Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор состояния проблемы и постановка задачи 8
1.1. Краткий обзор состояния проблемы...
1.2. Постановка задачи исследований 17
Глава 2. Характеристики пропульсивного комплекса "корпус судна - двигатель - движитель в эксплуатации 20
2.1. Винтовая характеристика - обобщенная характеристика корпуса судна, гребного винта и двигателя 23
2.2. Изменение коэффициента С*> винтовой характеристики в эксплуатации 34
2.3. Изменение коэффициента С# винтовой характеристики 46
2.4. Изменение коэюфициента Л, винтовой характеристики в эксплуатации 54
2.5. Работа двигателя по винтовым характеристикам при изменении внешних эксплуатационных условий 57
2.6. Диапазоны допустимых нагрузок главных судовых дизелей 65
Глава 3. Математическое моделирование изменения винтовой характеристики двигателя и пропульсивных характеристик судна в процессе эксплуатации. описание алгоритмов и программ 75
3.1. Структура и цели разработки математическое модели изменения винтовой характеристики двигателя в эксплуатации., 75
3.2. Описание алгоритма и программы расчетов коэффициента нагрузки пропульсивного комплекса (КНПК) и пропульсивных характеристик судна с учетом влияния шероховатости лопастей гребного винта 79
3.3. Описание алгоритма и программы расчетов КНПК и пропульсивных характеристик судна при изменении геометрических характеристик гребных винтов 99
3.4. Описание алгоритма и программы расчета кривых действия гребного винта с учетом шероховатости и изменений периферийной части лопасти после корректировки III
3.5. Алгоритм и описание программы для определения коэффициентов взаимодействия и смоченной поверхности корпуса транспортных судов JI8
3.6. Описание алгоритма и программы интерполяции значений функций 121
3.7. Краткая инструкция по использованию разработанных алгоритмов и программ 125
Глава 4. Математическая модель изменения винтовой характеристики в решении научно-исследовательских и практических задач эксплуатации судов .
4.1. Сопоставление расчетных и экспериментадьных винтовых характеристик - 131
4.2. Исследования влияния шероховатости корпуса на параметры, определяющие винтовую характеристику и пропульсивные качества судов различных типов 143
4.3. Влияние шероховатости лопастей гребных винтов на пропульсивные качества судна и расход топлива главного двигателя 159
4.4. Математическое моделирование показателей работы судового двигателя в эксплуатации... 174
4.5. Корректировка винтовых характеристик двигателей в эксплуатации 192
4.6. Исследование влияния корректировки геометрических характеристик гребного винта на пропульсивные качества морских судов 201
Заключение 225
Список использованных источников 229...
Приложение
- Постановка задачи исследований
- Изменение коэффициента С*> винтовой характеристики в эксплуатации
- Описание алгоритма и программы расчетов коэффициента нагрузки пропульсивного комплекса (КНПК) и пропульсивных характеристик судна с учетом влияния шероховатости лопастей гребного винта
- Исследования влияния шероховатости корпуса на параметры, определяющие винтовую характеристику и пропульсивные качества судов различных типов
Введение к работе
Морской транспорт является важной составной частью единой транспортной системы Советского Союза. Коммунистическая партия и Правительство СССР уделяют большое внимание дальнейшему развитию и совершенствованию всех видов транспорта, в том числе и морского. В докладе на торжественном заседании в Кремле в честь юбилея Союза ССР Генеральный Секретарь ЦК КПСС Ю.В.Андропов в ряду важнейших задач, стоящих перед нашей страной назвал и дальнейшее совершенствование работы транспорта: "В государстве столь обширном, как наше, совершенно особую роль играет транспорт. Роль и экономическую, и, если хотите, психологическую". Большое внимание работе транспорта было уделено и на ноябрьском (1982 г.), и на июньском (1983 г.) Пленумах ЦК КПСС, в постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об улучшении планирования, организации перевозок народнохозяйственных грузов и пассажиров и усилении хозяйственного механизма на повышение эффективности работы предприятий и организаций транспорта".
Как известно, около 70%, т.е. наибольшую часть производственных фондов морского флота составляют суда различного назначения, в том числе, более 1700 транспортных судов. Поэтому на конечные результаты работы флота, в том числе на выполнение производственных и финансовых планов существенное влияние оказывает техническая эксплуатация флота. Как вид производственной деятельности, техническая эксплуатация флота предназначена для использования судов по прямому назначению с заданными технико-эксплуатационными характеристиками. Она связана с большими тру довыми и материальными затратами, в том числе с существенными затратами на топливо. Одним из важных вопросов технической эксплуатации флота является разработка методов прогнозирования эксплуатационных характеристик судна как единого пропульсивно-го комплекса, исследование изменений характеристик этого комплекса, разработка и осуществление мероприятий, направленных на увеличение эффективности работы судна в эксплуатации. Исследования, представленные в диссертации позволяют решить указанные вопросы и направлены на повышение эффективности технической эксплуатации флота.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и содержит 149 страниц основного машинописного текста, 15 таблиц, 50 рисунков, 71 наименование используемой литературы.
Постановка задачи исследований
Изложенное в п.1.1 позволяет сформулировать основные задачи исследований настоящей диссертационной работы.
На основе физических закономерностей о влиянии внешних эксплуатационных факторов на работу каждого элемента пропульсивного комплекса "корпус судна - главный двигатель - гребной винт" необходшло разработать математическую модель работы комплекса в целом.
Принимая за основу частную математическую модель, разработанную совместно в [12] по изменению сопротивления судна в эксплуатации и модель Ф.М.Кацмана [і7] по изменению гидродинамических характеристик гребных винтов необходшло их взаимоувязать, используя для этого возможности современных методов программирования и ЭВМ. Особое внимание в этих моделях следует уделить наименее изученным вопросам, к которым прежде всего относятся характеристики взаимодействия гребного винта с корпусом судна и гребного винта с двигателем в эксплуатации, собственно математическая модель работы двигателя.
В работе [17] главный двигатель учитывался только формой ограничительной характеристики. Единая математическая модель комплекса должна более полно учитывать главный двигатель, -желательно в форме равноправной с другими элементами комплекса математической моделью.
Все три основные элемента пропульсивного комплекса и он в целом должны иметь общий критерий, характеризующий его работу в эксплуатации. В [17] этот критерий отсутствует и подменен понятием "пропульсивные характеристики судна". Под последним, как известно, понимаются самые разнообразные зависимости, в том числе Л/е(л) , V s(/?) , A/e(Vs) , Х,ґ ), Хг(ір) и другие.
Одним из важных вопросов работы является определение единого комплексного критерия, отражающего взаимосвязь всех характеристик элементов пропульсивного комплекса. К числу таких критериев могут быть отнесены пропульсивный коэффициент, адмиралтейский и аналогичные ему коэффициенты, винтовая характеристика двигателя, специально созданные критерии или характеристики. Проработка этого вопроса показала, что наиболее удачным критерием в качестве обобщенной характеристики комплекса является винтовая характеристика, как совместная характеристика двигателя, корпуса и гребного винта.
Математическая модель винтовой характеристики, апробированная материалами натурных испытаний, эксплуатационными и экспериментальными данными, должна быть представлена рядом развернутых алгоритмов, отражающих и учитывающих все основные факторы эксплуатации.
Для оперативного решения практических задач и выполнения систематических исследований в широком диапазоне изменения различных эксплуатационных факторов проведение всех расчетов должно проводиться на ЭВМ. _
На базе разработанных алгоритмов и созданных программ для ЭВМ необходимо провести исследования изменений винтовой характеристики, характеристик пропульоивного комплекса " корпус судна - главный двигатель - гребной винт", и основных показателей работы судна в широком диапазоне изменений внешних эксплуатационных условий. На данном этапе все исследования целесообразно выполнить применительно к отсутствию влияния ветроволновых факторов. Это обусловлено тем, что последние достаточно хорошо изучены, а их учет значительно усложнит исследования. Помимо этого, многие практические вопросы вполне корректно решать применительно к условиям ШТРІЛЯ и безветрия.
Учитывая, что основным типом судовой силовой установки на современных транспортных судах является малооборотный дизель с газотурбинным наддувом, работающий на гребной винт фиксированного шага, все исследования целесообразно выполнять применительно к этому типу силовой установки.
Основываясь на выполненных исследованиях необходимо разработать методы расчета и прогнозирования основных показателей работы судна, предназначенные для решения различных научных и практических вопросов, направленных на повышение эффективности работы флота. Такім образом, предметом защиты настоящей диссертации является исследование винтовой характеристики как обобщенного критерия пропульоивного комплекса судна с помощью математической модели, учитывающей основные эксплуатационные факторы. Винтовая характеристика рассматривается применительно к условиям работы судна на чистой воде при отсутствии ветра, волнения и мелководья.
Изменение коэффициента С*> винтовой характеристики в эксплуатации
Основными факторами, влияющими на сопротивление воды движению судна в процессе его эксплуатации при заданной скорости являются величина смоченной поверхности корпуса -? и коэффициент сопротивления корпуса. В расчетах величины сопротивления корпуса данного судна определение значений -5? обычно не вызывают особых затруднений, так как в кавдом конкретном случае известны главные размерения судна, средняя осадка и диф ферент, что позволяет рассчитывать величину смоченной поверхности корпуса по одной из эмпирических формул, дающих хорошее совпадение расчетных значений с фактическими.
Значительно более сложной задачей является определение величины коэффициента сопротивления корпуса судна, определяющего изменение коэффиниента С винтовой характеристики в процессе эксплуатации. Его значение в каждом конкретном случае зависит от состояния обшивки корпуса, ветро-волновых факторов и скорости. Как уже отмечалось в работе, вопросы влияния ветро-волновых факторов на увеличение коэффиниента сопротивления корпуса носят случайный характер и достаточно изучены, поэтому их влияние при проведении исследований не учитывалось.
Наибольшие трудности возникают при определении коэффициента сопротивления корпуса, увеличивающегося под воздействием шероховатости его обшивки в эксплуатации. Анализ исследований этого вопроса показал, что до настоящего времени не существует строгой теории, позволяющей опенить вшшние изменения эксплуатационной шероховатости корпуса судна от времени и условий плавания на коэффициент полного сопротивления корпуса [24] , [27] . Поэтому на данном этапе для оценки влияния эксплуатационной шероховатости корпуса на винтовую характеристику можно использовать только осредненные зависимости, полученные после статистической обработки данных эксплуатации.
Известно, что методы оценки увеличения коэффициента сопротивления корпуса в эксплуатации были предложены А.А.Рихтером [42] , Ю.А.Шведом [50j , Льюисом, Аэртсеном и Ньютоном [24] и другими.
В этих работах на основе обобщения и обработки статистического материала или в результате обработки конкретных данных об эксплуатации определенного судна представлены сведения о полученных авторами закономерностях изменения пропульсивных характеристик судов. Как правило, совокупность таких закономерностей предлагается в качестве метода, позволяющего осуществлять расчетные прогнозы изменений основных параметров ходкости. Основным недостатком этих методов является неполный учет всех факторов, слагающих механизм взаимодействия характеристик комплекса корпус-двигатель-гребной винт и недооненка отдельных факторов, отражающих влияние внешних эксплуатационных условий на характеристики каждого элемента этого комплекса.
В работе [50] содержатся следующие зависимости для опенки увеличения коэффициента сопротивления: В работе f42J зависимость от времени эксплуатации и коэффициента ходового времени "х0А Т представлена в виде номограммы.
Аэртсен рекомендует [24] использовать формулу Ньютона, которая с помощью эмпирических коэффициентов учитывает как ухудшение состояния корпуса в процессе эксплуатации, так и влияние качества обработки корпуса после предыдущего докования: где: iOO - - процентное увеличение составляющей сопротив-У ления трения; /2 - число дней после докования; О, и - коэффициенты, зависящие от эффективности применения антиобрастающих красок.
Анализ соответствующих методов расчета коэффициента сопротивления корпуса в зависимости от времени эксплуатации, показал, что этот вопрос остался недостаточно изученным. Перечисленные методы расчета позволяют определить ориентировочную величину осредненной надбавки на эксплуатационную шероховатость к коэффициенту полного сопротивления корпуса, вызванной его коррозией и обрастанием за заданный промежуток времени, но при проведении расчетов по этим методам не учитываются такие важные факторы, как влияние шероховатости лопастей гребного винта, влияние изменений коэффициентов попутного потока и засасывания : при увеличении шероховатости и обрастании корпуса.
Многочисленные наблюдения автора за состоянием корпуса в период профилактических докований судов на Канонерском СРЗ, СРЗ "Красная Кузница" и .других заводах, а также анализ данных машинных журналов и рейсовых донесений с осмотренных судов за междоковый период позволили установить, что состояние корпуса и изменение пропульсивных характеристик судаа за междоковый период в значительной степени зависит от района плавания, величины стояночного и ходового времени и степени шероховатости гребного винта. Ряд расчетов по приведенным методам, проведенных применительно к конкретным судам, показал, что не во всех случаях результаты расчетов совпадают с данными эксплуатации. Эти обстоятельства выявили необходимость разработки нового метода обработки данных эксплуатации судов и теплотехнических испытаний главных двигателей, который позволил бы получить зависимости увеличения величины А от района плавания, соотношения ходового и стояночного времени, состояния лопастей гребного винта и .других факторов.
Б основу этого метода положено уравнение винтовой характеристики двигателя (2.7), а также использованы разработанные Ф.М.Кайманом и А.Ф.Пустотным [23] зависимости увеличения коэффициента попутного потока при увеличении A f и изменения коэффициента подъемной силы Су и профильного сопротивления лопасти Сх при увеличении шероховатости гребного винта.
В работах [17] , [23] показано, что влияние увеличения шероховатости обшивки корпуса и его обрастания сказывается не только на величине коэффициента полного сопротивления, но и приводит к увеличению попутного потока ft0 за счет увеличения его вязкостной составляющей. Изменение ftQ шероховатого корпуса при апробированном допущении ftp fG , где ft -вязкостная составляющая коэффициента попутного потока, может быть определено с помощью зависимости:
Описание алгоритма и программы расчетов коэффициента нагрузки пропульсивного комплекса (КНПК) и пропульсивных характеристик судна с учетом влияния шероховатости лопастей гребного винта
Алгоритм AI и соответствующая программа предназначены для проведения расчетов при прогнозировании и исследовании изменений КНПК и пропульсивных качеств судна в широком диапазоне изменений характеристик корпуса и гребного винта. Различные модификации этого алгоритма позволяют оценить как совокупное влияние изменений сопротивления, коэффициента попутного потока и шероховатости лопастей гребного винта на исследуемые характеристики пропульсивного комплекса, так и влияние каждого из факторов в отдельности.
На рис. 3.1 представлена укрупненная блок-схема алгоритма All. Исходные данные, необходимые для проведения расчетов в
соответствии с разработанным алгоритмом и программой, приведены, в табл. 3.1. Все данные вводятся при помощи оператора tfAMELIST Для удобства организации ввода они разбиты на 3 группы, каждой из которых присвоено соответствующее имя.
-Для ввода в программу информации о прошедших или предполагаемых рейсах судна за междоковый период или любой другой интересуемый промежуток времени предусмотрен массив из 100 чисел с именем ТІ, который формируется исходя из фактического соотношения стояночного и ходового времени судна. Учет зон эксплуатации осуществляется присвоением каждому этапу рейса соответствующего индекса, исходя из возможных или известных климатических условий. Пример составления массивов чисел ТІ и ВІ приведен в табл. 3.2 - 3.4 по данным рейсов т/х "Профессор Щеголев" после выхода судна из дока 26.03.80.
Для анализа изменения пропульсивных характеристик судна за период, определяемый суммой всех чисел массива ТІ, в алгоритме предусмотрено разделение этого периода на 10 произвольных частей, из которых составляют массив "заданного" времени с именем ТЗ.
В связи с тем, что суда эксплуатируются в широком диапазоне осадок, в алгоритме предусматривается проведение расчетов для 10 значений средних осадок с соответствующим значением дифферента. Значения расчетных осадок и дифферента судна вводятся в память машины массивами с именами ТТІ и А0. В случае, если требуется меньшее число расчетных осадок, чем это предусмотрено ( / /О ), тогда достаточно записать ТТІ ( / ) = 00. Сведения о геометрических размерах гребного винта, как это, уже указывалось, снимаются с чертежа. В соответствии с алгоритмом, данные о ширине, толщине, шаге лопасти и т.п. должны быть представлены массивами чисел (от 6 до 12 значений в каждом массиве), где первый элемент массива - тот или иной размер ближайшего к ступице сечения лопасти, а последний - размер крайнего сечения. Пример составления исходных данных о геометрических размерах гребного винта приведен в табл.3.5. Учитывая, что на различных чертежах гребных винтов может быть нанесено произвольное количество сечений, для их подсчета алгоритмом предусмотрено присвоение следующему за последним действительным значением элементу массива GAMZ цифры 00.
В целях проведения исследований влияния того или иного фактора на изменение пропульсивных характеристик судна в алгоритме предусмотрены следующие варианты расчетов: - расчет влияния изменения характеристик без учета изменения шероховатости гребного винта. Для этого случая управляющий идентификатор $А-0 и определение пропульсивных характеристик судна производится только в зависимости от изменения сопротивления корпуса, попутного потока и засасывания. Шероховатость лопастей считается в этом случае постоянной и может быть задана переменной с именем - расчет влияния изменения пропульсивных характеристик без учета изменения коэффициента попутного потока по (2.16). Для этого случая переменной QB1 нужно присвоить значение, равное I; - расчет влияния изменения характеристики под влиянием только шероховатости лопастей гребного винта (Д%"=О) . Для этого случая необходимо переменной QQ присвоить значение, равное I., а переменной QA - любое значение, отличное от 0. Для увеличения диапазона изменения шероховатости лопастей введена переменная QC\ Если QC - I, тогда текущее значение параметра шероховатости увеличивается в 5 раз.
Для преобразования исходных данных, снятых с чертежа гребного винта, к виду, необходимому для расчетов кривых действия по подпрограмме W# , производится интерполяция, где аргументом являются значения текущих радиусов, а функцией - значение шири -ны, толщины лопасти и где / изменяется от I до 41, определяются значения ширины, толщины, подъема носика, средней линии профиля и шага для всех 40 сечений лопасти. Пересчет величины шага на величину шагового угла производится по формулеfa
Полученные значения размеров 40 сечений лопасти используются для определения кривых действия гребного винта. Первоначально, для контроля, определяются кривые действия гребного винта без учета его шероховатости. Эти кривые действия предназначены для сопоставления с данными диаграмм серийных испытаний гребных винтов.
Далее, в соответствии с алгоритмом, представленным на рис.3.1 организован основной цикл расчетов, в котором текущей переменной является произвольно заданное значение ТЗ. Организация вычислений величины осредненнои надбавки на шероховатость корпуса А)Г=/(РЛ Х СТ) ПО (2 2) &ш различных заданных промежутков исследуемого периода эксплуатации показана на рис.3.2. Для учета влияния явления "старения" корпуса на коэффициент полного сопротивления в алгоритме предусмотрен коэффициент 4 . Учитывая, что в настоящее время не имеется достоверных данных об изменении коэффициента сопротивления корпуса от срока службы судна, его следует рассматривать как поправочный коэффициент со значением @= 1,0 1,5. в После расчета Л " для учета влияния осадки судна на его смоченную поверхность все дальнейшие расчеты проводятся еще
Исследования влияния шероховатости корпуса на параметры, определяющие винтовую характеристику и пропульсивные качества судов различных типов
Результаты количественного анализа изменений коэффициентов Су , Ср и винтовой характеристики, приведенные в п.2.5 диссертации, свидетельствуют о том, что изменения винтовой характеристики двигателя и основных его показателей в эксплуатации определяются типом судна и условиями его работы.
Учитывая, что увеличение шероховатости корпуса судна является основным фактором, влияющим на изменение режима работы гребного винта и коэффициентов взаимодействия винта с корпусом в эксплуатации, был выполнен ряд исследований, позволяющих оценить влияние этого фактора на параметры винтовой характеристики и основные показатели работы судна. Все необходимые расчеты выполнялись с использованием математической модели, алгоритм которой описан в главе 3.
Изменение шероховатости корпуса в целях исследований учитывалось путем априорного задания ряда значений коэффщиента полного сопротивления корпуса. Соответствие коэффициентов сопротивления корпуса конкретной степени шероховатости поверхности может быть ориентировочно оценено по рис.4.4 [бб] .
Варьирование доли коэффициента полного сопротивления, обусловленной шероховатостью корпуса, производилось в достаточно широких пределах, от 0 до 80% от исходного значения для судов различных типов с коэффициентами полноты корпуса от 8= 0,825 до &= 0,59.
Исследовалось порциальное влияние увеличения коэффициента сопротивления на изменение потребной мощности, скорости хода, пропульсивного коэффициента, коэффициентов взаимодействия гребного винта с корпусом, гидродинамических характеристик гребного винта при условиях постоянства скорости судна, мощности или частоты вращения главного двигателя с учетом ограничительных характеристик.
При анализе результатов расчетов, приведенных в этом разделе работы, необходимо учитывать, что они получены в предположении, что гребной винт чистый. Данные о влиянии шероховатости гребного винта на пропульсивные качества судов приводятся в разделе 4.3.
На рис.4.5 представлены результаты расчета изменения мощности A /v , отнесенной к мощности /\/е0 для технически гладкого корпуса, в зависимости от относительного приращения коэффициента сопротивления корпуса Л / . Расчеты проводились для случаев постоянной скорости хода V consf за-данной частоты вращения гребного винта. Обращает на себя внимание характер зависимости 4fc/tfe0 = /( Г/Го) tTs = л близкий к линейному. При постоянстве частоты вращения имеют место небольшие нелинейности при 15-30% изменения А Г/J , вызванные влиянием увеличения коэффициента сопротивления на пропульсивный коэффициент.
На рис.4.6 представлены соответствующие зависимости для изменения скорости хода А Щ / ПРИ постоянстве мощности пв0 или частоты вращения зад т же представлены кривые изменения скорости при работе двигателя по ограничительной характеристике 100% е о/г = cor2S . (Vs=consl) (по con$i)
Как следует из рис.4.6,величина эксплуатационной потери скорости в значительной степени определяется проектным "облегчением" гребного винта и видом ограничительной характеристики.
Наряду с определением влияния шероховатости на скорость судна и мощность были проведены аналогичные расчеты изменений частоты вращения /I (/V?0 = s#/7sf) , коэффициента полезного действия винта Л % /я , а также пропульсивного коэффициента
Соответствующие графические зависимости этих величин от /о относительного изменения коэффициента сопротивления корпуса представлены на рис.4.7 и 4.8 для двух значений коэффициента общей полноты. Как видно из рис.4.8 для судов различных типов влияние у " существенно различно как на изменение к.п.д. гребного винта, так и на изменение пропульсивного коэффициента О , при этом изменение пропульсивного коэффициента меньше изменения к.п.д. гребного винта в среднем в 4 раза.
Отметим в связи с этим, что вопрос об изменении пропульсивного коэффициента рассматривался в работах Ф.М.Кацмана [17] и А.А.Рихтера [42 . В них, после анализа изменений величин, входящих в 0 , утверждалось, что значение пропульсивного коэффициента в процессе эксплуатации судов практически не изменяется. Для проверки справедливости этого положения были вы-полнены расчеты изменения -г -, учитывающие влияние шероховатости лопастей винта. Результаты расчетов показали, что утверждение о неизменности г? в процессе эксплуатации в какой-то степени достоверно только в случае, когда при докованиях судов осуществляется качественная шлифовка гребного винта (до YG у4) и в дальнейшем его шероховатость увеличивается (рис.4.9). В случае, если гребные винты не обрабатываются при докованиях, значения о в процессе эксплуатации могут возрости
