D4	-	0,176	0,185	0,184	0,178
8	з0=f(KT,J/ )	-	0,678	0,655	0,630	0,610
9	зD=зH · з0	-	0,732	0,707	0,680	0,659
10	Ps=TEv/ зDзs	кВт	17 000	18 300	19 000	19 700

По результатам расчета строим график -- зависимости Р_s(п) и Dорt(п), (рисунок 22.1), с которого при условии Dорт = Dmах = 6,6 м снимаем Р₈ = 18 900 кВт, n = 118 об/мин.

Из таблицы 20.1 выбираем десятицилиндровый двигатель 10 ДКРН 80/160, номинальные характеристики которого Р_sн = 19 400 кВт; n_н = 126 об/мин.

Расчет гребного винта, обеспечивающего судну максимально достижимую скорость. Хотя выбранный двигатель и имеет несколько большую, чем требуемая, мощность, но в силу различия в частоте вращения скорость судна в принципе может и уменьшиться. Исходя из этих соображений, зададим диапазон скоростей v_s = (2022) уз, а дальнейшие расчеты при п=п_н = 126 об/мин будем вести в таблицу 22.3

По результатам расчетов строим зависимости Dорt(v_s), Р_s(v_s) (рисунок 22.2), по которому при Р_sw 19 400 кВт определяем v_smax = 21,1 уз, D = D_озт = 6,42 м.

Для указанной скорости находим: R=1040 кН; Т_Е= 1,15 * R= 1120 кН; Т=Те/(1 -t) = 1410 кН; v_A = 0,514 v_s(1 - Wт) = 8,5 м/с; J = vа/nD = 0,630; Кт = Т/рп²D⁴ = 0,184.

Таблица 22.3 Расчет винта, обеспечивающего максимальную скорость

№	Величина	Размерность	Численные значения
1	vs		20,0	20,5	21,0	21,5	22,0
2	v	м/с	10,3	10,5	10,8	11,0	11,3
3	vA = v(1 -Wт)	м/с	8,06	8,22	8,46	8,62	8,85
4	К(у) (по рис. 4.31)	кН	870	940	1030	1090	1190
5	Те=1,15·R	кН	1000	1080	1180	1250	1370
6	Т = Те/(1 - t)	кН	1180	1270	1390	1470	1610
7	КNT = vа/п0,5 ·(р/Т)0,25	-	0,955	0,960	0,961	0,970	0,971
8	J=f(KNT) по (рис.4.20)	-	0,595	0,598	0,600	0,603	0,605
9	J'=1,05J	-	0,625	0,628	0,630	0,633	0,635
10	Dорт=vANj/	м	6,14	6,27	6,40	6,52	6,65
11	D	м	6,14	6,27	6,40	6,52	6,60
	DорT < Dmах; DорT Dmах
12	J=J'; J=vA /n Dmах	-	0,625	0,628	0,630	0,633	0,640
13	Кт = Т/рn2 D4	-	0,182	0,183	0,184	0,181	0,188
14	з0=f(KT,J/ ) по (рис.4.20)	-	0,625	0,628	0,630	0,623	0,620
15	зD=зH · з0	-	0,675	0,678	0,680	0,672	0,670
16	Ps=TEv/ зDзs	кВт	15 500	17 100	19100	21000	23 400

Примечание. В первых четырех столбцах таблицы Dор_T < Dmах поэтому принимается D=D_орт ,в последнем - Dор_T Dmах и принято D=Dmах

На диаграмме (рисунок 18.7) по координатам J и Кт определяем КПД винта в свободной воде: з₀ = 0,630 и его шаговое отношение Р/D = 0,95.

Подведем итоги. Геометрические характеристики выбранного гребного винта: D=6,42м; Р/D = 0,95; Ае/А₀ = 0,85; Zр = 4. Его ГДХ в расчетном режиме: J= 0,630; Кт = 0,184; з₀ = 0,630.

Максимальная достижимая судном в расчетном режиме скорость v_smах =21,1 уз.

Расчет паспортной диаграммы судна. Зададим ряд фиксированных значений частоты вращения, включая номинальную: n = 95; 105; 115; 126; 130 об/мин.

Для нескольких относительных поступей с диаграммы (рисунок 18.7) снимаем значения Кт и з₀, соответствующие рассчитанному гребному винту (Р/D = 0,95):

Верхнюю ограничительную характеристику выбранного двигателя принимаем линейной -- Р_s(п)= (Рs_н/п_н) * п, регуляторную -- вертикальной прямой, отвечающей условию п = п_в. Расчет будем вести в таблицу 22.4, учитывая при определении полезной тяги зависимость коэффициента засасывания от режима движения (19.16).

Рисунок 22.1 К расчету гребного винта обеспечивающего заданную скорость

Рисунок 22.2 К расчету гребного винта обеспечивающего максимальную скорость

По данным таблицы строим паспортную диаграмму -- ходовые характеристики судна (рисунок 22.3). Расчетному режиму движения отвечает точка А, в которой сходятся: расчетная зависимость сопротивления R=1,15Rтв (кривая 1- потребная тяга); верхняя ограничительная характеристика двигателя (кривая 6 - располагаемая мощность); зависимости Т_е(v_s) и Рs(v_s), соответствующие номинальной частоте вращения.

Рисунок 22.3. Ходовые характеристики судна «Инженер»

При этом расчетная скорость движения судна составляет v_s = 21,1 уз, а мощность на валу двигателя равна номинальной Р_s = Р_sн = 19 400 кВт.

На ходовых испытаниях (свежеокрашенный корпус, тихая вода --кривая сопротивления 2) наше судно покажет максимальную скорость v_s = 21,6 уз, гребной винт при этом будет гидродинамически легким.

На волнении силой 6 и 7 баллов (кривые 3 и 4 соответственно) достижимая скорость резко снизится до v_s6=18 уз и v_sт=13,3 уз, на этих режимах винт гидродинамически тяжелый. Аналогичная картина имеет место и при движении в битых льдах (кривая 5), максимальная скорость составит в этом случае v_ВЛ = 13,9 уз.

Таблица 22.4 Расчет ходовых характеристик судна «Инженер»

Величина	Размерность	Численные значения
п	об/мин	95	105	115	126	130
п	об/с	1,58	1,75	1,92	2,10	2,17
При J = 0,40
vs=JnD/		10,1	11,1	12,2	13,4	13,8
Те=KTсn2D4(1-t)	кН	1180	1440	1730	2080	2210
Ps=0,514· ТеvS/зD зS	кВт	12700	17100	22 500	29600	32500
При J = 0,50
vs	уз	12,6	13,9	15,3	16,7	17,3
Те	кН	966	1180	1420	1700	1810
Ps	кВт	10800	14600	19 200	25200	27700
При J = 0,60
vs	уз	15,1	16,7	18,3	20,1	20,7
Те	кН	745	910	1090	1310	1400
Ps	кВт	8850	11900	15700	20600	27200
При J = 0,70
vs	уз	17,7	19,5	21,4	23,4	24,2
Те	кН	525	641	769	923	983
Ps	кВт	7030	9490	12500	16400	18000

Следует, однако, отметить, что найденные при помощи паспортной диаграммы достижимые скорости движения в штормовых условиях и во льдах, далеко не всегда будут реализовываться в эксплуатации. Снижение скорости по сравнению с предельной достижимой может диктоваться требованиями прочности, желанием избежать резкой качки, слеминга, заливаемости. Сегодня ведущие фирмы-изготовители малооборотных судовых дизелей (МОД) по индивидуальному заказу могут поставлять двигатели с заданными характеристиками - значениями мощности и частоты вращения. В этом случае достаточно ограничиться расчетом гребного винта, обеспечивающего судну заданную скорость. При этом отпадает необходимость выполнения расчета винта во втором приближении - на достижение максимальной скорости.

Контрольные вопросы

1. В чем заключаются этапы расчета ходкости судна?

2. Что собой представляют диаграммы для расчета гребных винтов?

Динамическая остойчивость. Понятие о динамической остойчивости

Динамической остойчивостью будем называть способность судна, не опрокидываясь, воспринимать внезапно приложенные внешние динамические кренящие моменты.

В практике мореплавания приходится сталкиваться не только со статически приложенными, но и с динамическими нагрузками, которые нарастают до полной силы за очень короткий промежуток времени, почти мгновенно. Пример тому -- налетевший на судно шквал, который представляет наибольшую опасность для остойчивости всех судов, в особенности малых. Считая для простоты, что динамически приложенный момент от шквала не зависит от угла наклонения, рассмотрим его действие на судно, диаграмма статической остойчивости которого задана (рисунок 23.1).

Рисунок 23.1 Действие на судно динамического кренящего момента

На участке ОА диаграммы кренящий момент больше восстанавливающего М_д > М_В, следовательно, угловое ускорение и>0 и судно будет крениться с нарастающей угловой скоростью 9. В точке А моменты сравнялись М_д = М_в, соответственно и = 0, однако угловая скорость достигла максимума и =и_mах, и судно, «проскочив» положение равновесия -- угол и_с, по инерции будет наклоняться и далее. На участке АВ момент М_В > Мд, следовательно и<0 и угловая скорость падает, достигая нуля в точке В, отвечающей динамическому углу крена и_д >ис. Поскольку в этой точке угловое ускорение достигло своей максимальной отрицательной величины, судно, остановившись, затем начнет двигаться в противоположную сторону, к точке А. Совершив вокруг этой точки несколько колебаний с затухающей за счет сопротивления воды качке амплитудой, судно остановится и будет плавать со статическим углом крена и_С.

Приведенные рассуждения поясняют качественную сторону поведения судна под действием динамического момента, т. е. тот факт, что ид > и.

Динамический угол крена можно определить из условия равенства работ моментов, кренящего и восстанавливающего. Первая представляет собой произведение постоянного момента М_д на угол крена и_д, вторая -- сумму элементарных работ восстанавливающего момента в пределах 0 < и < и_д.

(23.1)

Мерой статической остойчивости является восстанавливающий момент, а мерой динамической остойчивости служит работа этого момента. Из (23.1) ясно, что искомая работа суть площадь диаграммы статической остойчивости в указанных выше пределах. Отсюда практический метод определения динамического угла крена -- приравнивание площадей, соответствующих работам кренящего и восстанавливающего моментов (рис. 2.19,а). Первая из них -- площадь прямоугольника ОЕСТD, вторая -- площадь фигуры ОАBD. В связи с тем, что эти площади имеют общий участок ОАСD достаточно равенства площадей треугольников с криволинейными гипотенузами ОБА (вертикальная штриховка) и АБС (горизонтальная штриховка).

Рисунок 23.2 Определение динамического угла крена (а) и предельного динамического момента (б)

На рисунке 23.2, б указанным графическим способом определен предельный динамический момент М_Д.ПР, который выдерживает судно, не опрокидываясь. Очевидно, что при Мд >М_Д.ПР работы восстанавливающего момента не хватит для компенсации работы момента кренящего и судно опрокинется.

С учетом того, что М_д._пр < М_{В mах}, можно сделать и еще один вывод -- динамический момент всегда более опасен, чем статический.

Работа восстанавливающего момента может быть записана в виде

 (23.2)

(23.3)

- плечо динамической остойчивости; Gd=g - сила тяжести: судна.

Графическое изображение функции Т(и) (или, что то же самое в другом масштабе, d(и))-- называется диаграммой динамической остойчивости (ДДО) Из (23.2) и (23.3) следует, что ДДО суть интегральная кривая по отношению к диаграмме статической остойчивости; в начале координат ось абсцисс является касательной к ДДО, при и = и_mах ДДО имеет точку перегиба, а при и = изак -- максимум (рисунок 23.3). ДДО четная функция, она симметрична относительно оси оу.

Рисунок 23.3 Диаграмма динамической oстойчивости

Рисунок 23.4 Определение динамических углов крена и предельного динамического момента

Все задачи, связанные с действием на судне динамического кренящего момента решаются с помощью ДДО проще, чем: с помощью ДСО. Так, на рисунке 23.4 показано решение двух рассмотренных выше задач. Первая из них заключается в определении динамического угла крена, возникающего под действием на судно заданного момента Мд. Ранее мы выяснили, что искомый угол и_д находится из условия равенства работ кренящего и восстанавливающего моментов. Графическое изображение работы последнего -- ДДО, работы постоянного кренящего момента -- луч, исходящий из начала координат [см. левую часть выражения (23.1)]. Для его построения достаточно от начала координат отложить единичный угол (и = 1 рад = 57,3°), на восстановленном из этой точки перпендикуляре отложить заданный момент М_д и провести прямую через эти две точки.

Там, где эта прямая пересечет ДДО, и выполняется условие (23.1), т. е. эта точка соответствует искомому углу и_д. Предельный динамический момент можно найти, проведя из начала координат касательную к ДДО -- точка касания будет иметь место при и_д.ПР, а сам искомый момент определяется при и = 1 рад (рисунок 23.4).

Большой практический интерес представляет задача о воздействии динамического момента (шквала) на качающееся судно. При этом можно рассматривать два крайних случая: в первом - шквал налетает на судно со стороны вошедшего в воду борта в момент, когда угол наклонения при качке достигает своего максимального (амплитудного) значения и₀, во втором случае - со стороны борта, вышедшего из воды. Решение задачи проиллюстрировано на рисунке 23.5. Из точки А, соответствующей углу крена ио, проводят два луча, графически представляющие работу заданного кренящего момента М_к. Там, где эти лучи пересекут правую и левую ветви ДДО, будем иметь динамические углы крена.

Рисунок 23.5 Действие динамического момента на качающееся судно

Как следует из рисунке 23.5, один и тот же момент гораздо опаснее, если он действует со стороны борта, вошедшего в воду. Этот вывод только на первый взгляд кажется неожиданным. Суть в том, что, когда со стороны вошедшего в воду борта налетает шквал, на судно, отклоненное от положения равновесия в ту же сторону, действует восстанавливающий момент, складывающийся с моментом кренящим. Ускорение достигает максимального значения, соответственно велика и угловая скорость, а вместе с ней и инерция судна. Все это приводит к тому, что при указанном сочетании угла крена при качке и направления шквала динамический угол крена будет иметь наибольшее значение. Гораздо менее опасен вариант, когда динамический момент действует со стороны борта, вышедшего из воды.

Впрочем, подобную задачу все мы безошибочно решали в детстве: раскачивая качели, мы подталкивали их именно в момент максимального отклонения от равновесия и именно в ту сторону, куда они и без нашего вмешательства собирались двигаться.

С помощью ДДО по аналогии с тем, как это делалось раньше (см. рисунок 23.4), легко определить и предельный динамический (опрокидывающий) момент при качке с амплитудой: ио (рисунок 23.6).

Рисунок 23.6 Определение опрокидывающего момента при качке

Нормирование остойчивости судна. Правила Регистра регламентируют остойчивость судна. В качестве основного критерия принята динамическая остойчивость, поскольку наибольшая опасность опрокидывания возникает при действии на качающееся судно внезапно приложенного момента. Совместное воздействие волн и ветра на судно учитывается с помощью критерия погоды, представляющего отношение опрокидывающего М_о и динамического кренящего М_д моментов:

(23.4)

Как правило, для морских судов достаточно выполнения требования (23.4), если же суда эксплуатируются в тяжелых штормовых условиях, критерий погоды специально согласовывается с Регистром, рекомендующим в таких случаях принимать к 1,5.

Кренящий момент от давления ветра находят по формуле

(23.5)

где р_В -- давление ветра, Па; А_п -- площадь парусности судна, м ; z_П -- отстояние центра парусности от действующей ватерлинии, м.

Расчетное давление ветра регламентируется Нормами остойчивости Регистра в зависимости от типа судна и его категории по району плавания (от неограниченного морского и океанского до прибрежного и рейдового) и изменяется в пределах р_В=(1771216)Па.

Опрокидывающий момент для качающегося судна, когда ветер действует со стороны вошедшего в воду борта, определяют по схеме, описанной выше (см. рисунок 23.6). Расчетная амплитуда качки ио определяется в соответствии с рекомендациями Норм остойчивости в зависимости от размеров и формы судна.

Указывают и основные варианты загрузки судна, для которых нужно проверять динамическую остойчивость.

Запас остойчивости судна определяется площадью диаграммы статической остойчивости, в связи с чем нормируются и некоторые элементы ДСО.

Максимальное плечо статической остойчивости должно составлять 1_mах 0,25 м для судов длиной L < 80 м и 1_mах 0,20 м длиной L >105 м, для промежуточных значений длины судна применима линейная интерполяция. Регламентируются и углы максимума ДСО и ее заката, которые соответственно должны отвечать условиям и_mах 30°, и_зак 60°.

Те же величины для ДСО, построенной с учетом обледенения судна, должны составлять и_mах 25°, и_зак 55°, для судов ограниченного района плавания 1_mах 0,2 м.

Для всех судов начальная метацентрическая высота должна быть положительной, для некоторых из них Нормы остойчивости специально оговаривают минимально допустимое значение h. Так, для промысловых судов начальная метацентрическая высота h должна быть не менее 0,05 м или 0,003 ширины судна, смотря потому, что больше. Для лесовозов с полным грузом и полными запасами h0,1 м, для контейнеровозов -- h0,2 м (без учета обледенения). Суда длиной L< 20 м должны иметь h 0,5 м для транспортных и h 0,35 м для промысловых. Дополнительные требования предъявляются к остойчивости пассажирских судов: при скоплении всех пассажиров судна на одном борту угол крена не должен превышать половины угла заливания (когда погружаются иллюминаторы)' или угла, при котором палуба надводного борта входит в воду или скула из нее выходит; в любом случае крен не должен превышать 10°.

С учетом того, что в (23.4) величина опрокидывающего момента определяется площадью ДСО, фактически получается, что Правила Регистра регламентируют именно эту диаграмму. Таким образом, для суждения об остойчивости судна при заданном варианте загрузки необходимо иметь его ДСО, которая может быть получена только расчетным путем. Однако каждой ДСО отвечает вполне определенная метацентрическая высота, использующаяся для оперативного контроля остойчивости.

Практические методы нахождения мет...