Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

!Проект Коробка (на основе прототипа С-1) (Бормотов А) / !Литература / Выбор основных характеристик морских транспортных судов

.pdf
Скачиваний:
460
Добавлен:
14.07.2019
Размер:
14.61 Mб
Скачать

11. СОПРОТИВЛЕНИЕ СРЕДЫ ДВИЖЕНИЮ СУДНА

При решении различных проектировочных и эксплуатационных задач возникает необходимость в расчетной оценке ходкости судна. Ходкость – это способность судна перемещаться с заданной скоростью при наиболее эффективном использовании мощности судовой энергетической установки.

Для обеспечения ходкости судно снабжается энергетической установкой и движителем, создающим силу, преодолевающую силу сопротивления воды движению судна.

При равномерном прямолинейном движении судна сила сопротивления воды R равна силе тяги движения Te :

 

R Tе .

(11.1)

Для судна, имеющего число винтов z p с одинаковым распределением тяги,

 

T

R .

(11.2)

e

z p

 

 

 

Для обеспечения этой тяги необходимо к движителю подвести мощность N p , раз-

виваемую главным двигателем с учетом потерь в валопроводе в :

в

Tev

.

(11.3)

N p

 

 

 

Достаточно надежно определить сопротивление воды можно после разработки теоретического чертежа, изготовления и испытания в опытовом бассейне модели судна.

Вначальных стадиях проектирования судов, когда необходимо оперативно найти параметры ходкости судна, удовлетворяющие техническому заданию, этот способ неприемлем. Поэтому разработаны приближенные способы расчета сопротивления с помощью ограниченного числа известных параметров и коэффициентов.

Все современные приближенные способы расчета сопротивления основаны на испытании систематических серий моделей судов в опытовых бассейнах. Если обводы судна, для которого следует выполнить расчет, близки к обводам испытанных моделей, то такой приближенный способ может дать достаточно достоверные результаты.

Вбольшинстве испытаний систематически изменяемыми параметрами являются:

коэффициент полноты водоизмещения ; отношения L B , B T ; положение абсциссы цен-

тра величины xc ; формы обводов носовой и кормовой оконечности; влияние бульба.

Сопротивление при движении судна на тихой воде без учета сопротивления воздуха можно определить по формуле

R Rтр Rост ,

(11.4)

где Rт – сопротивление трения; Rост – остаточное сопротивление.

Составляющую сопротивления трения с достаточной точностью можно определить аналитически

90

R

C

R

C

т

v2

,

(11.5)

тр

 

 

2

 

 

 

 

т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где CRт – коэффициент сопротивления трения, зависящий от вязкости жидкости и числа

Рейнольдса для эквивалентной гладкой пластины.

Определить этот коэффициент можно по формуле Прандтля – Шлихтинга

0,455

CRт lgRe 2,58 .

Число Рейнольдса

Re vL ,

где v – скорость судна, м/с; L – расчетная длина судна, м; – кинематический коэффици-

ент вязкости. Для «стандартной» температуры воды 40С пртнимают 1,57 10 6 м2/с;

плотность воды, т/м3 ; – смоченная поверхность корпуса судна.

 

Смоченная поверхность корпуса судна складывается из смоченной поверхности голого корпуса 0 и смоченной поверхности выступающих частей вч

0 вч .

При наличии теоретического чертежа корпуса смоченную поверхность можно определить численным интегрированием

20

 

 

l

0

l

20

 

0 2 L li

 

 

 

,

 

 

2

 

i 0

 

 

 

 

 

 

где L – теоретическая шпация; l – полупериметр погруженной части шпангоутов;

i

номера шпангоутов.

 

Для транспортных судов с большими значениями коэффициента общей полноты

смоченную поверхность можно определить по приближенной формуле В.А. Семеки:

 

 

LT 2 1,37 0,274 B

.

 

0

T

 

 

 

 

Для одновинтовых судов площадь выступающих частей можно определить по

формуле

 

 

 

 

 

вч 0,025 0,030 0 ,

 

для двухвинтовых судов -

 

вч 0,050 0,055 0 .

 

При определении смоченной поверхности корпуса по приближенной формуле и при наличии бульба необходимо полученное значение увеличить примерно на 2%,

Коэффициент, получивший название надбавки на шероховатость, Cш для корпу-

сов транспортных судов можно принимать равным 0,4 0,5 10 3 .

Остаточное сопротивление предлагается определить, используя результаты модельных испытаний судов с большой полнотой обводов [10].

Остаточное сопротивление определяется по формуле

91

R C

 

v

2

(11,6)

R

 

,

ост

2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

где CR0 – коэффициент остаточного сопротивления, определяется с учетом коэффициентов влияния

CR0 f , L B , BT , xc , Fr .

Данные по коэффициенту сопротивления и коэффициентам влияния приведены для двух форм носовых обводов – цилиндрических и бульбовых, и для сигарообразной кормовой оконечности (рис. 11.1).

а)

б)

в)

Рис. 11.1. Формы оконечностей судна:

а - цилиндрическая; б – бульбообразная; в - сигарообразная

Теоретические чертежи приведены на рис. 8.16…8.20.

Коэффициент остаточного сопротивления всех рассматриваемых форм с коэффи-

циентами полноты 0,8 0,85 определяется по формуле

 

 

 

 

CR

CR , L

kB kx kА .

(11.7)

 

 

 

0

B

T

c

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент C , L

B

 

снимается с диаграмм на рис. 11.2 – 11.4 с линейной ин-

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

терполяцией по коэффициенту . Коэффициент CR Fr может быть снят с зависимостей ,

приведенных в приложении 3,

для судов у которых коэффициент общей полноты бли-

зок к судну-прототипу.

 

 

 

 

 

 

Коэффициент влияния

kB

учитывает несоответствие расчетного и стандартного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

значений

B

и для всех

 

вариантов носовых обводов определяется по графику на

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис. 11.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициент kx

ax

c

 

вычисляется как отношение значений коэффициента

 

 

 

 

 

c

 

 

 

axc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

влияния axc

 

cR xc

 

определяется для расчетного значения xc и стандартного значения

cR xc 0 , 0 2 2 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xc0 , указанного для различных xc0

на рис. 11.2 – 11.4.

Зависимость axc

и axc

 

представлена на рис. 11.6.

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

92

Рис. 11.2. Зависимость CR от L/B ( =0,800; B/T=2,7; xc xLc =0,020):

а – цилиндрическая носовая оконечность; б – бульбовая носовая оконечность

Рис. 11.3. Зависимость CR от L/B ( =0,825; B/T=2,7; xc xLc =0,020):

а – цилиндрическая носовая оконечность; б – бульбовая носовая оконечность

93

Рис. 11.4. Зависимость CR от L/B ( =0,850; B/T=2,7; xc xLc =0,020):

а – цилиндрическая носовая оконечность; б – бульбовая носовая оконечность

Рис. 11.5. Зависимость коэффициента влияния kB

 

CR( B / T )

от B/T

CR( B / T 2.7)

 

T

 

 

 

 

94

Рис. 11.6. Зависимость влияния a

 

 

cR

xc

 

 

 

 

x

c

 

 

от x

 

для носовых обводов:

 

 

 

 

x

cR xc 0 , 0 2 2 5

c

 

 

 

c

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а - с заострением ГВЛ; б – с притуплением ГВЛ

Если кормовые обводы отличаются от U – образных, вводится поправочный коэф-

фициент kA

cR A

, значения которого находятся по табл. 11.1.

cR U обр

 

 

 

 

95

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 11.1

 

Поправочные коэффициенты kA на влияние формы кормовых обводов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fr

 

=0,800

 

=0,825

 

=0,850

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V- об-

 

Сигарообраз-

V- об-

 

Сигарообраз-

V- об-

 

Сигарообраз-

 

разная

 

ная

разная

 

ная

разная

 

ная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,12

0,914

 

1,096

0,696

 

0,752

0,784

 

0,602

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,13

0,809

 

1,020

0,689

 

0,769

0,811

 

0,610

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,14

0,758

 

0,969

0,696

 

0,787

0,834

 

0,624

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,15

0,750

 

0,969

0,724

 

0,794

0,875

 

0,700

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,16

0,758

 

1,060

0,740

 

0,802

0,890

 

0,746

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,17

0,838

 

0,956

0,795

 

0,769

0,920

 

0,780

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,18

0,900

 

0,908

0,831

 

0,880

0,941

 

0,839

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,19

0,900

 

0,945

0,875

 

0,884

0,998

 

0,860

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,20

0,868

 

0,972

0,867

 

0,867

0,941

 

0,825

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,21

0,938

 

0,938

0,831

 

0,884

0,916

 

0,825

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,22

0,922

 

1,030

0,880

 

0,955

0,926

 

0,855

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,23

0,914

 

1,070

0,702

 

0,740

0,795

 

0,610

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема расчета сопротивления и буксировочной мощности приведена в табл. 11.2. По результатам расчета строят графики зависимости буксировочного (полного) со-

противления и буксировочной мощности от скорости движения судна.

При заполнении табл. 11.2 значения скорости принимают от 0 до ~1,2 расчетной скорости, определенной в техническом задании.

Для судов ледового плавания категорий ЛУ1 – ЛУ9 необходимо вычислить дополнительное к сопротивлению воды чистое ледовое сопротивление от движения в обломках битого льда.

В расчетах необходимо учитывать следующее. Судам категории ЛУ1 – ЛУ9 допускается самостоятельное плавание в мелкобитом разреженном льду сплоченностью

S 5 7 баллов с толщиной льда, указанной в табл. 11.3.

96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а 11.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет сопротивления и буксировочной мощности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= … м2; = … т/м3

 

 

 

 

 

 

 

Обозначения, формулы

Размер-

 

Численные значения

п/п

 

 

 

 

 

 

 

ность

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,6v

0,7v

0,8v

0,9v

v

1,1v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Скорость v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м/с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Числа Рейнольдса Re

vL

; Re·10-6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Коэффициент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

трения

 

 

 

 

 

 

 

 

cR

 

 

 

0,455

 

 

; cR 103

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(lgRe)2,58

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

Надбавка на шероховатость cш 103

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

Сопротивление трения

 

 

 

 

 

 

 

 

R c

 

 

c

 

 

 

v

2

 

кН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ш

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тр

 

 

 

RТ

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

Числа Фруда Fr

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

CR

, L

B

, Fr 10

3

(по рис. 11.2 – 11.4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

kB

 

(по рис. 11.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

kx

 

 

ax

c

 

 

 

(по рис. 11.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

axc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

k A

(по табл. 11.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

cR0

cR

kB

kxc

kA ; cR0 103

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

Остаточное сопротивление

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

C

 

v

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ост

 

 

 

 

R

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

Полное сопротивление R Rтр Rост

кН

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

Буксировочная мощность Nб Rv

кВт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

97

 

 

Т а б л и ц а 11.3

 

 

 

Класс ледового

Толщина льда, м

Допустимая скорость, узл.

усиления

 

 

 

 

 

Суда ЛУ1

0,40

 

 

 

 

Суда ЛУ2

0,55

5

 

 

 

Суда ЛУ3

0,70

 

 

 

 

Суда ЛУ4

0,80

 

 

 

 

Суда ЛУ5

1,00

8

 

 

Суда ЛУ6

1,30

 

 

 

 

Суда ЛУ7

1,70

 

 

 

 

Суда ЛУ8

3,00

10.

 

 

 

Суда ЛУ9

4,00

12

 

 

 

Расчет сопротивления обломков льда допускается производить по формуле В.А.Зуева:

 

 

 

 

 

 

B

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

gBh2

 

0,13

 

1,3Fr

0,5Fr

 

2

S S 2 ,

(11.8)

 

 

 

л

 

л

 

 

 

h

h

h

 

 

 

 

 

 

 

 

где

л

0,92 – плотность льда, т/м3; h – толщина льда, м; Fr – число Фруда по тол-

 

 

 

 

 

 

 

 

щине льда Frh

 

v

 

 

 

 

 

 

; S

– функция сплоченности битого льда, определяемая

 

 

 

 

 

 

gh

 

 

 

 

 

 

 

 

S площадь канала, занятая битым льдом . площадь канала

При движении судна на взволнованной поверхности воды необходимо учитывать сопротивление от набегающих волн. Это дополнительное сопротивление можно определить по формуле Давидсона

 

 

R v c 2

Bh 1 cos

н

,

(11.9)

 

 

в

2

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н – угол

где с 1,25 – скорость распространения волны, м/с;

hв – высота волны, м;

входа носовой ветви КВЛ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальная высота волны определяется классом судна. Для определения длины

волны можно использовать приближенную формулу h 0,17 0,75 .

 

Способы расчета сопротивления с другими коэффициентами общей полноты и

соотношениями главных размерений

L

,

B

приведены в [11] или [12].

 

 

 

 

 

 

 

 

B

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

98

 

 

 

 

12. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ

12.1. Расчет гребного винта

При работе над проектом судна проводятся проверочные расчеты ходкости, подбор и расчеты движителя, подбор главного двигателя. Прежде необходимо рассчитать сопротивление и буксировочную мощность по способам, приведенным в разделе 11 настоящего пособия. По результатам расчетов строятся кривые буксировочного сопротивления и буксировочной мощности в рассчитанном диапазоне скоростей.

Выбор типа движителя. Поскольку назначение движителя — преобразование мощности в полезную тягу, основным критерием для его выбора является степень эффективности этого преобразования, т. е. КПД движителя.

При скоростях хода до 30 км/ч для водоизмещающих судов обычного типа наивысшим КПД обладают гребные винты. Они наиболее просты и в конструктивном отношении, поэтому нашли преимущественное применение на судах. Водометные движители используются при ограниченной осадке и для защиты рабочего органа от повреждений. Жесткие требования к маневренным качествам могут быть причиной установки крыльчатых движителей.

Стремление повысить эффективность гребных винтов при больших нагрузках привело к использованию направляющих насадок.

Выбор числа движителей. Выгодной с точки зрения пропульсивных качеств является одновальная механическая установка. Однако невозможность размещения винта необходимого диаметра заставляет иногда отказываться от нее. Другим основанием для увеличения числа гребных винтов является требование живучести судна. В вопросе о выборе числа движителей необходимо исходить из условий размещения главных механизмов и обеспечения управляемости судна.

При выборе числа движителей в курсовом проекте целесообразно воспользоваться данными прототипа.

Расчет элементов движительного комплекса при выборе главной энергетической установки.

При выборе элементов проектируемого судна, в первом приближении определена мощность энергетической установки по адмиралтейской формуле. На данном этапе выбираем реальную энергетическую установку, обеспечивающую заданную скорость хода при оптимальном движителе.

Расчет винта для данного судна делят на два этапа: предварительный и окончательный. В предварительном расчете определяется необходимая мощность двигателя и оптимальная частота вращения гребного винта. Найденные в предварительном расчете мощность и частота вращения, как правило, не соответствуют мощности и частоте кон-

99