Расчет ходкости корабля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Исходные данные

Главные размерения судна приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Главные размерения судна

Вариант задания	Ж
Длина наибольшая:	Lmax, м	126,201
Длина по ГВЛ	LГВЛ, м	118,335
Длина между перпендикулярами:	Lpp, м	115,00
Ширина наибольшая	Bmax, м	14,30
Ширина по ГВЛ	ВГВЛ, м	14,30
Высота борта на миделе:	H, м	10,198
Осадка судна:	T, м	7,30
Теоретическая шпация:	dL, м	11,50

Скорость судна:

5, 10, 15, 20, 25 узлов.

2. Площадь смоченной поверхности судна

Сопротивление движению изменяется прямо пропорционально величине смоченной поверхности. Поэтому величину смоченной поверхности необходимо определять с наибольшей точностью.

Поверхность подводной части корпуса судов обычно нельзя представить в виде явной функции от координат и вычислить её площадь аналитически не удаётся. Поэтому для вычисления смоченной поверхности применяют приближённые методы.

Наиболее достоверные результаты можно получить при вычислении площади смоченной поверхности голого корпуса с использованием теоретического чертежа путем интегрирования смоченных длин шпангоутов.

Достаточную для практических целей точность, обеспечивают способы

основанные на приближенном интегрировании смоченных длин полупериметров равноотстоящих шпангоутов, снятых с проекции «корпус» теоретического чертежа (в нашем случае предельно точно в графическом приложении «Компас 3D V12»).

В этом случае площадь может быть рассчитана методами численного интегрирования (например, с использованием правила трапеций):

.

Данная формула не учитывает влияния продольной кривизны обводов корпуса судна на величину смоченной поверхности, но для морских транспортных судов обычных образований это влияние незначительно (примерно 1 - 1,15%), поэтому никаких поправок в расчёт не вводят.

Используя проекцию, корпус теоретического чертежа, определим площадь смоченной поверхности (таб. 2.1) для трёх осадок соответствующих 2, 3, 4 (ГВЛ) ватерлиниям (рис. 2.1) и вычертим графическую зависимость (рис. 2.2).

Таблица 2.1. Определение площади смоченной поверхности

Осадка, м	м		Поправка		м2
	Номер шпангоута
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Т1 = 3,650	-	3,472	5,864	7,167	7,905	8,178	8,032	7,491	6,306	4,286	-	58,701	3,879	54,822	1535,016
Т2 = 5,475	-	5,590	7,893	9,124	9,780	10,028	9,900	9,421	8,443	6,975	-	77,154	6,283	70,872	1984,402
Т3 = 7,300	0,000	7,570	9,809	10,973	11,613	11,857	11,774	11,308	10,456	9,340	2,445	97,145	1,223	95,923	2685,830

3. Расчёт сопротивления трения судна для трёх осадок

Часть полного сопротивления, возникающих за счёт касательных напряжений, называется сопротивлением трения. Сопротивление трения обусловлено влиянием вязкости жидкости и рассчитывается с учётом состояния поверхности корпуса судна. Оно включает также влияние кривизны поверхности корпуса судна. Учитывая, что сопротивление трения и сопротивление формы обусловлены вязкостью, они могут быть объединены в одну составляющую, которую принято называть вязкостным сопротивлением.

Разделение полного сопротивления на сопротивление давлений и сопротивление трения основано на учёте физического различия элементарных сил, действующих на поверхность судна.

Расчёт сопротивления трения судна выполняется по методу эквивалентной пластины. Эквивалентной называется пластина, имеющая длину, площадь смоченной поверхности и скорость движения, равные их значениям для судна.

Так как для натурных судов пограничный слой является турбулентным практически по всей длине, то для определения коэффициента сопротивления трения можно воспользоваться одной формулой Прандтля-Шлихтинга

где - число Рейнольдса; - скорость судна м/с;

- длина судна по ватерлинии, м; - кинематический коэффициент вязкости, значение которого для морской воды при принимается равным м²/с;

Сопротивление трения судна

где корреляционная поправка (таб. 1.4 [1]); кг·с²/м⁴.

Расчет сопротивления трения судна для трех осадок выполнен в таблицах 3.1ч3.3. Графическая зависимость (рис. 3.1), (рис. 3.2).

Таблица 3.1. Расчётное сопротивление для Т₁= 3,65 м; L= 108,387 м

Расчетные значения	Значения скоростей
	5 узлов	10 узлов	15 узлов	20 узлов	25 узлов
, м/с	2,570	5,140	7,710	10,280	12,850
	1,475	2,951	4,428	5,903	7,379
	2,396	2,254	2,146	2,043	1,962
	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300
	744,42697	2977,71	6420,43	11063,7	16876,8

Таблица 3.2. Расчётное сопротивление для Т₂= 5,475 м; L= 111,63 м

Расчетные значения	Значения скоростей
	5 узлов	10 узлов	15 узлов	20 узлов	25 узлов
, м/с	2,570	5,140	7,710	10,280	12,850
	1,690	3,382	5,072	6,763	8,454
	2,345	2,146	2,035	1,963	1,908
	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300
	1417,6921	5252,33	11297,9	19481,2	29731,4

Таблица 3.3. Расчётное сопротивление для Т₃= 7,30 м; L= 118,335 м

Расчетные значения	Значения скоростей
	5 узлов	10 узлов	15 узлов	20 узлов	25 узлов
, м/с	2,570	5,140	7,710	10,280	12,850
	1,888	3,777	5,665	7,553	9,442
	2,316	2,113	2,006	1,935	1,883
	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300
	2147,6867	7939,26	17090,7	29484,7	45015,1

4. Расчет полного сопротивления движению судна с помощью графиков серийных испытаний моделей судов

Используя графики серийных испытаний моделей судов, рассчитаем полное сопротивление и буксировочную мощность для трёх осадок (таб. 4.1ч4.3).

Наиболее достоверные результаты при определении сопротивления воды движению судов могут быть получены путём расчётов по данным испытаний систематических серий моделей судов. Под систематической серией понимается группа моделей с систематически изменяющимися от модели к модели параметрами, характеризующимися форму теоретического чертежа и соотношения главных измерений. Количество моделей может быть достаточно велико. При разработке таких серий модели разделяются на группы так, чтобы в каждой группе систематически и независимо изменялся один какой-нибудь параметр, а другие оставались без изменения. Это даёт возможность проследить влияние на сопротивление этого параметра. Количество групп моделей в серии при этом, очевидно равно числу исследуемых параметров.

Очевидно, что исследовать влияние на сопротивление всех параметров, которые могут оказывать влияние на сопротивление, невозможно. Поэтому важно при расчётах сопротивления проектируемого судна подбирать такую серию, которая наиболее близко, особенно по ряду исследуемых параметров, подходила бы к рассматриваемому судну.

На основании обработки результатов испытаний систематических серий строятся диаграммы, по которым можно определить сопротивление судна, обводы которого геометрически подобны обводам моделей вошедших в серию.

Систематический характер изменения геометрических характеристик моделей, входящих в серию, даёт возможность разработать метод, с помощью которого можно создать теоретический чертёж проектируемого судна на основании данных о его коэффициентах формы и соотношений главных размерений. Это позволяет создать обводы, геометрически подобные обводам моделей серии, и получить близкий к оптимальному

с точки зрения сопротивления теоретический чертёж, а также наибольшую достоверность расчётов сопротивления.

В отечественной практике при оформлении результатов испытаний систематических серий моделей принято представлять основную диаграмму зависимости коэффициентов остаточного сопротивления для ряда постоянных чисел Фруда от коэффициента общей полноты для основных моделей серий, образующих группу. Для этой группы моделей, как правило, одни параметры формы, например и , остаются постоянными, а другие, обычно и , меняются систематически.

Таким образом, определяющим параметром является коэффициент общей полноты. Влияние других параметров на сопротивление оценивается с помощью вспомогательных диаграмм.

Коэффициенты, учитывающие влияние параметров формы для отдельных серий могут быть произвольными. Они определяются тем, влияние каких параметров формы исследовалось при разработке и испытании моделей данной серии. Принципиально увеличением числа исследуемых параметров можно повысить точность соответствующих расчётов. Коэффициенты влияния определяются по соответствующим вспомогательным диаграмм.

Для расчёта полного сопротивления движению судна следует рассчитать соответствующие заданным скоростям коэффициенты сопротивления трения, ввести надбавку на шероховатость и надбавку на выступающие части. Сумма этих коэффициентов и коэффициента остаточного сопротивления определяет коэффициент полного сопротивления рассматриваемого судна. Затем рассчитывается полное сопротивление судна и его буксировочная мощность для случая движения на тихой воде.

Выбор наиболее пригодной серии и соответствующих расчётных диаграмм определяется типом судна и его основными геометрическими параметрами формы, прежде всего коэффициентом общей полноты и особенностями формы обводов корпуса.

Данные:

Тип судна - транспортное судно;

Для осадки T₁ = 3,65 м.

· 108,387 м - длина судна;

· 13,564 м; - ширина судна;

· 15405,961 м³ - объемное водоизмещение;

· 1535,016 м² - площадь смоченной поверхности;

· = 7,99;

· = 3,72;

· - относительная длина судна;

· - относительная абсцисса центра величины;

· - коэффициент общей полноты;

· м²/с;

· ;

· = 1,025 т/м³

· (/2)= т/м;

Для осадки T₂ = 5,475 м.

· 111,63 м - длина судна;

· 14,25 м; - ширина судна;

· 22622,242 м³ - объемное водоизмещение;

· 1984,402 м² - площадь смоченной поверхности;

· = 7,83;

· = 2,60;

· - относительная длина судна;

· - относительная абсцисса центра величины;

· - коэффициент общей полноты;

· м²/с;

· ;

 = 1,025 т/м³

· (/2)= т/м;

Для осадки T₂ = 7,30 м.

· 118,335 м - длина судна;

· 14,3 м; - ширина судна;

· 36874,185 м³ - объемное водоизмещение;

· 2685,830 м² - площадь смоченной поверхности;

· = 8,28;

· = 1,96;

· - относительная длина судна;

· - относительная абсцисса центра величины;

· - коэффициент общей полноты;

· м²/с;

· ;

· = 1,025 т/м³

· (/2)= т/м.

Таблица 4.1. Расчёт полного сопротивления и буксировочной мощности

Серия судов с умеренной полнотой обводов (Т1 = 3,65 м)
№	Наименование	Обозначение	Численные значения
1	Число Фруда		0,079	0,158	0,236	0,315	0,394
2	Скорость судна	, узлы	5,000	10,000	15,000	20,000	25,000
3	Скорость судна	, м/с	2,570	5,140	7,710	10,280	12,850
4	Квадрат скорости	м2/с2	6,600	26,420	59,440	105,680	165,120
5	К-т остаточного сопротивления	рис 1.19 [1]	0,200	0,400	0,500	0,600	0,700
6	К-т влияния		1,125	1,111	1,100	1,075	1,077
7	К-т влияния	рис. 1.21 [1]	1,000	1,100	1,110	1,120	1,130
8	К-т влияния	рис. 1.24 [1]	1,170	1,110	1,080	1,040	0,970
9	К-т влияния	рис. 1.19 [1]	3,250	3,250	3,250	3,250	3,250
10	К-т влияния	рис. 1.20 [1]	0,450	0,500	0,550	0,570	0,700
11	К-т влияния	рис. 1.20 [1]	0,400	0,450	0,500	0,530	0,650
12	К-т влияния	рис 1.21 [1]	0,950	0,950	0,950	0,950	0,950
13	К-т остаточного сопр. испр.	5·6·7·8·12	0,250	0,515	0,626	0,714	0,785
14	Число Рейнольдса		1,475	2,951	4,428	5,903	7,379
15	К-т трения, эквивалентной пластины		2,396	2,254	2,146	2,043	1,962
16	Надбавка на шероховатость	табл. 1.4 [1]	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300

Таблица 4.3. Расчёт полного сопротивления и буксировочной мощности

Серия судов с умеренной полнотой обводов (Т3 = 7,30 м)
№	Наименование	Обозначение	Численные значения
1	Число Фруда		0,075	0,151	0,226	0,302	0,377
2	Скорость судна	, узлы	5,000	10,000	15,000	20,000	25,000
3	Скорость судна	, м/с	2,570	5,140	7,710	10,280	12,850
4	Квадрат скорости	м2/с2	6,600	26,420	59,440	105,680	165,120
5	К-т остаточного сопротивления	рис. 1.19 [1]	0,200	0,400	0,500	0,600	0,700
6	К-т влияния		1,125	1,111	1,100	1,075	1,077
7	К-т влияния	рис 1.21 [1]	1,000	1,100	1,110	1,120	1,130
8	К-т влияния	рис. 1.23 [1]	1,170	1,110	1,080	1,040	0,970
9	К-т влияния	рис. 1.19 [1]	3,250	3,250	3,250	3,250	3,250
10	К-т влияния	рис. 1.20 [1]	0,450	0,500	0,550	0,570	0,700
11	К-т влияния	рис. 1.20 [1]	0,400	0,450	0,500	0,530	0,650
12	К-т влияния	рис. 1.21 [1]	0,950	0,950	0,950	0,950	0,950
13	К-т остаточного сопр. испр.	5·6·7·8·12	0,250	0,515	0,626	0,714	0,785
14	Число Рейнольдса		1,888	3,777	5,665	7,553	9,442
15	К-т трения, эквивалентной пластины		2,316	2,113	2,006	1,935	1,883
16	Надбавка на шероховатость	таб. 1.4 [1]	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300
17	К-т сопротивления выступ. частей	таб. 1.5 [1]	0,150	0,150	0,150	0,150	0,150
18	К-т сопротивления	13+15+16+17	3,016	3,078	3,082	3,099	3,118
19	Полное сопротивление	(/2)·18·4, кН	27,271	111,427	251,006	448,639	705,344
20	Буксировочная мощность	, кВт	70,088	572,734	1935,258	4612,012	9063,668
21	Полное сопротивление	, кН	31,362	128,141	288,657	515,935	811,145
22	Буксировочная мощность	, кВт	80,601	658,644	2225,547	5303,813	10423,22

Графические зависимости буксировочных сопротивления и мощности в условиях ходовых испытаний - и , эксплуатации - и в зависимости от скорости и осадки представлены на рис. 4.1 и 4.2.

5. Расчет полного сопротивления движению судна путем пересчёта коэффициента сопротивления движению по данным прототипа для полной осадки

Приближённое определение сопротивления по прототипу основано на использовании полученной в результате модельных испытаний зависимости коэффициента остаточного сопротивления , для судна с формой обводов, аналогичной принятой для рассчитываемого объекта, и по возможности с небольшими различиями в основных геометрических характеристиках корпуса. При этом влияние на остаточное сопротивление несоответствия геометрических параметров, как правило, соотношений главных размерений , , , коэффициентов полноты , , а иногда и абсциссы центра величины учитывается введением системы корректирующих поправок в исходные значения для прототипа. Применение указанных поправок основывается на допущении о независимости влияния на остаточное сопротивление каждого геометрического параметра из числа различающихся у проектируемого судна и прототипа, при этом остальные параметры полагаются постоянными.

Кроме использования для расчёта коэффициента по прототипу непосредственно материалов систематических серий, существуют комплекты графиков, построенных специально для определения «коэффициентов влияния». Наиболее известные из них диаграммы, построенные И.В. Гирсом, учитывающие влияние относительной длины , коэффициента продольной полноты и отношения ширины к осадке . Именно этими диаграммами мы и будем пользоваться в наших расчётах.

Рассчитаем полное сопротивление движению судна по данным прототипа для полной осадки (таб. 5.1) и построим графическую зависимость (рис. 5.1).

Таблица 5.1. Расчёт буксировочных сопротивления и мощности путём пересчёта коэффициента остаточного сопротивления по прототипу

№	Обозначение расчётных величин	Численные значения
1	, узлы	5,000	10,000	15,000	20,000	25,000
2	, м/с	2,570	5,140	7,710	10,280	12,850
3	м2/с2	6,600	26,420	59,440	105,680	165,120
4		0,075	0,029	0,075	0,151	0,226
5		0,650	0,700	0,720	1,000	1,050
6	к-т влияния1	1,080	1,075	1,074	1,067	1,059
7	к-т влияния2	0,920	0,950	0,940	0,920	1,070
8	к-т влияния3	0,970	0,970	0,970	0,970	0,970
9	= 5·6·7·8	0,630	0,690	0,710	0,950	1,150
10		1,888	3,777	5,665	7,553	9,442
11		2,316	2,113	2,006	1,935	1,883
12	табл. 1.4 [1]	0,300	0,300	0,300	0,300	0,300
13	табл. 1.5 [1]	0,150	0,150	0,150	0,150	0,150
14	= 9+11+12+13	3,396	3,253	3,166	3,335	3,483
15	(/2)·14·3, кН	30,707	117,744	257,816	482,847	787,905
16	, кВт	78,916	605,202	1987,763	4963,663	10124,576
, где и рис 1.67 [1]; , где и рис 1.68 [1]; , где и рис 1.69 [1];

6. Определение параметров гребного винта

Расчет элементов гребного винта для выбора двигателя

В качестве движителя выбираем винт фиксированного шага. Тип установки - одновальная с прямой передачей от двигателя к движителю. Предельное значение диаметра гребного винта

м.

Расчетный режим для гребного винта выбираем соответствующим среднеэксплуатационным условиям. Для проектной скорости (в нашем случае среднеэксплуатационной) уз численные значения буксировочных сопротивления и мощности составляют:

288,657 кН; 2225,547 кВт (по табл. 4.3)

Для одновальных транспортных судов с U - образными и умеренно U - образными кормовыми шпангоутами коэффициенты попутного потока и засасывания определяются следующим образом:

где коэффициент нагрузки гребного винта по тяге

,

где полезная тяга гребного винта

кН,

где число гребных винтов

,

и, таким образом

.

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

; , м/с;

, кН;

.

Так как ?, то число лопастей принимаем .

Дисковое отношение и относительную толщину лопасти будем выбирать из условия обеспечения достаточной прочности лопастей, а также из условия отсутствия второй стадии кавитации.

Для обеспечения достаточной прочности дисковое отношение должно быть

;

.

Найдем минимальное допустимое дисковое отношение из условия отсутствия второй стадии кавитации. Для этого воспользуемся диаграммой И.А. Титова рис. 2.37 [1] , предварительно рассчитав удельную нагрузку:

; н/м²,

полагая ; м.

Дисковое отношение будет

; .

Окончательно расчетное значение дискового отношения принимаем не меньше и равным ближнему большему табличному значению

(табл. 2.1 [1] характеристики гребных винтов серии Троста (серия В)).

Располагая значениями числа лопастей и дискового отношения, выбираем винтовую диаграмму (рис. 2.5 [1]). Дальнейшие расчеты проводим в табличной форме (табл. 6.1) принимая . При расчете задаются 4 численных значения диаметра гребного винта . Результаты расчетов приведены на рис. 6.1.

Таблица 6.1. Расчёт элементов гребного винта для выбора главного двигателя

№	Наименование	Единица величины	Численные значения
1			5,110	4,855	4,599	4,344
2		-	1,497	1,423	1,348	1,273
3	рис. 2.5 [1]	-	0,650	0,600	0,550	0,500
4			99,018	112,908	130,024	151,428
5	рис. 2.5 [1]	-	0,960	0,930	0,900	0,880
6	рис. 2.5 [1]	-	0,650	0,640	0,625	0,620
7		-	0,715	0,704	0,688	0,682
8			3209,574	3259,724	3335,531	3364,876
9			3566,193	3621,915	3706,146	3738,751

судно сопротивление двигатель гребной

Выполнив анализ каталога фирмы СATERPILLAR¹, остановим свой выбор на двигателе 8M32C кВт (рис. 6.2). По рисунку 6.1 определим частоту вращения гребного винта, с учетом округления примем 100 об/мин.

Расчет элементов гребного винта для выбранного двигателя

Рассчитаем характеристики оптимального гребного винта и скорость судна при следующих значениях спецификационной мощности двигателя и частоте вращения гребного винта: кВт; 100 об/мин; , . Результаты расчета сведены в табл. 6.2.

Таблица 6.2. Расчёт элементов гребного винта и скорости хода для выбранного двигателя

№	Наименование	Численные значения
		1-го прибли-жения	2-го прибли-жения	3-го прибли-жения	4-го прибли-жения	5-го прибли-жения
1	, уз	5,000	10,000	15,000	-	-
2	, м/с	1,850	3,700	5,550	-	-
3	, кН	31,362	128,141	288,657	-	-
4	, кВт	80,601	658,644	2225,547	-	-
5	, кН	41,670	160,558	352,038	-	-
6		0,412	0,824	1,236	-	-
7	рис. 2.5 [1]	0,230	0,380	0,580	-	-
8	, в ДП	0,242	0,405	0,619	-	-
9	,	4,587	4,933	5,380	-	-
10		0,305	0,230	0,140	-	-
11	рис. 2.5 [1]	0,300	0,350	0,550	-	-
12	рис. 2.5 [1]	0,600	0,700	0,750	-	-
13		0,330	0,385	0,605	-	-
14	, кВт	251,799	1763,674	3792,361	-	-

В результате построения графической зависимости (рис. 6.3) при решении полученной системы уравнений, связывающих искомые параметры винта, были получены следующие данные:

· уз;

· м;

· ;

· .

Размещено на Allbest.ru