25.1 Тяговые характеристики судов.

Основным орудием промышленного рыболовства в настоящее время является трал. Технические характеристики тралов находятся в прямой зависимости от тяговых характеристик траулеров, поэтому очень важно изучить природу тяги и методы ее определения.

Из теории судна известно, что при установившемся движении тяга траулера есть разница между упором винта и сопротивлением корпуса.

P_P = P_e – R_K (66), где P_P – располагаемая тяга, кН, P_е – упор винта, кН, R_K – сопротивление корпуса, кН.

На судне упор винта должен быть управляемым и реверсируемым. Происхождение упора винта – это происхождение подъёмной силы крыла. Лопасть винта движется под каким-то углом атаки в воде, при этом на поверхности лопасти, обращенной к корме (на переднем ходу), образуется пониженное гидродинамическое давление, а на противоположной поверхности – повышенное. Со стороны повышенного в сторону пониженного давления действует сила, которую называют полной гидродинамической реакцией. Эту реакцию можно разложить в поточной ортогональной системе координат (ось Х ориентирована по вектору скорости) на составляющие R_Y и R_X, причем сила R_Y параллельна оси гребного вала, а R_Х – перпендикулярна ей. Из подъёмных сил всех лопастей складывается упор винта, а из сил сопротивления с плечом радиуса центра давления получается момент сопротивления вращению винта.

P_e = (67)

R_Y = C_Y (2)

Из (2) и (67) видно, как можно управлять тягой. В (2) управляемыми параметрами могу быть только коэффициент подъёмной силы и скорость. Поэтому на практике существует две различные конструкции винта: ВФШ и ВРШ. ВФШ – это винт фиксированного шага, у которого лопасти установлены под каким-то постоянным углом атаки и отлиты как одно целое со ступицей. В этом случае коэффициент подъёмной силы является постоянным, а управляющим параметром является только скорость. В (2) скорость линейная, она равняется

V = ω*R (68), где ω – угловая скорость, 1/с, а R радиус центра давления от оси гребного вала, м.

ω = 2π*n_C (69), где n_C – частота вращения винта, об/с.

Преимущества ВФШ: простота, надежность, дешевизна. Недостатки: для траулера винт является компромиссной конструкцией между скоростным и упорным винтами, реверс тяги – через стоп и запуск двигателя на обратный ход. Последний недостаток очень серьёзный, т.к. двигатель на обратный ход можно запустить только на скорости 0.6V_ПХ и, если судно шло полным ходом, то надо ждать, когда за счет сопротивления корпуса судна скорость снизится до указанного значения, а это большое время и расстояние, в этом одна из причин столкновений судов в море.

Второй конструкцией винта является винт регулируемого шага ВРШ, у которого, чаще всего, частота вращения является постоянной величиной, а переменной – коэффициент подъёмной силы C_y.

У ВРШ лопасти могут разворачиваться относительно ступицы и изменять угол атаки от нулевого упора до полного вперед и назад без изменения направления вращения коленвала ГД. Такой винт является более сложным, более дорогим, менее надёжным, но зато имеет быстрый реверс тяги и регулируемый в широких пределах упор. Есть еще одно преимущество ВРШ – постоянство частоты вращения коленвала позволяет использовать валогенераторы, т.е. использовать для выработки электроэнергии самую экономичную машину на судне – ГД.

При начале движения судна упор винта, достигнутый при швартовых испытаниях, не останется постоянным, а будет снижаться, причем снижаться нелинейно. Это объясняется тем, что при движении судна поток воды будет влиять на поверхности разряжения лопастей винта, уменьшая разницу давлений между поверхностью нагнетания и поверхностью разряжения. Тогда можно записать, что при скорости судна отличной от нуля

Pe = A₁Ne – A₁₁Ne² – A₁₂NeV – A₁₂₂NeV² (71)

Теперь можно рассмотреть вторую составляющую зависимости (66) – Rк – сопротивление корпуса.

Rк = Rк₁ + Rк₂ + Rк₃ (72)

Rк₁ =μ (73) – сопротивление вязкого трения, где μ – коэффициент динамической вязкости воды, - градиент скорости воды в пограничном слое, S – площадь смоченной поверхности корпуса судна.

Rк₂ = Cx₁ (74) – сопротивление формы, где Cx₁ = f( ) L,B,T – длина, ширина и осадка корпуса судна, α,β,γ и δ коэффициенты полноты корпуса судна.

Rк₃ = Cx₂ (75) – волновое сопротивление, где Cx₂ = f(Fr)/

В (74) и (75) F – площадь мидель шпангоута, в (75) Fr – число Фруда.

Таким образом, из (73 – 75) видно, что сопротивление корпуса движению в воде содержит члены, в которых скорость входит в первой и во второй степенях, что можно описать:

Rк = А₂V + A₂₂V² (76) или вместе с (71) получим

Рр = A₁Ne – A₁₁Ne² – A₁₂NeV – A₁₂₂NeV² - А₂V - A₂₂V² (77)

Зависимость (77) можно представить в несколько ином виде с учетом следующих обстоятельств: в ней содержатся члены, содержащие V – два раза, и содержащие V² – два раза, их можно рассматривать как подобные. Второе – у судов с ВРШ, а крупные траулеры имеют только такие винты, при нулевом упоре расходуется довольно значительная мощность, затрачиваемая на вращение гребного вала и винта. Эту мощность можно рассчитать:

Ne_рассч. = (2πρK₂n³D⁵)10^-3+(1-η_ВП)Ne_{ГД ном} (78)

где ρ – плотность морской воды, кг/м³,

K₂ – гидродинамический коэффициент винта момента и мощности (для отечественных и зарубежных ВРШ при нулевом упоре K₂ = 0.005 – для свободных винтов и K₂ = 0.007 – для винтов в насадках),

n – число оборотов винта в сек,

D – диаметр винта, м,

η_ВП – КПД валопровода (в расчетах можно принять η_ВП = 0.97),

Ne_{ГД ном} номинальная мощность ГД, кВт.

С учетом сказанного зависимость располагаемой тяги от мощности, пошедшей на винт и скорости можно записать в виде:

Рр = A₁ Ne – A₁₁Ne² – A₂V – A₂₂V² – А₀ (79)

В зависимостях в качестве аргумента входит мощность, пошедшая на винт Ne. Она рассчитывается по зависимости

Ne = Ne_ГД - (86)

где Ne_ГД – размерная мощность ГД,

N_ВГ – мощность, отбираемая валогенератором,

η_ВГ – КПД валогенератора.

Размерная мощность ГД определяется по зависимости

Ne_ГД = Ne_{ГД НОМ}* e_ГД/100% (87)

Из сказанного видно, что для точного определения Рр необходимо точно определять e_ГД. Необходимо отметить, что прямых методов определения относительной мощности, развиваемой ГД, не существует, все современные методы основаны на измерении косвенных характеристик. Косвенные характеристики не равноценны. На крупном судовом дизеле измеряются десятки косвенных характеристик, из которых необходимо выделить как важнейшие те характеристики, которые характеризуют процесс сгорания топлива в цилиндрах. Сюда можно отнести температуру выхлопных газов сразу за цилиндрами (t_Г), избыточное давление наддува (Р_Н), максимальное давление в цилиндре в процессе сгорания (Р_Z) и часовой расход топлива (G). В книге Левшина Г.Ф. [1] введено понятие о коэффициенте информативности косвенных характеристик. В таблице 7 приведены значения коэффициентов информативности для некоторых косвенных характеристик

Фактическую тягу траулера можно определить по зависимости:

Ррф = Ррн – ΔРр (114)

где ΔРр – потеря тяги. Потеря тяги имеет две составляющие: потерю тяги из-за износа машино-движительного комплекса (МДК) и потерю тяги из-за износа корпуса судна. Потеря тяги из-за износа МДК складывается из многих факторов:

• потеря мощности ГД из-за износа цилиндропоршневой группы, из-за износа топливной аппаратуры, из-за нарушения регулировок ГД;

• потеря мощности в опорах гребного вала из-за их износа и повышенного трения;

• рост шероховатости лопастей винта, что приводит к равенству моментов сопротивления и генерируемого ГД на меньших углах атаки лопастей у ВРШ или на меньших оборотах ГД при ВФШ, что уменьшает упор винта.

Эта часть потерь не зависит от скорости судна и может быть определена на судне, лежащем в дрейфе с ГД, работающим на винт при нулевом упоре. Потеря тяги из-за износа корпуса зависит от скорости и обусловлена обрастанием корпуса, гофрировкой корпуса, а также воздействием ветра и волнения. В первом приближении можно принять зависимость потери тяги от скорости линейной. Если принять линейную модель, то проблема отыскания зависимости потери тяги от скорости сильно упрощается, т.к. для построения прямой достаточно двух точек. Методика получения зависимости ΔРр=f(V) базируется на проведении двух испытаний судна: на свободном ходу и в дрейфе с ГД, работающим на винт при нулевом упоре.

При испытании судна на свободном ходу измеряются параметры: скорость свободного хода, относительная мощность, развиваемая ГД и мощность, отбираемая валогенератором. По этим параметрам рассчитывается мощность, пошедшая на винт (87) и (86) и по (79) рассчитывается потеря тяги на свободном ходу. По косвенным характеристикам определяется относительная мощность ГД (зависимости (87 – 113) по типу судна), затем определяется мощность, пошедшая на винт, а по зависимости в форме (79) по типу судна определяется потеря тяги из-за износа МДК. Тогда уравнение потери тяги будет иметь вид: ΔРр = В₀ + В₁V, причем В₀ = ΔРр_МДК, а В₁ = . Фактическая тяга траулера на скорости траления рассчитывается по схеме: по допускаемой мощности, пошедшей на винт и скорости траления рассчитывается тяга нового судна, по зависимости потери тяги на какой-то момент времени и скорости траления рассчитывается потеря тяги, после чего рассчитывается фактическая тяга траулера на какой-то момент времени.

По фактической тяге необходимо настраивать трал с там, чтобы не перегружать ГД. Если возможности регулировки трала данной конструкции исчерпаны, то необходимо переходить на трал другой конструкции. Регулировки и замена тралов возможны лишь в том случае, если имеются технические паспорта тралов.