CC BY
18УДК 629.563.4:629.5.015.2
Анисимова, аспирант, ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 50, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ГЛАВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ПРИ СОЗДАНИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБСТАНОВОЧНОГО СУДНА ВНУТРЕННЕГО ПЛАВАНИЯ
В статье приведены выражсения для расчета ходкости обстановочных судов внутреннего плавания.
Обстановочные суда внутреннего плавания имеют особенности формы корпуса, обусловленные туннельными образованиями кормы и специфическими геометрическими параметрами. Поэтому существующие методики расчета ходкости, например [1], [4], применительно к этим судам не дают достаточную точность при оценке необходимой мощности главных двигателей или достижимой скорости хода, если двигатель известен. В связи с этим возникает задача адаптации этих методик к судам рассматриваемого типа.
Для оценки ходкости и определения мощности главных двигателей необходимо располагать данными о сопротивлении движению судна и гидродинамических характеристиках его движителей.
При практическом расчете полное сопротивление воды движению водоизмещаю-щего судна представляют в виде суммы отдельных составляющих [1]:
Я = Яг +АЯГ + Я0 + Як + Яа, (1)
где Яу — сопротивление трения технически гладкой эквивалентной пластины; ДЯу — надбавка на шероховатость; Яо — остаточное сопротивление;
Як — сопротивление от выступающих частей на корпусе судна; Яа — аэродинамическое сопротивление корпуса и надстройки.
С использованием квадратичного закона сопротивления полное сопротивление воды Я вычисляется по выражению:
я = 0,5 • р-э2 • ^ • (47 + Д£> + С + ^ + ), (2)
где р — плотность воды, т/м3; 3 — скорость хода судна, м/с; $ — смоченная поверхность судна, м2;
— коэффициент сопротивления трения технически гладкой эквивалентной пластины, определяется с использованием экстраполяторов трения [1]; Д^у _ надбавка к коэффициенту трения на шероховатость обшивки корпуса,
= 0,6 • 10-3;
^о — коэффициент остаточного сопротивления;
£к — коэффициент сопротивления выступающих частей, = 0,15 • 10 3;
B. В. Анисимова
Определение мощности главных двигателей при создании математической модели..._
C, а — коэффициент аэродинамического сопротивления надводной части судна,
£ а = 0,1-10-3.
Известно, что наиболее достоверное определение смоченной поверхности судна реализуется с использованием теоретического чертежа, методами численного интегрирования. На начальных стадиях проектирования, когда известны лишь основные элементы судна для ее определения используют приближенные формулы. Точность расчета смоченной поверхности во многом предопределяет достовернось определения значения силы сопротивления. Был проведен сравнительный анализ площади смоченной поверхности судов с туннельными кормовыми обводами, рассчитанной по приближенным формулам и с использованием теоретического чертежа. За неимением достаточного количества данных по интересующим нас судам в анализ были вовлечены данные по толкачам и буксирам со схожими характеристиками и аналогичными обводами корпуса. Результаты сравнительных расчетов приведены в табл. 1. Из нее можно видеть, что меньшая относительная погрешность, по сравнению с наиболее точным определением по теоретическому чертежу, у подавляющего числа проектов получена при расчете по формуле Ерошина для промысловых судов [2]. Ее и можно рекомендовать для расчета площади смоченной поверхности обстановочных судов.
8 = Ь ■ Т ■
1 + 0,5 ■В
V Т у
(0,55 +1,52 ■ 5), (3)
где Ь — расчетная длина судна, м; Т — осадка судна, м; В — расчетная ширина судна, м;
5 — коэффициент полноты корпуса судна по водоизмещению.
Таблица 1
Точность расчета площади смоченной поверхности по различным методикам
№ проекта по теоретическому. чертежу формула Карпов формула Семеки формула Ерошина формула ЦНИИЭВТа
8, м2 относительная погрешность,% 8, м2 относительная погрешность,% 8, м2 относительная погрешность,% 8, м2 относительная погрешность,%
908 198,73 179,33 9,76 149,83 24,61 192,84 2,96 189,99 4,40
911 162,98 141,49 13,2 123,21 24,4 156,70 3,85 151,2 7,23
Р-33 235,01 217,30 7,54 182,49 22,35 231,65 1,43 227,17 3,33
758 360 332,38 7,67 299,32 16,86 346,92 3,63 335,84 6,71
842 605,75 579,29 4,37 512,97 15,32 602,79 0,49 594,31 1,89
749 415,28 389,14 6,30 351,48 15,3 402,82 3,00 386,57 6,91
3050 91,46 83,11 9,13 80,54 11,94 90,36 1,2 83,62 8,57
3050.1 114,67 110,73 3,44 106,16 7,42 119,20 3,95 111,57 2,76
3052 187,86 182,48 2,86 165,48 11,91 194,54 3,56 191,87 2,13
Отдельно следует рассмотреть вопрос определения коэффициента остаточного сопротивления, величина которого напрямую влияет на точность расчета силы сопро-
тивления. Коэффициент остаточного сопротивления получен в виде регрессионного выражения, зависящего от ряда параметров, выбранных с учетом метода подобия и размерностей [3], в результате анализа ряда обстановочных судов, толкачей и буксиров, с туннельной формой кормовых обводов и аналогичными геометрическими характеристиками корпуса. По коэффициенту корреляции 0,972, среднему квадратичес-кому отклонению 0,00037 и средней ошибке аппроксимации 8% зависимости (4) можно судить о ее достоверности и адекватности:
£о = 0,00063'
^ ^ -0,87461
в
■ 3
-1,11301
/—\136204
Т
У1
■ ехр(20,10043 ■ ^Т2'7)
(4)
где ЕгЬ — число Фруда по длине.
Пределы применимости формулы (4):
Ь
4,4 < —< 6,24;
в
0,506 <8< 0,72;
в
3,51 < — < 8,5;
т
0,08 < Егт < 0,4.
(5)
На рис. 1 показаны значения коэффициента остаточного сопротивления, фактические и рассчитанные по выражению (4), обстановочных судов проектов 3052 и 3050.1.
о о о
10
9 8 7 6
4 3 2 1 О
1 И пр.3052
* -
% пр. 3050.1
**
м *
V ^
• • * 1 | ••
О
од
0,2
0,3
0,4
0,5
• фактические значения коэффициента остаточного сопротивления Xрассчитанные по выражению 4
Рис. 1. Коэффициент остаточного сопротивления
Приведенная модель расчета предусматривает движение одиночного обстановочного теплохода. Возможен также вариант работы судна в составе с баржей. В этом случае сопротивление движению состава рассчитывается в виде выражения (6), причем верхнее выражение для толкаемого состава, нижнее - для буксируемого состава [4]:
Яс = кс. (я + яб), яс = я + кс ■ яб.
где Я - сопротивление движению изолированного обстановочного судна, кН; я6 - сопротивление движению баржи, кН;
кс - коэффициент счала, определяемый по справочной литературе [1].
(6)
В. В. Анисимова
Определение мощности главных двигателей при создании математической модели.
Для расчета сопротивления движению баржи получена регрессионная зависимость по 9 судам с коэффициентом корреляции 0,960, средним квадратическим отклонением 0,0004 и средней ошибкой аппроксимации 10%.Указанные величины говорят о достоверности и адекватности полученного выражения, параметры которого были выбраны с учетом метода подобия и размерностей [3]. Анализируемые несамоходные суда представлены в табл.2.
—
= 0,03598 • ^
И
—
V—/
—
ехр(-1,22732 • ^т"0'00246)
(7)
где И — весовое водоизмещение баржи, кН; ЕГу — число Фруда по водоизмещению.
Пределы применимости приведенного выражения :
— т
4,38 < — < 11,36; 4,56 < — < 6,08. (8)
т —
0,1 < ^ < 0,47;
Элементы и характеристики барж
Таблица 2
элементы и характеристики № проектов барж
500-Ш 564А 278 565 561 459 462 425 461
—, м 54,7 60,8 74,87 66,3 75,6 77,6 78,88 85 84,6
—, м 12 10 15 14 15 15 13 14,5 14
Я, м 1,8 2 2 2 2,5 2,5 3,5 3,7 4,5
Т, м 1,4 1,1 1,32 1,49 1,76 1,82 2,57 3,07 3,2
И, т 795 720 1287 1180 1700 1772 2114 3340 3270
Гидравлический коэффициент полезного действия гребного винта может быть рассчитан по регрессионной зависимости, полученной с использованием корпусной диаграммы для открытых винтов с дисковым отношением 0 = 0,55 и числом лопастей z=4.
пр = 0,105943 + 0,543282 • К'- 0,121399(К' )2, (9)
где К' = Ив • Зр ■ — коэффициент упора-диаметра; Ив — диаметр винта, задаваемый проектантом, м;
3р = 3 ■ (1 — ^) — расчетная скорость поступательного движения винта, м/с;
Р =-—--упор винта, кН.
х • (1 - г)
Коэффициент попутного потока у вычисляется по известным приближенным формулам, например [4].
10,58- 0,051бе х = 1 Ч> = \ (10)
|0,558-0,21бё х = 2ёёё х = 3;
где х — число гребных винтов. 58
Для туннельных кормовых обводов коэффициент засасывания 1 принимают равным коэффициенту у [1].
Используя выражения (2)-(10) можно для заданной скорости хода рассчитать необходимую мощность главных двигателей. Однако, как показали тестовые расчеты, применение такого подхода не всегда позволяет достичь необходимую точность оценки мощности, что может быть следствием отличия реальных и оптимальных характеристик движителей судов. В связи с этим рассмотрена также возможность на начальных стадиях проектирования определять суммарную мощность главных двигателей по статистической зависимости (11), параметры которой были выбраны с учетом метода подобия и размерностей [3]. Регрессионное выражение получено с коэффициентом корреляции 0,965, средним квадратическим отклонением 0,0021 и средней ошибкой аппроксимации 3%:.
Ые Б ■ 3
3
9,77°21 ■ п р -°,5802 + 0,02426 ■[р 1 В
+
В
+ 0,01121 В
Т
-0,30328 ■ 3 + 0,0129 ■ п „,
где Ые — суммарная мощность главных двигателей, кВт; Б — весовое водоизмещение судна, кН.
(11)
Пределы применимости предлагаемого выражения (11):
5,92 < — < 6,54; В
В
0,529 <8< 0,797; 0,392 < пр < 0,697.
(12)
3,79 < — < 5,5; Т
В таблице 3 представлены фактическая мощность обстановочных судов и мощность, полученная по выражению (11), а также относительная погрешность результата вычислений.
Таблица 3
Сопоставление фактической мощности обстановочных судов и мощности, полученной по статистической зависимости (11)
3,08356
-3,74963
№ проектов обстановочных судов суммарная мощность главных двигателей фактическая Ыефакт, кВт суммарная мощность главных двигателей, рассчитанная по выражению (12) Ые, кВт относительная погрешность, %
Р-121 330 339,9 3,0
81240 140 139,0 0,7
81240А 140 140,8 0,6
391А 110 109,0 0,9
391Б1 110 111,4 1,3
457 66 65,95 0,08
3050 85 85,21 0,3
3050.1 205,9 205,6 0,2
При условии работы обстановочного судна в составе с баржей мощность главных двигателей может быть определена по известному выражению (13) при заданной скорости хода.
В. В. Анисимова
Определение мощности главных двигателей при создании математической модели..._
— ■ 3
Ше =-£-, кВт, (13)
х ■П р ■ П ■ Пг
где = 0,95...0,97 — коэффициент полезного действия валопровода; Пг = 0,97... 0,98 — коэффициент полезного действия редуктора.
Приведенные выражения, необходимые для расчета суммарной мощности главных двигателей обстановочных судов внутреннего плавания могут получить применение при разработке математической модели судна в задачах оптимизации элементов и характеристик судов.
Список литературы
[1] Басин А.М. Ходкость и управляемость судов: Учеб. пособие для вузов вод. транш. - М.: Транспорт, 1977. - 456 с.
[2] Войткунский Я.И. Сопротивление движению судов: Учеб. 2-е изд. доп. и перераб. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.
[3] Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике: изд-е 8-е перераб.-М.: Наука, 1977.440 с.
[4] Бавин В.Ф., Зайков В.И., Павленко В.Г., Сандлер Л.Б., под ред. Павленко В.Г. Ходкость и управляемость судов: Учеб. - М.:Транспорт, 1991. - 397 с.
DETERMINATION OF MAIN ENGINES POWER AT CREATION MATHEMATICAL MODEL OF INLAND-WATERWAY VESSEL FOR PLACING AND MAINTENANCE OF FACILITIES OF NAVIGATION EQUIPMENT
V. V. Anisimova
Expressions for calculation of the propulsion qualities of inland-waterway vessel for placing and maintenance of facilities of navigation equipment are given in article
УДК 658.382.3 : 620.206
В.И. Савинов, к.т.н., доцент ФБОУВПО «ВГАВТ». 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ОБСТАНОВКИ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ХАРАКТЕРА
Приводятся основные понятия в области прогнозирования чрезвычайных ситуаций техногенного характера, а также методики прогнозирования и оценки обстановки при авариях на гидротехнически и химически опасных объектах, их особенности, мероприятия для принятия оперативных мер.
Согласно ГОСТ 22.1.02-97 (ГОСТ Р 22.1.02-95) прогнозирование чрезвычайной ситуации - опережающее отражение вероятности возникновения и развития чрезвычайной ситуации на основе анализа возможных причин ее возникновения, ее источника в прошлом и настоящем.
