Проектирование движителей для многорежимных судов с учетом особенностей их работы на различных эксплуатационных режимах

Для решения все усложняющихся задач, которые ставятся в последние годы перед морским транспортом, средствами освоения океана и техническими судами различного назначения потребовалось применение новых типов кораблей и судов, реализующих возможности современных достижений науки в развитии морских технологий. В частности, одним из значительных направлений прогресса в морской технике явилось создание и широкое внедрение нового поколения судов для обеспечения подводнотехнических работ, таких, как спасательные суда, суда для обслуживания месторождений, буровые, поисковые суда, тральщики — искатели. Все указанные типы судов представляют относительно новую морскую технологию работы с подводными объектами, предусматривающую, что рабочие операции производятся судами в режиме динамического позиционирования, под которым понимается удержание на точке или перемещение судна с заданным курсом и курсовым углом под воздействием ветра, течения, волнения. Развитие такой технологии стало возможным в связи с развитием подводной техники, средств гидроакустики для поиска и классификации подводных объектов и компьютеризированных систем динамического позиционирования. Последние включают в себя специализированные движительные комплексы, системы ориентации судов и автоматические системы управления при позиционировании.

В последнее время требования безопасности заставили устанавливать системы динамического позиционирования на пассажирских судах, в частности, чтобы обеспечить маневрирование и удержание в условиях штормового и ураганного ветра.

Перечисленные выше типы судов имеют различное назначение и, следовательно, различный спектр режимов эксплуатации и различный состав движительных комплексов. Так, суда для освоения шельфа, как правило, снабжены специальной системой динамического позиционирования с многочисленными мощными поворотными колонками и подруливающими устройствами, и требования на режиме перехода играют второстепенное значение. Эти суда используют также различные системы ориентации, включая спутниковые и специально установленные акустические буи — мощные акустические излучатели, что несколько снижает требования к их движителям, так как в этом случае не требуется обеспечивать низкие помехи работе гидроакустической станции.

Спасательные суда и суда для подводно — технических работ, как правило, снабжены также набором мощных колонок и подруливающих устройств, однако, зачастую на них предусмотрено использование для позиционирования главных движителей. Для этого типа судов принципиально важным является также быстрый переход в район аварийно — технических работ и использование акустической техники при поиске объектов на дне, поэтому для их движителей важными являются как высокие пропульсивные характеристики на ходовых режимах, так и кавитационные характеристики на режимах малого хода и позиционирования.

Тральщики — искатели являются наиболее сложным типом кораблей по набору требований к их движителям. Для них необходимы высокие пропульсивные и акустические характеристики на режимах свободного хода на переходах и при патрулировании, на режимах траления при буксировке тралов с большим сопротивлением, на режиме поиска целей на малом ходу, а также при позиционировании на режиме уничтожения целей с помощью подводных аппаратов.

Наконец, требования к движителям быстроходных пассажирских судов связаны не только с эксплуатацией их на различных скоростях хода (переход на высокой скорости и круиз на скорости, составляющей, как правило, половину скорости полного хода), но и с необходимостью (по условиям безопасности) позиционирования и удержания судна в аварийной обстановке в штормовых условиях, а также с обеспечением аварийного реверса. При этом следует учитывать высокие требования к кавитационным характеристикам винтов на ходовых режимах, что связано с жесткими требованиями по вибрации от давлений, индуцированных гребными винтами. Учитывая, что в последнее время на пассажирских судах стало преобладающим применение электрических поворотных колонок с винтами фиксированного шага (в отличие от остальных упомянутых типов судов, где, в случае применения винтов на валу используются исключительно ВРШ), проектирование движителей таких судов также должно рассматриваться с учетом требований работы на указанных непроектных режимах.

В соответствии с разнообразием задач, стоящих перед многорежимными судами, и требований к его движителям, для судов с многорежимным спектром эксплуатации применяются несколько типов движительных комплексов:

— гребные винты на валу (как открытые, так и в насадках) в комбинации с различным набором подруливающих устройств;

— крыльчатые движители, в течении длительного времени применявшиеся только на буксирах и технических судах, но в последнее время нашедшие новую область применения в качестве движителей тральщиков — искателей;

— поворотные колонки различных типов, в частности механические колонки с ВРШ и электрические (как правило, тянущие) колонки с ВФШ.

Выбор типа движителей должен осуществляться на основании анализа характеристик судна на различных режимах в соответствии со спектром эксплуатационных задач и возможностью успешного или хотя бы приемлемого решения всего комплекса задач. Получение необходимой для принятия этого решения исходной информации являлось одной из задач настоящей работы.

В • последние годы качественно изменились методы проектирования гребных винтов. В частности, развились методы компьютерного проектирования и расчетов характеристик гребных винтов, позволяющие уже на ранней стадии их проектирования оценивать десятки вариантов и выбирать оптимальный. При этом развитие методов расчета гребных винтов проходило последовательно стадии от модели несущей линии к несущей поверхности, затем получили развитие панельные методы и, наконец, методы решения осредненных уравнений Рейнольдса (RANS — code). Возможности применения указанных методов существенно связаны с возможностями применяемой компьютерной техники (например, уровень применяемой в России компьютерной техники не позволил до настоящего времени даже приступить к развитию RANS — code применительно к гребным винтам). Тем не менее, следует подчеркнуть, что применяемые в настоящее время в отечественной практике методы расчета характеристик гребных винтов при их компьютерном проектировании, основанные на теории несущей поверхности в комбинации с методом сращиваемых асимптотических разложений вблизи кромок, являются инструментом, позволяющим получать количественно достаточно точные данные о характеристиках гребных винтов на так называемых проектных режимах (то есть при умеренной нагрузке и достаточно большой поступи), и на основе расчета многочисленных вариантов не только добиваться оптимального проектирования винтов, но и назначать гарантийные параметры.

Однако, компьютерное решение задач, связанных с расчетом движителей на швартовом и близких к нему режимах (то есть на режиме позиционирования), а также на режимах, маневрирования, в настоящее время весьма далеко от совершенства. Решение указанных задач в рамках «компьютерной гидродинамики» в настоящее время, несмотря на многочисленные попытки, весьма далеко по уровню точности от решений, полученных для гребных винтов на «проектных» слабонагруженных режимах.

Нельзя сказать, что решению указанных задач не уделялось должного внимания. Следует отметить вклад в решение задачи о работе винта на реверсе и на маневрировании И. Я. Миниовича и ААРусецкого, результаты которых позволили создать практические методики, которыми до настоящего времени удовлетворялись потребности отечественного судостроения в решении практических задач проектирования винтов. Большой вклад в определение нагрузок на винтах и валопроводах при работе винтов в нестандартных условиях маневрирования и качки внесли В. Б. Липис, В. С. Шпаков, АЛетров, А. Н. Шебалов, Л. И. Вишневский. В последние годы большие усилия по компьютерным исследованиям работы винтов, в том числе на реверсе, предпринимались В. А. Бушковским, Л. АМухиной, А. В. Васильевым, АШ. Ачкинадзе, В. В. Красильниковым, И. Г. Фроловой.

В принципе, в работах используются существенные допущения, основанные на опыте работы с традиционными схемами расчета гребных винтов, а именно:

— квазистационарные подходы при определении режима работы лопастей;

— предположение о том, что элементы лопасти гребных винтов работают так же, как на проектных режимах, то есть работает модель обтекания профилей цилиндрических сечений лопастей;

— использование для расчетов вызванных винтом скоростей упрощенных вихревых моделей, с достаточной долей условности имитирующих процесс обтекания лопастей. Практические задачи проектирования многорежимных движителей потребовали специального анализа обтекания лопастей на непроектных режимах. При этом необходимо было учитывать тот факт, что на временном отрезке, соответствующем проведению настоящей работы, да и в настоящее время в условиях реального компьютерного обеспечения, решение сформулированных выше практических задач на базе только компьютерных методов не представлялось возможным. В частности, как показал симпозиум, проведенный пропульсивным комитетом 22 конференции МКОБ, удовлетворительные результаты расчета характеристик гребных винтов вблизи швартового режима обеспечивались лишь расчетами по ЯАМЗ-соёе при числе расчетных точек около полутора миллионов, что соответствовало нескольким часам расчета на суперкомпьютере КРЕЙТ. Поэтому в настоящей работе была предпринята попытка выйти на новый уровень понимания процессов, происходящих при работе движителей на нестандартных режимах, с помощью доступных экспериментальных методов с использованием для ряда расчетов и оценок более простых современных компьютерных расчетов, что, в ряде случаев, позволило разработать ряд важных практических рекомендаций.

Научные задачи, решению которых посвящена настоящая работа, непосредственно вытекают из указанных выше практических задач и могут быть сформулированы следующим образом:

— исследование особенностей картины обтекания лопастей сечений движителей на режимах, близких к швартовому, определение реальных углов атаки, с которыми работают элементы лопасти на указанном режиме, уточнение картины течения в целом при работе винта вблизи швартового режима;

— исследование особенностей обтекания профилей сечений лопастей при больших углах атаки, а также исследование практических возможностей улучшения кавитационных характеристик профилей при их работе с большими углами атаки;

— разработка практических мероприятий, направленных на улучшение кавитационных характеристик движителей, работающих вблизи швартового режима, на примере двух движителей — гребных винтов и крыльчатых движителей;

— уточнение экспериментальными методами нагрузок, действующих на лопасти гребных винтов ВФШ при реализации режима аварийного реверсирования и обоснование запасов прочности лопастей при проверке прочности на реверсе;

— исследование кавитационных характеристик гребных винтов на различных режимах маневрирования, в частности, при их использовании в составе движительных колонок, и разработка рекомендаций по малошумному маневрированию.

Представленная диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Глава 1 посвящена исследованию физических особенностей работы движителей различных типов на режиме позиционирования. Сформулирована методика исследования характеристик потока на швартовом режиме. Приводятся результаты исследований поля скоростей вблизи лопастей гребных винтов, крыльчатых движителей, подруливающих устройств и поворотных колонок.

Результаты работы заложены в проекты гребных винтов для спасательных судов проектов «Саяны» и «Гиндукуш», в проект современного отечественного тральщикаискателя, в проект малошумного крыльчатого движителя для тральщиков — искателей, в ряд экспортных проектов гребных винтов для установок А21Р (Ю.

Результаты исследований надежности гребных винтов будут использованы при подготовке новых нормативных документов по прочности винтов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена важная народно — хозяйственная и оборонная задача: создание для судов с многорежимным спектром эксплуатации, реализующих новые морские технологии, движителей, удовлетворяющих гидродинамическим, кавитационным требованиям и требованиям по надежности на различных эксплуатационных режимах.

Для решения указанной задачи:

— исследовано поле скоростей вблизи движителей различных типов — гребных винтов, гребных винтов в насадках, крыльчатых движителей, подруливающих устройств, — на различных режимах работыполучена новая информация о физических особенностях течения вблизи лопастей движителей на различных режимах эксплуатации, включая швартовый режимпо предложенной методике проанализированы условия обтекания лопасти, что позволило оценить диапазон изменения углов атаки лопастей для компьютерного решения задачи о построении профилей сечений с улучшенными кавитационными характеристиками;

— рассмотрены двумерные задачи о кавитационных и гидродинамических характеристиках профилей сечений лопастей при больших углах атаки, характерных для работы движителей на швартовом и близких к нему режимахпоказано, что применение разработанных профилей сечений лопастей с улучшенными кавитационными качествами приводит к улучшению кавитационных характеристик движителей вплоть до швартового режима;

— выполнены кавитационные исследования движителей различных типов и их лопастей для режимов динамического позиционирования;

— на основании выполненных исследований разработаны гребные винты для судов, работающих в режиме динамического позиционирования, удовлетворяющие высоким кавитационным требованиям на этом режиме с одновременным сохранением приемлемых качеств на ходовых режимахрекомендовано для одновременного удовлетворения требований по кавитационным и пропульсивным характеристикам как на ходовых режимах, так и при позиционировании, отказаться от применения традиционных малошумных ВРШ с сильно разгруженным концом лопасти, спроектированных на ходовые режимы, и применять лопасти, специально спроектированные с учетом рекомендаций настоящей работы;

— впервые в мире получены данные о кавитации гребных винтов тянущих электрических колонок большой мощности на режимах реверса и маневрирования и предложены рекомендации, направленные на улучшение кавитационных качеств таких винтов в процессе их эксплуатации;

— получены новые экспериментальные данные по величине и поведению нестационарных нагрузок на лопастях гребных винтов на непроектных режимах, что позволило уточнить применяемые расчетные модели для определения нагрузок при расчете прочности гребных винтов, в частности, на реверсе;

— для проектирования гребных винтов и крыльчатых движителей многорежимных судов предложен аппарат как совокупность компьютерных программ, инженерных приемов проектирования и рекомендаций, основанных на результатах уникальных физических и систематических экспериментов и расчетов, с помощью которого разработаны конструкции гребных винтов и крыльчатых движителей, обеспечивших выполнение требований заказчика одновременно на нескольких эксплуатационных режимах.