Розрахункові методи визначення опору корабля

Вступ

Методи визначення опору і буксирувальної потужності корпусу корабля.

Опір води при рівномірному прямолінійному русі корабля і його основні складові.

Загальні поняття і визначення.

Вступ.

Тема: Характеристики корпусу корабля

Лекція № 4

Висновки.

Навчально-матеріальне забезпечення: 1) Плакати кораблів ВМС світу. 2) Слайди.

Навчальна література:

1. Ф.М. Кацман, Д.В. Дорогостайский Теория судна и движители. –Л.: Судостроение, 1979. -280 с. §§ 10 ÷ 16.

2. В.Д. Колосов и др. Корабельные ДЭУ: Учебное пособие. -Л.: ЛВВМИУ, 1993, гл. 1. §§1.1 - 1.4.

3. Ломоть В.К. та ін. Теория корабля. ЛВВМИУ. Л.: 1983, VI, §§ 6.1÷6.3.

4. Г.М. Хуршудян и др. Корабельные ДЭУ и основы их общего проектирования: Учебное пособие. –Л.: ЛВВМИУ, 1980, гл. 1. §§1.1-1.4.

5. Ермолаев А.Н. и др. Корабельные энергетические установки с двигателями внутреннего сгорания и их боевое использование, -М.: 1963.

6. Методичні вказівки щодо самостійної підготовки та самоконтролю курсантів по засвоєнню навчального матеріалу з дисципліни «Корабельні газотурбінні, дизель-газотурбінні і дизельні енергетичні установки». –С.: СВМІ, 2007 р.

Характер взаємодії основних елементів пропульсивного комплексу корабля: корпуса, головних двигунів передач потужності та рушіїв визначає область можливих режимів використання ПУ, вибір найбільш раціональних режимів її роботи та припустимих навантажень головних двигунів.

Для руху корабля із заданою швидкістю ходу V рушій (гребний гвинт) повинен створювати упор Р, під яким розуміється рушійна сила розвивається, що їм осьова, переданому корпусу корабля через валопровід і упорний підшипник. При цьому переборюється повний опір руху корабля R, що складається з опору води і повітряного опору. Останнє для більшості типів кораблів становить відносно малу частину повного опору, у силу чого припустимо обмежитися розглядом тільки опору води руху корабля. Чим більше опір руху R, тим більший упор повинен створювати рушій і тим більшою потужністю повинна розташовувати ПУ корабля.

Актуальність лекції складається у вивченні основних характеристик корпуса (опору руху та буксирувальних) корабля, зміна яких найбільше істотно впливає на тактико-технічні характеристики ГЕУ і корабля в цілому. Зміна характеристик корпуса в процесі технічної експлуатації в основному відбувається протягом часу за рахунок явища обростання корпуса, а при веденні бойових дій при різних ушкодженнях корпуса і гвинто-рульової групи.

1. Загальні поняття і визначення

Здатність корабля в заданих умовах плавання розвивати необхідну швидкість ходу при використанні певної частини потужності головних двигунів називається ходовістю корабля. Ходовість корабля забезпечується головною енергетичною установкою, що, використовуючи потужність головних двигунів створює за допомогою рушіїв необхідну силу тяги, що передається на корпус корабля для подолання опору руху корабля.

Характеристикою корпуса називається залежність повного опору руху корабля R від швидкості ходу. Представляється графічно або в табличній формі.

Корабель при своєму русі виводить маси води зі стану спокою і сприймає їхню реакцію у вигляді гідродинамічних сил, розподілених по зовнішньому обшиванню його корпуса. Можна виділити дві основні гідродинамічні сили: архімедова сила підтримки R _z = g V (визначає плавучість) і безпосередньо сила реакції води R руху корпуса корабля. Дія гідродинамічних сил реакції води можна привести до однієї рівнодіючої сили F і моменту сил М, які лежать у діаметральній площині.

Складова R головного вектора гідродинамічних сил F, спрямована протилежно вектору швидкості зі ЦТ корабля, називається опір води руху корабля.

Складова R _z головного вектора гідродинамічних сил F, спрямована перпендикулярно до вектора швидкості корабля, називається піднімальною силою.

Рисунок 1. Гідродинамічні сили і момент.

Для подолання опору R до корпуса корабля необхідно прикласти рушійну силу (силу тяги), що створюється рушіями. Щоб забезпечити горизонтальний прямолінійний рух корабля з постійною швидкістю V _s, сумарна сила тяги рушіїв åР _е повинна бути дорівнює по величині та протилежна по напрямку силі R опору води руху корабля (опору корпуса без рушіїв)

åР_е = R або å Р _е × V _s = R × V _s,

де	å Р е × V s – сумарна корисна потужність, що розвивається рушіями;
	R × V s = NR – буксирувальна потужність, затрачувана на подолання опору R.

Потужність, яку необхідно підвести від двигунів до рушіїв для створення ними необхідної тяги, називається сумарною валовою потужністю або потужністю на маточинах гребних гвинтів

,

де	h - пропульсивний коефіцієнт, котрий характеризує ефективність роботи системи «корпус – рушії».

Сумарна потужність головних двигунів дорівнює

,

де	h в = 0,96 ÷ 0,98 – ККД валопроводу, що враховує втрати потужності при передачі її від головної передачі до рушіїв;
	h п = 0,96 – ККД головної передачі, що враховує втрати потужності в передачі потужності від ГД до валопроводу.

При малих швидкостях руху гідродинамічні сили досить малі (R _z ~ 0). У більших і щодо тихохідних судів вертикальна складова R _z і момент М малі, і положення судна на ходу залишається практично таким же, як у спокої. У міру збільшення швидкості корабля вплив гідродинамічних тисків, які створює поле швидкостей на поверхню корпуса, зростає. У випадку досягнення високих швидкостей вертикальна складова гідродинамічних сил може перевищити гідростатичну архімедову силу.

Для надводних кораблів залежно від ролі гідростатичної сили підтримки в забезпеченні умови вертикальної рівноваги корабля розрізняють чотири характерних режими руху, які впливають на характеристики ходовості корабля:

1. Режим плавання, при якому посадка корабля, а виходить, і величина зануреного обсягу V майже не відрізняються від тих, які має корабель при відсутності ходу. Режим плавання характерний для більших НК і ПЧ у підводному положенні на всіх швидкостях ходу.

2. Перехідний режим, при якому на корпусі корабля виникає значна по величині гідродинамічна сила підтримки, у результаті чого змінюється посадка корабля і помітно зменшується занурений обсяг V. Такий режим має місце у швидкохідних кораблів малої водотоннажності та водотоннажністних катерів.

3. Режим глісирування (ковзання по поверхні води) при якому в глісируючих катерів середнє осідання й занурений обсяг дуже малі в порівнянні з їхніми значеннями при відсутності ходу. Зменшення середнього осідання й зануреного обсягу зі збільшенням швидкості ходу веде до різкого зниження опору води руху корабля.

4. Режими руху з використанням динамічних принципів підтримки (ДПП) кораблів на підводних крилах (КПК), на повітряній подушці (КПП) і екранопланів (ЕП). Це рух корабля по поверхні води, при якому підтримуюча сила на 90 ÷ 95 % обумовлена гідродинамічними явищами.

У цих режимах величина зануреного обсягу V практично дорівнює нулю і гідродинамічній силі підтримки стає визначальної в забезпеченні умови вертикальної рівноваги корабля на всіх основних швидкостях ходу.

Рисунок 2. Залежність питомого опору руху кораблів різного типу від числа Фруда.

Для водотоннажністних кораблів 1 характерно плавне збільшення питомого опору зі збільшенням відносної швидкості. Для полуглісируючих 2 і глісируючих 3 катерів і особливо катерів на підводних крилах 4 характерно різке збільшення опору та перегин функції в перехідний період, що приблизно відповідає Fr = 1,8 ÷ 2,0 у районі так званого «горба» опору.

У період розгону судна і переходу його руху на розрахунковий режим на підводних крилах при швидкості в межах 0,5 ÷ 0,7 від повної опір руху досягає максимуму або близької до цього величини. При цьому в районі горба опору гідродинамічні сили підтримки становлять 25÷35% водотоннажності, а частота обертання головних двигунів дорівнює 0,60 ÷ 0,70 повної. Отже, головні двигуни можуть розвивати лише часткову потужність.

2. Опір води при рівномірному прямолінійному русі корабля і його складові

Опір води залежить від швидкості ходу корабля, форми та розмірів корпуса, стану зовнішнього обшивання, від кількості, форми та розташування на ній виступаючих частин і вирізів, а також від впливу на корабель експлуатаційних факторів.

При вивченні і визначенні опору води воно умовно розділяється на окремі складові, які передбачаються незалежними друг від друга:

R _т – опір тертя, охоплює явища, що протікає в області, розташованої в безпосередньої близькості к поверхні корпуса корабля, тобто в прикордонному шарі, де найбільше інтенсивно проявляються сили в'язкості. У прикордонному шарі відносна швидкість руху води від нульового значення на обшиванні судна швидко зростає до повної швидкості потоку на зовнішній границі. Тому зміна стану обшивання судна, її шорсткість позначаються на явищах, що протікають у прикордонному шарі, тобто на опорі тертя;

R _ф – опір форми (вихровий опір), що пов'язано з виникненням попутного потоку в кормовій частині судна, спрямованого убік руху судна. Виникнення попутного потоку обумовлено місцевою зміною швидкості в кормовій частині в порівнянні зі швидкістю необуреного потоку, що набігає, і вихріутворенням. Інтенсивність цих явищ залежить від форми корпуса судна в кормі;

R _в – хвильовий опір, що охоплює явища, які пов'язані з перерозподілом нормальних тисків на обшивці корпуса, що виникають при русі судна, і протікають за межами прикордонного шару, де переважне значення мають сили ваги, тобто гравітаційні сили. Під дією цих сил частки води в поверхневих шарах приходять в рух, утворюючи розбіжні поперечні хвилі. Інтенсивність хвиляутворення, а отже, і витрати енергії на його та хвильові опори залежать від швидкості судна та форми обводів його корпуса.

Таким чином, повний опір води руху корабля можна записати у вигляді суми трьох основних складових

R _т + R _ф + R _в= R

де перші дві складові (в’язкістної природи) підкоряються закону подоби Рейнольдса, а третя складова обумовлена гравітаційними силами та підкоряється закону подоби Фруда. Крім того, окремо враховується опір виступаючих частин підводної частини корпуса.

Прийнявши повний опір рівним 1, його складові:

0,4+0,1+0,5=1

Надводна частина корабля рухається в повітрі. Тому до розглянутих трьох складового опору води додається в’язкістна складова опору повітря. Таким чином, у більше розгорнутій формі повний опір корабля повинен бути представлен у вигляді наступної суми

R = R _т + R _ф + R _в + R _пов + R _м + R _л + R _а,

де	R пов – опір повітряної середи;
	R м – опір, що викликаний метеорологічними факторами;
	R л – опір льоду;
	R а – опір виступаючих частин корпуса.

3. Методи визначення опору й буксир овальної потужності корабля

У практичних розрахунках опору води руху корабля вводяться його розрахункові складові. Основним завданням при розрахунках опору води є визначення відповідних коефіцієнтів опору, тому що геометричні характеристики корпуса корабля і його швидкість ходу при таких розрахунках задаються.

Опір форми та хвильовий опір можуть бути визначені теоретично й експериментально. Основним способом їхнього визначення для НК і ПЧ у надводному положенні є модельні випробування. У процесі таких випробувань коефіцієнти опору форми z _ф і хвильового опору z _у звичайно визначаються в сукупності. Залежно від цілей експерименту, по його результатах можуть бути розраховані кожний з розглянутих коефіцієнтів окремо.

Опір виступаючих частин створюється при обтіканні водою пристроїв, які виходять за межі плавних обрисів поверхні корпуса корабля. Виступаючими частинами є гребні вали із кронштейнами, рули, бічні кілі, обтічники гідроакустичних станцій і різні наділянки корпуса. Для ПЧ у надводному положенні до виступаючих частин, крім того, ставляться стабілізатори та горизонтальні рули. При визначенні опору виступаючих частин до їхнього числа не відносять опір движітельного комплексу (гребного гвинта, крильчатого рушія та ін.), оскільки, воно враховується в розрахунках створюваного їм упору.

Опір R _в.ч. уважають в’язкостним, думаючи, що частини, що вступають, розташовані відносно глибоко під вільною поверхнею, коли можна не враховувати їхній хвильовий опір.

Для визначення опору R _в.ч. використовується в основному експериментальний метод. Для цієї мети в опитовому басейні проводяться модельні випробування НК і ПЧ у підводному положенні з виступаючими частинами та без них.

За результатами модельних і натурних випробувань установлено, що коефіцієнт опору виступаючих частин для двохвальних кораблів z _в.ч.= (0,5 ÷ 0,8)×10^-3.

Дата добавления: 2014-11-29