CC BY-NC
41
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ СУДОВ
Б01: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-83-94 УДК 629.5.035.5
А.Р. Тогуняц1, Л.И. Вишневский2
1 АО «Гипрорыбфлот», Санкт-Петербург, Россия
2 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЛОПАСТНОЙ ДВИЖИТЕЛЬ С ДВУХРЕЖИМНЫМ КОНТРПРОПЕЛЛЕРОМ И ЕГО КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ
Объект и цель научной работы. Рассматривается многофункциональный двухступенчатый лопастной движитель (МДЛД) с контрпропеллером с целью повышения эффективности управления судном и снижения энергозатрат для его движения.
Материалы и методы исследования. Используются экспериментальные модельные данные и результаты расчетов.
Основные результаты. На примере большого рыболовного судна показана эффективность двухрежимного контрпропеллера как средства активного управления судном в сравнении с традиционными средствами (подруливающим устройством типа «винт в трубе»).
Заключение. В случае оснащения судна МДЛД оно может получить дополнительный знак к основному символу класса Российского морского регистра судоходства, свидетельствующий о резервировании элементов пропульсивной установки.
Ключевые слова: многофункциональный двухступенчатый лопастной движитель, двухрежимный контрпропеллер, энергосбережение, аварийный ход.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SHIP DESIGN AND STRUCTURE
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-3-389-83-94 UDC 629.5.035.5
A. Togunjac1, L. Vishnevsky2
1 JSC Giprorybflot, St. Petersburg, Russia
2 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
TWO-STAGED BLADE PROPULSOR WITH DUAL-ACTION COUNTER-PROPELLER AND ITS DESIGN SOLUTIONS
Object and purpose of research. This paper studies multi-purpose two-staged blade propulsor with counter-propeller in order to improve control and power efficiency of ship.
Materials and methods. The study is based Oil model test data and calculation results.
Main results. Taking a large fishing vessel as a case study, this paper demonstrates the efficiency of dual-action counter-propeller as active ship control tool and compares it versus conventional tunnel thruster.
Conclusion. A ship equipped with the system suggested in this paper may receive an additional symbol to its RS class notation: redundancy of propulsion system elements.
Keywords: multi-functional two-staged blade propulsor, dual-action counter-propeller, power saving, emergency sailing. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Дня цитирования: Тогуняц A.P., Вишневский ЛИ. Двухступенчатый лопастной движитель с двухрежимным контрпропеллером и его конструктивные решения. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 3(389): 83-94. For citations: Togunjac A., Vishnevsky L. Two-staged blade propulsor with dual-action counter-propeller and its design solutions. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 3(389): 83-94 (in Russian).
Введение
Introduction
История разработки высокоэффективных корабельных и судовых движителей и энергосберегающих устройств гидродинамического типа, обеспечивающих экономию потребления топлива, насчитывает не одно десятилетие, что подтверждает их важность. В то же время актуальными задачами судостроения являются предотвращение в условиях эксплуатации морской техники состояния «судно без хода» и обеспечение безопасного возвращения судна в порт (take me home solution) при поломке главной пропульсивной установки с одномашинным агрегатом. В конструкции многофункционального двухступенчатого лопастного движителя [1,2] удалось функционально совместить возможности энергосбережения и обеспечения аварийного хода, что позволит судну вернуться в порт при выходе из строя главной пропульсивной установки. Кроме того, кормовая ступень МДЛД является средством активного управления и поэтому исключает необходимость использования кормового подруливающего устройства. Многофункциональность практически любого устройства имеет следствием некоторое ухудшение его характеристик по сравнению с узконаправленными техническими решениями.
В отношении МДЛД выполнены исследования всех его функциональных возможностей. С точки зрения гидродинамики для успешного проектирования МДЛД было необходимо исследовать допустимость использования лопасти выбранной геометрии в реактивном и активном режимах (т.е. в неподвижном положении) и оценить компромис-
сные решения. С точки зрения конструктивного оформления МДЛД следовало найти оптимальные решения, не противоречащие реальным условиям его эксплуатации. Весь цикл модельных гидродинамических исследований был выполнен на экспериментальных установках ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Перейдем к рассмотрению результатов исследований, предварительно ознакомившись с описанием МДЛД.
Описание многофункционального двухступенчатого движителя и его компоновки в кормовой оконечности судна
Description of multi-purpose two-staged propulsors and its arrangement in the aft part of ship
Многофункциональный двухступенчатый лопастной движитель с двухрежимным контрпропеллером представляет собой соосную пару гребных винтов (ГВ); его задняя ступень выполнена в виде винта регулируемого шага (ВРШ) с лопастями, длина которых, как правило, не превышает половины длины лопастей переднего ГВ. При этом задняя ступень движителя может работать как с подводом энергии в реактивном режиме с возможностью изменения вектора тяги, так и без подвода энергии в качестве энергосберегающего устройства в виде неподвижного контрпропеллера. Таким образом, многофункциональность движителя определяет его задняя ступень, т.е. контрпропеллер, являющийся с точки зрения гидродинамики двухрежимным (рис. 1). Термин «двухрежимный» указывает на то, что ло-
Рис. 1. Принципиальные схемы работы многофункционального двухступенчатого лопастного движителя на различных режимах: а) полный ход и маневрирование, контрпропеллер неподвижен; б) работа движителя в режиме гребных винтов противоположного вращения; в) малый или аварийный ход и маневрирование, контрпропеллер работает в реактивном режиме (тянущий винт); г) маневрирование, контрпропеллер работает в реактивном режиме (толкающий винт); nnnn - реактивный режим
Fig. 1. General flow charts of multi-purpose two staged blade propulsor in different operational conditions: a) full speed and maneuvers, counter-propeller at standstill; b) propulsor operates as a couple of counter-rotating propellers; c) low or emergency speed and maneuvers, counter-propeller operates in pulling mode; d) maneuvers, counter-propeller operates in pushing mode; nnnn - reactive mode
пасти контрпропеллера могут работать и в реактивном режиме (рис. 16, в, г), и режиме без подвода энергии, т.е. в активном режиме (рис. 1а).
Гребной винт (передняя ступень) приводится во вращение главным двигателем (рис. 1а, б), а контрпропеллер (задняя ступень) - от автономного двигателя (рис. 16, в, г). Конструкция МДЛД предполагает, что контрпропеллер, работая в реактивном режиме, является фактически ВРШ поворотной колонки.
Пример компоновки МДЛД с автономным двигателем и рулевой машиной (РМ 15М1-2) в кормовой оконечности транспортного судна приведен на рис. 2 [3,4].
Наличие на судне альтернативной пропульсив-ной установки (в рассматриваемом случае включающей автономный двигатель, рулевую машину и контрпропеллер МДЛД, рис. 2) существенно повышает безопасность мореплавания и является важным фактором при заказе судна будущим судовладельцем. При выходе из строя главного двигателя альтернативная пропульсивная установка предотвращает потерю хода судна и, следовательно, такие опасные события, как потеря остойчивости, посадка на мель, выброс на берег в штормовых условиях. Важность дублирования элементов пропульсивного комплекса для мирового гражданского флота подтверждает наличие соответствующих знаков в символе класса судов в правилах постройки судов ведущих классификационных обществ [3, 5]. Классификационные общества установили требования не только к минимальной скорости аварийного хода, но и к внешним условиям (табл. 1).
Таблица 1. Требования классификационных обществ к дублированию элементов пропульсивного комплекса Table 1. Requirements of various Classification Societies to redundancy of propulsion system elements
Общество Минимальная скорость, уз Внешние условия
ABS Не требует Ветер - 17 м/с; характерная волна - 4,5 м
DNV 6 Ветер - 8 баллов по шкале Бофорта; соответствующее волнение
LR 7 Не требует
BV 7 Ветер - 5 баллов по шкале Бофорта
GL 7 (или 50 % от проектной мощности) Ветер - 5 баллов по шкале Бофорта; характерная волна - 2,8 м
RINA 7 Ветер - 5 баллов по шкале Бофорта (условие по М8СЛ/агсЛ053)
PMPC для знака РР-1А в символе класса: 6 уз или 50 % спецификационной скорости (исходя из того, что меньше) Ветер - 5 баллов по шкале Бофорта
Примечание: ABS - American Bureau of Shipping (Американское бюро судоходства); DNV - Det Norske Veritas (Норвежский Веритас); LR - Lloyd's Register of Shipping (Регистр английского Ллойда); BV - Bureau Veritas (Бюро Веритас, Франция); GL -Germanischer Lloyd (Германский Ллойд); RINA - Registro Italiano Navale; PMPC - Российский морской регистр судоходства.
РМ 15М1-2 (LxBxH-3330x2060x1380)
Рис. 2. Кормовая оконечность транспортного рефрижератора ТР-1500 с альтернативной пропульсивной установкой (автономный двигатель -дизель морского исполнения С9 ACERT фирмы Caterpillar мощностью 375 кВт) с двухрежимным контрпропеллером в качестве движителя; ----вариант конструкции кронштейна руля
Fig. 2. Aft of TR-1500 refrigerator carrier with alternative propulsion plant (autonomous engine - marine version of Caterpillar C9 ACERT diesel, power 375 kW) with dual-action counter-propeller; ----a variant of rudder stock design
Для успешного проектирования лопастей МДЛД было необходимо исследовать гидродинамические характеристики движителя, в особенности характеристики двухрежимного контрпропеллера вследствие его эксплуатации на двух существенно различающихся режимах обтекания (реактивном и активном).
Гидродинамические
исследования
многофункционального
двухступенчатого лопастного
движителя
Flow studies of rnulti-purpose
two-staged blade propulsor
Постановка эксперимента
Цикл гидродинамических исследований МДЛД включал модельные испытания движителя на следующих основных режимах:
■ полный ход (рис. 1а) [2,6-8];
■ малый (аварийный) ход (рис. le) [7, 8];
■ на швартовах и маневрирование (рис. 1г) [9].
Наибольший объем информации по изучаемому вопросу получен в рамках ОКР. выполненной по заказу Министерства промышленности и торговли применительно к судам рыбопромыслового флота (см. Федеральную программу «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 гг., шифр ОКР «Лопасть»), Исследования проведены за корпусом рыболовного судна (тунцелова). выбранного в качестве типового [7, 8] (табл. 2. рис. 3).
Самоходные испытания модели судна были выполнены для классической компоновки движи-тельного комплекса «гребной винт - руль» (рис. 4а) и для компоновки с МДЛД (рис. 46) с пятью различными контрпропеллерами, различающимися геометрией лопастей.
В серии контрпропеллеров за базовую модель был принят контрпропеллер № 8244 (табл. 3), геометрия которого выбрана из условия полной раскрутки потока на режиме полного хода |2. 7, 8].
Геометрия контрпропеллеров № 8339, 8340 и 8341 была выбрана в ходе поиска компромиссных решений для обеспечения высоких гидродинамических характеристик задней ступени МДЛД
Таблица 2. Главные размерения и характеристики типового судна, выбранного для модельных испытаний Table 2. Main dimensions and parameters of standard ship selected for model tests
Наименование геометрических характеристик и их размерность Обозначения Значения
Длина между перпендикулярами, м Lpp 75
Ширина, м В 14
Осадка носом, м Tf 5,55
Осадка кормой, м Та 5,55
Водоизмещение, м3 V 2940
Абсцисса центра величины, м ш -0,9
Подъем центра винта над основной плоскостью, м Щ 2,0
Отношение длины между перпендикулярами к ширине Lpp /В 5,36
Отношение ширины к осадке В/Т 2,52
Коэффициент общей полноты (по Ьрр) Св 0,50
Коэффициент полноты мидель-шпангоута Си 0,90
Скорость полного хода, уз 1 16,5
Скорость малого (аварийного) хода, уз v,„ r sa 7
Диаметр ГВ, м D 3,44
Относительный диаметр ступицы ГВ dCT/D 0,3
Шаговое отношение ГВ на относит, радиусе г/Я = 0,6 P/D 1,04
Дисковое отношение ГВ A/Ad 0,64
Диаметр контрпропеллера, м D| 1,98
Рис. 4. Кормовая оконечность модели судна с движителем: а) классическая компоновка; б) компоновка с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем
Fig. 4. Aft part of the model with propulsor:
a) classic design; b) design with multi-purpose two-staged blade propulsor
Таблица 3. Геометрические характеристики модели контрпропеллера № 8244 (лопасть с прямолинейной образующей)
Table 3. Geometry of counter-propeller model No. 8244 (blade with straight generatrix)
г 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 0,950 0,975 1,00
C/R 0,538 0,535 0,532 0,455 0,315 0,170 0,090 0
f=ßc 0,013 0,038 0,066 0,083 0,091 0,080 0,040 0
PID 10,31 12,38 14,44 16,50 18,57 19,60 20,11 20,63
Ф 81°2Г 81°2Г 81°2Г 81°2Г 81°2Г 81°2Г 81°2Г 81°2Г
CJR 0,042 -0,005 -0,040 -0,085 -0,140 -0,170 -0,190 -0,210
XjJR 0 0 0 0 0 0 0 0
Ъ = е!С 0,128 0,110 0,092 0,086 0,089 0,135 0,228 0
e/D 0,0344 0,0294 0,0245 0,0196 0,0140 0,0115 0,0103 -
Примечание: r — текущий радиус ГВ; R — радиус ГВ; С - ширина лопасти ГВ;/- наибольшая стрелка прогиба средней линии профиля сечения лопасти; PID — шаговое отношение; ср - шаговый угол; Cs — саблевидность лопасти (skew); Хг — уклон лопасти (rake); е — максимальная толщина профиля сечения лопасти; 8 = е/С — относительная максимальная толщина профиля сечения лопасти.
как на режиме энергосбережения (рис. 1 а), так и на реактивном режиме (рис. 1е). По сравнению с базовой моделью изменения геометрии заключаются в следующем:
■ модель № 8339 выполнена с криволинейной образующей лопасти;
■ модель № 8340 выполнена с уменьшающимся шагом к периферии лопасти;
■ модель № 8341 выполнена с профилем и контуром лопасти, симметричными относительно образующей лопасти и уменьшенной кривизной лопасти на ее периферии (что обеспечивает наилучшие условия работы на реверсе при изменении шага через флюгерное положение).
Кроме того, МДЛД был испытан с моделью ВРШ малого диаметра (№ 8245) с геометрией по серии 2 ОСТ 5.4129-75 [10].
Рассмотрим последовательно результаты исследований на основных режимах работы МДЛД.
Гидродинамические характеристики многофункционального двухступенчатого лопастного движителя на полном ходу
Результаты сравнительных самоходных испытаний (рис. 1 а) представлены в табл. 4 для всех вариантов
МДЛД, а для лучшего варианта (с контрпропеллером № 8244) и в виде зависимости пропульсивного коэффициента г|ö от кажущейся относительной поступи ГВ./= V/nD (рис. 5) [7, 8].
Лучший результат для режима полного хода (рис. 1 а) - уменьшение потребной мощности на 6,4 % (табл. 4), - как и следовало ожидать, был получен при работе МДЛД с контрпропеллером № 8244, рассчитанным на полную раскрутку потока (установочный угол лопастей контрпропеллера ф = 73°, относительное расстояние между образующими лопастей ступеней МДЛД x/R = 0,6, R -радиус ГВ). Эти данные зафиксированы в эксперименте за ГВ с шаговым отношением PID = 1,04. Можно прогнозировать, что вследствие существенной зависимости гидродинамических потерь на закрутку потока от величины шагового отношения [11] для ГВ с РЮ> 1,1-1,2 эффект от применения контрпропеллера превысит указанную величину и составит 7-8 %.
Полученный результат для контрпропеллера № 8244 соответствует ранее выполненным исследованиям гидродинамической эффективности неподвижного контрпропеллера ограниченного диаметра при проектировании траулера пр. 13010 [2, 6], а также исследованиям МДЛД в Кави-тационной трубе специальных движителей [12].
Таблица 4. Сравнение гидродинамической эффективности традиционного движительно-рулевого комплекса (исходного) и многофункционального двухступенчатого лопастного движителя с двухрежимными контрпропеллерами различных конструкций на скорости Vs = 16,5 уз (коэффициент нагрузки по тяге Kde = 2,21)
Table 4. Hydrodynamic efficiency of conventional propulsion system (initial variant) and multi-purpose two-staged blade propulsor with dual-action counter-propellers of various designs. Speed = 16.5 kt. (thrust load coefficient Kde = 2.21)
Вариант движителя Пропульсивный коэффициент т|в Потребная мощность на винте Рв = РЕ1цв, кВт Частота вращения ГВ, об/мин. PDÍ^PDB (1 -pDiipDBy х100%
Исходный 0,633 Рт = 2397 175,5 1 0
МДЛД с № 8244 0,676 2244 172,2 0,936 6,4
МДЛД с № 8339 0,648 2341 173,4 0,977 2,3
МДЛД с № 8340 0,653 2323 171,8 0,969 3,1
МДЛД с № 8341 0,646 2348 173,4 0,979 2,1
МДЛД с № 8245 0,660 2299 174,4 0,959 4,1
Исходный с обтекателем типа Costa 0,664 2285 173,3 0,953 4,7
Примечание: т|в - пропульсивный коэффициент; Рв - мощность, потребляемая движителем; РЕ - буксировочная мощность.
Рис. 5. Результаты самоходных испытаний модели судна с традиционным движительно-рулевым комплексом и с многофункциональным двухступенчатым лопастным движителем с контрпропеллером № 8244 (контрпропеллер спроектирован из условия полной раскрутки потока)
Fig. 5. Self-propulsion modei test data: conventional propulsion and multi-purpose two-staged blade propulsor with counter-propeller No. 8244 (designed to completely pre-rotated flow)
Данные 1ТТС по гидродинамической эффективности энергосберегающих устройств подтверждают эти результаты [13]. Изменения геометрии контрпропеллеров (разгрузка периферии лопасти) с целью улучшения их гидродинамической эффективности на реактивном режиме привели к существенным потерям на режиме энергосбережения (более чем в два раза, табл. 4).
Гидродинамические характеристики многофункционального двухступенчатого лопастного движителя на малом (аварийном) ходу
Гидродинамические характеристики задней ступени МДДД были исследованы в ходе сравнительных самоходных испытаний модели типового судна (рис. 3) под действием контрпропеллеров различной геометрии, работающих в реактивном режиме (рис. 1в) [7, 8]. Испытания проводились без ГВ (его заменила фалынступица), а лопасти контрпропеллеров были установлены с шаговым углом, соответствующим реактивному режиму (рис. 6). Скорость движения судна Щ = 7 уз выбрана из условия добавления классификационными обществами дополнительного знака к основному символу класса о резервировании (дублировании) элементов про-пульсивного комплекса (табл. 1). Результаты испытаний представлены в виде характеристик ходкости типового судна в табл. 5.
Как и ожидалось, наилучший результат был получен с ВРШ малого диаметра (№ 8245), т.к. неоптимальное радиальное распределение нагрузки по лопастям (рис. 6) не могло не сказаться на КП Д контрпропеллеров. Испытания показали (табл. 5),
1 ITTC - International Towing Tank Conference (Международная конференция опытовых бассейнов),
что гидродинамическая эффективность контрпропеллеров изменяется на реактивном режиме за корпусом в зависимости от их геометрии незначительно (за исключением контрпропеллера № 8339 с криволинейной образующей лопасти), что можно объяснить наличием руля за контрпропеллером и влиянием радиальной неоднородности потока, имеющей место за корпусом судна. При этом преимущества за счет разгрузки периферии лопастей контрпропеллеров оказались незначительными (табл. 5).
Гидродинамические характеристики многофункционального двухступенчатого лопастного движителя на швартовах
Исследования на швартовах (рис. 1г) проводились также на модели типового судна (рис. 3) [9]. Для
контрпропеллер № i i 8244
контр nponej лер № 8340
s
опт \ гмальн ый вш т
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 HR
Рис. 6. Радиальные распределения шагового отношения P/D контрпропеллеров с прямолинейной образующей лопасти на реактивном режиме
Fig. 6. Radial distributions of pitch ratio P/D of counter-propellers with straight blade generatrix in reactive mode
Таблица 5. Сравнение гидродинамической эффективности контрпропеллеров различных конструкций на скорости Vs = 7 уз (коэффициент нагрузки по тяге Kde = 1,3)
Table 5. Comparison of hydrodynamic efficiency for various designs of counter-propellers. Speed Vs = 7 kt. (thrust load coefficient Kde = 1.3)
Вариант движителя Пропульсивный коэффициент t|d Потребная мощность РВ = РЕЫВ, кВт Относительная поступь J Частота вращения об/мин. PDÍ/PDS245
ВРШ малого диаметра № 8245 0,350 331 0,57 191 1
Контрпропеллер № 8244 0,340 341 0,69 158 1,03
Контрпропеллер № 8339 0,275 422 0,60 182 1,27
Контрпропеллер № 8340 0,345 336 0,655 166 1,015
Контрпропеллер № 8341 0,345 336 0,63 173 1,015
оценки гидродинамической эффективности контрпропеллеров на швартовном режиме применительно к выбранному рыболовному судну были выполнены расчеты их упоров и тяги при мощности Рв = 350 кВт. Указанная мощность позволяет судну развивать скорость не менее 7 уз под действием контрпропеллера [7, 8] (табл. 5). Результаты испытаний в виде пересчета на типовое судно представлены в табл. 6.
Лучший результат по тяге в тянущем режиме показал контрпропеллер № 8340 (табл. 6). При этом тяги контрпропеллеров Те с прямолинейной образующей лопасти не различаются более чем на 10 %. Наихудший результат по тяге Те (как и по упору Т)
показал контрпропеллер с криволинейной образующей лопасти (№ 8339).
В работе [9] выполнено сравнение гидродинамической эффективности кормовой ступени МДЛД и традиционного подруливающего устройства типа «винт в трубе» ПУ 130Ф применительно к типовому судну (рис. 3). По выполненной оценке для ПУ показатель эффективности Те1Рв = 12,6, что на 15-22 % меньше, чем показатели контрпропеллеров с прямолинейной образующей лопасти на тянущем режиме (табл. 6).
Расположение МДЛД по длине судна также дает преимущество этому движителю перед ПУ. Эффективность двухрежимного контрпропеллера,
Таблица 6. Гидродинамическая эффективность многофункционального двухступенчатого лопастного движителя с различными контрпропеллерами по данным модельных исследований на швартовах
Table 6. Hydrodynamic efficiency of multi-purpose two-staged blade propulsor with different counter-propellers as per bollard-pull model test data
Вариант контрпропеллера Упор на швартовах (свободная вода) TIPD, кг/кВт Упор на швартовах (самоход), TIPD, кг/кВт Тяга на швартовах (самоход) Те IPD, кг/кВт
I квадрант IV квадрант
№ 8244 16,0 6,3 16,1 15,4
№ 8245 14,7 10,7 15,9 15,1
№ 8339 11,0 - 10,9 11,1
№ 8340 16,0 - 17,2 16,2
№ 8341 16,3 16,3 15,6 14,8
Примечание: г|с - пропульсивный коэффициент; Рв - мощность, потребляемая движителем; Т - упор; Те - тяга; Те !РВ - показатель эффективности.
работающего как поворотная колонка (рис. 1г), практически не зависит от формы (обводов) корпуса; при этом он расположен на значительно большем расстоянии в корму от миделя, чем ПУ. На рассматриваемом типовом судне отстояние от миделя точки приложения боковой силы от действия контрпропеллера составляет 37 м, что на 40 % превышает ХПу (рис. 4) и обеспечивает увеличение момента от действия контрпропеллера на указанную величину при прочих равных условиях.
Конструктивные решения многофункционального двухступенчатого лопастного движителя
Design solutions for multi-purpose two-staged blade propulsor
Приведенные данные по упору и тяге контрпропеллеров на швартовах относятся к тянущему режиму. При анализе эффективности контрпропеллеров полагается, что поворот контрпропеллера на 90° для создания поперечной силы в тянущем режиме не изменяет его характеристик на швартовах, полученных при расположении оси вращения контрпропеллера в диаметральной плоскости модели судна. На натурном судне для получения характеристик по поперечной тяге на швартовах не хуже, чем по данным модельных испытаний (табл. 6), конструкция движительно-рулевого комплекса должна предусматривать отсутствие в спутной струе за контрпро-
пеллером (т.е. задней ступени МДЛД) любых элементов конструкций судна, препятствующих ее формированию. На рис. 7 представлен эскиз движительно-рулевого устройства с МДЛД, конструкция которого удовлетворяет этому требованию благодаря вырезу в руле и наличию малого руля [14]. Малый руль является важной особенностью конструкции [14], т.к. существенно улучшает гидродинамическую эффективность контрпропеллеров, когда они работают в реактивном режиме, т.е. как ГВ.
Толкающий вариант (рис. 1г) предусматривает работу контрпропеллера в IV квадранте - при изменении направления его вращения (табл. 6, контрпропеллер № 8244). Наиболее эффективным для толкающего режима является контрпропеллер №8341, имеющий симметричный профиль сечения лопастей и контур: его гидродинамические характеристики при реверсе не меняются (табл. 6). Для реализации такого режима эксплуатации необходим более сложный механизм изменения шага, обеспечивающий перекладку лопастей через флюгерное положение, а значит, поворот лопастей не менее чем на 120°. Такой контрпропеллер получил название «контрпропеллер в трехустановочном варианте» [15]. Однако модель № 8341, спроектированная для этого варианта, оказалась вследствие разгрузки ее периферийных сечений лопастей и особенности профилировки лопастей (симметричный профиль относительно поперечной оси) неэффективной на режиме энергосбережения (рис. 1а, табл. 4), что необходимо учесть при рабочем проектировании.
((/ fTvi
"■ЧК
Рис. 7. Двухступенчатый лопастной движительно-рулевой комплекс [8]: а) вид сбоку; б) условный вид сверху; 1 - гребной винт; 2 - контрпропеллер; 3 ■
обтекатель; 4 - малый руль
Fig. 7. Multi-purpose two-staged steering & propulsion system [8]:
a) side view; b) top view (conditional); 1 - propeller; 2 - counter-propeller; 3 - cone; 4 - small rudder
Заключение
Conclusion
Модельные исследования гидродинамических характеристик МДЛД за корпусом типового судна в опытовом бассейне ФГУП «Крыловский государственный научный центр» показали следующее:
■ применение МДЛД с двухрежимным контрпропеллером, спроектированным с условием полной раскрутки потока за ГВ (шаговое отношение ГВ НЮ = 1,04) в пределах диска контрпропеллера, обеспечивает энергосбережение 6,4 % при движении типового судна на проектной скорости полного хода 16,5 уз;
■ двухрежимный контрпропеллер (задняя ступень МДЛД), характеризующийся лучшим энергосбережением на полном ходу (6,4 %), на реактивном режиме в качестве движителя малого (аварийного) хода обеспечивает движение типового судна со скоростью 7 уз при потребной мощности 340 кВт, что незначительно превышает энергозатраты при использовании ВРШ малого диаметра (на 3 %);
■ все исследованные контрпропеллеры с прямолинейной образующей лопасти в тянущем режиме обеспечивают силы тяги Те, близкие по величине, и на 15-22 % превышают показатель эффективности (выраженный отношением тяги к потребляемой мощности) традиционного ПУ типа «винт в трубе».
Для реализации на швартовах тянущего режима с достигнутыми характеристиками задней ступени МДЛД (контрпропеллера) необходимы конструктивные изменения рулевого устройства в виде разрезного руля (рис. 7, [9]). В этом случае механизм изменения шага контрпропеллера может быть упрощен и выполнен для фиксации лопастей на двух установочных углах.
Для создания поперечной силы в толкающем режиме (рис. 1г) наиболее перспективен двухрежимный контрпропеллер в трехустановочном варианте [15], конструкция которого обеспечивает поворот лопастей через флюгерное положение. Кроме того, в этом случае обеспечивается и задний ход судна без изменения направления вращения контрпропеллера. При повороте лопастей через флюгерное положение на рабочем режиме контрпропеллера входящая кромка лопастей становится выходящей, а засасывающая поверхность остается засасывающей. Последнее обстоятельство положительно сказывается на гидродинамической эффективности контрпропеллера при реверсе.
С целью повышения энергосбережения на режиме полного хода геометрия лопастей контрпропеллера должна выбираться из условия полной раскрутки потока. Поиск компромиссных решений при выборе геометрии лопастей контрпропеллера показал, что сброс нагрузки на периферийных участках лопастей контрпропеллера приводит к существенному уменьшению эффекта энергосбережения и незначительно повышает гидродинамическую эффективность на реактивном режиме.
Для трехустановочного варианта контрпропеллера с учетом его кратковременного использования на швартовном режиме можно рекомендовать применение традиционной профилировки лопастей.
Результаты расчетов ходкости свидетельствуют о возможности получения для судов, оснащенных МДЛД, дополнительного знака к основному символу класса о резервировании (дублировании) элементов пропульсивного комплекса при освидетельствовании судна классификационными обществами, в том числе Российским морским регистром судоходства. Следовательно, такие суда получат официальный статус, подтверждающий высокий уровень охраны человеческой жизни на море и защиты морской среды. Эти качества особенно важны для плавания в арктических морях. Кроме того, полученный статус позволит судовладельцу снизить платежи по страхованию судна.
Выполненные гидродинамические исследования достаточны для продолжения работ на уровне рабочего проектирования лопастных систем МДЛД для документации судна в постройке (plan approval documentation).
Для достижения аналогичного уровня готовности проектной документации для механической установки двухрежимного контрпропеллера (задней ступени МДЛД) необходимо продолжить работы, начатые головным филиалом «НПО «Винт» ОАО «ЦС «Звездочка» в рамках ОКР «Лопасть», который разработал технический проект движительно-рулевого устройства с двухрежимным контрпропеллером (ДРУ500).
Библиографический список
1. ТогуняцА.Р. Способ движения и маневрирования судна и лопастной движительный комплекс. Патент № 2098316 // Официальный бюллетень ВНИИПИ «Изобретения». 1997. № 34.
2. Вишневский Л.И., ТогуняцА.Р. Корабельные лопастные движители. Новые технические решения, результаты исследований. СПб.: Судостроение, 2011.
3. ТогуняцА.Р., Вишневский Л.И., СедыхЕ.А. Опыт концептуального проектирования морских судов с альтернативной пропульсивной установкой, оснащенной двухрежимным контрпропеллером // Научн.-техн. сб. Российского морского регистра судоходства. 2015. Вып. 40/41.
4. Togunjac A-B.R., Vishnevsky L.I., SedykhE.A. The conceptual design experience of sea-going ships with alternative propulsion system, equipped with dual-mode contra propeller // Journal of Shipping and Ocean Engineering. March-April, 2016. Vol. 6. N. 2.
5. Consideration of Safety Issues Related to the EEDI. IMO document EE-WG1/4, submitted by the International Association of Classification Societies (IACS). 21 May 2010.
6. Togunjac A.R., Kaprancev S.V. Projektiranje i modelsko ispitivanje djelotvornosti kontravijka // Brodogradnja. 1994.42. P. 127-133.
7. Togunjac A.R., Vishnevsky L.I., Kaprancev S.V. Model hydrodynamic investigation of two-stage multipurpose propulsor behind the ship // Proceedings of the XXI Symposium on Theory and Practice of Shipbuilding in Memoriam prof. Leopold Sorta. Trogir-Seget Donji, Croatia, October 6-8, 2016. P. 215-223.
8. Тогуняц A.P., Вишневский Л.И., Капранцев С.В. Модельные исследования гидродинамических характеристик многофункционального двухступенчатого лопастного движителя за корпусом судна // Морской вестник. 2016. №4(60). С. 35-38.
9. Тогуняц А.Р., Вишневский Л.И., Капранцев С.В. Модельные исследования гидродинамических характеристик двухрежимного контрпропеллера на швартовах как средства активного управления // Морской вестник. 2017. № 1(61). С. 11-13.
10. ОСТ 5.4129-75. Комплекс движительный гребной винт - направляющая насадка. Методика расчета и правила проектирования. М., 1975.
11. Русецкий А.А. Гидродинамика винтов регулируемого шага. JL: Судостроение, 1968. С. 28.
12. Togunjac A.R., Vishnevsky L.I., Morenshildt K.V. Hydrodynamics Characteristics of the Dual-Mode Contra Propellers. Proceedings of the XXI Symposium on Theory and Practice of Shipbuilding in Memoriam prof. Leopold Sorta. Baska, October 2-4, 2014. P. 291-300.
13. ПустошныйA.B. Проблемы ходкости транспортных судов. СПб.: Крыловский государственный научный центр, 2015.
14. ТогуняцА.Р., ВишневскийЛ.И. Двухступенчатый лопастной движительно-рулевой комплекс. Патент на полезную модель № 147957 // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели». 2014. № 32.
15. Тогуняц А.Р., Вишневский Л.И., Анчиков С.Л. Способ проектирования двухрежимного контрпропеллера
в трехустановочном варианте и двухрежимный контрпропеллер в трехустановочном варианте. Патент на изобретение № 2569996 // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели». 2015. № 34.
References
1. A. Togunjac. Method of ship sailing and maneuvers and blade propulsion system. Patent No. 2098316 // Official Bulletin of All-Russian Research Institute of Patent Information (VNIIPI) Izobreteniya (Inventions). 1997. No. 34 {in Russian).
2. L. Vishnevsky, A. Togunjac. Marine propellers. New technical solutions and research results. St. Petersburg: Sudostroyeniye, 2011 (in Russian).
3. A. Togunjac, L. Vishnevsky, Ye. Sedykh. Experience of conceptual design for sea-going ships featuring alternative propulsion system with dual-action counter-propeller // RS Research Bulletin. 2015. Issue 40/41. (in Russian).
4. Togunjac A-B.R., Vishnevsky L.I., SedykhE.A. The conceptual design experience of sea-going ships with alternative propulsion system, equipped with dual-mode contra propeller // Journal of Shipping and Ocean Engineering. March-April, 2016. Vol. 6. N. 2.
5. Consideration of Safety Issues Related to the EEDI. IMO document EE-WG1/4, submitted by the International Association of Classification Societies (IACS). 21 May 2010.
6. Togunjac A.R., Kaprancev S.V. Projektiranje i modelsko ispitivanje djelotvornosti kontravijka // Brodogradnja. 1994.42. P. 127-133.
7. Togunjac A.R., Vishnevsky L.I., Kaprancev S.V. Model hydrodynamic investigation of two-stage multipurpose propulsor behind the ship // Proceedings of the XXI Symposium on Theory and Practice of Shipbuilding in Memoriam prof. Leopold Sorta. Trogir-Seget Donji, Croatia, October 6-8, 2016. P. 215-223.
8. A. Togunjac, L. Vishnevsky, S. Kaprantsev. Hydrodynamic model tests of multi-purpose two-staged blade propulsor behind the hull // Morskoy Vestnik. 2016. No. 4(60). P. 35-38 (in Russian).
9. A. Togunjac, L. Vishnevsky, S. Kaprantsev. Bollard-pull hydrodynamic model tests of multi-purpose two-staged blade propulsor as active control tool // Morskoy Vestnik. 2017. No. 1(61). P. 11-13 (in Russian).
10. Industrial Standard OST 5.4129-75. "Propeller-duct" propulsion system. Calculation procedure and design rules. Moscow, 1975 (in Russian).
11. A. Rusetsky. Hydrodynamics of controlled-pitch propellers. Leningrad: Sudostroyeniye, 1968 (in Russian).
12. Togunjac A.R., Vishnevsky L.I., Morenshildt K.V. Hydrodynamics Characteristics of the Dual-Mode Contra Propellers. Proceedings of the XXI Symposium on Theo-
ry and Practice of Shipbuilding in Memoriam prof. Leopold Sorta. Baska, October 2-A, 2014. P. 291-300.
13. A. Pustoshny. Propulsion performance of cargo carriers. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2015 (in Russian).
14. A. Togunjac, L. Vishnevsky. Two-staged blade-based steering & propulsion system. Patent for useful model No. 147957 // Official Bulletin Inventions. Useful models. 2014. No. 32 (in Russian).
15. A. Togunjac, L. Vishnevsky, S. Anchikov. Design method for dual-action counter-propeller in three-setting variant and dual-action counter-propeller in three-setting variant. Patent for invention No. 2569996 // Official Bulletin Inventions. Useful models. 2015. № 34 (in Russian).
Сведения об авторах
Тогуняц Анатолий Радиславович, к.т.н., заведующий отделом мореходных качеств и архитектуры судов,
АО «Гипрорыбфлот». Адрес: 197022, Россия, Санкт-Пе-тербург, Инструментальная, 8. Тел.: 8 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected]
Вишневский Леонид Иосифович, д.т.н., ученый секретарь ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8(812)386-69-20. E-mail: [email protected].
About the authors
Anatoly R. Togunjac, Cand. Sci. (Eng.), Head of Naval Architecture Department, JSC Giprorybflot. Address: 8, Instrumentalnaya st., St. Petersburg, Russia, post code 197022. Tel.: 8 (812) 386-69-20. E-mail: togunj ac.branko @yandex.ru. Leonid I. Vishnevskij, Dr. Sci. (Eng.), Chief Academic Secretary, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 386-69-20. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 22.05.19 Принята в печать / Accepted: 18.07.19 © Тогуняц A.P., Вишневский Л.И., 2019
