Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований по влиянию мелководья на движущееся судно
2. Влияние мелководья на двинение судна и работу двшшельного комплекса 25
2.1. Мерные линии, ограничение по глубинам 25
2.2. Взаимодействие элементов судового цроцульсивного Еомплекса 30
2.3. Сопротивление и скорость движения судна на мелководье 36
2.3.1. Влияние мелководья на скорость обтекания корпуса судна 43
2.4. Влияние гидрометеорологических условий на движение судна 45
2.4.1. Влияние глубины моря на характер и величину непериодических течений 45
2.4.2. Ветроволновые потери скорости 47
2.4.3. Учет ветра на испытаниях 51
2.5. Влияние мелководья на расход топлива судовой силовой установки 53
2.5.1. Нормирование и учет расхода топлива 53
2.5.2. Учет влияния мелководья на работу движителя 55
2.5.3. Внешние факторы и их влияние на расход топлива 57
ВывоДН з
3. Экспериментальные исследования по влиянию мелководья на скорость и расход топлива 68
3.1 Методика и результаты проведения натурных экспериментов
3.2. Математическая обработка результатов натурных экспериментов по изменению скорости на мелководье 71
3.2.1. Вывод формулы изменения скорости на мелководье с оценкой точности 104
3.3. Вывод формулы изменения расхода топлива на мелководье при ТР - idem с оценкой точности 124
3.4, Расход топлива на мелководье при О s idsm 137
Выводы 144
4. Обоснование оптимального маршрута с учетом мелководья 146
4.1. Определение оптимальной скорости на мелководье 146
4.2. Выбор пути судна при плавании на мелководье (через изотропные зоны) 150
4.3. Пример нахождения наивыгоднейшего пути через изотропные зоны 157
Выводы 159
5. Заключение 161
Список литературы 164
- Взаимодействие элементов судового цроцульсивного Еомплекса
- Влияние глубины моря на характер и величину непериодических течений
- Математическая обработка результатов натурных экспериментов по изменению скорости на мелководье
- Пример нахождения наивыгоднейшего пути через изотропные зоны
Взаимодействие элементов судового цроцульсивного Еомплекса
Графики И.В.Гирса можно применять для судов, у которых корпус не имеет значительной цилиндрической вставки Метод Шлихтинга имеет существенные недостатки: во-первых, допущение равенства волнового соцротивления на глубокой и мелкой воде противоречит физической сущности наблюдаемых явлений в системе волнообразований в зависимости от глубины; во-втсрых, при определении поправки ди)е используются эмпирические данные. Поэтому метод Шлихтинга не может гарантировать непогрешимое решение. Точность решения зависит от подбора опытных данных для установления поцравки АУЗь ,
Основой известного способа А.Б.Карпова [33] является заыена действительной скорости движения судна некоторыми условными скоростями, различными цри расчете остаточного соцротивления и сопротивления трения.
В последнее время опубликован ещe один способ расчета сопротивления воды движению судов на мелководье при докрити-ческих скоростях [б]. Способ позволяет с достаточной точностью рассчитать сопротивление воды, однако, следует отметить усложненную расчетную схему. Приближенная оценка потери скорости на мелководье может быть выполнена с помощью диаграммы Лакенби [іЗб]. На этой диаграмме построены кривые постоянного значения величины потери скорости на мелководье при различных условиях стеснения канала в процентах,
Некоторые из цриведенных выше способов расчета сопротивления на мелководье позволяют построить кривую соцротивления в области докритических скоростей. Если в области докритических скоростей все способы дают приемлецую для практических целей точность, то в области критических скоростей значения со1гротивления могут значительно отличаться от его действительной величины. Это обстоятельство объясняется тем, что при црсшедении экспериментов в бассейне достаточно сложно найти величину сопротивления, соответствующую критической скорости, особенно учитывая нестационарность явлений, сопутствующих движению моделей с такими скоростями.
Наиболее достоверным способом определения сопротивления вода движению судна в условиях мелководья является способ пересчета результатов модельных испытаний на натуру.
Использование обычного способа пересчета приводит к погрешности, которая вызвана тем, что с уменьшением глубины воды усиливается влияние стенок бассейна.
В работе [iЗО] цриведен удобный для практического использования способ пересчета, базирующийся на предположении, что одинаковая величина сопротивления на глубокой и мелкой воде достигается цри различных скоростях. Рассматривается область только докритических скоростей и, следовательно, при одинаковом соцротивлении скорость на мелководье будет меньше, чем скорость на глубокой воде. По результатам испытаний мо 20 двлей быстроходных судов был разработан график [24], позволяющий получить потерю скорости хода судна на мелководье. Анализ сопротивления воды движению судов на глубокой во де показывает, что при постоянной величине водоизмещения вы годно увеличивать его осадку. Однако цри плавании судов на мелководье эта функциональная связь нарушается. В результате натурных наблюдений, выполненных для семи разных вариантов величин при постоянном водоизмещении следу ет, что суда, имеющие небольшое значение В /г на глубокой воде могут иметь более оптимальную характеристику сопротивления, чем суда с большим в/т , При сильном мелководье те же суда с небольшим значением Ь /Т" могут дать более плохие эксплуатационные результаты. Во время модельных испытаний Jj68\ с моделями судов типа "Сормовский", "Балтийский" и "Волго--Цон" была обнаружена значительная нестабильность обтекания кормовой оконечности. Можно предполагать, что отчасти такая нестабильность при модельном эксперименте в опытовом бассейне может быть обусловлена относительно коротким промежутком времени (15-20 с) от момента достижения заданной скорости до начала измерений, которые, в свою очередь, выполняются также в течение ограниченного времени (10-20 с). В условиях мелководья этого времени для формирования установившейся волновой системы модели недостаточно. этим обстоятельством можно лишь частично объяснить рассматриваемую нестабильность. В значительной мере она является следствием неустойчивости самого обтекания в УСЛОВИЯХ мелководья
Влияние глубины моря на характер и величину непериодических течений
Для получения практических данных об изменении скорости движения морского судна и расхода топлива с уменьшением глубины (НД) в период I98I-I983 гг. автором были выполнены натурные исследования на судах Мурманского морского пароходства, В I98I году исследования цроводились на т/х "Цурмая" на линии Балтика-Канада. В 1982 году - на т/х "А.Суворов", в 1983 году - на т/х "Кола" на линии Цурманск-Дудинка в период летних арктических навигаций. Испытания проводились в период обычных эксплуатационных рейсов при црохохдении участков с ровным песчаным грунтом вдоль побережья Амдермы, полуострова Ямал и Енисейского залива с достаточно подробным промером, возможностью оцределения места судна обычными навигационными средствами.
При выполнении эксперимента предполагалось, что начало влияния мелководья црактически начнет проявляться в изменении частоты вращения гребного вала цри поддержании постоянной подачи топлива; в увеличении подачи топлива (выходе рейки топливного насоса) при поддержании постоянной частоты вращения гребного вала; в уменьшении скорости движения судна.
Частота вращения гребного вала измерялась магнитоэлектрическим дистанционным счетчиком с встроенным секундомером. Расход топлива замеряли с помощью мерного бака, счетчиков расхода топлива и номограмм, рекомендованных отделом теплотехники пароходства. За глубинами следили по работе,: самописца эхолота. Скорость движения судна измеряли индукционным лагом, лагом-визиром, что дало возможность получения скорости относительно воды и отпала необходимость выполнения повторных пробегов на обратных курсах для исключения влияния течения. При этом значительно уменьшился объем выполненных работ, что положительно сказалось на безопасности судна во время цроведе 70 ния экспериментов. Выполнение подобного рода экспериментов с точки зрения безопасности целесообразнее проводить на моделях судов, так как незначительная ошибка в управлении судном во время эксперимента на мелководье может привести к крупному материальному ущербу или катастрофе.
Скорость движения судна относительно воды измерялась индукцйонным лагом [93] по методу "планширного лага" [99]. Для этого на каждом борту судна были вымерены базы и установлены визиры перпендикулярно диаметральной плоскости судна. На т/х "Цурман" база равнялась 91 М, на т/х "А.Руворов" - 120 м, на т/х "Кола" - 99 м. Связь между операторами у визиров осуществлялась с помощью портативных радиостанций. Для каждого судна были составлены таблицы скоростей, по времени прохода плавающего предмета между визирами определяли скорость судна
Измерение скорости на каждом пробеге (Н/Т) определялось 3-5 раз, что дало возможность исключить промахи и применить в обработке результатов натурных испытаний методы математичес 71 кой статистики. Учет ветроволнового воздействия на скорость цроиэводился по методике С38] и диаграмме завода-строителя в отчете завода-строителя по ходовым испытаниям. В результате обработки полученных данных экспериментов составлены таблицы 3,к »5 , б изменения скорости V 7 с изменением относительной глубины Н/Т для т/х "%рман", Для т/х "А Суворов" и т/х "Кола" соответственно; таблицы 33 ,34- - изменения расхода топлива / % для т/х "Ь рман" и т/х "А.Оуворов"; таблица изменения расхода топлива при п -) &т ддл я/x "А.руворов".
По данным таблиц 3-6 построены графики (рис.6-9). При этом как в таблицах, так и на графиках размерность скоростей принята в м/с, изменение скоростей движения, изменение частоты вращения гребного вала, изменение расхода топлива принято в процентах цри определенной величине Н/Т по отношению к глубокой воде.
Для установления тесноты зависимости статистического ряда экспериментальных данных ( АУ » Н/Т) при постоянных скоростях движения и установления формы связи, то есть установления вида уравнения регрессии, воспользуемся корреляционным анализом. Используя таблицы S-Є и графики (рис.6-9) натурных наблюдений, составим корреляционную таблицу 7 , где интервалы по &V приняты равными I, а интервалы по Н/Т равны 0,5. Теснота (црочность) связи оценивается с помощью корреляционного отношения ҐІ
Математическая обработка результатов натурных экспериментов по изменению скорости на мелководье
Ветер - это перемещение воздуха с определенной скоростью. В судовождении различают следующие виды ветра: истинный (абсолютный, действительный), курсовой и кажущийся,
Истинный ветер W измеряется приборами, находящимися в покое относительно Земли, Во время хода судна истинный ветер определяется на круге Севастопольской морской обсерватории (крут СМО или ветрочет), на маневренном планшете или путем просто графического построения на бумаге.
Вурсовой ветер К образуется от движения судна. По величине он равен скорости судна (м/с) и действует в направлении, противоположном курсу судна.
Кажущийся ветер W является результатом взаимодействия истинного и курсового ветров. Графически величина кажущегося ветра (сила и скорость) равна геометрической сумме векторов истинного и курсового ветров. Скорость кажущегося ветра на судне измеряется анемометром, направление его определя 52 ется по флюгеру, дыму, вымпелу или ветровому конусу, Скорость истинного ветра измеряется в м/с, а сила ветра в баллах по шкале Бофорта. Величина кажущегося ветра зависит от взаимного направления истинного ветра и курса судна, от величины их скоростей, При совпадении направления истинного ветра с курсом судна, кажущийся ветер равен разности курсового и истинного ветров, при цротивоположных направлениях истинного ветра и курсa судна кажущийся ветер равен сумме курсового и истинного ветров.
Согласно рекомендациям специальной литературы, теплотехнические испытания энергетических установок судов разрешается проводить при силе ветра не более 4 баллов, то есть при скорости ветра 7,4 м/с. Но в определении самого ветра в этой литературе имеются различные, прямо противоположные названия. Так, в работе [5б] он именуется абсолютным ветром. В работе [бЗ] он именуется в одних местах относительным ветром, в других - просто ветром. В работе [90] рекомендуется определять относительный ветер и все расчеты производить в условиях безветрия, В других работах [51, I25j о теплотехнических испытаниях вообще не говорится об учете ветра и его наименованиях. Поэтому при проведении скоростных испытаний естественно возникает вопрос, какой ветер необходимо учитывать и указывать в отчетах по этим испытаниям.
При одних и тех же гидрометеорологических условиях и скорости судна различным ветрам, измеряемым на судне, будут соответствовать различные их численные значения. Поэтому в зависимости от наименования определяемого ветра возможности проведения теплотехнических испытаний также будут различными. Однако не каждый ветер может характеризовать состояние пого 53 ды. Так, о недопустимости использования кажущегося ветра в качестве оценки состояния погоды могут служить следующие простые, но наглядные цримеры [993.
Пример I. Безветрие. Судно идет со скоростью 16 уз. или 8,23 м/с. Здесь скорость кажущегося ветра будет равна скорости курсового ветра, равного скорости судна. Но допустимый предел проведения испытаний 7,4 м/с. Значит на судне нельзя производить режимные испытания. Но это заключение неверное, так как на самом деле судно идет в условиях безветрия.
Пример 2. Скорость судна 14 уз. или 7,2 м/с. Скорость попутного истинного ветра 12,5 м/с. Скорость кажущегося ветра равна 12,5 - 7,2 = 5,3 м/с. Кажется, можно проводить испытания, но на самом деле судно испытывает сильное попутное воздействие истинного ветра силой 7 баллов, винт становится "легким", двигатель будет работать со значительным недогрузом. Снова кажущийся ветер не может характеризовать истинное состояние погоды - ветра.
Из приведенных примеров видно, что имея такой переменный характер, кажущийся ветер не может быть критерием, определяющим условия проведения скоростных (режимных) испытаний. Таким критерием может быть только истинный ветер, который не зависит от скорости и направления движения судна,
Нормирование топлива и масел способствует экономичному их расходованию и поддержанию судовых силовых установок в нормальном техническом состоянии. Каждому судну (группе судов) на основании теплотехнических испытаний пароходство устанавливает теплотехнические нормативы и рекомендации, которыми пользуются в эксплуатации.
Основными нормативами являются мощность главного двигателя, скорость в грузу и балласте, удельный расход топлива и смазочных масел, В соответствии с мировой и отечественной практикой среднегодовое использование номинальной мощности главных судовых дизелей в эксплуатации в настоящее время составляет 80-ЭД [ІЮЙ.
Основными показателями технической эксплуатации судов, по которым определяются результаты топливоиспользования, являются развиваемые силовой установкой мощность и скорость хо-да судна. Учет этих показателей осуществляется по месячным отчетам, составляемым старшим (главным) механиком судна и представляемым в пароходство.
Месячная машинная отчетность является документом, на основании которого определяют результаты топливоиспользования и выплачивается премия за экономное расходование топлива, Кроме того, машинная отчетность используется для составления и корректировки норм топлива, смазки, мощности и скорости,
Пример нахождения наивыгоднейшего пути через изотропные зоны
Перегрузки можно избежать с помощью регулятора, оборудованного устройством ограничения нагрузки в функции фактической частоты вращения главного двигателя или в функции одного из контрольных параметров теплонапряженности деталей ЦПГ (например, температуры контрольной точки какой-либо детали: цилиндровой крышки, втулки цилиндра, поршня). Однако до сих пор оснащение таким устройством обычно считается нецелесообразным из-за значительного усложнения и повышения стоимости регулятора f62j.
Между тем затраты при аварийных отказах деталей ЦПГ могут намного превысить первоначальные затраты на разработку и внедрение такого регулятора. Независимо от типа регулятора главный двигатель следует оборудовать устройством сигнализации о перегрузке с выносом его на мостик. В этом случае судоводитель, значйй причину снижения частоты вращения главного двигателя, может принять решение, продолжать ли работу с перегрузкой или сбавить ход,до исчезновения сигнала.
В результате проведенного исследования оцределения изменения скорости в условиях открытого мелководья получены следующие практические результаты: 1. На основании экспериментального решения задачи о изменении скорости в результате натурных наблюдений в условиях мелководья предложена эмпирическая формула квадратической параболы для расчета значений Л і/ при различных значениях Н/Г при различных скоростях движения судна і/ . 2. Вычислена рабочая таблица коэффициента #/ измене ния скорости на мелководье при скорости на глубокой воде с поправочными коэффициентами за изменение коэффициента полноты и отношения ширины к осадке 3. Сравнение результатов натурных наблюдений с другими способами (Гире, Ьаске у ) дали хорошие результаты сходимости результатов. Точность эмпирической формулы 2-3%, 4. На основании решения задачи о изменении расхода топлива в результате натурных наблюдений ( ГР ЇС/ЕМ) в условиях мелководья получена эмпирическая формула квадратической параболы для расчета изменения расхода топлива Д&(?.) с изменением относительной глубины Н/Т и скорости судна I/ . 5. Вычислена рабочая таблица коэффициента & изменения расхода топлива на мелководье при скорости движения на глубокой воде и определенных значениях Н/Т с поправочным коэффициентом за различие номинальной скорости судов V„ . 6. Результаты исследования: формулы, рабочие таблицы, на наш взгляд, могут представить непосредственный практический интерес для судоводителей. 7. Режим работы двигателя на мелководье П ЫЕМ является слишком тяжелым для двигателя, цри для избежания перегрузок двигателя следует отключать всережимный регулятор. 8. -Главный двигатель следует оборудовать устройством сигнализации о перегрузке с выносом его на мостик.
Одной из главных задач судоводителя является обеспечение перехода судна из одного порта в другой по наиболее экономически выгодному пути. Так как расходы по содержанию судна приблизительно пропорциональны времени, то под наивыгоднейшим путем чаще всего понимают путь, который обеспечит переход судна из одного порта в другой в кратчайшее время при обеспечении полной безопасности плавания jW/. Задача о выборе оптимальной скорости хода судов не нова для эксплуатационной науки. Еще в период ее формирования этой проблеме уделяли внимание такие исследователи, как Л.М.Ногид, Н.Й.Панин, С.В.Родзевич и др.[32j. Возобновление интереса к задаче выбора оптимальной скорости хода судов в настоящее время вызвано изменением целей и условий функционирования морского флота по сравнению с предшествующими периодами. Возникла потребность по-новому решить эту, в общем, традиционную задачу текущего и оперативного планирования, вытекающую из требований оптимизации режима работы транспортного флота при любой эксплуатационной обстановке. Принципиальным моментом в исследовании проблемы был (и остается) выбор критерия оптимальности. Если исходить из вритерия оптимальности расхода топлива на единицу пути, то в результате получим оптимальный режим работы силовой установки без учета эксплуатационных издержек судна как транспортной единицы,
Наиболее преимлемым, на наш взгляд, при выборе критерия оптимальности является соблюдение оптимума по Парето 3lJ. Общие затраты на перевозку груза в зависимости от скоро 147 рости могут быть разбиты на три статьи: растущие, убывающие и не зависящие от скорости, Первая статья затраты на топливо (включая смазочное) может быть представлена как сложная монотонно возрастающая функция скорости & (v) ,В нашем случае для определенного значения Н/Т функция B(v) может быть рассчитана введением коэффициентов UQ. и /V (табл. 29,3 ).
Вторая статья - расходы, пропорциональные времени перевозки.. Сумма всех затрат на единицу пути (без топлива на Г.д.) ЛМ.
Третья статья представляет затраты на портовое обслуживание, погрузочно-разгрузочные работы, народнохозяйственные издержки из за замедления товарооборота. Проблему народнохозяйственного критерия в текущем планировании нельзя считать окончательно решенной. Чтобы не усложнять математическую модель, затраты третьей статьи в выборе оптимальной скорости учитывать не будем. Будем считать, что расходы на топливо и смазочные, на вспомогательные механизмы на ходу и стоянке равны,
Похожие диссертации на Влияние мелководья на скорость и расход топлива морских транспортных судов
