Расчет ходкости надводных водоизмещающих судов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет буксировочных сопротивления и мощности

Для того, чтобы судно двигалось с некоторой скоростью, необходимо, чтобы гребной винт создавал и постоянно поддерживал движущую силу (упор), достаточную для преодоления сопротивления. Величина упора определяется по формуле

Р = Р_е + ДР,

где Р_е -полезная тяга гребных винтов; ДР- сила засасывания.

Полезная тяга гребного винта идёт на преодоление буксировочного сопротивления R и равна ему Р_е=R .

Буксировочное сопротивление R есть сопротивление воды и воздуха буксируемого судна при отсутствии на нем движителей.

Буксировочное сопротивление воды, которое представляет собой проекцию на направление движения главного вектора касательных и нормальных сил, действующих на подводную (смоченную) поверхность судна определяются по формуле:

где ф - касательное напряжение сил трения; р - гидродинамическое давление; V - скорость судна; ? - смоченная поверхность корпуса судна.

В настоящее время наиболее достоверные данные о величине сопротивления воды движению судна можно получить пересчетом результатов модельного эксперимента, для проведения которого требуется значительная затрата времени и средств. На первоначальных этапах проектирования при сравнительной оценке ходкости большого числа прорабатываемых вариантов проекта указанный способ определения сопротивления неприменим. Поэтому на начальных стадиях проектирования и на стадиях технического проектирования используют способ приближенного расчета буксировочной мощности, которые позволяют при ограниченном числе параметров, характеризующих корпус на данном этапе проектирования, с достаточной достоверностью рассчитать буксировочную мощность.

Поскольку главные размерения и их соотношения, и коэффициенты полноты не могут полностью охарактеризовать форму корпуса судна, то разработать универсальный метод для расчета буксировочной мощности не представляется возможным. Поэтому в настоящее время получили распространение приближенные расчеты буксировочной мощности для отдельных типов судов, обладающие достаточно высокой степенью точности.

Определим водоизмещение судна:

м³

Определим объемное водоизмещение:

т

Определим следующие безразмерные характеристики корпуса:

Площадь смоченной поверхности судна вычисляется по формуле С. П. Мурагина:

м²

Исходные и полученные данные свидетельствуют о том, что для расчета коэффициентов остаточного сопротивления можно применить серию судов с умеренной полнотой обводов (п.1.5.3).

Дедвейт судна может быть определен по формуле:

т

где з_DW =0,6 - коэффициент утилизации водоизмещения, зависящий от типа, размеров, скорости и дальности плавания.

Буксировочное сопротивление судна:

где R_F - сопротивление трения

R_VP - сопротивление формы

R_W - волновое сопротивление

R_A - сопротивление шероховатости

R_AA - сопротивление воздуха

R_AP - сопротивление выступающих частей

Буксировочное сопротивление судна в общем виде:

кН

где C - безразмерный коэффициент полного сопротивления

с - плотность воды.

v - скорость судна м/с

- смоченная поверхность корпуса,

Буксировочная мощность:

Р_е= 1,15 R·v кВт

1,15 - коэффициент, учитывающий эксплуатационные факторы

В соответствии с принятой структурой сопротивления, безразмерный коэффициент полного сопротивления равен :

где C_R= C_VP+C_W - коэффициент остаточного сопротивления

- коэффициент сопротивления трению, определяем по формуле

Прандтля-Шлихтинга:

где Re - число Рейнольдса по длине судна (Re ? 5·10⁶).

C_AР - коэффициент сопротивления выступающих частей принимаем по рекомендации ЦНИИ им. Крылова равным 0,15·10^-3.

С_A - надбавка, учитывающая шероховатость наружной обшивки, принимаем равной 0,35·10^-3.

С_AA - коэффициент сопротивления воздуха движению судна имеет вязкостную природу. Основную часть сопротивления создает надстройка. Вклад же воздушного сопротивления в общий баланс невелик 1-3%. Поэтому принимаем С_AA=0.

По результатам расчёта построены графики зависимости R_Е и Р_ЕЕ от возможных скоростей эксплуатации судна (см. рис. 1.).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1.

Таблица 1 - Расчет буксировочного сопротивления и мощности

№	Расчетная величина	Ед.измер.	Значения
1	vS	уз	14	15	16	17,3	18
2	v=0,514·vS	м/с	7,2	7,71	8,2	8,9	9,25
3	v2	м2/с2	51,78	59,44	67,63	79,07	85,6
4		---	0,202	0,216	0,231	0,25	0,26
5	CR·103 рис.1.19	---	1,23	1,46	2,15	3,27	3,5
6	рис.1.23	---	1,023	0,977	0,955	0,953	0,947
7	рис.1.19	---	5,65	5,65	5,65	5,65	5,65
8	рис.1.20	---	1,15	1,14	1,135	1,125	1,12
9	рис.1.20	---	1,153	1,142	1,136	1,126	1,123
10		---	0,997	0,998	0,9991	0,9991	0,9973
11	рис.1.21	---	1,0298	1,03	1,0305	1,031	1,0315
12	рис.1.21	---	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0
13		---	1,292	1,467	2,114	3,210	3,410
14		---	5,78	6,20	6,61	7,15	7,44
15		---	0,917	0,830	0,759	0,683	0,649
16		---	0,35	0,35	0,35	0,35	0,35
17		---	0,15	0,15	0,15	0,15	0,15
18		---	2,709	2,797	3,373	4,393	4,559
19		кН	232,2	275,1	377,5	574,9	645,8
20		кВт	1670,6	2121,1	3104,5	5112,1	5974,8
21		кН	267,0	316,4	434,1	661,1	742,7
22		кВт	1921,2	2439,2	3570,2	5879,0	6871,0

2. Расчет гребного винта для выбора главного двигателя

Предварительный расчет гребного винта

Расчет параметров двигателя в 1-ом приближении. В качестве расчетного режима для гребного винта выбираем режим, соответствующий среднеэксплуатационным условиям для v_S=17,3 уз.

R_E = 661,1 кН - проектное буксировочное сопротивление.

Р_ЕЕ = 5879,0 кВт - проектная буксировочная мощность.

Выбираем винт фиксированного шага. Предельное значение диаметра гребного винта:

м

Для двухвальных судов с умеренными обводами коэффициенты попутного потока и засасывания определяются следующим образом:



K_DE - коэффициент нагрузки гребного винта по тяге:

кН

Расчет гребного винта для выбора главного двигателя.

При выборе числа лопастей гребного винта рассчитывают коэффициент нагрузки гребного винта по упору при постоянном диаметре:

м/с

кН

Так как K_DT =0,96 < 2,0, то число лопастей принимаем z=4. Дисковое отношение и относительную толщину лопастей будем выбирать из условия обеспечения достаточной прочности лопастей, а также из условия отсутствия второй стадии кавитации.

Для обеспечения достаточной прочности дисковое отношение должно быть:

c` = 0,055 - для латуни

Найдем минимальное допустимое дисковое отношение из условия отсутствия второй стадии кавитации, для этого воспользуемся графиком (рис. 2.37 - [1]), = 0,52 , предварительно рассчитав удельную нагрузку:

Н/м²

Полагая, что > м.

Дисковое отношение будет равным:

Окончательно расчетное значение дискового отношения принимается не меньше и равным ближайшему большему табличному значению (таб. 2.2 - [1]).

Располагая значениями числа лопастей и дискового отношения, выбираем винтовую диаграмму М-4-85 ( z=4, A_E/A₀ = 0,85) - рис. 2.22 - [1].

Дальнейшие расчеты проводим в табличной форме (табл. 2), принимая з_в = 0,97 и з_р = 0,97.

Таблица 2 - Расчет элементов гребного винта для выбора главного двигателя

№	Расчетные величины	Ед. измерений	Численные значения
1	D	м	4,82	4,57	4,33	4,09
2	KDT= VAD(с/ TB)1/2	---	0,96	0,91	0,86	0,82
3	J=J( KDT)	---	0,49	0,47	0,44	0,425
4	n=VA·60/(JD)	об/мин	145,7	159,9	180,3	197,6
5	P/D=P/D( KDT)	---	0,930	0,910	0,895	0,885
6	з0=з0( KDT)	---	0,515	0,500	0,485	0,470
7	з=з0(1-t)/iQ (1- WT)	---	0,625	0,607	0,589	0,571
8	PS=PEE/zP·з·зв	кВт	9691,0	9981,7	10290,4	10618,8
9	PSP=PEE/з·зв·зр·zp	кВт	9990,7	10290,4	10608,7	10947,3
10	PSN=PSP/0,9	кВт	11100,8	11433,8	11787,4	12163,6

Рис. 2.

3. Выбор главного двигателя и передачи к гребному винту

Выполнив анализ паспортных данных двигателей ведущих дизелестроительных фирм, не трудно убедиться, что единственной возможностью для рассматриваемого проекта будет дизель-редукторный агрегат на основе СОД с номинальной мощностью

[4]

Паспортные данные двигателей расчетного диапазона приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Паспортные данные двигателей

№ п/п	Марка	PSN, кВт	n,об/мин	ge,(кВт·ч)	L,мм	В,мм	Н,мм	G,т
1	8L58/64 СОД “MAN B&W”	11120	428	177	11600	3550	5140	198
2	15VZA0S CОД “New Sulzer Diesel”	11520	510	183	9380	2865	5305	132
3	6L64 CОД “WARTSILA DIESEL”	12060	333	173	10135	3965	6315	227

Из соображений того, что двигатель №1 обеспечивает потребную мощность, остановили свой выбор на двигателе №1 8L58/64.

4. Расчет гребного винта для заданного двигателя

Рассчитаем характеристики оптимального гребного винта и скорость хода судна при следующем значении частоты вращения гребного винта (по таблице 3.2-[1] - т.к. передача от двигателя к гребному винту не прямая, а через редуктор):

D_расч = 0,9·D_пред = 0,9·4,82 = 4,33 м

z_P =1

з_в = 0,97

з_р = 0,97

Результаты расчета сведены в табл.4.

Таблица 4 - Расчет характеристик оптимального гребного винта, частоты вращения и скорости хода

№	Расчетные величины	Единицы измерений	Численные значения
			1 приближение	2 приближение
1	VS	уз	17,3	17,6
2	VA= 0,514·VS(1- WT)	м/с	5,73	5,83
3	RE(VS)	кН	661,1	684,0
4	PEE(VS)	кВт	5878,9	6162,0
5	TB= RE/zP(1-t)	кН	845,1	874,4
6	KDT= VA·D·(с/TB)1/2	---	0,864	0,865
7	J=J( KNT)	---	0,44	0,445
8	n	об/мин	180,3	181,3
9	KT	---	0,259	0,265
10	з0=з0( KT,J`)	---	0,482	0,485
11	P/D=P/D( KT,J`)	---	0,87	0,88
12		---	0,585	0,589
13		кВт	10674,7	11119,6
14		%	4,004	0,004

Передаточное отношение редуктора i_Р=428/181,3=2,37.

Расхождение между мощностью двигателя и рассчитанной составляет 0,004 %, что приемлемо.

5. Проверка гребного винта на кавитацию и прочность

Проверку винта на кавитацию выполним по схеме Э. Э. Папмеля в следующей последовательности.

Рассчитаем коэффициент подъемной силы предварительно значение коэффициента упора К_Т, по диаграмме В-4-85 рис. 2.22 [1].

Определим коэффициент относительного разрежения, приняв e` = 0,08 в соответствии с рекомендациями подраздела 3.5.

Вычислим коэффициент, характеризующий начало кавитации:

Рассчитаем критическую частоту вращения гребного винта, определив предварительно статическое давление на глубине оси вращения:

м

Для того, чтобы при работе гребного винта не возникала кавитация, необходимо, чтобы частота вращения гребного винта n была на 10 % меньше критической, то есть - 185 об/мин ? 181,3 об/мин. Следовательно, кавитация отсутствует.

Материал гребного винта выбираем - латунь. Плотность латуни - 8500 кг/м³ .

Допустимые напряжения - 60 МПа.

Угол отклонения лопасти - 15°.

Поток однородный.

Проверка гребного винта на прочность проведем в табличной форме - таблица 5.

Таблица 5 - Расчет прочности гребного винта

№	Расчетные величины	Ед. измерений	Численные значения
1	b=0,859· bmax	м	1,742
2	e=0,8·D·e0`	м	0,191
3	P/D	---	0,88
4	ц=arctgP/D/р/r`	град	35
5	GP(rн`,r)	---	0,475
6	GT(rн`,r)	---	1,38
7	MP=TB·D· GP/(2·z)	Н·м	224976,9
8	KQ= KT·J/(з2р)	---	0,038
9	MT= KQ·с·n2·D5· GT/(2z)	Н·м	92,92
10	G	кг	384,8
11	Pц	Н	141132,4
12	Мц	Н·м	26945,8
13	Мо=(МР+Мц)cosц+MTsinц	Н·м	206374,7
14	F=g1·e·b	м2	0,236
15	Wо=о·e2·b	м3	0,005
16	уЦ=РЦ/F	Н/мм2	0,6
17	уо(C)= Мо/ Wо(C)	Н/мм2	38,3
18	у(C)= уо(C)+ уЦ	Н/мм2	38,9
19	удоп/у(C)	---	1,5

Прочность обеспечена.

м

6. Расчет и построение паспортной диаграммы

; z=4 ; ; ; ; ;

Таблица 6 - Расчет кривых действия гребного винта за корпусом судна

№	Расчетные величины	Численные значения
1	J	0,35	0,40	0,45	0,50	0,55
2	KT(J, P/D)	0,3	0,285	0,26	0,238	0,217
3	з0(J, P/D)	0,4	0,445	0,49	0,527	0,57
4	KQ= KT·T/(2р з0)	0,046	0,045	0,042	0,040	0,037
5	S=1-J/(P/D)	0,602	0,545	0,489	0,432	0,375
6	t=t0/S	0,181	0,200	0,223	0,252	0,154
7	KBT=(1-t)· KT	0,246	0,228	0,202	0,178	0,154
8	KQB=iQ·KQ=KQ	0,046	0,045	0,042	0,040	0,037
9	JV=J/(1-WT)	0,543	0,621	0,599	0,776	0,854

Расчет характеристик гребного винта

об/с = 190 об/мин

кН

кВт

Таблица 7

№ п/п	Расчетные величины	Единица измерений	Численные значения
1	JV	---	0,543	0,621	0,699	0,776	0,854
2	VS	уз	14,5	16,6	18,7	20,8	22,8
3	TB	кН	894,5	830,2	735,4	647,8	560,5
4	PD	кВт	14234,2	13891,5	12947,7	12244,5	11354,1

об/с = 181 об/мин

кН

кВт

Таблица 8

№ п/п	Расчетные величины	Единица измерений	Численные значения
1	JV	---	0,543	0,621	0,699	0,776	0,854
2	VS	уз	13,8	15,8	17,8	19,8	21,7
3	TB	кН	811,3	753,0	667,1	587,6	508,4
4	PD	кВт	12603,4	12300,0	11464,3	10841,7	10053,3

об/с = 172 об/мин

кН

кВт

Таблица 9

№ п/п	Расчетные величины	Единица измерений	Численные значения
1	JV	---	0,543	0,621	0,699	0,776	0,854
2	VS	уз	13,1	15,0	16,9	18,8	20,7
3	TB	кН	732,2	679,6	602,0	530,3	458,8
4	PD	кВт	11097,2	10830,0	10094,2	9545,9	8851,8

 об/с = 163 об/мин

кН

кВт

Таблица 10

№ п/п	Расчетные величины	Единица измерений	Численные значения
1	JV	---	0,543	0,621	0,699	0,776	0,854
2	VS	уз	12,5	14,2	16,0	17,8	19,6
3	TB	кН	657,2	610,0	540,3	476,0	411,8
4	PD	кВт	10155,0	9910,5	9237,2	8735,5	8100,3

Таблица 11 - Расчет внешней ограничительной характеристики двигателя.

n	c-1	3,17	3,02	2,87	2,72
	кВт	11676,0	11120,0	10564,0	10008,0

7. Расчет и построение эскиза гребного винта

судно гребневой винт кавитация буксировочный

Расчет и построение контура спрямленной лопасти гребного винта.

Тип формы контура спрямленной лопасти - саблевидный.

Диаметр ступицы d_ст = 0,2·D = 0,2·4,33 = 0,867 м.

Максимальная ширина контура спрямленной лопасти (см. раздел 5):

b_max = 2,028 м

Значения ординат для входящей b_вх и выходящей b_вых частей контура и расстояние b_C от вертикальной оси контура до линии наибольших толщин приведены в табл. 12.

Таблица 12.

Ординаты контура	Значение r, м
	0,433	0,650	1,083	1,517	1,733	2,058	2,167
bвх	0,951	1,067	1,168	1,043	0,840	0,252	-
bвых	0,592	0,675	0,828	0,947	0,983	0,842	0,408
bC	0,540	0,531	0,467	0,166	-0,0365	-0,576	-

Кромочное значение толщины e_кр = б·D·(50-D) = 11,9 мм при б = 0,06 для латунных винтов.

Саблевидный винт имеет аэродинамический профиль у корня лопасти, постепенно переходящий в сегментный. Ординаты профиля лопасти указаны в табл. 13.

Таблица 13

r, м	Расстояние от места наибольшей толщины е, %
	До входящей кромки	0	До выходящей кромки
	100	90	60		40	80	100
Засасывающая поверхность
0,433	40,0	64,3	87,0	100,0	86,9	58,4	30,0
0,650	37,5	62,6	85,8	100,0	86,8	54,7	25,3
1,083	30,4	56,8	79,4	100,0	86,1	43,4	9,7
1,517	16,0	44,2	74,9	100,0	84,9	39,4	0,0
1,733	7,4	34,4	88,7	100,0	85,3	41,0	0,0
2,058	0,0	29,5	73,5	100,0	87,9	46,4	0,0
Нагнетающая поверхность
0,433	40,0	20,3	5,9	0,0	5,5	18,2	30,0
0,650	37,5	16,5	4,6	0,0	1,7	12,2	25,3
1,083	30,4	8,5	0,0	0,0	0,0	1,8	9,7
1,517	16,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
1,733	7,4	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
2,058	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0

Входящая кромка профиля очерчивается по окружности диаметра d_вх с центром, поднятым на высоту y_вх. Для выходящей кромки - очертание по дуге окружности радиуса r_вых с центром на нагнетающей поверхности лопасти (табл. 14). e=0,055·D=0,055·4,33=0,238 м=238 мм

Таблица 14

Значения	Значения r, м
	0,433	0,650	1,083	1,517	1,733	2,058
dвх , мм	0,0952	0,082	0,064	0,045	0,046	0,042
rвых , мм	0,032	0,030	0,028	0,034	0,038	0,045

Построение нормальной боковой поверхности

Выполнив построения для всех принятых значений радиусов, получим ряд точек; соединяя эти точки плавными кривыми, строим искомые контуры боковой и нормальной проекции.

Заключение по расчету ходкости

В результате выполненного расчета ходкости получены следующие результаты:

- в качестве главного двигателя выбран среднеоборотный дизель с номинальной мощностью 11120 кВт, частотой вращения - 428 об/мин с передаточным отношением редуктора 2,37.

Выбраны элементы оптимального гребного винта :

- диаметр гребного винта - 4,33 м

- шаг - 3,813 м

- дисковое отношение - 0,85

- число лопастей - 4

- среднеэксплуатационная скорость хода - 17,6 уз

Список литературы

1. Слижевский Н.Б., Король Ю.М., Соколик М.Г., Тимошенко В.Ф., Расчет ходкости надводных водоизмещающих судов.- Николаев, НУК, 2004

2. Рубецкий А.А., Жученко М.М., Дубровый О.В., Судовые движители, Ленинград, 1971

3. Справочник по теории корабля, том 1 / Под редакцией Войткунского Я.И. - Л: Судостроение, 1985

4. Горбов В.М., Шаповалов С.А., Ратушняк И.А. Главные двигатели современных морских судов. Николаев, 1998.

Размещено на Allbest.ru