Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

МЕТОД АНАЛИТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СУДНА НА УСТАНОВИВШЕЙСЯ ЦИРКУЛЯЦИИ

Бажанкин Ю.В. 1
1 ФБОУ ВПО «Волжская государственная академии водного транспорта», Нижний Новгород
В настоящей статье описан метод аналитического определения скорости судна на установившейся циркуляции. Рассмотрено первое уравнение системы уравнений движения судна и величины, в него входящие. Приведено выражение для определения продольных усилий, развиваемых движительно-рулевым комплексом, состоящим из открытого гребного винта и расположенного за ним руля. Входящий в это выражение коэффициент засасывания является величиной постоянной, зависящей только от геометрических характеристик корпуса судна в районе выхода гребного вала. На основе аппроксимации кривых действия винта в свободной воде получено выражение для определения полезной тяги винта. Продольное сопротивление воды движению судна получено по выражениям, разработанным В.И. Тихоновым. С учетом полученных выражений было выведено квадратное уравнение, устанавливающее связь между частотой вращения гребного винта и линейной скоростью судна на установившейся циркуляции. Для определения частоты вращения гребного винта использовано уравнение моментов, полученное В.И. Тихоновым. С целью проверки корректности предлагаемой методики были выполнены расчёты относительной скорости и параметров работы винтового движителя на установившихся циркуляциях для десяти судов речного флота. При этом величины радиусов циркуляции и углов дрейфа были взяты из результатов натурных испытаний судов. Анализ расчетных и экспериментальных значений величины относительной скорости позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ аналитического определения скорости судна на установившейся циркуляции достаточно корректен.
расчетный метод
скорость движения судна
тяга винта
циркуляция судна
1. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов. – М. : Транспорт, 1977. – 456 с.
2. Басин А.М., Степанюк Е.И. Руководство по расчёту и проектированию гребных винтов судов внутреннего плавания. – Л. : Транспорт, 1981. – 352 с.
3. Гофман А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник. – Л. : Судостроение, 1988. – 360 с.
4. Справочник маневренных характеристик судов. – М. : Изд. МРФ РСФСР, 1989. – 319 с.
5. Тихонов В.И. Основы теории динамической системы судно – жидкость. – Н. Новгород : ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2007. – 262 с.
Введение

Для качественной подготовки судоводителей на специализированных тренажерах необходимы основанные на уравнениях движения судна математические модели, адекватно отражающие процессы динамического взаимодействия судового корпуса с окружающей его водой и с движительно-рулевым комплексом (ДРК). Стоит отметить, что задачи математического моделирования работы ДРК при маневрировании судна остаются до сих пор нерешёнными.

Разработка метода

Уравнение продольных сил, действующих на судно при установившемся циркуляционном движении, имеет следующий вид [5]:

f 

где m - масса судна;

f - линейная скорость центра масс (ЦМ) судна;

ω - угловая скорость вращения судна относительно вертикальной оси , проходящей через его ЦМ;

β - угол дрейфа судна;

Xp - продольная составляющая силы, развиваемой движительно-рулевым комплексом (ДРК);

XГ - продольная составляющая сопротивления воды движению корпуса судна.

Сила Xp, которую развивает ДРК, состоящий из открытого гребного винта и установленного за ним руля, может быть представлена выражением:

f (2)

Здесь f - число винтов;

f - полезная тяга движителя;

f - угол перекладки руля;

P - упор движителя;

f - коэффициент засасывания.

Коэффициент засасывания f может считаться величиной постоянной, зависящей лишь от геометрических характеристик кормовой оконечности судового корпуса в районе выхода гребного вала. Поэтому при известном значении сопротивления воды прямолинейному движению судна коэффициент засасывания может быть подсчитан по формуле:

f

где f - коэффициент общего сопротивления воды прямолинейному движению судна;

L, T - расчётные длина и осадка судна;

f - скорость прямолинейного движения судна, соответствующая частоте вращения винтов n0;

f - коэффициент упора винта при относительной поступи

g

d - диаметр винта;

f- расчётное значение коэффициента попутного потока, определяемое по данным работы [1].

Следовательно, полезная тяга винта в зависимости от его относительной поступи h может быть представлена в виде

f  (3)

В выражении (3) обозначено:

f - коэффициенты аппроксимации, получаемые при обработке диаграмм для расчёта открытых гребных винтов [2];

ρ - массовая плотность воды;

n - частота вращения винта.

Относительная поступь гребного винта h рассчитывается следующим образом:

f (4)

Здесь f - продольная составляющая вектора линейной скорости судна.

Сила сопротивления воды продольному движению судна может быть подсчитана по выражению:

d (5)

где d - коэффициент сопротивления воды продольному перемещению корпуса судна.

Для приближённых вычислений можно положить [5]

df (6)

В формуле (6) обозначено:

δ - коэффициент полноты водоизмещения судна;

B - ширина судна;

R - радиус установившейся циркуляции при перекладке руля на угол .

f - коэффициент, подсчитываемый по данным работы [5].

С учётом изложенного уравнение (1) представим в виде

f

f (7)

Введём следующие обозначения:

g (8) 

Подставив выражения (8) в равенство (7), получим:

df (9)

откуда

f (10)

В уравнении (10) обозначено:

g

gf

Выражение (10) позволяет найти соотношение между продольной составляющей скорости судна на установившейся циркуляции и частотой вращения винтов, то есть

f  (11)

Для определения частоты вращения винтов воспользуемся полученным в [5] уравнением моментов:

g (12)

Здесь g - крутящий момент на валу гребного винта;

g - момент сопротивления жидкости вращению винта;

y - коэффициент, учитывающий отношение площади диска винта, перекрываемой рулём при гипотетической перекладке последнего на 90°, ко всей площади диска.

Момент сопротивления Mc определяется известной формулой

g (13)

а коэффициент момента K2 с использованием диаграмм для расчёта открытых гребных винтов [2] может быть представлен в виде

h (14)

Для приближённых расчётов крутящий момент g с учётом работы регулятора частоты вращения винта может быть представлен следующим образом:

h (15)

где

g ; h

Очевидно, что

h (16)

Подставив формулы (13)-(15) в уравнение (12), получим:

f (17)

где

h   f

f

Таким образом, выражения (11) и (17) позволяют определить значения продольной составляющей скорости судна и частоты вращения винтов на установившейся циркуляции.

Проверка корректности метода

Для проверки корректности предлагаемой методики были выполнены расчёты относительной скорости

f

и параметров работы винтового движителя для десяти судов, оборудованных различными ДРК: три с открытыми винтами и расположенными за ними рулями; два с винтами в направляющей насадке и расположенными за ними рулями; три с винтами в поворотной насадке и два с винтами в поворотной насадке со стабилизатором. При этом использовались результаты натурных циркуляционных испытаний [4].

Полученные значения относительной скорости f точками показаны на рис. 1. Для сравнительной оценки результатов расчёта с результатами, получающимися путём вычислений по эмпирическим формулам, на рис. 1. представлены кривые вида f, где f, построенные с использованием следующих выражений [3]:

1) по Г.А. Фирсову

g;

(18)

2) по Р.Я. Першицу

f;

(19)

3) по А.М. Басину

f;

(20)

4) по А.Д. Гофману и В.И. Когану

g;

(21)

5) по О.И. Гордееву и В.Г. Павленко

f;

(22)

6) по Ю.М. Мастушкину

f.

(23)

pic

Рис. 1. Результаты расчётов падения линейной скорости на циркуляции.

Вывод

Удовлетворительная сходимость расчётных и экспериментальных значений величины  позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ аналитического определения скорости судна на установившейся циркуляции достаточно корректен. Следует отметить, что инерционность гребного винта пренебрежимо мала по сравнению с инерционностью судна. Поэтому в любой момент времени параметры работы винтового движителя будут определяться мгновенными значениями характеристик движения судна. Следовательно, разработанный автором метод может быть использован для моделирования работы винтового движителя при неустановившемся криволинейном движении судна.

Рецензенты:

Клементьев А.Н., д.т.н., профессор, зав. кафедрой судовождения и безопасности судоходства ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Нижний Новгород.

Тихонов В.И., д.т.н., профессор кафедры судовождения и безопасности судоходства ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», г. Нижний Новгород.


Библиографическая ссылка

Бажанкин Ю.В. МЕТОД АНАЛИТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СУДНА НА УСТАНОВИВШЕЙСЯ ЦИРКУЛЯЦИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 1. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=5550 (дата обращения: 17.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074