Основы расчета потребной мощности энергетической установки

Сопротивление воды и воздуха движению судна преодолевается благодаря работе его ЭУ, степень использования мощности которой зависит от ряда факторов. На значение мощности двигателя N, необходимой для поддержания заданной скорости влияют сопротивление судна, зависящее от геометрических характеристик корпуса (главных размерений, коэффициентов полноты и некоторых других характеристик формы), состояния поверхности корпуса погруженной в воду, степени ветра и волнения, температуры и солености воды, глубины фарватера, характеристик движителя, характера передачи мощности от двигателя к движителю.

В основу расчета сопротивления R базируется на определении сопротивления воды движению голого корпуса прямым курсом на тихой воде.

R_г = R_вязк + R_вл,

где R_вязк – сопротивление, обусловленное вязкостными свойствами воды, R_вл – волновое сопротивление. Поскольку полное сопротивление несколько больше R_г вводится поправочный коэффициент с, учитывающий дополнительные виды сопротивления, к которым относятся воздушное сопротивление, сопротивление выступающих частей, брызговое сопротивление и пр.

R = (1 + с) R_г.

В свою очередь вязкостное сопротивление можно разделить по характеру воздействия на сопротивление трения и сопротивление формы. Тогда,

R_г = R_тр + R_ф + R_вл.

Относительное значение каждого из трех видов сопротивления зависит от относительной скорости и формы корпуса судна. Наличие данных о характерных соотношениях между R_i для судов каждой из трех категорий позволяет определить какой из элементов проектируемого судна, связанных с его обводами, следует изменить для снижения сопротивления и мощности.

Для транспортных судов с хорошо отработанными обводами, соотношение между составляющими полного сопротивления в зависимости от относительной скорости представлено на рис. 34.

Рис. 34. Соотношение между составляющими сопротивления

Из графика видно, что для судов с Fr ≤ 0,25 основным видом сопротивления является сопротивление трения. Волновая составляющая у тихоходных судов с полными обводами весьма незначительна, зато сопротивление формы играет существенную роль. С увеличением относительной скорости доля сопротивления трения значительно уменьшается, а доля волнового сопротивления растет. Сопротивление формы на всем протяжении графика непрерывно уменьшается, за счет улучшение формы обводов корпуса судна.

Расчетная формула для определения сопротивления голого корпуса:

,

где Ω – площадь смоченной поверхности, м², υ – скорость судна, м/с, γ – удельный вес воды, т/м³, ξ – суммарный коэффициент сопротивления воды движению судна. Данная величина является суммой коэффициентов сопротивления трения технически гладкой эквивалентной пластины ξ_тр, надбавки на шероховатость реальной поверхности ξ_ш, коэффициента сопротивления формы ξ_ф и коэффициента волнового сопротивления ξ_вл.

ξ = ξ_тр + ξ_ш + ξ_ф + ξ_вл.

Следует помнить, что с величиной смоченной поверхности физически связано только сопротивление трения. Введение в выражение для полного сопротивления величин ξ_ш, ξ_ф и ξ_вл в зависимости от Ω является условным приемом. Это необходимо учитывать при проектировании, например, при рассмотрении влияния длины судна на R_ш и R_ф, когда с увеличением длины эти составляющие уменьшаются, несмотря на увеличение Ω (см. ниже). Величина ξ_ш считается константой, зависящей от состояния наружной обшивки судна.

Мощность, развиваемая двигателем, для достижения заданной скорости.

,

где h - пропульсивный коэффициент системы КДД, зависящий от характеристик движителя, его взаимодействия с корпусом, характеристик передачи:

η_пр = η_д∙ η_к∙ η_п∙ η_в,

где η_д – кпд движителя, работающего в свободном равномерном потоке на бесконечном удалении от корпуса. Для гребных винтов в среднем η_д = 0,65 – 0,75. η_к – коэффициент влияния корпуса, равный

,

где t – коэффициент засасывания, т.е. коэффициент увеличения сопротивления вследствие разряжения, создаваемого работой движителя, w - коэффициент попутного потока, т.е. отношение скорости попутного потока воды, увлекаемой вязкостными силами действующими вблизи обшивки, к скорости судна, i – коэффициент неравномерности потока, поступающего к движителю.

Коэффициент полезного действия передачи зависит от ее типа (механическая, электрическая, гидравлическая) и учитывает потери при преобразование энергии: для редукторов η_п = 0,94 – 0,98, для электропередачи η_п = 0,89 – 0,92.

Коэффициент полезного действия валопроводаучитывает потери в опорах гребного вала и в сальниках. Эти потери, напрямую зависят от числа опор, которое в свою очередь зависит от длины гребного вала. В среднем η_в очень близко к единице.

При проектировании очень часто возникает вопрос о выборе расчетного значения скорости. В зависимости от требований задания на проектирования в качестве расчетной может выступать либо максимальная либо эксплуатационная скорость, значение которой на 4 – 10 % меньше максимальной. В большинстве случаев в качестве расчетной выбирается скорость при эксплуатации, поскольку именно от ее значения будут зависеть показатели экономической эффективности судна. Поскольку в течение эксплуатационного периода сопротивление движению постоянно растет (например, за счет обрастания) для достижения заданной скорости мощность ЭУ должна быть увеличена. Это обстоятельство учитывается путем увеличения значения N на 15 – 30 %.

Для большей достоверности определения потребной мощности ЭУ, нужно знать с достаточной точностью сопротивление голого корпуса, пропульсивный коэффициент. Расчеты этих величин могут быть сделаны, а затем уточнены после окончательного определения основных элементов проектируемого судна и проведения экспериментов на модели судна и модели движителя. На начальных стадиях проектирования, когда основные элементы судна еще неизвестны приходится искать связь мощности с ограниченным количеством величин, в первую очередь с главными размерениями, коэффициентами полноты и скоростью.