Глава4. Экспериментальное исследование успокоителей качки.

4.1 Моделирование рабочих органов успокоителей качки

4.1.1. Успокоительные цистерны. Рабочим органом успокоительных цистерн является жидкость, приводимая в движение либо качкой судна, либо активизаторами, выполненными в виде турбовоздуходувок, насосов или других механизмов [2].

Жидкость в цистернах подвергается испытаниям в комплексе со всем успокоителем в целом, отдельно же испытывать имеет смысл только активизаторы цистерн. В про­цессе их изготовления и отработки испытание моделей необходимо, так как, если оно по каким-либо причинам окажется не осуществленным, то испытания активизатора потребуется проводить в натурном масштабе, что всегда нежелательно, так как внести нужные изменения в их конструкцию может оказаться невозможным.

Моделирование активизаторов производится по тем же законам подобия, которые приняты в турбонасосостроении[5 ].

Для обеспечения полного подобия активизатора и его модели требуется:

• осуществить геометрическое подобие их проточных частей;

• выдержать кинематическое подобие потоков;

• удовлетворить требованиям динамического подобия, т. е. подобия сил инерции и сил вязкости.

Практически это означает, что при моделировании нужно обеспечить постоянство двух величин:

(4.1)

где N_а; Q_а; D_а; п_а — мощность, производительность, диаметр и число оборотов активизатора.

На модели активизатора определяются его характеристики, обычно представляющие собой зависимости напора, мощности, коэффициента полезного действия, сопротивлений от производительности при постоянных числах оборотов. Эти характеристики с учетом изменения коэффициента полезного действия пересчитываются с модели на натуру и используются для целей уточненного расчета.

4.1.2.Гидродинамическиеуспокоители. В качестве рабочих органов гидродинамических успокоителей качки используются крылья малого удлинения, целью моделирования которых является получение их гидродинамических характеристик.

Позиционные гидродинамические характеристики некавитирующего изолированного крыла обычно определяются путем испытания модели крыла в аэродинамической трубе. Значительно реже такие испытания проводятся в опытовых бассейнах.

Определение гидродинамических характеристик кавитирующих профилей требует испытания модели в кавитационной трубе.

При испытании моделей крыльев особо серьезное внимание необходимо уделять выбору числа Рейнольдса:

(4.2)

где b — хорда крыла;V— скорость потока, м/сек;ν— коэффициент кинематической вязкости среды.

Число Рейнольдса при испытаниях моделей крыльев желательно иметь не ниже 10⁶, что требует сравнительно больших размеров моделей и высоких скоростей потока. Иногда приходится проводить испытания при числах Рейнольдса порядка 3 -4- 5-10⁵. Понижение числа Рейнольдса влияет в первую очередь на лобовое сопротивление, которое в этом случае получается завышенным. Критические углы атаки крыльев уменьшаются, а гидродинамические характеристики при закритических углах становятся малодостоверными. На подъемную силу и положение центра давления при докритических углах атаки уменьшение числа Рейнольдса влияет слабо.

Для испытаний в аэродинамических трубах используются обычно деревянные полированные модели, а для испытания в кавитационных трубах и опытовых бассейнах — модели из дюралюминия или плексигласа.

Целью испытаний моделей крыльев в аэродинамических трубах является определение лобового сопротивления и подъемной силы, а также одной составляющей момента, что может быть достигнуто с помощью трехкомпонентных аэродинамических весов.

При испытаниях моделей крыльев в кавитационных трубах моделирование производится с учетом достижения необходимого числа кавитации.

Модели крыльев могут испытываться также и в опытовом бассейне, на специальных установках, преимущественно с целью выявления влияния нестационарности обтекания на их гидродинамические характеристики. При таких испытаниях необходимо предотвращать возможный просос воздуха по баллеру к поверхности крыла, так как это может существенно исказить гидродинамические характеристики последнего. С этой целью приходится к баллеру под поверхностью воды крепить специальные шайбы, а крыло устанавливать как можно глубже под поверхностью воды, что усложняет и утяжеляет конструкцию его подвески.

Испытания моделей крыльев проводятся при различных углах атаки, изменяющихся от 0 до 30—40° с интервалом 5—10°. Испытания неразрезных крыльев требуют проведения 10—15 замеров и не являются трудоемкими. Для получения полных гидродинамических характеристик разрезных крыльев при каждом значении угла атаки необходимо исследовать все возможные углы перекладки закрылка, изменяющиеся в пределах + 40 ÷ 0°; поэтому трудоемкость таких испытаний резко, возрастает. Особенно усложняются испытания в том случае, когда необходимо знать не только гидродинамические характеристики системы руль—закрылок в целом, но также силы и моменты, возникающие на закрылке в присутствии основного руля. Для определения их система руль—закрылок крепится на двух подвесках; одна из них обеспечивает передачу усилий, действующих на закрылок, к динамометру, а другая — фиксирует положение основного крыла.

При испытании моделей крыльев в нестационарном режиме должно быть выдержано подобие между моделью и натурой по числу Струхаля

(4.3)

где, помимо приведенных выше обозначений, δ— круговая частота его колебаний.

При проведении таких испытаний необходимо обеспечить непрерывную запись измеряемых величин в функции времени.

Колебательные движения крыла • как угловые вокруг оси баллера, так и линейные, имитирующие качку судна, осуществля­ются специальным приводным механизмом.

.

.

Рис.4.1 Схема установки для испытания разрезных рулей в нестационарном режиме

Схема простейшей установки для экспериментального исследования колеблющегося разрезного крыла в опытовом бассейне приведена на рис. 4.1 [5] . Мотор 1 через муфту 2 передает вращение червяку, который, в свою очередь, приводит в движение шестерню кулисного механизма 3. Ползун кулисы соединен с тягой, передающей движение рычагу 4, второй конец которого закреплен на баллере руля 5. Таким образом, возвратно-поступательное движение штока преобразуется во вращательные колебания баллера 5, жестко соединенного с пером руля 6.

Деформации баллера передаются на пружины 7, на которые наклеены тензометрические датчики. Датчик, измеряющий момент на баллере руля, наклеен на рычаге 4. Для устранения возможного влияния перекоса баллера на закон движения и величину момента введены два шарнира Гука. Вращающийся баллер руля проходит внутри неподвижной трубы 8, на конце которой насажена шестерня 9.

В пере руля на оси 10 закреплена шестерня 11, которая при вращении руля перекатывается по неподвижной шестерне 9. Вместе с шестерней 11 вращается ось 10 и насаженный на нее барабан 12. На барабане закреплена стальная лента 13, имеющая небольшие талрепы для выбора слабины. С помощью этих лент вращение передается на барабан 14, вращающийся относительно оси 15, закрепленной в корпусе закрылка. С барабаном 14 жестко соединена пружина 16, поворачивающаяся вместе с ним и тем самым поворачивающая закрылок относительно основного руля. На пружине 16 наклеен датчик, замеряющий величину момента на закрылке.

Установка включает в себя набор барабанов 12, отличающихся по диаметру. Изменение диаметра барабана 12 приводит к изменению угла перекладки закрылка по отношению к основному рулю. Частота перекладки основного руля изменяется путем изменения числа оборотов мотора 1, а амплитуда угла перекладки — изменением длины кривошипа кулисного механизма.

Поперечные линейные колебания руля в данной схеме не создаются. В процессе испытаний замеряются подъемная сила и лобовое сопротивление системы руль—закрылок, а также моменты на баллере основного руля и закрылка. Замер сил, действующих на закрылок, не предусматривался.

Регистрация измеряемых величин производится на трех трехшлейфных осциллографах. Образец записи приведен на рис. 4.2.

Рис.4.2 Образцы записи сил и моментов на рулях: вверху – на осциллографе № 1, внизу – на осциллографе № 2 внизу на осциллографе № 3

4.2 Моделирование успокоителей качки в целом. Успокоители качки в комплексе могут испытываться на механических моделях, осуществляемых обычно в виде физических маятников, или на плавающих моделях (в опытовом бассейне).

Моделирование производится на базе закона подобия Фруда, поскольку происходящие явления определяет сила тяжести.

4.2.1. Успокоительные цистерны.Испытание успокоительных цистерн 1-го рода на механических моделях производилось многими исследователями [ 5 ].

Так, например, подобные испытания по весьма широкой программе выполнены Байльсом (Англия) в 1920-х гг., С. Н. Благовещенским (СССР) — в 1930-х гг., Н. Минорским (США) в 1937— 39 гг, •

Примерные схемы этих экспериментальных установок показаны на рис. 4.3,4.4, из которых видно, что периодические колебания моделей цистерн вызываются с помощью электропривода, осуществляющего (через упругую систему) приложения к физическому маятнику синусоидального или произвольного возмущения

Производя целенаправленные изменения параметров успокоительных цистерн (демпфирования, частоты свободных колебаний, расположения по высоте и т. п.), а также аналогичных параметров физического маятника, на котором установлены сами цистерны, выполняют серии опытов методами свободных и вынужденных колебаний, что дает возможность выбрать наилучшие варианты цистерн и оценить эффективность их умеряющего действия.

На рис. 4.5 приведена примерная амплитудно - частотная кривая вынужденных колебаний, полученная С. Н. Благовещенским при испытаниях цистерн на экспериментальной установке.

Следует однако, подчеркнуть, что при таком способе моделирования не воспроизводится орбитальное движение судна, всегда имеющее место в реальных условиях. Моделирование орбитального движения судна существенно усложняет экспериментальную установку (и без того достаточно сложную), вследствие чего проводится крайне редко.

Рис.4.3 Рис. Экспериментальная установка С. Н. Благовещенского для испытания цистерн

Рис.4.4. Экспериментальная установка Н. Минорского для испытания цистерн

1 – насос; 2 – привод раскачивания; 3 – устройство для имитации неправильного волнения; 4 – ванна с вязкой жидкостью;5 – лопатка-демпфер

Рис.4.5 Амплитудно–частотная кривая качка,полученная С. Н. Благовещенским

Испытание успокоительных цистерн 2-го рода на механических моделях неосуществимо, поскольку цистерны должны быть сообщены с забортной средой, поэтому такие испытания производятся лишь на плавающих моделях в опытовом бассейне.

Первые известные испытания успокоительных цистерн произведены вице-адмиралом С. О. Макаровым на модели английского корабля «Виктория» в связи с трагической гибелью последнего из-за потери остойчивости. Схема модели цистерн показана на рис. 4.6.

Испытания этой модели привели С. О. Макарова к выводу, что цистерны 1-го рода способны осуществлять эффективное умерение бортовой качки судов, что и послужило поводом для опубликования в «Морском Сборнике» за 1894 г. соответствующего предложения.

В конце 1890-х гг. И. Г. Бубнов в связи с предстоящим проектированием ледокола «Ермак» провел обстоятельные испытания плоских цистерн Уотса на модели и получил выводы, которые помогли впоследствии разобраться в принципе их действия.

Оказалось, что глубина воды в цистернах влияет на их эффективность. Проведенные вслед за этим испытания модели цистерн ледокола «Ермак» подтвердили этот вывод, показав, что наибольшее затухание свободных колебаний модели имеет место при таком количестве воды, когда волна перемещения пробегает цистерну в поперечном направлении за полпериода свободной бортовой качки судна; в этих условиях затухание свободных колебаний возрастало в 3–4 раза по сравнению со случаем порожних цистерн и зависело от амплитуды колебаний

Рис.4.6 Модель цистерн, испытанная С.О. Макаровым

Моделирование цистерн производилось и производится в настоящее время каждый раз, когда возникает необходимость проверки новых конструктивных разновидностей их или же уточнения принципиальных теоретических вопросов. Масштаб моделирования при этом определяется задачами, поставленными перед экспериментом.

Так, например, немецкие кораблестроители, желая получить достоверные и близкие к натурным условиям результаты, производили испытание успокоительных цистерн в целом на крупной модели плавающего отсека весом около 60 т.

Американские исследователи во главе с Н. Минорским проводили исследования успокоительных цистерн с насосом переменной производительности на специальном судне (опытном тральщике «Перегрин»), причем с целью увеличения масштаба эксперимента бортовые отсеки и соединительный канал цистерн прокладывались за пределами наружной обшивки судна, как показано на рис. 4.7. Такие испытания, по существу, являются полунатурными и поэтому перенос их результатов на натуру значительно облегчается.

Рис.4.7 Схема экспериментальной установки на тральщике «Перегрин»1,6 - корпус судна; 2- воздушный кА

нал; 3-— внешние цистерны; 4 - соедисоединительный канал; 5 - активизатор

4.2.2 Гидродинамические успокоители качки. Поскольку подъемная сила, возникающая на рулях или килях при докритических углах атаки, сравнительно слабо зависит от числа Рейнольдса, стабилизирующий момент, создаваемый ими, моделируется довольно точно. Проведение же буксировочных испытаний модели с целью установления влияния рулей на скорость хода судна не может быть рекомендовано, так как влияние числа Рейнольдса на лобовое сопротивление более существенно.

Критерием для оценки величины момента, создаваемого бортовыми рулями, может служить либо раскачивающее, либо стабилизирующее их действие .В первом случае производится запись качки, возникающей при гармонической перекладке рулей с различными частотами.

На основании результатов испытаний строятся графики зависимости амплитуд качки m от относительной частоты перекладки рулей а₀ и скорости хода модели V. Целесообразно также записать затухание свободных колебаний модели с выдвинутыми неподвижными рулями с целью установления их пассивного эффекта.

Необходимо помнить, что результаты, полученные при раскачке модели, нельзя непосредственно распространять на случай работы успокоителя в режиме стабилизации судна. Поэтому на основании результатов испытаний следует найти значение стабилизирующего момента, создаваемого за счет активной работы рулей, и сопоставить его с расчетным значением.

Экспериментальное значение этого момента

_(4.4)

Здесь под величиной μ следует понимать экспериментальное значение безразмерного коэффициента сопротивления с учетом пассивного эффекта рулей.

Расчетное значение стабилизирующего момента

(4.5)

Как правило, для рулей, установленных на скуле, экспериментальные и расчетные значения момента удовлетворительно согласуются между собой. При ином расположении рулей, когда они частично попадают в зону гидродинамической тени корпуса, расхождение между экспериментальным и расчетным значением момента может быть существенным. В этом случае в расчет эффективности успокоителя следует вводить экспериментальное значение момента.

На основании результатов испытаний целесообразно также найти экспериментальное значение добавки к безразмерному коэффициенту сопротивления за счет пассивного эффекта рулей и сопоставить ее с расчетным значением этой величины.

При втором способе испытаний на модели, помимо бортовых рулей, устанавливается специальное раскачивающее устройство (обычно в виде перемещающихся грузов). Статическая характеристика раскачивающего устройства должна быть больше статической характеристики рулей. Приводы перекладки рулей и раскачивающего устройства синхронизируются между собой таким образом, чтобы сдвиг по фазе между раскачивающим и стабилизирующим моментами равнялся 180°. Записывается качка модели при одновременном действии раскачивающего и стабилизирующего устройств, а также при действии одного раскачивающего устройства в случае отсутствия рулей.

Данные, полученные при таких испытаниях в режиме резонанса, можно непосредственно сопоставлять с результатами расчета эффективности успокоителя, управляемого по закону угловой скорости, на регулярном резонансном волнении, эффективный волновой склон которого равен статической характеристике раскачивающего устройства.

Испытания рулей в режиме умерения качки дают достоверные результаты лишь в том случае, когда точно выдерживается сдвиг фаз между раскачивающим и стабилизирующим моментами. Наличие различного рода зазоров и люфтов в приводах перекладки рулей и раскачивающего устройства может существенно повлиять на сдвиг фаз и исказить результаты опыта.

Чтобы увеличить достоверность модельных испытаний гидродинамических успокоителей качки в особо ответственных случаях прибегают к проведению полунатурных испытаний. При этом проверяются не столько гидродинамические характеристики рулей, сколько принципиальная схема всей установки в целом, включая сюда и систему автоматического управления.