Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальное исследование поля скоростей вблизи движителей различных типов, работающих на непроектных режимах 9
Введение к главе 1 9
1.1 Экспериментальное исследование гидродинамических характеристик обтекания лопастей гребных винтов без насадки на швартовом и близких к нему режимах 11
1.2 Исследование гидродинамики движительного комплекса гребной винт - направляющая насадка, работающего в составе поворотной колонки при различных углах скоса
натекающего потока 22
1.3 Экспериментальное исследование возможности улучшения характеристик подруливающих устройств 31
1.4 Исследование поля скоростей вблизи лопастей крыльчатых движителей, используемых на позиционирующих судах 35
Глава 2. Применение результатов исследований некоторых двумерных задач об обтекании профилей при проектировании многорежимных движителей 40
Введение к главе 2 40
2.1 Экспериментальное исследование кавитации на моделях лопастей крыльчатых движителей 42
2.2 Расчетное исследование обтекания лопастей при больших углах атаки с использованием RANS-code 46
Глава 3. Исследование возможности улучшения кавитационных качеств движителей при наличии требований о многорежимности эксплуатации 51
Введение к главе 3 .51
3.1 Исследование возможности улучшения кавитационных характеристик гребных винтов на режиме динамического позиционирования 51
3.2 Исследование кавитационных характеристик модели крыльчатого движителя в кавитационной трубе 58
3.3 Выбор типа движителей для позиционирующих судов 62
Глава 4. Кавитация гребных винтов колонок на режиме маневрирования 66
Введение к главе 4. Новые задачи проектирования многорежимных гребных винтов, возникшие в связи с внедрением колонок в качестве главных движителей 66
4.1. Наблюдения за кавитацией гребных винтов на пассажирском судне ELATION, оборудованном колонками AZIPOD 68
Глава 5. Проблемы прочности многорежимных винтов 73
5.1 Современное состояние задачи 73
5.2 Исследование физических особенностей обтекания лопастей на режиме аварийного реверса 75
5. 3. Измерение сил и моментов на модели гребного винта при моделировании режима аварийного реверса 77
Заключение 85
Литература 87
Рисунки 91
- Экспериментальное исследование гидродинамических характеристик обтекания лопастей гребных винтов без насадки на швартовом и близких к нему режимах
- Экспериментальное исследование кавитации на моделях лопастей крыльчатых движителей
- Исследование возможности улучшения кавитационных характеристик гребных винтов на режиме динамического позиционирования
- Наблюдения за кавитацией гребных винтов на пассажирском судне ELATION, оборудованном колонками AZIPOD
- Современное состояние задачи
Введение к работе
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 подводно -технических 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. Цоследние 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
5 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 ИЯ.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, А.Петров, А.Н.Шебалов, Л.И.Вишневский. В последние годы большие усилия по компьютерным исследованиям работы винтов, в том числе на реверсе, предпринимались ВАБушковским, ЛАМухиной, А.В.Васильевым, АЖАчкинадзе, 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, сдостаточной 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 RANS-code при числе расчетных точек около полутора миллионов, что соответствовало нескольким часам расчета на суперкомпьютере КРЕИТ. 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.
Экспериментальное исследование гидродинамических характеристик обтекания лопастей гребных винтов без насадки на швартовом и близких к нему режимах
В основу исследования был положен опыт экспериментальных работ, проведенных ранее при изучении эффективного попутного потока Ю.П. Отлесновым [73] и О.П. Орловым [35]. В указанных работах проведено измерение поля скоростей с помощью зондов малой осевой протяженности типа Пито в непосредственной близости от лопастей, причем в работе Ю.П. Отлеснова измерения проводились только перед лопастью, в работе ОЛ.Орлова - как за, так и перед лопастью. В дальнейшем каждый из авторов по собственной методике производил обработку характеристик потока и, выделяя вызванные винтом скорости, определял характеристики эффективного попутного потока.
Следует отметить, что использовать результаты указанных работ непосредственно не представлялось возможным, так как они охватывали только ходовые режимы работы винта. Основной задачей эксперимента в настоящей работе считалось, как уже указывалось, определение характеристик потока, натекающего на лопасти, в первую очередь на режиме позиционирования.
Для корректного ответа на вопрос о возможности применения результатов такого эксперимента для оценок характеристик обтекания лопастей могут быть предложены следующие аргументы.
Конечно, измерение поля скоростей перед винтом и за ним не позволяет получить всю картину течения вокруг лопастей, в частности невозможно выделить изменение во времени скорости при прохождении каждой лопасти в непосредственной близости от зонда. То есть речь может идти только об анализе осредненных скоростей в потоке, натекающем на лопасти.
В такой постановке, для анализа результатов эксперимента могут быть применены подходы, основанные на использовании для изучения свойств гребного винта теории решетки профилей. Такая гидродинамическая модель нашла свое отражение во многих классических трудах по теории винта А.М. Басина и И.Я. Миниовича [3], А.А. Русецкого [10] и в теории лопастных механизмов в целом, например Н.Е.Кочина [7] и Г.Ю.Степанова [11]. Основным преимуществом такого подхода для анализа измерений потока вблизи работающего винта является тот факт, что теория решеток позволяет . включить в анализ осредненные величины скоростей перед и за винтом, сформировавшиеся уже с учетом влияния решетки, то есть рассматривать результаты измерений перед и за гребным винтом как принятые в терминах теории решеток скорости на входе и на выходе из решетки. При этом, приняв предположение о распространении потока вдоль цилиндрических сечений лопастей, из закона сохранения количества движения легко можно определить циркуляцию на профилях решетки как разность тангенциальных составляющих в сечениях, перпендикулярных оси решетки, которые могут быть приняты достаточно произвольно на входе в решетку и на выходе из нее (рис.1.1.1). Такой подход для определения циркуляции описан в работах [7], [11].
Анализируя вклад исследователей эффективного попутного потока Ю.П.Отлеснова и О.П.Орлова, следует отметить, что для проведения измерений скоростей потока в непосредственной близости от кромок лопастей гребных винтов, ими в ЦНИИ им. А.Н. Крылова были разработаны несколько уникальных конструкций пространственных зондов малой осевой протяженности. Это как пятиточечные зонды с осевым расположением трубок, так и шеститочечные зонды с трубками, выведенными в миниатюрный насадок. Указанные зонды позволяли измерить все три составляющие скорости на расстоянии 5-7 мм от входящих и выходящих кромок лопастей модели гребного винта.
Однако для решения задач настоящей работы необходимо было рассмотреть некоторые вопросы, отражающие особенности измерений вблизи гребных винтов, работающих на режимах, близких к швартовому.
Так, следовало ожидать, что придется измерять компоненты скорости течения с большими углами скоса потока. Как пятиточечный, так и шеститочечный зонды, применявшиеся цитированными авторами, имели существенные нелинейности тарировочных характеристик при углах скоса свыше 35 градусов. Поэтому в рамках настоящей работы было предложено применять специальный пятиточечный зонд со . сферической головкой (рис.1.1.2), конструкция которого позволяла, при необходимости, разворачивать зонд навстречу потоку не меняя координаты его положения. Таким образом, при возникновении скосов потока, близких к предельным для пятиточечного зонда (30-35 градусов), зонд со сферической головкой разворачивался навстречу потоку на фиксированный угол, и проводились дополнительные измерения при углах скоса, обеспечивающих минимальные погрешности измерений. Такой подход позволял в дальнейшем получить весьма достоверную картину обтекания в частности, винта на швартовом режиме, то есть при больших углах скоса измерения проводились как бы в два приближения - на первом определялось наличие опасных углов скоса, на втором - в случае необходимости - проводились измерения при положении зонда, обеспечивающем [ максимально достоверные результаты.
В качестве второй проблемы при экспериментальном исследовании обтекания лопастей следует рассматривать правомочность использования при анализе ; экспериментальных данных модели обтекания лопастей вдоль цилиндрических сечений.
Применение упоминавшегося выше зонда позволяет проводить измерения поля скоростей в непосредственной близости от лопастей как несколько впереди входящей кромки, так и несколько вниз по, потоку от выходящей кромки лопастей. Следует отметить, что при больших нагрузках, строго говоря, обтекание лопастей происходит не по цилиндрическим сечениям, а вдоль достаточно сложных линий тока, картина которых будет проанализирована ниже. Однако, здесь может быть принят во внимание результат работы Ачкинадзе и Красильникова [53], где показано, что в рамках проектировочного расчета учет радиальных скоростей при расчете геометрии лопасти с использованием условия не протекания при небольших величинах угла саблевидности и отсутствии отсидки практически не приводит к сколько-нибудь существенным изменениям результатов по сравнению со схемой расчета, когда радиальные составляющие не учитываются, т.е. когда рассматривается обтекание лопасти вдоль цилиндрических сечений. Поэтому с некоторой долей условности модель обтекания лопасти вдоль цилиндрических сечений может быть принята даже при тяжелых нагрузках винта. Наибольшие погрешности при анализе кавитационных явлений указанное предположение может внести в определение характеристик обтекания лопастей вблизи входящей кромки за счет радиального скоса потока (аналог угла стреловидности обтекания крыла) при рассмотрении концевых сечений лопастей с большой стреловидностью. Некоторые оценки „ величины указанных погрешностей будут выполнены при анализе экспериментальных данных в настоящей работе.
Экспериментальное исследование кавитации на моделях лопастей крыльчатых движителей
В настоящем параграфе рассмотрены результаты исследования, направленного на оптимизацию лопастей КД с точки зрения их кавитационных характеристик. Вначале приведем некоторые сведения об объекте исследования.
Лопасти КД представляют собой крылья с удлинением около 3,5-4 с переменной относительной толщиной, которая изменяется в пределах от 25% у корня до 5% у конца лопасти. В плане лопасти бывают трапециевидные, прямоугольные, эллиптические, трапециевидные с закругленным концом. В настоящее время на отечественных КД применяются, как правило, лопасти с симметричным относительно хорды профилем, трапециевидные в плане.
При кавитационной оптимизации профилей применялись подходы, впервые описанные Эпплером [62 ], схема которого предусматривала создание изобарической продольной зоны на профиле при всех операционных режимах. При этом трехмерность течения на лопасти учитывалась тем, что рассматривался ряд цилиндрических сечений, а также тем, что характеристики потока могут определяться из поверочного расчета реального гребного винта.
В настоящей работе для оптимизации профилей применялся метод Александрова -Симеоничевой [ 13 ]. Это итеративный многоточечный метод, основанный на решении смешанной прямой и обратной задачи. Для моделирования границ жидкости использовался наиболее часто применяемый и хорошо отработанный метод интегральных уравнений с моделированием границ жидкости гидродинамическими особенностями, что позволяет решить нелинейную задачу, Слой вихрей распределялся непрерывно по начальной поверхности профиля (исходный профиль, принятый в качестве первого приближения), или - во втором приближении - по поверхности профиля и примыкающей к ней поверхности каверны. При этом решалась прямая двумерная задача обтекания тела заданной геометрии.
Проектная схема была ориентирована на задачу снижения величины пика разряжения как на засасывающей, так и на нагнетающей сторонах лопасти. Эпюра распределения коэффициента давления вдоль профиля в потенциальном потоке с учетом величины числа кавитации, которое характеризует течение и при котором производится кавитационная оптимизация, позволяет определить длину зоны, в которой существует каверна на исходном профиле в первом приближении и где при расчетах во втором приближении поверхность каверны должна быть заменена свободной поверхностью каверны.
Новая геометрия должна быть определена инверсией решения задачи. Граница профиля должна быть заменена новой линией, которая объединяет часть начальной поверхности профиля и свободную поверхность каверны, которая сформировалась бы на начальном профиле при заданном числе кавитации на экстремальных углах атаки.
Основная трудность была - найти корреляцию между заданным числом кавитации, диапазоном изменения угла атаки на всех операционных режимах и ограничениями на толщину лопасти (профиля) для различных сечений лопасти.
Проведенные специальные. расчеты позволили определить, что для профилей реальных лопастей КД с относительной толщиной 10-15% диапазон угла атаки, при котором возможна оптимизация составляет около 16 градусов (например ± 8 градусов).
Диапазон углов атаки для профилей с относительной толщиной 5% был определен как много меньший.
По указанному методу были проведены оптимизационные расчеты для различных профилей сечений лопаток КД. Полученные изменения формы профиля представлены на рис. 2.1.1. Рассчитанные профили были использованы в задаче кавитационной оптимизации лопастей КД.
Для исследования возможности улучшения кавитационных характеристик лопаток КД были проведены сравнительные испытания моделей лопастей КД как штатных, так и оптимизированных, в скоростной кавитационной трубе. Целью испытаний было определение момента начала кавитации и форм кавитации в начальной стадии на моделях лопаток КД при их обтекании стационарным потоком с различными углами атаки. При этом лопатки фиксировались в динамометре, позволяющем измерять силы и момент на крыле.
В качестве исходного варианта были выбраны штатные лопасти (модель №1) КД26.5 (рис.2.1.2) с трапециевидной формой в плане, удлинением 3.5.
Оптимизированная конструкция лопасти, наряду с включением оптимизированных по указанному выше методу профилей, предусматривала и другие изменения геометрии. В частности, в целях уменьшения нагрузки на концевые сечения лопасти и отдаления, таким образом, момента возникновения концевого вихря (о такой опасности для лопастей с резко оборванным в плане концом указывали результаты испытаний О.В.Рождественского [49]), форма контура оптимизированной лопасти была выбрана (рис.2.1.3) трапециевидной, с закругленным концом, причем кончик лопасти был смещен кормовее оси вращения лопасти, что обусловлено стремлением придать передней кромке лопасти большую стреловидность и получить дополнительные преимущества с точки зрения кавитации.
Как уже отмечалось, форма профилей сечений выбиралась на основании оптимизационных расчетов по методике К.В. Александрова с адаптацией метода, выполненной Е.Я. Симеоничевой [ 72 ], с оптимизацией на диапазон ±8 градусов, что примерно соответствовало диапазону углов атаки при эксцентриситете КД 0.5-0.6, как это следовало из данных, полученных при исследовании характеристик потока вблизи работающего КД (см. главу 1).
В результате расчетов была разработана серия профилей с различной относительной толщиной (от 5 до 25%), оптимальных, согласно расчетам с точки зрения отдаления начала кавитации. Указанные профили отличались от штатных (рис.2.1.1) существенным приполнением носика и смещением максимальной толщины профиля в нос. Как показали расчеты, указанные профили при равной относительной толщине і обеспечивали увеличение на 20-30% числа кавитации (вычисленного по скорости натекающего потока), соответствующего моменту начала кавитации на профиле.
Вместе с тем, расчеты показали сильную зависимость характеристик начала кавитации от относительной толщины профиля. Поэтому, при проектировании оптимизированных лопастей относительная толщина профиля выбиралась в пределах от 25% у корня до 10% начиная примерно от середины лопасти до ее конца. Исключение составил лишь самый кончик лопасти, где одновременно с закруглением контура лопасти было выполнено достаточно пологое (на 3-5% длины лопатки ) ее заострение «иа нож». Следует отметить, что при кавитационных испытаниях моделей именно в этом месте возникала кавитация, так что в дальнейшем было рекомендовано максимально долго сохранять относительную толщину лопасти, отказавшись от ее заострения «на нож». Как уже отмечалось, применяемые на отечественных КД профили симметричны относительно хорды. Поскольку следовало ожидать, что диапазон изменения углов атаки на частичных эксцентриситетах будет близок к симметричному, оптимизированные профили также были спроектированы на симметричный диапазон, и как следствие, имели нулевую кривизну (модель №2).
Исследование возможности улучшения кавитационных характеристик гребных винтов на режиме динамического позиционирования
Исследования характеристик потока вблизи гребных винтов, предпринятые в главе 1, показали, что преобладающим видом кавитации для тяжело нагруженных винтов должна быть кавитация концевого вихря. Указанный вывод хорошо коррелируется с результатами ряда выполненных натурных наблюдений за кавитацией гребных винтов.
В 80-е годы в ЦНИИ им.А.Н.Крылова были выработаны основные принципы проектирования тяжело нагруженных гребных винтов для тральщиков, у которых нагрузки на режимах свободного хода и тральных режимах могут различаться в 2 и более раз в зависимости от применяемого типа трального вооружения. В качестве таких основных принципов, заложенных в конструкцию гребных винтов практически всех тральщиков 80-х годов следует отметить следующие:
- Применение ВРШ, обеспечивающего установку оптимального шага лопастей при изменении нагрузок.
- В отличие от концепции 70-х годов, когда в качестве гребных винтов тральщиков применялись практически исключительно винты в насадке, в качестве гребных винтов тральщиков 80-х применялись ВРШ без насадок. Причиной этого явилось то обстоятельство, что, как показали исследования, направленные на развитие проектирования малошумных гребных винтов, для открытых гребных винтов возможно путем разгрузки концевых сечений лопастей обеспечить существенно более широкие площадки кавитационной диаграммы как для установочного шага, соответствующего свободному ходу, так и для шагов, соответствующих тральным режимам. Последнее поколение ВРШ для указанных кораблей, внедренное практически на всех проектах тральщиков 80-х годов позволило существенно повысить докавитационную скорость хода, выполнив все существовавшие на тот момент требования заказчика. Указанная концепция была подтверждена натурными испытаниями как по одной из научно - исследовательских тем, так и испытаниями серийных кораблей, в частности, на заказе «Рубин», где движители были разработаны автором настоящей работы.
- Также по одной из научно - исследовательских тем были проведены натурные наблюдения кавитации гребных винтов ВРШ в широком спектре нагрузок, в частности с тралом и без трала. ВХИвановым, Е.Н.Сыркиным, МА.Вашкевичем и автором настоящей работы было показано, что при больших нагрузках (при ходе с тралами) преобладающим видом кавитации является интенсивный концевой вихрь с засасывающей стороны, в то время, как при нагрузках, соответствующих свободному ходу, имела место и кромочная кавитация на лопастях.
В то же время, лабораторные исследования показывали, что с увеличением нагрузки кавитационные характеристики гребных винтов в насадке и без насадки практически сравнивались. Следовало ожидать, что известный факт почти 30% облегчения собственно гребного винта в составе комплекса «винт в насадке» по сравнению с открытым гребным винтом, должен был неминуемо создать определенные преимущества и по кавитационным качествам на швартовом режиме. Поэтому, когда начались работы по первым проектам кораблей, в спектр эксплуатации которых входил режим динамического позиционирования (это было спасательное судно «Гиндукуш»), вполне естественным было использование опыта работы с проектированием гребных винтов тральщиков, то есть применение ВРШ или ВРШ в насадке с сильно разгруженными концами лопастей. В отсутствие опыта проектирования таких судов и их гребных винтов применение традиционных малошумных винтов казалось настолько очевидным решением, что конструкторы ввели даже дополнительное ограничение в виде невозможности регулирования оборотами валов из - за установки на валолинии валогенератора.
Предварительно следует заметить, что в дальнейшем для характеристики кавитационных качеств на швартовах применяется понятие малошумного упора, то есть упора, при котором на лопастях гребных винтов еще отсутствует кавитация.
Выполненные первые исследования принесли весьма обескураживающие результаты [41]. С одной стороны, как и следовало ожидать, при существенно тяжелых нагрузках винта, например, на швартовом режиме, гребные винты с сильно разгруженными концами лопастей обладали весьма неплохими кавитационными качествами. В случае. применения при позиционировании ВРШ с сильно разгруженными лопастями, концевой вихрь проявлялся значительно позже, чем для традиционного гребного винта транспортных судов - оптимального по Бетцу, с эллиптическим распределением циркуляции. Также неплохие результаты были . получены и для свободного хода. Однако, модельные испытания выявили и недостаток ВРШ с сильно разгруженными лопастями, проявившийся при предельно малых нагрузках - при позиционировании на очень слабом ветре, когда необходимо работать с предельно малыми величинами упора, и лопасти устанавливаются при очень малом установочном шаге. С учетом необходимости сохранения постоянных достаточно высоких оборотов, что обусловлено наличием валогенераторов, интенсивная вихревая кавитация возникала на нагнетающей стороне лопастей. Было совершенно очевидно, что сброс шага на концах лопастей приводил в ряде случаев к тому, что указанные участки лопастей работали с отрицательными углами атаки, что и явилось причиной появления вихря с нагнетающей стороны лопасти.
Изложенные выше физические соображения, полученные на основании испытаний модели ВРШ с сильно разгруженными концами лопастей в кавитационной трубе, во -первых, показали принципиальную невозможность применения винтов с традиционным для малошумных винтов сильным сбросом шага на концах лопастей для мпогорежимных винтов, работающих с постоянными оборотами. Во - вторых, они потребовали постановки программы исследований, направленной на экспериментальное определение характеристик кавитации на различных режимах, включая швартовый, для различных конструкций лопастей, с целью определения путей проектирования таких винтов, а также - при необходимости - для определения требований к частоте вращения пропульсивных установок позиционирующих судов.
В рамках указанной программы исследовалось: - влияние распределения шагового отношения вдоль радиуса лопасти ВРШ на _ кавитационные характеристики для различных значений установочного шага;
- влияние контура лопасти, в частности, увеличения саблевидности;
- числа лопастей;
- влияние на кавитационные характеристики наличия насадки;
- сопоставлялись также пропульсивные характеристики винтов при различных значениях варьируемых параметров.
Наблюдения за кавитацией гребных винтов на пассажирском судне ELATION, оборудованном колонками AZIPOD
Для понимания процессов, происходящих на гребных винтах, очень большое значение играют наблюдения за кавитацией на натурных судах. Эти дорогостоящие эксперименты, при надлежащем их проведении и анализе результатов, проводимом с одновременным анализом данных соответствующих модельных испытаний, во многом предопределяли дальнейшее развитие науки о проектировании винтов и кавитации гребных винтов. В 1980 - х годах в СССР под руководством И.Д. Желтухина с участием автора была проведена серия наблюдений за кавитацией винтов на 5 быстроходных кораблях в связи с развитием нового поколения гребных винтов и систем подвода воздуха. Было выявлено, что в ряде случаев имеют место принципиальные различия в типах кавитации на модели и на натуре для легко нагруженных винтов.
В то же время под руководством В.К. Иванова также с участием автора были проведены обширные наблюдения за кавитацией гребных винтов на тральщике. Основным отличием указанных испытаний от вышеупомянутой серии явилось то, что, во - первых, наблюдения проводились на винтах ВРШ с сильной разгрузкой концов лопастей, которыми был оборудован корабль, во - вторых, наличие на корабле набора тралов с различным собственным гидродинамическим сопротивлением позволяло достаточно широко варьировать нагрузку гребных винтов при различных скоростях движения.
Результаты указанных наблюдений в целом хорошо коррелировались с результатами главы 1 настоящего исследования. При возрастании нагрузки гребных винтов (движении корабля с тралом), несмотря на работу ВРШ на непроектных шагах, при которых, как совершенно очевидно, профили цилиндрических сечений лопастей искажаются и не являются оптимальными, практически не было зафиксировано иных видов кавитации, кроме кавитации концевых вихрей.
Однако, наиболее полную информационную картину о кавитации лопастей на непроектиьгх режимах позволили получить выполненные под руководством автора первые в мире натурные наблюдения кавитации гребных винтов на тянущей колонке AZIPOD на пассажирском судне ELATION постройки судоверфи KVAERNER MASA YARDS в Хельсинки. Испытания проходили в декабре 1997 года по контракту с фирмой - строителем корабля и были первыми подобными испытаниями, проведенными ЦНИИ для зарубежного заказчика. Автор выражает благодарность участнику испытаний СВ.Капранцеву, а также И.Г.Фроловой за большой вклад в обработку эксперимента.
Для обеспечения наблюдений была использована мощная стробоскопическая аппаратура ЦНИИ, включавшая в себя генератор импульсов, подававший импульс на стробоскопическую лампу при подводе одного импульса за оборот винта от установки AZIPOD. Следует выразить благодарность членам испытательной партии Ю.С. Привезенцеву и В.Б.Божеволю, которые в ходе эксперимента сумели перестроить аппаратуру, увеличив ее мощность в несколько раз, доведя мощность вспышки до 50 Дж, что позволило обеспечить наблюдения даже в условиях чрезвычайно мутной воды Ботнического залива. Впоследствии попытка таких наблюдений, проведенная одной из финских специализированных фирм, сорвалась из - за мутной воды и недостаточной мощности осветительной аппаратуры.
Несмотря на то, что официальная программа наблюдений включала в себя наблюдения кавитации только на прямом курсе, в ходе испытаний были организованы наблюдения в режиме «свободной охоты», то есть в условиях, когда наблюдатели «ловили» отдельные режимы работы гребного винта, следуя программе сдаточных испытаний, не требуя от верфи особой установки режима. Это стало возможным, так как в отсеке, где были установлены иллюминаторы, постоянно имелась возможность фиксации оборотов винта, угла поворота AZIPOD, скорости судна и т.д.
Указанные режимы позволили получить информацию о кавитации гребных винтов, наиболее важную для целей настоящей работы, то есть информацию о кавитации на различных непроектных режимах.
В число таких режимов входили:
- режим разгона;
- реверс;
Маневрирование на полном ходу как при малых, так и при весьма значительных углах отклонения колонок AZIPOD, когда винты работают в условиях большого скоса потока.
Анализируя результаты наблюдений кавитации на проектном режиме, следует отметить следующее:,
Гребные винты установки AZIPOD проектировались не как чисто малошумные, а как винты, которые должны обеспечивать минимальное значение уровня пульсаций [ 66 ]: Это означало, что на лопастях допускалась кавитация концевого вихря, которая, по данным модельных испытаний гребных винтов, выполненных в кавитационной трубе MARINTEK (Норвегия), до определенных пределов не вызывала увеличения уровня пульсаций давлений на корпусе, по крайней мере, пока кавитирующий вихрь не покроет часть поверхности лопасти в виде вихревого насадка или в виде кромочной кавитации. Поэтому лопасти гребных винтов были спроектированы с существенно меньшей степенью разгрузки концов. В натурных условиях на переднем ходу на проектном режиме наблюдения показали наличие тонкого концевого вихря, развивавшегося в диапазоне углов положения лопасти -40 - -50 градусов до +70 - +80 градусов (0 градусов соответствовало внешнему положению лопасти, 90 градусов - лопасть вблизи ДП при внутреннем направлении вращения винта). Указанный диапазон шире примерно на 20 градусов в каждую из сторон, чем диапазон, определенный в ходе модельных испытаний.
В то же время, наибольший интерес вызывают результаты наблюдений кавитации при маневрировании.
Современное состояние задачи
Правилами проектирования, разработанными различными классификационными обществами. Указанные правила во многом основаны на традиционных методиках расчета прочности гребных винтов - по балочной теории, и несут в себе достаточные запасы прочности, основанные на многолетнем опыте мониторинга судовых винтов, анализе случаев поломок лопастей, данных о прочностных характеристиках материалов, соображениях о изменениях нагрузки на лопасть в ледовых условиях. Впервые учет геометрии лопастей, в частности, саблевидности, был введен в правила Lloyd s, где предусмотрен обязательный расчет прочности лопасти при одобрении проекта гребного винта по программе, реализующей метод конечных элементов, в центральном офисе Lloyd s. При подобных расчетах для переднего хода вопросы нагрузок на гребные винты могут решаться достаточно надежно традиционными компьютерными методами по поверочному расчету гребных винтов, в частности по методу несущей поверхности или панельным методом. Указанные методы дают достаточно надежные величины не только интегральных нагрузок на лопастях, но и распределение давлений по лопасти, что позволяет обоснованно подойти к расчету напряженно - деформированного состояния лопасти.
Важность такого перехода к определению напряжений в лопастях гребных винтов подтверждается серией аварий с поломками сильно и даже умеренно саблевидных лопастей на прямом курсе, в частности, серийные поломки центральных гребных винтов на судне проекта П24М, происшедшие в середине 80.— х годов и давшие толчок к развитию оценок прочности лопастей методами конечных элементов.
Однако, выдвижение требований многорежимности при проектировании гребных винтов существенно осложнило задачу, особенно при применении ВФШ. Выдвижение требования безопасного для гребных винтов аварийного реверсирования с полного вперед до полного назад, особенно в условиях применения электродвижения, когда мощности на задний ход сопоставимы с мощностями переднего хода, сделало особенно актуавльным обеспечение расчетов прочности на реверсе. Следует отметить, что указанное требование далеко пе безобидно с точки зрения экономичности судна. Возможны два подхода к этой проблеме. Первый подход - когда аварийный реверс с полного хода рассматривается как аварийная ситуация, когда во имя безопасности корабля можно пожертвовать гребными винтами, и их деформация воспринимается как допустимая. Второй подход - это введение аварийного реверса в программу заводских испытаний, при этом, очевидно, гребные вины не должны терять свои геометрические характеристики. Поэтому проектанты винтов вынуждены идти на утолщение лопастей, что отрицательно сказывается на КПД. Именно по второму пути идут сейчас практически все строители пассажирских судов. В личных контактах автора с апологетами гребных винтов с сильно саблевидными лопастями -учеными компании KAMEWA, была выяснена позиция зарубежных фирм по применению саблевидности. Для ВРШ, где реверс осуществляется без изменения направления вращения гребных винтов, проблема прочности саблевидных лопастей существенно менее актуальна. Показателем этого может служить тот факт, что на пассажирских судах зарубежными фирмами устанавливаются ВРШ с саблевидностью до 60 градусов. В то же время мало кто рискует применять ВФШ с саблевидностью более 35 градусов, так как при этом еще можно обеспечить в разумных пределах прочность без существенного увеличения толщины лопастей. Указанное положение характеризуется графиком, полученным ВА.Бушковским, где даны зависимости характеристик прочности от величины угла skew рис. 5.1.1.
Для судов, оснащенных колонками, важным также является обеспечение прочности при работе винта с очень большими углами скоса (угле поворота колонки до 90 градусов), когда, например, судно удерживается и перемещается вперед при воздействии сильного бокового ветра,
Следует отметить, что в оценке прочности гребных винтов на режиме реверса основной проблемой становится правильное определение гидродинамических нагрузок на лопасти. В настоящее время расчеты прочности лопастей на реверсе осуществляются в ЦНИИ по методике и программам, предложенным В,А. Бушковским [40 ].
В основу указанной методики заложены следующие основные положения; - Расчет реверса корабля осуществляется по приближенной методике с учетом его водоизмещения, начальной скорости и тяги гребного винта, определяемой с помощью круговых диаграмм гидродинамических характеристик гребных винтов в свободной воде. Расчет реверса позволяет определить точку максимальной нагрузки гребных винтов на реверсе, в качестве которой принимается точка, где достигает максимума скорость обтекания элемента лопасти Wr = V[V:+(2 rc r n)2]. Угол атаки элемента лопасти при этом вычисляется по простейшей формуле а = тс - 9 - Р , где р = arctan [Va/(2 Ji r n)], то есть при расчетах не учитываются скорости, вызванные гребным винтом. Для оценки сил, действующих на сечение лопасти винта, используется известная формула Релея для величины нормальной силы при кавитационном обтекании пластины с отрывом струй : dN = р Wr2 с Сп dr, где Сп = 2 п Sin а / (4 + я Sina) - коэффициент нормального давления. Сила dN получена интегрированием разности давления между давлением в произвольной точке на пластине и постоянным давлением в струе за пластиной. Координата центра давления при этом выражается по формуле: Ъ = 0.5 с [I-l,5 cos a /(4-Hi Sina)].
Эта координата приложения нормальной силы, эквивалентной распределенной нагрузке по лопасти. Расчеты коэффициента нормального давления Сп и с для различных углов a приведены в таблице:
На рис. 5,1.2 приведены картины распределения давлений по пластине при отрывном обтекании при различных углах атаки. Интегрирование давлений позволило авторам рассчитать нагрузки на лопастях гребных винтов. Указанный метод позволил обеспечить расчеты прочности гребных винтов на реверсе, что до определенного момента удовлетворяло потребности практики проектирования гребных винтов.
Однако, при работе под руководством и при непосредственном участии автора группы проектирования гребных винтов ЦНИИ над проектами гребных винтов для ряда пассажирских судов зарубежной постройки с движительными колонками AZffOD было выявлено, что указанная методика приводит к необходимости применения более толстых лопастей по сравнению с лопастями, применяемыми фирмами конкурентами (LIPS). Как уже отмечалось, такое увеличение толщин приводило к снижению КПД винтов и увеличению объемной составляющей пульсирующих давлений на корпусе. Поэтому встал вопрос о совершенствовании методики расчета прочности гребных винтов на реверсе, для чего, прежде всего, необходимо бьшо уточнить представления о физической картине обтекания лопастей на режиме аварийного реверса.
