Теория устройства судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теория устройства судна

Введение

Целью этого курсового проекта является освоение практических методов расчета полного сопротивления движению судна и гидродинамических характеристик гребного винта по диаграммам серийных модельных испытаний. В ходе выполнения расчетов учитывается взаимодействие корпуса судна, гребного винта и главного двигателя, а также рассматриваются способы построения и использования ходовых характеристик судна, отражающих это взаимодействие. Важнейшим мореходным качеством в процессе проектирования и эксплуатации судна является ходкость судна. Ходкость - это способность судна в заданных условиях плавания развивать требуемую скорость при определенных затратах мощности главных двигателей. При проектировании судна для обеспечения ходкости в зависимости от основных режимов плавания судна осуществляется:

выбор и оптимизация соотношений главных размерений и формы наружных обводов корпуса для достижения наименьших величин полного сопротивления движению судна;

выбор типа и определение оптимальных элементов движителя;

выбор типа и основных характеристик главного двигателя.

Для сравнительной оценки ходкости судна выбирается режим установившегося движения на прямом курсе и условиях спокойной воды.

Результатом курсового проекта является создание оптимального с точки зрения ходкости, комплекса «движитель-двигатель», позволяющего развить заданную скорость хода с минимальными затратами мощности.

1.Расчет полного сопротивления движению судна

1.1 Содержание задания

судно гидродинамический винт

Для заданного судна рассчитать значение полного сопротивления R в диапазоне скоростей хода от нуля до скорости, приблизительно на 10% превышающей заданное значение Vs. Количество расчетных точек не менее шести. Построить кривую полного сопротивления в зависимости от скорости хода.

1.2 Теоретическая часть

Полное сопротивление судна условно разделяется на составляющие, которые предполагаются независимыми друг от друга. При этом составляющие сопротивления увязываются с направлениями с направлениями составляющих поверхностных гидродинамических сил (касательных и нормальных) и с основными физическими свойствами воды (вязкостью и весомостью). В соответствии с этим сила сопротивления

R = RT + RД

где RT - сопротивление трения;

RД - сопротивление давления;

Причём, в общем случае движения судна

где Rф - сопротивление формы (вихревое сопротивление), обусловленное влиянием вязкости воды на распределение гидродинамических давлений по смоченной поверхности судна;

RД - волновое сопротивление, которое обусловлено весомостью воды и возникает вследствие перераспределения давлений по смоченной поверхности судна в связи с волнообразным, вызванным движением судна.

Таким образом, при равномерном прямолинейном движении судна полное сопротивление воды

R = RТ + Rф + RВ = RВЯЗ + RВ,

где RВЯЗ = RТ + Rф - вязкостное сопротивление воды.

Движение судна происходит не только под водой, но и в воздушной среде, поэтому для него полное сопротивление включает также RВОЗД -воздушное (аэродинамическое) сопротивление надводной части корпуса судна, которое по своей природе является вязкостным.

Сопротивления RВЯЗ = RТ + Rф и RВ являются основными составляющими полного сопротивления.

В практических расчётах сопротивления воды движению судна вводятся расчётные составляющие. При этом выделяется сопротивление выступающих частей RВ.Ч. Сопротивление трения разделяется следующим образом:

RТ = RТ.Г. + RШ,

где RТ.Г. - сопротивление трения гладкой гидродинамической поверхности корпуса судна;

RШ - сопротивление, обусловленое шероховатостью поверхности корпуса судна.

Тогда полное сопротивление движению судна

R = RТ + Rф + RВ + RВ.Ч. + RВОЗД

или

R = RТ + RОСТ + RВ.Ч. + RВОЗД ,

где RОСТ = Rф + RВ - остаточное сопротивление.

В практических расчетах полное сопротивление определяется через безразмерные коэффициенты составляющих полного сопротивления Сi по формуле

R=0.5V2(CF+CR+CВ.Ч. +СВОЗД) кН,

где =1,02 т/м3- плотность морской воды, - смоченная поверхность корпуса судна без выступающих частей, м2. Смоченная поверхность вычисляется по следующей формуле Семеки В.А. (0,600):

=Ld[2+1.37(-0.274)B/d]=120*8,7[2+1.37(0.685-0.274)26,2/8,7]=5465,914м2

Коэффициент сопротивления трения СF определяется по формуле

СF = СFп КК + СF,

где СF -коэффициент сопротивления эквиваленитной гладкой пластины;

КК и СF - коэффициенты, учитывающие соответственно влияние кривизны судовой поверхности и её шероховатости на величину сопротивления трения корпуса судна.

КК = 1,035 при L/B = 6,49

СF = (0,4 - 0,5) 10-3

Коэффициент сопротивления трения гладкой эквивалентной пластины определяется в зависимости от числа Рейнольдса Re = vL/ по формуле Прадтля - Шлихтинга.

СFп = 0,455/(lgRe)2,58

Коэффициент сопротивления выступающих частей СВ.Ч. и воздушного сопротивления СВОЗД можно принять

СВ.Ч. + СВОЗД = (0,1 - 0,3)10-3

Серия судов с умеренной полнотой обводов по способу Штумпфа В.М. В данном способе область значений коэффициента общей полноты =0.600-0.800 охватывает большую часть морских транспортных судов различных типов и назначений, а также транспортные суда флота рыбной промышленности. Данная серия подразделяется на основную (вариация соотношений главных размерений и коэффициента общей полноты) и ряд вспомогательных серий, охватывающих изменение геометрических характеристик формы обводов корпуса.

Произведем расчет соотношений главных измерений и безразмерных коэффициентов полноты:

L/B=120/19.3=6,217; B/d=26,2/8,7=3,011; /0,685/0,98=0,699.

1.3 Расчет сопротивления

Таблица 1. Расчет полного сопротивления движению судна производим в табличной форме.



График 1. Зависимость полного сопротивления R,кН от скорости хода VS, узлов.

2.Расчет двигательно-движительного комплекса с гребным винтом фиксированного шага

2.1 Содержание задания

Выбор расчетной серийной диаграммы.

Расчет гребного винта для выбора главного двигателя. Решение вопроса о целесообразности установки редуктора и его передаточном отношении.

Построение кривых действия гребного винта.

2.2 Определение исходных расчетных величин

Целью расчета является выбор двигательно-движительного комплекса, обеспечивающего заданную скорость хода в условиях эксплуатационного рейса с последующей оценкой ходовых и тяговых качеств судна на различных режимах движения.

В расчетах требуется знание предельно допустимого диаметра гребного винта (габаритного диаметра) Dmax. Величина Dmax определяется из условия размещения винта в кормовом подзоре, а также из требования достаточного погружения его под свободную поверхность. Для определения габаритного диаметра в первом приближении можно воспользоваться эмпирической формулой, связывающей Dmax с осадкой судна в районе расположения гребного винта dA.

Dmax=0,65 dA=0,65*9,2=5,98 м.

Коэффициент попутного потока:

Wt=(0,25+2,2(-0,5)2)(0,94+1,8(0,8-(D/d))2)= (0,25+2,2(0,685-0,5)2)(0,94+1,8(0,8-(5,98/8,7))2)=0,298

Коэффициент засасывания:

KDE=DVS0,514= 5,98*14*0.514=2,152

t =0,20+0,1(-0,5)+0,055(KDE-1,8)=0,20+0,1(0,685-0,5)+0,055(2,152-1,8)=0,238

Поступательная скорость винта:

VA=VS*0,514(1-Wt)=14*0,514(1-0,298)=5,052м/с

Упор гребного винта:

Т=ТЕ/(1-t)=407,704/(1-0,238)=535,045кН

2.3 Выбор расчетной серийной диаграммы

При выполнении расчетов диаметр гребного винта D принимается равным его габаритному диаметру Dmax.

Рассчитаем дисковое отношение (АЕ/А0)min1, обеспечивающее отсутствие второй стадии кавитации:

(АЕ/А0)min1=(((1,5+0,35Z)T)/(Pa+gh0-PV) Dmax2))+0,2= =(((1,5+0,35*4)*535,045)/((100+1,02*9,8*5,911-1)*5,982))+0.2= 0,4745

h0=dA-0.55 Dmax=9,2-0,55*5,98=5,911

Рассчитаем минимальное дисковое отношение (АЕ/А0)min2 из условия обеспечения достаточной прочности по Титова И.А.:

(АЕ/А0)min2=а1Т/(е0 Dmax)2=3*10-5*535.045/(0.06*5,98)2=0,124

Выберем в качестве материала гребного винта бронзу (значение коэффициента а1=3*10-5). Относительная толщина лопасти на оси гребного винта е0=е0/D определяется по серийным диаграммам.

е0=е0/D=0,06.

Выбираем проектное дисковое отношение АЕ/А0 из ближайшего серийного значения.

АЕ/А0=0,65

Данному дисковому отношению соответствует винт серии М4-65. Его параметры: Z=4; АЕ/А0=0,65; e0/D=0,06.

2.4 Расчет оптимального движителя в первом приближении

Рассчитаем вспомогательный коэффициент:

КDT=VAD=5,052*5,98*=1,32

По серийным диаграммам определяем: J=0,636;0=0,608; P/D=1,04.

Искомые величины эффективной мощности РDmin и оптимальные обороты винта nopt в этом случае вычисляются по формулам:

РDmin=TVA/0=535,045*5,052/0,608=4445,8 кВт.

nopt= VA/JD=5,052/(0,636*5,98)=1,333об/с=80 об/мин.

2.5 Подбор главного двигателя и решение вопроса об установке редуктора

Выберем номинальную мощность главного двигателя:

PSH PDmin/S=4445,8/0,95=4680 кВт.

Выбираем в качестве главного двигателя ДВС марки 662-VTBF-140(6ДКРН62/140) мощностью 4780 и частотой вращения nн=138 об/мин.

Так как обороты двигателя nн отличаются от nopt, то выбираем одноступеньчатый редуктор с передаточным числом

i=nд/nopt=138/80=1,725

Рис. 1. Диаграмма двигателя внутреннего сгорания

2.6. Уточненный расчет гребного винта

Расчет целисообразно вести методом вариаций с использованием вспомагательного коэффициента КQ , так как расчет через КNQ не приводит нас к решению задачи, (D превышает Dmax ).

Ожидаемое значение максимальной скорости хода судна:

VS 0 = VS ( PSH*S / Pdmin )1/3 = 14 * ( 4780 * 0,95 / 4445,8 )1/3 = 14,1 узл .

Таблица 2. Расчет ведем в табличной форме

По результатам табличных расчетов строим графики зависимостей TE = f(VS),



Рис. 2. По графику определяем оснавные характеристики гребного винта и максимальную скорость хода судна, при найденных характеристиках винта:

P/D=1,05; J=0,639; VS=14,13 уз.

2.7 Построение кривых действия гребного винта в свободной воде

Для построения кривых действия необходимо снять с расчетной серийной диаграммы соответствующие выбранному гребному винту KQ и 0 для ряда значений J. Далее для каждого значения J подсчитывается коэффициент упора:

KT=2KQ0/J

Таблица 3. Результаты представляются в виде графиков KT=f(J), KQ=f(J), 0=f(J).

J	0	KQ	KT
0	0	0.074	0.511
0.1	0.108	0.0694	0.471
0.2	0.211	0.0648	0.43
0.3	0.314	0.05935	0.3898
0.4	0.41	0.05398	0.348
0.5	0.4936	0.04856	0.3012
0.6	0.577	0.04311	0.2605
0.7	0.651	0.03688	0.2155
0.8	0.724	0.03022	0.1718
0.9	0.7233	0.0242	0.1222
1.0	0.673	0.01688	0.0705
1.1	0.3	0.01	0.0171
1.132	0	0.00753	0
1.2		0.00258
1.227		0



График 2. Кривые действия гребного винта в свободной воде

2.8 Расчет и построение паспортной диаграммы судна

Расчет кривых паспортной диаграммы (ТЕ = f (VS) и PS = f(VS )) ведем в табличной форме для 4 - 5 значений J в диапозоне от J=0 до J = 1,1Jс.х.

Относительную поступь свободного хода Jc.х. выбираем соответствующей максимальной скорости свободного хода в условиях эксплутационного рейса.

Таблица 5. Расчет паспортной диаграммы судна .

Расчётная величина	0	0,3Jс.х=0,1921	0,6Jс.х=0,3842	0,9Jс.х=0,5763	1,1Jс.х=0,7044
Kт	0.548	0.43623	0.34928	0.2618	0.2045
KQ	0.0735	0.06407	0.053956	0.042729	0.035134
t	0.238	0.238	0.238	0.238	0.238
Wt	0.298	0.298	0.298	0.298	0.298
A1=KтD4(1-t)/i2	183.047	145.713	116.67	87.448	68.309
A2=2пKQD5/si3	728.674	635.185	534.916	423.612	348.316
A3=JD/(1-Wt)0,514	0	1.846	3.6916	5.537	6.768
n Д1= nmin = 0,3n H =0.69 об/с n Д12= 0.4761 об/с nД13=0.3285 об/с
ТЕ=А1*nД12	87.149	69.374	55.547	41.634	32.522
РS=A2*nД12	239.376	208.664	175.725	139.16	114.425
VS1=A3*nД1	0	1.274	2.547	3.82	4.67
n Д2=0.92 об/с n Д22=0.8464об/c n Д23 = 0.7787об/с
TE = A1*nД22	154.931	113.465	90.85	68.095	53.191
РS=A2*n23	567.41	537.564	452.753	358.545	294.815
VS2=A3*nД2	0	1.698	3.396	5.094	6.238
nД3=1.15 об/с nД32 = 1.3225 об/с nД33=1.521 об/с
ТЕ=А1*nД32	242.08	192.705	154.296	115.65	90.339
РS=A2*nД33	1108.22	966.037	813.54	644.261	529.745
VS=A3*nД3	0	2.123	4.245	6.368	7.783
nД4=1.38 об/с nД42=1.9044 об/с nД43=2.628 об/с
ТЕ=А1*nд42	348.595	277.496	222.186	166.536	130.088
РS=A2*nД43	1915.0	1669.31	1405.8	1113.28	915.4
VS=A3*nД4	0	2.548	5.094	7.641	9.34
nД5=1.61 об/с nД52=2.5921 об/с nД53=4.173 об/с
ТЕ=А1*nД52	474.476	377.7	302.42	226.674	177.064
РS=A2*nД53	3040.96	2650.81	2232.35	1767.85	1453.62
VS=A3*nД5	0	2.972	5.943	8.915	10.896
nД6=1.84 об/с nД62=3.3856 об /с nД63=6.2295 об/с
ТЕ=А1*nД62	619.724	493.326	395.0	296.064	231.67
РS = A2*nД63	4539.28	3956.89	3332.26	2638.89	2169.84
VS = A3*nД6	0	3.397	6.793	10.188	12.453
nД7 = nH=2.07 об/с nД72=4.2849 об/с nД73=8.8697 об/с
ТЕ = А1*nД72	784.338	624.366	499.92	374.706	292.697
РS = A2 *nД73	6463.15	5633.93	4744.57	3757.33	3089.47
VS = A3 *nД7	0	3.87	7.64	11.62	14.01
nД8 = nH=2.3 об/с nД82=5.29 об/с nД83=12.167 об/с
ТЕ = А1*nД82	968.32	770.82	617.18	462.6	361.35
РS = A2 *nД83	8865.78	7728.3	6508.32	5154.1	4237.96
VS = A3 *nД8	0	4.25	8.49	12.74	15.57

3.Паспортная диаграмма судна

Заключение по расчету ходкости судна с гребным винтом фиксированного шага.

В результате расчета ходкости танкера (с расчетной длиной L=120м, шириной В=19,3м, осадкой d=6,43м, коэффициентом полноты мидель-шпангоута =0,98, коэффициентом общей полноты =0,685), получили следующие результаты:

Сопротивление судна, при его максимальной скорости Vsmax=14,13уз, cоставляет R=415 кН.

Использование в качестве главного двигателя - двигатель внутреннего сгорания марки 662-VTBF-140 (6ДКРН 62/140)

число цилиндров - 6

двухтактный

крейцкопфный

реверсивный

с надувом

диаметр поршня - 62см

ход поршня - 140см

номинальные обороты двигателя n=138 об/мин`

мощность двигателя Ps=4780 кВт.

Для уменьшения числа оборотов двигателя, применение одноступенчатого редуктора с передаточным отношением i=1,725, и к.п.д. передачи =0,95.

Использование в качестве гребного винта - гребной винт серии М4-65, с геометрическими характеристиками:

диаметр гребного винта D=5,98 м

шаговое отнощение P/D=1,05

число лопастей z=4

дисковое отношение Ае/Ао=0,65

относительной толщины лопасти на оси гребного винта ео/D=0,06

Mаксимальная скорость свободного хода танкера в условиях эксплуатационного рейса Vsmax=14,13 уз, при Ps=4780 кВт и n=138 об/мин.

Минимальная скорость свободного хода танкера в условиях эксплуатационного рейса Vsmin=4,1 уз, при Ps=173 кВт и n=41,4 об/мин.

Mаксимальная скорость буксировки себе подобного танкера Vsmax.бук= 9,8 уз, при Ps=4365 кВт и n=125,4 об/мин.

Различие достигнутой скорости танкера Vsmax=14,13 уз, с заданной скоростью Vs=14 уз, объясняется выбором более мощного главного двигателя.

Список используемой литературы

судно гидродинамический винт

1.Кулагин В.Д. Теория и устройство промысловых судов.Л.: Судостроение, 1986.- 392 с.

2.Справочник по теории корабля. В трех томах. Том 1. Гидромеханника.Cопротивление движению судов/Под ред. А.И.Войткунского.- Л.: Судостроение, 1985.-786 с.

3.Тристанов Б.А. Методические указания к курсовому проекту *Расчет ходкости судна*.

-Л.: КГАРФ, 1998.- 60 с.

Размещено на Allbest.ru

...