Расчет сопротивления воды движению судна и определение референтной скорости
ПРОВЕРКА ДВИЖИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ И ОПТИМАЛЬНОГО ДИАМЕТРА ВИНТА ПРИ РАЗЛИЧНОМ ЧИСЛЕ ОБОРОТОВ ВИНТОВ
Выполненные в разделе 5 расчеты EEDI могут показать не соответствие выбранного судна текущим или перспективным требованиям MEPC.212(63). Тогда целесообразно выполнить проверку движительного комплекса судна на предмет наличия резерва для увеличения коэффициента энергетической эффективности за счет оптимизации диаметра или оборотов винта.
Поэтому дальше рассчитываем винт, установленный на судне, без направляющей насадки или с насадкой.
Оптимальные элементы винта определяем при нескольких значениях числа оборотов гребного вала. Выбираем пределы изменения номинальных значений чисел оборотов от 240 до 600 об/мин (они могут не совпадать с оборотами главных двигателей, если передача реверс-редукторная. Но передаточные числа редуктора обыкновенно позволяют в этом случае получить обороты винта, попадающие в выбранный выше диапазон).
Применительно к условиям задания, принятым в расчетном задании, оптимальные элементы открытого гребного винта определяем в соответствии с расчетной схемой, изложенной в главе 3.8.3 [2]. Эта схема основана на использовании диаграмм Э.Э. Папмеля, построенным по результатам систематических модельных испытаний комплексов винт-насадка в свободной воде. При этом используем «корпусную» диаграмму для четырехлопастных гребных винтов (Zл = 4) с дисковым отношением АЕ/А0 = 0,55, как наиболее распространенных на судах внутреннего плавания (см. Приложение 3 – для открытых винтов и Приложение 4 – для винтов в насадке).
Исходными данными для предварительного расчета движительного комплекса являются основные элементы корпуса судна и значение скорости полного хода. Так в рассматриваемом примере uк = 18,0 км/час = 5,0 м/с. Из данных рис.1 известно буксировочное сопротивление судна R = 25,7 кН при расчетной скорости движения uк = 18,0 км/час.
Находим коэффициенты взаимодействия.
Число Фруда для расчетной скорости движения uк = 18,0 км/час = 5,0 м/с равно
Так как Fr > 0,2 то поправка, учитывающая влияние корабельных волн равна
Если Fr < 0,2 то 
.
Тогда коэффициент расчетного попутного потока для открытого винта равен
где δ – коэффициент общей полноты;
V – водоизмещение судна, м3;
D – диаметр гребного винта по справочнику, м.
Если число гребных валов равно Zp = 1, то значение коэффициента хр = 1.
Если число гребных валов равно Zp > 1, то значение коэффициента хр = 2.
Для винтов в насадке с обычными (нетунельными) обводами кормовой оконечности коэффициент расчетного попутного потока равен
Далее принимаем
АР = 0,6; ВР = 0,67 для Zp = 1;
АР = 0,8; ВР = 0,25 для Zp ≥ 2;
Принимая для сухогрузного судна, как для одновинтового судна, Ар = 0,60 и Вр = 0,67 находим расчетный коэффициент засасывания
Коэффициент влияния корпуса
Расчетная скорость эквивалентного винта в свободной воде для сухогрузного судна определяется по формуле
м/с.
Находим необходимую полезную тягу винта
кН.
Расчетное значение упора
кН.
Дальнейший расчет приведен в табл.6.
Значения Jоpt, (Pp/D)opt и hо определены по кривой Dopt диаграммы для расчета открытых гребных винтов в зависимости от КNT.
При этом принимаем значение коэффициента влияния неравномерности на момент винта равным iQ = 1, а КПД валопровода hS = 0,97.
Таблица 6 – Расчет открытого гребного винта для главного двигателя при Dopt
| Величина, размерность | Значение при nmo, об/мин | ||||||||||||||
| Частота вращения винта nco = nmo/60, с-1 | 4,0 | 5,0 | 6,0 | 7,0 | 8,0 | 9,0 | 10,0 | ||||||||
Коэффициент упора-частоты вращения  | 0,52 | 0,52 | 0,47 | 0,44 | 0,41 | 0,39 | 0,37 | ||||||||
| Относительная поступь Jоpt, по диаграмме | 0,315 | 0,315 | 0,29 | 0,27 | 0,255 | 0,237 | 0,22 | ||||||||
| Шаговое отношение (Pp/D)opt, по диаграмме | 0,58 | 0,58 | 0,57 | 0,55 | 0,54 | 0,52 | 0,51 | ||||||||
| КПД винта hо, по диаграмме | 0,46 | 0,46 | 0,44 | 0,41 | 0,4 | 0,39 | 0,36 | ||||||||
Диаметр винта  , м | 1,83 | 1,83 | 1,66 | 1,53 | 1,41 | 1,35 | 1,31 | ||||||||
Пропульсивный коэффициент  | 0,538 | 0,538 | 0,514 | 0,479 | 0,468 | 0,456 | 0,421 | ||||||||
Мощность главного двигателя  кВт | |||||||||||||||
Предельно допустимый диаметр винта выбирается из условия его размещения в кормовом подзоре судна.
Для одновальных судов, можно принимать Dmax = (0,7-0,8) ⋅ T .
Для двух вальных судов, можно принимать Dmax = (0,6-0,7) ⋅ T .
Марка, а также мощность и обороты установленного на судне двигателя есть в справочнике. Там же приведены диаметр винта и число лопастей.
Эта информация отображается на рисунке 5.
Рисунок 5 – График зависимости мощности главного двигателя PS и диаметра винта D от оборотов гребного вала
Далее следует сделать анализ результатов, представленных на рисунке 5.
Потом следуют выводы по работе в целом. В них проводится анализ судна и его СЭУ с точки зрения соответствия требованиям MEPC.212(63) и MEPC 66/21/Add 1 Annex 5 к ККЭЭ и намечаются пути к его уменьшению, на основе анализа расчетов, выполненных в разделе 6.
ЛИТЕРАТУРА
- Басин А.М., Анфимов В.Н. Гидродинамика судна (сопротивление воды, движители, управляемость и качка). – Л.: Речной транспорт, 1961.
- Ходкость и управляемость судов / Под ред. В.Г. Павленко – М.: Транспорт, 1991.
- www.russrivership.ru.
- MEPC.212(63). Руководство по методу расчета EEDI Energy Efficiency Design Index (конструктивный коэффициент энергетической эффективности - ККЭЭ).
- 2014 Guidelines on the method of calculation of the attained energy efficiency design index (EEDI) for new ships. Resolution MEPC 66/21/Add 1 Annex 5, MEPC [Электронный ресурс]. – 2015. – 245 (66). 30 с. – Режим доступа: URL: www.schonescheepvaart.nl/downloads/regelgeving/doc_1400076573.pdf (дата обращения: 02.02.2015).
- Руководство по расчету и проектированию гребных винтов судов внутреннего плавания (приложения) / Под ред. А.М. Басина и Е.И. Степанюка – Л.: Транспорт, 1977.
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Диаграммы открытых винтов
Приложение 4
Диаграммы винтов в насадке
РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ СУДНА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕФЕРЕНТНОЙ СКОРОСТИ
Проектировочный расчет движительного комплекса выполняем для условий сдаточных испытаний судна, когда оно имеет осадку по грузовую ватерлинию и движется по неограниченному фарватеру и при тихой воде.
Объемное водоизмещение судна
V = L ∙ B ∙ T ∙ d = 49,0 ∙ 7,3 ∙ 1,35 ∙ 0,765 = 369,4 м3.
Относительная длина
Коэффициент продольной полноты
Относительная смоченная поверхность
Площадь смоченной поверхности голого корпуса судна определяем по формуле:
 |
Находим значение коэффициента
Далее приводим формулы, использованные далее для заполнения таблицы 1:
для сухогрузного судна
(1)
для буксира и толкача
(1)
для пассажирского судна
(1)
коэффициент
(2)
коэффициент остаточного сопротивления
(3)
число Рейнольдса
(4)
коэффициент сопротивления трения
(5)
коэффициент полного сопротивления
(6)
сопротивление воды (буксировочное сопротивление)
(7)
В формуле (7) значение плотности воды подставляем равным r = 1 т/м3, чтобы получить R в кН. Буксировочная мощность двигателя
(8)
где – пропульсивный коэффициент (подбирается на основе данных по судну для режима движения полным ходом, в данном примере u = 5,0 м/с, Р = 267 кВт); hо – КПД винта; hk – коэффициент влияния корпуса; принимаем значение коэффициента влияния неравномерности на момент винта равным iQ = 1;
hS – КПД валопровода: прямая передача - hS = 0,98-0,99.
реверс-редукторная передача - hS = 0,96-0,97;
электрическая передача - hS = 0,85-87.
Из формулы (8) для режима полного хода (в данном примере) получаем
.
Это значение 
используем при расчете других режимов хода.
Расчет ординат кривой буксировочного сопротивления судна R = f (u) производим, задаваясь числом Фруда для нескольких значений u. Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Число Фруда для расчетной скорости движения uк = 18,0 км/час = 5,0 м/с равно
Таблица 1 – Расчет кривой сопротивления движению судна и буксировочной мощности
| № | Величина | Разм. | Число Фруда Fr (задаемся) | ||||||
| 0,06 | 0,11 | 0,15 | 0,18 | 0,2 | 0,228 | 0,2425 | |||
Скорость судна  | м/с | 1,32 | 2,41 | 3,29 | 3,95 | 4,38 | 5,00 | 5,32 | |
Скорость судна  | км/ч | 4,74 | 8,68 | 11,84 | 14,21 | 15,79 | 18,00 | 19,14 | |
| Ск – формула (1) | - | 1,95 | 1,425 | 1,257 | 1,278 | 1,362 | 1,574 | 1,726 | |
| Сj – формула (2) | - | 1,009 | 1,044 | 1,081 | 1,118 | 1,149 | 1,203 | 1,238 | |
| СR – формула (3) | - | 0,00063 | 0,00087 | 0,00109 | 0,00137 | 0,00167 | 0,00231 | 0,00277 | |
| Re – формула (4) | - | 4,11× 107 | 7,53×107 | 10,3×107 | 12,3×107 | 13,7×107 | 15,6×107 | 16,6×107 | |
| СF0 – формула (5) | - | 0,00238 | 0,00217 | 0,00208 | 0,00202 | 0,00199 | 0,00196 | 0,00194 | |
| СT – формула (6) | - | 0,00381 | 0,00385 | 0,00396 | 0,00420 | 0,00446 | 0,00506 | 0,00550 | |
| R – формула (7) | кН | 1,3 | 4,5 | 8,7 | 13,2 | 17,3 | 25,6 | 31,4 | |
| Р – формула (8) | кВт |
По данным таблицы 1 строим график на рис. 1, выражающий зависимость R = f (u) и Р= f (u).
По этому графику определяем референтную скорость при 0,75Р (267*0,75 = 200 кВт) – 16,74 км/ч = 9,0 узла.
Типичные вопросы студентов по разделам 1 и 2.
1. Вопрос: в пункте 2 в формуле 8 для расчёта нужно значение пропульсивного коэффициента. Чтобы его рассчитать необходимо узнать КПД винта и коэффициент влияния корпуса. Коэффициент влияния корпуса я взял из пункта 4. Как узнать КПД винта?
Ответ. Как рассчитать пропульсивный коэффициент написано в пояснении к формуле (8).
2. Вопрос: в пункте 2 надо провести расчеты для нескольких значений скорости (как я понимаю, для заполнения таблицы 1 надо провести расчёты 7 раз)? Для каких именно значений скорости? Расчёты проводить от числа Фруда до значений буксировочной мощности двигателя?
Ответ. Нужно посчитать число Фруда для режима полного хода (выделено желтым в таблице 1), а затем взять несколько значений от нулевой скорости (желательно равномерно) и одно - больше режима полного хода процентов на 15 (справа от желтого столбца).
3. Вопрос: график кривой буксировочного сопротивления и буксировочной мощности судна строим по значениям R и P? (в таблице 1 я их выделил зелёным).
Ответ. Да, R и P в функции от скорости (строка 2 в таблице 1) в км/ч (см. рис.1).
Рисунок 1 – Кривая буксировочного сопротивления и буксировочной мощности судна