Усовершенствование методов и разработка комплекса программ гидродинамического проектировочного расчета движителя типа «АЗИПОД»

Методы расчета гребных винтов постоянно совершенствуются. Это вызвано как быстрым развитием компьютерной техники, с каждым годом предоставляющей в распоряжение пользователей все большие вычислительные мощности, так и появлением новых технических идей собственно в области судовых движителей.

Последние годы одной из наиболее продуктивных и наукоемких технических идей является идея создания движительных колонок с электродвигателем, расположенным внутри обтекаемой гондолы (Azimuthing Electric Propulsion Drive). Согласно (Facinelli, Muggeridge, 1998) данный тип движителя впервые был разработан американскими специалистами (для эскадренного миноносца) еще в 1979 г., но модельные испытания этого корабля были проведены только в 1990;1991 гг. Американские специалисты называют такой тип движителя Podded Ship Propulsor или Podded Drive (Podded Propulsion), не подразумевая специально возможность поворота оси движителя по азимуту. Если возможность поворота вектора упора по азимуту предусмотрена, то такая конструкция чаще всего называется Azimuthing Podded Drive (AZIPOD, или «АЗИПОД»). Следует заметить, что это же название с 1998 г. является еще и зарегистрированной торговой маркой финского консорциума ABB AZIPOD OY.

Среди широкоизвестных преимуществ движителей типа «АЗИПОД» можно отметить (Kurimo, Poustoshniy, Syr kin, 1997): высокую эффективностьнизкий уровень вызываемой вибрацииширокую свободу для проектанта при выборе размещения движителей на судневозможность обеспечения отличной маневренности судна без использования традиционных рулевых устройстввозможность позднего монтажа движителей на судне (за несколько недель до спуска).

Начиная с 1990 г. именно этот тип движителя успешно производится для натурных судов совместно двумя финскими фирмами Kvaerner Masa-Yards и ABB Marine. Первая натурная установка имела мощность 1.5 МВт и была предназначена для финского вспомогательного судна Seili. Затем были изготовлены две установки по 11.4 МВт для арктических танкеров Uikku (1993) и Lunni (1995), две установки по 0.56 МВт для речного ледокола Rothelstein (1995) и несколько установок по 14 МВт для двух круизных судов класса Fantasy (1998). В последнем случае использовались «АЗИПОД» с носовым, т. е. тянущим (pulling или tractor type) расположением гребного винта фиксированного шага относительно гондолы. Водоизмещение судов класса Fantasy составляло 70 400 т, скорость -22 узлана каждом судне было установлено по два движителя. В статье (Kurimo, Poastoshniy, Syrkin, 1997) указана роль северодвинского предприятия «Звездочка» и ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова в разработке и изготовлении этих комплексов, особенно в выборе тянущего варианта. Крупнейший на сегодняшний день круизный лайнер, принадлежащий Royal Caribbean International (водоизмещение 130 000 т, длина 311 м, максимальное число пассажиров 3840 чел. и 1180 членов экипажа), оборудован двумя бортовыми поворотными колонками типа «АЗИПОД» с тянущим ГВ и одной центральной неподвижной колонкой (Fixed Pod) с толкающим ГВ, каждая мощностью по 14 МВт (Hamalainen, van Heerd, 2001).

На конференции CFD'99, проходившей в Норвегии 5−7 июня 1999 года, движительные комплексы «гондола — тянущий винт» назывались AZIPULL Podded Propulsion System и их расчету был посвящен специальный доклад (Gjerde, Vartdal, Block, Poltak, 1999).

На Второй международной конференции по судостроению ISC'98, проходившей в Санкт-Петербурге в 1998 году, было представлено несколько докладов по рассматриваемой тематике. Например, в докладе (Денисов, Тумашик, Усачева, 1998) получены менее оптимистические оценки относительно преимуществ движителей «АЗИПОД», особенно для судов с традиционными обводами и на швартовых. Авторы другого доклада (Лебедев, Бойцов, 1998) путем модельного эксперимента получили прямо противоположный вышеуказанному результат, говорящий о заметно большей эффективности кормового расположения гребного винта на комплексе «АЗИПОД» (который в докладе называется КДРК). Испытания проводились без корпуса судна и без исследования влияния неравномерности набегающего потока на периодические давления, возникающие на обшивке судна. Видимо, поэтому выводы работы оказались противоречащими известным зарубежным и отечественным публикациям, например, результатам 105 лаборатории ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова (Капранцев, Пустотный, Фролова, 1997). На Международной конференции SP'2001 (Санкт-Петербург, 2001), посвященной 95-летию профессора В. М. Лаврентьева, несколько представленных работ содержали результаты расчетных и экспериментальных исследований, связанных с движителями рассматриваемого типа, например, (Szantyr, 2001), (Achkinadze, Berg, Krasilnikov, Stepanov, 2001), (Lobachev, Tchitcherine, 2001), (Frolova, Gaberzettel, Kapranzev, Timoshin, 2001). Исследованиям кавитационных характеристик движителей «АЗИПОД» были посвящены такие опубликованные в 2001 г. статьи, как (Pustoshny, Kaprantsev, 2001), (Friesch, 2001).

Можно указать еще несколько публикаций по движителям «АЗИПОД», например, (Dumez, 1997), (.Kurimo, 1998), (Lepeix, 2001).

Применение движителей типа «АЗИПОД» потребовало решения ряда проблем, которые оказались к этому времени еще не решенными в полной мере. Например, расчет ходкости судна, оборудованного таким движителем, даже при наличии модельного эксперимента требует учета масштабного эффекта и особенностей расположения гребного винта на гондоле значительного диаметра. Диаметр гондолы может достигать 0.45 от диаметра гребного винта, как это имеет место для движителей типа «АЗИПОД», предназначенных для судна типа Ro-Ro длиной 157.8 м, на котором предусмотрена установка двух движителей фирмы Kamewa по 2.8 МВт каждый (Lundh, Wikstrom, 1998). В процитированной работе используется численный метод RANS для расчета вязкого обтекания гондолы и стойки в присутствии ГВ, который моделируется активным диском. В результате авторам удается провести полный расчет ходкости и эффективного поля скоростей в диске гребного винта. Характеристики самого гребного винта при этом считаются заданными через перепад давлений по диску, и его поверочный или уточняющий проектировочный расчет должен выполняться отдельно. Именно так было предложено поступать для осесимметричных тел с гребным винтом в кормовой оконечности Дж. Кервином, использовавшим разработанный специально для этого двухэтапный метод расчета, согласно которому метод RANS применяется для тела и активного диска, а параметры последнего уточняются в процессе последовательных приближений с выполнением на каждом последующем шаге расчета ГВ в заданном поле с использованием нелинейной потенциальной теории несущей поверхности (Kerwin, Black, Taylor, Warren, 1997).

Таким образом, актуальной задачей теории корабля является совершенствование процесса проектирования движителей типа «АЗИПОД» с целью создания конкурентоспособных на мировом рынке установок. Для решения поставленной задачи необходимо создание комплекса программ, предназначенных для проведения гидродинамического проектировочного расчета движителя типа «АЗИПОД» в заданном поле скоростей, а также для визуального представления результатов этого расчета с целью ручной доводки проекта движителя, что обеспечит совершенствование проектируемых установок по сравнению с существующими за счет более глубокой оптимизации и рассмотрения большего числа альтернативных вариантов. В качестве внешнего поля скоростей рассматривается поле от корпуса судна, стойки гондолы и специальных крыльев, если они установлены на гондоле. Влияние осесимметричной гондолы любых размеров и формы (без уступов и изломов) на поток жидкости определяется в процессе последовательных приближений с учетом влияния работающих гребных винтов. Поток жидкости, обтекающий гондолу, рассматривается как невязкий. Таким образом, учитываемое поле скоростей от гондолы оказывается потенциальным и эффективным. Как показано в работе, указанный итерационный процесс обладает практической сходимостью для реально значимых случаев.

Чтобы обеспечить достаточно быструю сходимость расчета в практически важных случаях, делается еще одно существенное допущение, без которого имеющиеся вычислительные ресурсы оказываются недостаточны. Это — гипотеза прозрачности гондолы для свободных вихревых нитей (гипотеза ПГДСВН), которые берутся в виде правильных винтовых линий, согласно обобщенной линейной модели (Ачкинадзе, 1988). При этом для скоростей частиц жидкости выполняется условие непротекания через поверхность ступицы или гондолы, обеспечиваемое распределением по этой поверхности простого слоя неизвестной заранее интенсивности. В процессе решения задачи указанная интенсивность уточняется на каждом шаге процесса последовательных приближений. Принятая гипотеза ПГДСВН полностью соответствует используемой обобщенной линейной модели (OJIM), согласно которой форма свободных вихревых нитей принимается не соответствующей действительному расположению линий тока относительного движения, а упрощенной — с постоянным по оси шагом, величина которого выбирается при помощи специального алгоритма (.Ачкинадзе, 1988), (.Achkinadze, 1989) или при помощи его усовершенствованной в данной работе модификации. Замороженная система свободных вихревых нитей, хотя и не имеет естественной, соответствующей линиям тока относительного движения жидкости, формы, дает достаточно точные значения вызванных скоростей в пределах лопасти при выполнении двух условий: 1) рассматривается проектировочный режим- 2) свободный параметр OJIM, т. е. шаг свободных вихревых нитей, выбран с использованием указанного выше алгоритма.

Полностью нелинейный подход к определению формы свободных вихревых нитей даже в случае поверочного расчета представляет существенные трудности (хотя в целом ряде работ: (Streckwall, 1998), (Ando, 1998), (Moon, Lee, 1998), (Warren et al., 1998), (Liu, Bose, 1998), (Koyama, 1998), (Hughes, Maskew, 1998) эти трудности и преодолены). В случае поверочного расчета, в отличие от проектировочного, необходимость итераций возникает только при определении формы свободных вихревых нитей, которые должны совпадать с линиями тока относительного движения (в то время как для проектировочного расчета при полностью нелинейном подходе возникает проблема определения формы лопасти с учетом радиальной составляющей вызванной скорости, которой обычно пренебрегают). В разработанном алгоритме проектировочного расчета полностью учитывается нелинейность, связанная только с радиальной составляющей вызванной скорости и заданного в диске проектируемого ГВ поля скоростей. При этом нелинейность вихревого следа не учитывается, хотя для учета наличия произвольной откидки поверхность свободных вихрей принята, согласно OJIM, в виде винтовой поверхности, состоящей из правильных винтовых вихревых нитей постоянного по оси шага, начинающихся в точках задней кромки лопасти. В этом случае поверхность свободных вихрей не представляет собой правильный геликоид, но шаг вихревых нитей все же остается постоянным по радиусу и по оси.

Помимо собственно гидродинамического проектировочного расчета, разработанная программная система обеспечивает процесс последующего отображения его результатов и визуальной коррекции проекта движителя. Отдельная программа предназначена для формирования на экране компьютера виртуальной трехмерной модели движителя, что дает возможность качественно оценить проект без изготовления его физической модели и выявить ряд возможных недостатков, трудно поддающихся формальному математическому описанию. Для одного из таких недостатков — «ложкообразности» лопасти — предложена также и количественная мера, основанная на известном из дифференциальной геометрии понятии гауссовой кривизны поверхности. Наконец, в состав программного комплекса входит технологический модуль, позволяющий сформировать теоретические чертежи спроектированных винтов.

Таким образом, в работе были поставлены и решены следующие новые задачи:

1. Разработка и программная реализация алгоритма нелинейной несущей поверхности для гидродинамического проектировочного расчета гребного винта на базе обобщенной линейной модели свободного вихревого следа с целью учета произвольной откидки и саблевидности, а также радиальной составляющей вызванных и заданных скоростей.

2. Учет потенциальной части влияния гондолы при проектировании движительного комплекса типа «АЗИПОД», для чего реализован поверочный расчет обтекания гондолы в присутствии винтов панельным методом.

3. Создание единой программной системы RSPDpod, объединившей вычислительные программы расчета гондолы и винтов в рамках единого итерационного алгоритма, имеющего практическую сходимость и позволяющего на каждом шаге учитывать взаимное влияние всех элементов рассматриваемого комплекса через заданное в необходимых точках поле скоростей.

4. Создание виртуальной трехмерной модели движительного комплекса для визуальной инженерной оценки проекта без изготовления физической модели.

5. Разработка метода количественной оценки конструктивного совершенства формы лопасти с использованием понятия гауссовой кривизны.

6. Автоматизация изготовления документации по проекту, в том числе автоматическое выполнение теоретических чертежей гребных винтов.

В результате проделанной работы был создан прошедший практическую апробацию программный продукт — программная система для проектирования движителей типа «АЗИПОД», позволяющая проектировать как сложные движительные комплексы, состоящие из одного или двух соосных винтов, установленных на гондоле (собственно «АЗИПОД»), так и обычные одиночные и соосные гребные винты. Основные преимущества данной системы перед имеющимися аналогами состоят в следующем:

1. Универсальность программного комплекса, позволяющая использовать его для проектирования как одного, так и двух винтов (противоположновращающихся или тандем) с учетом гондолы или ступицы и с учетом заданных в дисках ГВ внешних полей скоростей, моделирующих при необходимости влияние вязкости, попутного потока корпуса судна, стойки гондолы, крыльевой системы на гондоле и т. д.

2. Реализация усовершенствованного алгоритма теории нелинейной несущей поверхности, позволяющего при экономии времени вычислений учесть реальную саблевидность и откидку лопастей, реальную форму гондолы (или ступицы), а также осевую, окружную и радиальную составляющие индуктивного и заданного внешнего полей скоростей.

3. Наличие развитых средств визуального представления результатов расчета, позволяющих при визуальной оценке геометрии альтернативных вариантов проекта избежать ошибок, которые могут выявиться впоследствии при изготовлении физической модели.

4. Удобство работы с системой, предназначенной для персональных вычислительных машин и оборудованной современным графическим пользовательским интерфейсом, справочной частью, средствами контроля исходных данных непосредственно при их вводе и т. д.

5. Открытость программной системы для последующего включения в нее новых модулей, в том числе и адаптированных программ сторонних разработчиков (например, поверочного расчета или расчета прочности).

Данный программный продукт внедрен в 105-й лаборатории ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова и использован сотрудниками института при выполнении ряда проектов. Приведенные материалы нашли отражение в 10 публикациях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе выполнения данной диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработан алгоритм гидродинамического проектировочного расчета одиночного гребного винта на основе нелинейной теории несущей поверхности, позволяющий учесть радиальную составляющую индуцированного и заданного внешнего полей скоростей. От известных алгоритмов он отличается быстрой сходимостью и применением модифицированной обобщенной линейной модели вихревого следа. Этот алгоритм, как продемонстрировано в работе, не имеет ограничений по сложности геометрии лопастей и в ряде реальных случаев, например, когда имеется значительная откидка лопастей, дает существенное уточнение в распределении шага и кривизны по радиусу для проектируемого гребного винта по сравнению с традиционными алгоритмами, не учитывающими радиальную составляющую. Важными особенностями алгоритма являются возможность задания в диске проектируемого гребного винта дополнительного внешнего поля скоростей (учитывающего индукцию другого гребного винта и/или гондолы) и расчета поля индуктивных скоростей в следе и перед спроектированным гребным винтом. Закон распределения нагрузки по хорде считается заданным и соответствующим NACA, a=0.8. Предусмотрена возможность использования двух законов распределения циркуляции по радиусу: заданного или оптимального. В последнем случае применяется обобщенное условие оптимума (ОУО), полученное в 1989 г. А. Ш. Ачкинадзе и способное принимать во внимание заданное внешнее неравномерное поле скоростей.

2. Разработан алгоритм расчета потенциального обтекания осесимметричной гондолы панельным методом в неравномерном поле скоростей, позволяющий учесть влияние работы гребных винтов или одного гребного винта на обтекание гондолы, а также найти потенциальную часть эффективного попутного потока, вызванного гондолой, в диске проектируемого гребного винта. Предлагаемый алгоритм полностью решает проблему учета размеров и формы ступицы в процессе проектирования одиночного гребного винта. На конкретных проектах гребных винтов показана существенная роль учета ступицы и ее формы. Приведен пример расчета движительного комплекса с соосными гребными винтами «АЗИПОД», имеющего развитую гондолу сложной формы, и продемонстрировано удовлетворительное согласование с экспериментом.

3. Выполнен анализ встречающихся в работе сингулярных интегралов с точки зрения выбора наиболее эффективного алгоритма их вычисления. Получены аналитические выражения для вызванной в пространстве скорости от плоской панели (треугольной и прямоугольной формы в плане), в пределах которой распределен простой или вихревой слой постоянной интенсивности. Проведены систематические сравнительные расчеты встречающихся сингулярных и подобных им интегралов с использованием полученных аналитических выражений и известного симметризованного двойного составного правила Гаусса, позволяющего находить приближенные значения указанных интегралов. На основе выполненного исследования в целях ускорения расчета принято решение при расчете гондолы использовать аналитические выражения для треугольных элементов, а в случае расчета гребного винта использовать указанную специальную кубатуру, так как она, как известно, применима не только к плоским, но и к криволинейным элементам несущей поверхности.

4. Разработан итерационный алгоритм гидродинамического проектировочного расчета движителя типа «АЗИПОД», который использует перечисленные в пп. 1−2 алг оритмы в качестве вложенных процедур, так что на каждом шаге процесса последовательных приближений проектируется один гребной винт в заданном поле скоростей, которое учитывает индукцию гондолы и другого винта (если рассматривается случай двух гребных винтов). Указанный итерационный процесс, как показано в работе на конкретных проектах, имеет отличную практическую сходимость. При использовании обобщенного условия оптимума для каждого гребного винта соосной пары разработанный итерационный алгоритм позволяет получить проект комплекса, практически совпадающий со строго оптимальным, соответствующим наибольшей тяге комплекса при заданной суммарной мощности.

5. На основе указанных алгоритмов создана программная система RSPDpod, которая может быть использована для инженерных расчетов при проектировании как традиционных одиночных гребных винтов на ступице, так и различных компоновок современных движителей типа «АЗИПОД» с соосными гребными винтами противоположного вращения или соосными гребными винтами-тандем (то есть вращающимися в одну сторону) на гондоле. Программная система RSPDpod была внедрена в 105-й лаборатории ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова в декабре 1999 г. и используется в текущем проектировании.

6. Кроме собственно гидродинамического проектировочного расчета гребного винта, в разработанную программную систему включены вспомогательные программы, позволяющие на практике использовать диалог при подготовке и получении данных, использовать методы визуального интерактивного контроля результатов проектировочного расчета гребных винтов с применением механизмов трехмерной компьютерной графики, а также автоматизировать разработку теоретического чертежа. Для анализа геометрии поверхности лопасти на нежелательную ложкообразность разработана программа, использующая понятие гауссовой кривизны поверхности.

7. Тестовые расчеты и прямое сравнение с экспериментом подтвердили работоспособность программной системы RSPDpod, обеспечивающей необходимую точность определения распределений шага и кривизны сечений лопастей по радиусу. Основные результаты и теоретические положения представленной работы успешно прошли апробацию на нескольких отечественных и международных конференциях. Среди них: НТК «XXXVIII Крыловские чтения» (1997 г., Санкт-Петербург), НТК «XXXIX Крыловские чтения» (1999 г., Санкт-Петербург), Третья международная конференция по морским интеллектуальным технологиям МОРИНТЕХ'99 (1999 г., Санкт-Петербург), Первая конференция молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям МОРИНТЕХ-ЮНИОР (2000 г., Санкт-Петербург), Symposium «Propellers/Shafting'2000» (2000 г., Virginia Beach, USA), International Symposium on Ship Propulsion dedicated to the 95th Anniversary of Professor V.M. Lavrentiev (2001 г., Санкт-Петербург).

8. С использованием разработанной программной системы RSPDpod спроектированы и испытаны в опыговом бассейне ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова несколько моделей одиночных гребных винтов и движитель типа «АЗИПОД» с соосными гребными винтами-тандем (то есть вращающимися в одну сторону). Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных показал удовлетворительное согласование по величине упора, момента и к.п.д. Отличие от экспериментальных значений не превысило 4%.

9. В работе проведены систематические расчеты, имеющие своей целью исследование ряда проектных параметров. Было исследовано влияние откидки сечений лопасти и наличия ступицы на шаг и кривизну сечений проектируемых гребных винтов, а также исследована возможность повышения эффективности движителя типа «АЗИПОД» за счет применения соосной пары гребных винтов и установки дополнительной крыльевой системы на гондоле между гребными винтами. В результате проведенных исследований, в частности, было установлено: что при значительных изменениях откидки сечений лопасти (угол откидки конца лопасти изменяется на 30−40°) изменения шага могут достигать 3%, а кривизны -6%- что влияние конусности ступицы относительного радиуса 0.3 достаточно велико на корневых сечениях лопасти и даже на концевых сечениях (г >0.5) это влияние существенно (до 3% по шагу и до 5% по кривизне при изменении угла конусности от -7 до +14 градусов) — что среди различных компоновок движителя типа «АЗИПОД» явное преимущество по эффективности имеет соосная пара противоположновращающихся гребных винтов, установленных на разных концах гондолы. По сравнению с одиночным тянущим гребным винтом она дает 5% прироста к.п.д. Аналогичного прироста можно добиться на движительном комплексе с винтами-тандем путем установки на гондоле крыльевой системы, закручивающей поток, набегающий на задний гребной винт, в противоположную вращению винта сторону (эти выводы сделаны без учета стойки, а также сил засасывания и вязкостного попутного потока, возникающих на гондоле).

10. Результаты данной работы могут быть использованы:

— для проектирования судовых движителей типа «АЗИПОД» с одиночным гребным винтом и с соосной парой гребных винтов-тандем или винтов противоположного вращения;

— для проведения систематических расчетных исследований влияния различных параметров проектируемых движителей типа «АЗИПОД» на их эффективность: в качестве элемента интегрированной программной системы автоматического проектирования движителей типа «АЗИПОД», содержащей, кроме описанной в данной работе программной системы RSPDpod, программу нестационарного поверочного расчета и программу анализа прочности.