Ходкость судна

12.1 Сопротивление судна в различных условиях.

Сопротивление при движении судна на чистой воде без учета сопротивления воздуха можно определить по формуле R=R_тр+R_отс, где R_тр- сопротивление трения, R_отс- остаточное сопротивление.

Составляющую сопротивления можно определить:

R_тр=(С_Rm+C_ш)· ,

где С_Rm-коэффициент сопротивления трения, зависит от вязкости жидкости и числа Рейнольца для эквивалентной гладкой пластины. Его можно расчитать по формуле Прантля-Шлихтинга.

С_Rm= ,

Re= ,

ν- кинематический коэффициент вязкости, который принимают для =4̊ С, и он будет равен 1,57·10^-6 м²/с;

С_ш - коэффициент шероховатости, для транспортных судов его принимают

(0,4-0,5)·10^-3;

- площадь смоченной поверхности корпуса. Для транспортных судов с большим значением коэффициента общей полноты площадь смоченной поверхности определяется по формуле Семеки.

=Ω₀+Ω_вч ,

Ω₀ – площадь смоченной поверхности голого корпуса,

Ω₀=LT[2+1,37(δ-0,274) ]=85·6[2+1,37(0,739-0,274) ]=1886 м³ ,

Ω_вч- площадь смоченной поверхности выступающих частей. Для одновинтовых судов:
Ω_вч =(0,025...0,03) Ω₀=0,025·1886=47,15м² ,

Ω=1886+47,15=1993 м²;

R_отс=С_R0

С_R0 – коэффициент остаточного сопротивления, которое определяется по формуле

С_R0=C­_R(δ, .

Расчет сопротивления и буксировочной мощности ведем в таблице 12.1. По результатам расчета строим графики буксировочной мощности от скорости движения судна на рисунке 12.1.

Таблица 12.1 -Расчет сопротивления и буксировочной мощности

№ п/п	Обозначения, формулы	Размерность	Численные значения
		0,6 v	0,7 v	0,8 v	0,9 v	v	1,1 v
	Скорость v	м/с	3,39	3,96	4,52	5,08	5,65	6,22
	Числа Рейнольдса ; Re·10-6	—
	Коэффициент трения ;	—	1,96	1,92	1,88	1,85	1,83	1,81
	Надбавка на шероховатость	—	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
	Сопротивление трения	кН	27,7	37,1	47,7	59,6	72,7	87,1
	Числа Фруда	—	0,12	0,14	0,17	0,18	0,20	0,22
	(по рис. 11.2 – 11.4)	—	1,4	1,55	1,6	1,75	2,05	2,65
	(по рис. 11.5)	—	1,02	1,02	1,02	1,02	1,02	1,02
	(по рис. 11.6)	—
	(по табл. 11.1)	—	0,91	0,76	0,76	0,9	0,87	0,92
	;	—	1,31	1,20	1,24	1,61	1,81	2,49
	Остаточное сопротивление	кН	15,3	19,2	25,9	42,5	59,3	98,5
	Полное сопротивление	кН	43,1	56,2	73,6

Для судов ледового плавания ICE 3 необходимо вычислить дополнительное к сопротивление воды чистые ледовые сопротивления при движении в битых льдах.

Суда категории ICE 3 допускаются к самостоятельному плаванию в мелкобитом разреженном льду, сплоченностью 5-7 баллов, толщиной 0,7м.

Расчет сопротивления обломков будем вести по формуле Зуева

R_чл=ρ_лgBh²(0,13 +1,3Fr_h+0,5 )(2-S’)S’­² ,

где ρ_{л ­}–плотность льда (0,9-0,92) т/м³,

h- толщина льда (0,7м),

Fr­_h- число Фруда по толщине льда,

Fr­_h= ,

S’- сплоченность льда 0,7.

Расчет ледового сопротивления ведем в таблице 12.2

Таблица 12.2 Расчет сопротивления и буксировочной мощности во льдах

	Наименование		0,6v	0,7v	0,8v
	скорость	v,м/с		3,39	3,96	4,52
	сопротивление воды	R,кН		43,1	56,2	73,6
	число Фрудо по толщине льда	Frh		1,29	1,51	1,72
	чистое ледовое сопротивление	Rчл,кН	30,2	55,9	61,8
	ледовое сопротивление	Rл,кН	30,2	98,93
	буксировочная мощность	Nб,кВт		335,6

По результатам расчетов строим зависимости буксировочной мощности от скорости движения.

Рисунок 12.2 График буксировочной мощности и сопротивления во льдах

12.2 Предварительный расчет гребного винта для выбора главного двигателя.

При скоростях хода до 30 км/ч для водоизмещающих судов обычного типа наивысшим КПД обладают гребные винты.

Они наиболее просты в конструктивном отношении, поэтому их целесообразно устанавливать на проектируемом судне.

При выборе числа движителей Х целесообразно руководствоваться данными прототипа и выбрать одновальную установку.

Предварительный расчет винтов ведем в следующей последовательности:

1. Определяем коэффициент взаимодействия гребного винта с корпусом судна.

Коэффициент попутного потока для винта в ДП

ψ=0,50δ-0,05=0,50·0,739-0,05=0,3195

Коэффициент засасывания

t=0,6 ψ(1+0,67 ψ)= 0,6·0,3195(1+0,67·0,3195)=0,2327

2. Устанавливаем предельный диметр винта, пользуясь приближенной зависимостью.

D_в=(0,7...0,75)T=0,75·6=4,5 м

3. Находим необходимый упор Р и скорость в диске винта υ_р.

Р= = =172,04 кН

υ_р= υ(1-ψ)=5,654(1-0,3195)=3,848 м/с

4. Оцениваем целесообразность применения направляющей насадки для

гребного винта.

Оценить целесообразность насадки можно с помощью коэффициента нагрузки

по упору.

σ= = =1,43

Так как σ<2, то не требуется установка направляющей насадки. Поэтому на судне устанавливаем открытый гребной винт.

5. Прежде чем выбрать расчетную диаграмму, необходимо установить число

лопастей и дисковое отношение. Для одновинтового судна число лопастей должно быть не менее 4.

Выбираем 4 лопасти.

Если коэффициент упора диаметра >2, то число лопастей должно быть 3.

υ_{р =}4,5·3,848 =1,34

Так как , то выбираем 4х лопастные гребные винты.

При выборе дискового отношения θ необходимо исходить из двух условий: из условия прочности и отсутствия кавитации.

Из условий прочности θ

θ≥0,24(1,08- ) ,

где d₀- диаметр ступицы =0,18D_в,

z- число лопастей=4,

=0,09- относительная толщина лопасти при относительном радиусе лопасти0,7,

m- коэффициент, учитывающий условия работы винта, равен 1,75 для судов ледового плавания,

=6·10⁴ кПа – допускаемое напряжение для транспортных судов,

θ≥0,24(1,08-0,18) = 0,367 =0,4

Из условий отсутствия кавитации:

θ≥ ,

где p₀ - давление в потоке на бесконечности,

p₀=р_атм+ρgh_в

р_атм=10 кПа,

h_в=Т/2=3 м,

p_v - давление насыщенных паров =2,3 кПа,

p₀=10+1,025·9,8·3=40,14 кПа,

θ≥ =0,204=0,20.

После расчета дисковых отношений выбираем большее и по нему подбираем расчетную диаграмму с ближайшим большим дисковым отношением θ=0,4.

6.Дальнейший расчет требуемой мощности и частоты вращения гребного винта производим по алгоритму в таблице 12.3.

Таблица 12.3 Расчет элементов винта при выборе энергетической установки

№ п/п	Расчетная величина, размерность	Численные значения
		0,6 D в	0,7 D в	0,8 D в	0,9 D в	D в	1,1 D в
1.	Диаметр винта D в, м	2,7	3,15	3,6	4,05	4,5	4,95
2.	Коэффициент упора-диаметра	0,802	0,936	1,069	1,203	1,34	1,470
3.	Относительная поступь (с расчетной диаграммы)	0,39	0,45	0,525	0,56	0,62	0,66
4.	КПД винта (с расчетной диаграммы)	0,43	0,47	0,52	0,55	0,58	0,62
5.	Шаговое отношение (с расчетной диаграммы)	0,86	0,92	40,98		1,05	1,1
6.	Пропульсивный КПД	0,485	0,53	0,586	0,620	0,654	0,699
7.	Частота вращения , 1/с	3,6	2,71	2,036	1,697	1,379	1,778
8.	Расчетная мощность одного главного двигателя , кВт
9.	Мощность одного главного двигателя с запасом 15 % , кВт; - коэффициент запаса мощности

7.По результатам выполненного расчета строим зависимости

N*=1,15N=f(n),Dв=f(n) и выбираем двигатель.

Выбираем двигатель по каталогам как ближайший по расчетной мощности и частоте, где N=1380 кВт, n=1,4 1/c.

Выбран дизель-редукторный агрегат MAN L 28/38 A с мощностью N=1745 кВт, и оборотами n=141 об/мин.

12.3 Проектировочный расчет открытого гребного винта, обеспечивающего достижение заданной скорости хода при полном использовании мощности СЭУ.

Окончательный расчет гребного винта производим по алгоритму приведенному в таблице 12.4.

В таблице 12.4 расчетная мощность (мощность на гребном винте) определяется:

Np= · (2- ),

где Nр=0,95·1715(2-1,15)=1385 кВт,

-кпд валопровода,

- кпд передачи,

- коэффициент запаса мощности =1,15=15%.

Таблица 12.4 -Расчет элементов оптимального гребного винта и достижимой скорости хода

№ п/п	Расчетная величина, размерность	Численные значения методом последовательных приближений
1.	Скорость хода, м/с	5,65
2.	Расчетная скорость в диске винта , м/с	3,848
3.	Коэффициент задания	1,113
4.	Относительная поступь (с расчетной диаграммы)	0,28
5.	КПД винта (с расчетной диаграммы)	0,42
6.	Шаговое отношение (с расчетной диаграммы)	0,55
7.	Диаметр винта , м	5,85

Если найденное значение диаметра винта больше предельного, то расчет в таблице прекращается, и начинается по алгоритму в таблице 12.5.

Таблица 12.5 Расчет элементов оптимального гребного винта и достижимой скорости хода при диаметре винта больше предельного ()

№ п/п	Расчетная величина, размерность	Численные значения методом последовательных приближений
				….
1.	Скорость хода, м/с	5,654
2.	Расчетная скорость в диске винта , м/с	3,848	3,935
3.	Относительная поступь	0,364	0,372
4.	Коэффициент момента	0,1796	0,018
5.	КПД винта (с расчетной диаграммы)	0,5	0,514
6.	Шаговое отношение (с расчетной диаграммы)	0,6	0,65
7.	Пропульсивный КПД	0,564	0,579
8.	Сопротивление движению , кН (определяется по кривой сопротивления)
9.	Мощность на валу одного двигателя , кВт; - коэффициент запаса мощности

Мощность в первом приближении меньше мощности установленного двигателя, поэтому переходим ко второму приближению. И скорость во втором приближении рассчитывается по формуле , и повторяем расчеты.

Вывод: второе приближение является окончательным, и оптимальные параметры винта следующие:

диаметр винта = 4,5 м;

относительная поступь =0,372;

кпд винта =0,51;

шаговое отношение =0,65;

пропульсивный кпд =0,58;

сопротивление движению R=142

мощность на валу одного двигателя Ne=1715 кВт.

12.4 Чертеж гребного винта

Для гребных винтов транспортных судов обычно применяют форму спрямленной поверхности лопасти, разработанную Троостом. Ее несимметричная саблевидная конструкция, имеющая небольшое отклонение в сторону, противоположную направлению вращения, способствует уменьшению вибрации корпуса судна.

Необходимые данные для расчетов в таблицах 12.6, 12.7 и 12.8.

Исходной величиной, определяющей форму контура, является наибольшая ширина лопасти b_m, расположенная на относительном радиусе, определяемом по формуле ̅r = =0,6.

Аппроксимируя оригинальный график Трооста получим

b_m= = =1.

Т а б л и ц а 12.

	, мм	Выходящая кромка	Линия наибольших толщин	Входящая кромка	Выходящая часть	Входящая часть	Ширина лопасти
			, мм		, мм		, мм	, мм	, мм	, мм
0,3		33,0		22,5		52,5
0,5		41,0		22,5		57,8
0,7		46,5		8,5		51,0
0,8		48,0		-1,0	-10	41,5
0,95		40,5		-15,0	-150	12,5

Т а б л и ц а 12. 7

		Наибольшая толщина	Ординаты сечений в % от длины входящей части лопасти
		лопасти
	, мм	, мм		y, мм		y, мм		y, мм		y, мм		y н, мм		d н, мм
0,3			98,0		93,2		84,7		70,5		36,0		37,8
0,5			97,6		92,0		81,6		64,0		25,5		29,0
0,7			97,3		88,4		74,2		52,0		-		22,0
0,8			96,4		85,6		70,5		48,3		-		20,5
0,95			95,8		85,0		69,5		48,2		-		20,0

Т а б л и ц а 12.8

		Наибольшая толщина	Ординаты сечений в % от длины выходящей части лопасти
		лопасти
	, мм	, мм		y, мм		y, мм		y, мм		y, мм		t, мм		s, мм
0,3			97,0		86,8		71,0		49,4		14,5		13,0
0,5			96,8		85,6		68,0		43,0		-		12,5
0,7			96,8		84,9		66,6		41,4		-		14,3
0,8			97,0		85,4		67,2		43,0		-		15,7
0,95			97,6		88,0		71,6		48,0		-		18,8

На чертеже гребного винта рисунок 12.3 изображены продольный разрез, нормальная проекция, и контур спрямленной поверхности лопасти с нанесенными на него профилями сечения.

На продольном разрезе показываем боковую проекцию лопасти и ее медиальное сечение - условный разрез по линии наибольших толщин.

Для построения медиального сечения выбираем условную относительную толщину лопасти.

= 0.40-0.055, принимаем= 0,045.

е₀=0,2025м.

Затем проводим образующую лопасти, наклоненную в корму под углом от 6̊ до 12̊.

Эту величину выбирают так, чтобы между концами лопасти и корпусом судна был обеспечен зазор от (0,12-0,18)D_в.

Наклон образующей задается линейным размером m_R на конце лопасти. Принимаем 6̊.

m_R=0,105 =0,105 =0,236

Толщину концевых кромок лопастей е_R принимают согласно Правил[1]- не менее 0,005D_в=0,005·4,5=0,0225м.

Затем строим нормальную боковую проекцию лопасти. Эскиз кривой винта приведен на рисунке 12.3.

p= ,

где Н- шаг винта=0,65. Тогда p= =0,46м.