CC BY-NC
65
СЕКЦИЯ 3
Гидроаэродинамика. Ходкость, мореходность и маневренность
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-67-72 УДК 629.5.035.015.2
В.В. Багринцев, A.A. Коваль, Н.В. Маринич
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИИ ГРЕБНОГО ВИНТА ПОДРУЛИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СИЛ
Впервые объединены известные методы оптимизации геометрии гребных винтов с целью снижения периодических сил на лопастях гребного винта подруливающего устройства (ГВ ПУ), вызванных неоднородностью поля скоростей в следе за колонкой и влиянием стенки канала, при сохранении максимального КПД. Последовательно применены следующие этапы оптимизации: выбор числа лопастей, оптимизация распределения шага ГВ с целью снижения риска возникновения кавитации при сохранении требуемой частоты вращения гребного вала на номинальной мощности энергетической установки, определение оптимального распределения саблевидности с целью снижения периодических сил на лопастях ГВ ПУ и стенке канала в заданном поле скоростей, расчет нестационарных характеристик ГВ в канале на основе линейной теории несущей поверхности с учетом вызванных скоростей. Получена геометрия оптимального ГВ ПУ, проведены теоретические расчеты суммарных периодических сил, а также экспериментальные исследования исходного и оптимального ГВ ПУ. Результаты эксперимента для исходного и спроектированного ГВ представлены в виде кривых действия, кавитационных диаграмм, значений пульсаций давления на стенке канала ПУ. По результатам сравнения значений суммарных периодических сил на лопастях ГВ и стенке канала ПУ, экспериментальных данных для исходного и оптимизированного ГВ ПУ сделан вывод об эффективности предложенного метода. Ключевые слова: периодические силы, гребной винт, оптимизация геометрии, подруливающее устройство. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION 3
Hydroaeromechanics, propulsion performance, seakeeping and maneuvrability
DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-67-72 UDC 629.5.035.015.2
V. Bagrintsev, A. Koval, N. Marinich
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
OPTIMIZATION OF THRUSTER PROPELLER GEOMETRY TO MITIGATE PERIODICAL FORCES
This work is the first experience of merging well-known optimization methods for propeller geometry in order to mitigate periodical forces on propeller blades of thruster due to non-uniformities in thruster wake trail and duct wall effect, with preservation of the maximum efficiency. Optimization steps were as follows: selection of blade number, optimization of pitch distribution to mitigate cavitation risk for required shaft RPM at nominal output of power plant, determination of optimal skew distribution in order to mitigate periodical forces on thruster propeller blades and tunnel wall in
Для цитирования: Багринцев В.В., Маринич Н.В., Коваль А.А. Оптимизация геометрии гребного винта подруливающего устройства для снижения периодических сил. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 67-72.
For citations'. Bagrintsev V.V., Koval A.A., Marinich N.V. Optimization of thruster propeller geometry to mitigate periodical forces. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 67-72 {in Russian).
required wake field; calculation f unsteady parameters for the propeller of tunnel thruster based 011 the linear theory of bearing surface taking into account induced speeds. The study yielded optimal geometry for thruster propeller, theoretical estimates of total periodical forces and experimental data for the initial and the optimized propeller. Test results for the two propellers (initial and optimized) were presented as performance curves, cavitation buckets and pressure fluctuations on thruster tunnel wall. Comparison of total periodical forces on propeller blades and tunnel wall, as well as comparison of the test data for the initial and the optimized propeller, confirmed the efficiency of suggested method. Keywords: periodical forces, propeller, geometry optimization, thruster. .bailors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Подруливающим устройством (ПУ) называется дви-гательно-движительная установка, развивающая боковое усилие независимо от работы главных движителей и рулевого управления судна, которая устанавливается с целью обеспечения управляемости на малых передних и задних ходах, а также без хода. Объектом исследования в данной работе является ПУ туннельного типа которое представляет собой гребной винт (ГВ), установленный на устройстве подвода мощности (угловая колонка), размещенном в поперечном канале. Особенностью подобных устройств является относительная простота изготовления и монтажа на судне, защищенность рабочего органа и, как следствие, надежность в эксплуатации. Однако присутствие угловой колонки перед рабочей зоной ГВ вносит неоднородность в поле скоростей, набегающих на ГВ, что приводит к появлению периодических сил. Проблема усугубляется тем, что стандартизированные ГВ для ПУ, спроектированные по методике Э.П. Лебедева [1], не рассчитаны на большие габариты и мощность, а это способствует повышению значений периодических сил и ухудшению кавитационных характеристик [2-4].
Целью данной работы является оптимизация геометрии ГВ ПУ для снижения периодических сил на лопастях ГВ и ПУ в целом. В качестве исходной принята геометрия четырехлопастного ГВ большого диаметра, спроектированного по методике |1|.
Оптимизация геометрии ГВ осуществляется в три этапа:
1. На первом этапе выполняется выбор числа лопастей и оптимизируется распределение шага ГВ с целью снижения риска возникновения кавитации при сохранении частоты вращения и пропульсивных характеристик ГВ.
2. На втором этапе определяется оптимальное распределение саблевидности, обеспечивающее минимальные периодические силы для заданного поля скоростей.
3. На третьем этапе выполняется сравнительный расчет нестационарных характеристик ГВ в канале в заданном поле скоростей.
Этапы оптимизации Optimization steps
На первом этапе выполняется выбор числа лопастей с целью снижения возмущающих периодических сил при работе в неравномерном потоке. Рациональный выбор числа лопастей для заданного поля неоднородности основан на способности ГВ избирательно реагировать на различные составляющие неоднородности (поля скоростей набегающего потока). Это происходит потому, что возникающие на отдельных лопастях винта гармонические составляющие периодических сил взаимно уравновешиваются, за исключением тех, появление которых вызвано гармониками разложения поля в ряд Фурье по угловой координате с номерами, кратными числу лопастей, а также отличающимися от этого значения на единицу. В связи с тем, что, как правило, амплитуды гармонических составляющих разложения поля скоростей быстро уменьшаются с ростом номера гармоники, выгодно применение ГВ с большим числом лопастей [5]. В процессе выбора числа лопастей было сделано предположение, что для ПУ наибольшее влияние на вибрационное излучение оказывают поперечные гидродинамические силы, поэтому выгодно использование четного числа лопастей. Кроме того, возможность увеличения числа лопастей ограничена высокой стоимостью изготовления. Исходя из этого число лопастей ГВ принято равным шести.
Вторая часть первого этапа заключается в оптимизации распределения шага ГВ с целью снижения риска возникновения кавитации при сохранении требуемой частоты вращения гребного вала на номинальной мощности энергетической установки. Используемый метод оптимизации распределения шага ГВ описан в [6-8].
Формирование задачи оптимизации распределения шага заключается в формулировке целевой
V.V. Bagrintsev, A,A, Koval, N.V, Marynich. Optimization of thruster propeller geometry to mitigate periodical forces
функции и ограничений. Целевая функция выбирается с целью получить максимальный КПД и минимизировать число кавитации. Для уменьшения риска возникновения щелевой кавитации задается условие бесциркуляционнгого обтекания концевого сечения лопасти ГВ. В качестве неизвестного параметра геометрии лопасти рассматривается распределение шага Н лопасти по радиусу г. Таким образом, в процессе выбора геометрии рабочего колеса задача оптимизации может быть записана следующим образом:
¡-11(Я) + А--тах|а(Я)| Кд {HJS0) = KQ0
—»nun
H(r) > Нтт (г) г(г = l) —> О
где Н = Н(г) - функция, описывающая распределение шага лопасти по радиусу; а - число кавитации; к- коэффициент, обеспечивающий баланс при оптимизации по двум параметрам; - расчетная внутренняя поступь; Кф - расчетный коэффициент момента.
Для получения прямого численного решения задачи (1) она сводится к задаче математического программирования с конечным числом неизвестных. С этой целью искомая функция Н(г) представляется в виде линейной комбинации базисных функций:
N
Г .
к=1
N
i=i
a^cos(qzQsl-qzQl) + +b^sinqzQsl-qzQl) ¿«cos (qzQsl-qzQ°sl) + +a^sm\qzQs,-qzB\
Ar..
М и н и м и';и ру с мая функция, которая представляет собой максимальный модуль результирующей силы:
где 8Я" - распределение углов вихревой линии для ГВ с исходной формой лопастей; Ь^- известные из предварительного поверочного расчета коэффициенты для элементарных гидродинамических сил на сечениях лопасти исходного ГВ [10-12]; .V, весовые функции, определяемые в зависимости от метода численного интегрирования по радиусу; q - номер гармоники.
В данном случае элементарные гидродинамические силы представлены в виде косинусоидаль-ных колебаний, фаза которых определяется в основном углом саблевидности (0Л):
%{г)=-
КГ
Минимизация функции осуществляется при выполнении ряда ограничений, которые накладываются на распределение углов саблевидности. Ограничения необходимы для сохранения плавности вихревой линии (контура лопасти) и задания интервала изменения ее угловых координат:
Базисные функции 11к (г) заданы априори, а искомыми являются стоящие при них коэффициенты А/с- Таким образом, исходная задача (1) на бесконечномерном пространстве сводится к задаче отыскания N величин А^ обеспечивающих минимум целевой функции при заданных ограничениях [9, 10].
На втором этапе осуществляется определение оптимального для заданного поля скоростей распределения саблевидности по радиусу лопасти [9]. Оптимизация саблевидности позволяет обеспечить минимальный уровень периодических сил на ГВ и стенке канала. Метод заключается в минимизации функции, которая зависит от амплитуд проекций 2-х гармоник периодической силы на лопасти в зависимости от изменений угловых координат элементов вихревой несущей линии (что является заменой лопасти):
, (9Я+] 'К: ■ х)
Аг,
&Г: + 1
У = 1,2.....Ж-2,
[ея-е^]-<5[1-7],;=1,2
к
где к - постоянная, которая определяет уменьшение интервала изменения угловых координат корневого сечения лопасти для сохранения его в исходном положении относительно оси лопасти.
Далее происходит оптимизация функции Л-переменных с целью их минимизации и определяется необходимое распределение углов саблевидности. Метод позволяет при одинаковом размахе саблевидности и прочих равных условиях существенно снизить уровень периодической силы на ГВ. Однако стоит отметить, что величина эффекта зависит от того, насколько форма лопасти исходного ГВ близка к оптимальной для конкретного поля скоростей в диске.
На третьем этапе выполняется поверочный расчет для определения периодических сил, вызванных работой ГВ ПУ в неоднородном потоке. В расчете используется следующая схема: на каждом шаге определяются скорости в диске винта, возникновение которых обусловлено наличием канала ПУ, и затем рассчитывается винт по методу несущей поверхности. Далее определяются вызванные винтом скорости на стенке канала. На основании полученного распределения скорости определяется соответствующее распределение давления. На следующем шаге, интегрируя расчетное нестационарное давление на стенке канала, рассчитывают действующие на него переменные силы [10-12].
Результаты Results
Результаты расчетов периодических сил для ГВ, спроектированного по [1], и ГВ, оптимизированного по описанному выше методу, приведены на рис. 1. По результатам расчетов можно оценить уровни суммарных периодических сил двух ГВ на лопастных частотах:
/ = т -п-г,
где/- частота; п - обороты ГВ; г - число лопастей ГВ; т = 1,2,3, ...
На графике видно, что у оптимизированного ГВ наблюдается заметное снижение значений суммар-
но0/» 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
1 2
Рис. 1. Зависимость значения суммарных периодических сил на винте в процентном соотношении (относительно максимального значения) от номера гармоники
Fig. 1. Total periodical forces on propeller (as % of the maximum level) versus the number of harmonic
Fe. 100,0 %
Исходный ГВ ПУ Спроектированный ГВПУ
19,9 %
11,9 % Л 7 "Ml
1,9 % 0,3 %
ных периодических сил относительно исходного винта. Это свидетельствует об эффективности предложенных изменений геометрии ГВ ПУ.
Для подтверждения эффективности предложенного метода проведены испытания моделей исходного и оптимизированного ГВ в составе макета канала ПУ. Экспериментальные исследования были выполнены в кавитационной трубе и включали измерение поля скоростей в диске ГВ, гидродинамические и кавитационные испытания модели движителя «винт в трубе», измерение пульсаций давления на стенке канала ПУ. По результатам испытаний были построены кривые действия (рис. 2), кавитационные диаграммы (рис. 3) и пульсации давления на стенку канала ПУ (рис. 4).
На рис. 2 представлены кривые действия, анализируя которые, можно сделать вывод о том, что эффективность ГВ ПУ практически не изменилась, посколь-ку на рабочем режиме (рабочей поступи J = 0,6) изменение коэффициентов упора и момента крайне мало.
На рис. 3 сопоставляются кавитационные диаграммы, на которых у оптимизированной модели ГВ на рабочем режиме наблюдается заметное снижение как щелевой, так и пленочной кавитации, несмотря на то, что при оптимизации шага ГВ задается безциркуляционное обтекание концевого сечения лопасти с целью минимизировать в основном щелевую кавитацию.
На рис. 4 сравниваются пульсации давления на стенку канала ПУ при работе ГВ в следе за колонкой, измеренные для исходного и оптимизированного ГВ; измерения производились по окружности за винтом.
КТ,10К,
Кт - Исходный ГВ Кт - Спроектированный ГВ 10KQ - Исходный ГВ ЮКд - Спроектированный ГВ
0,4 0,5 0,6
Рис. 2. Кривые действия исходного и оптимизированного гребного винта подруливающего устройства
Fig. 2. Initial and optimized propeller of thruster: performance curves
V.V. Bagrintsev, A.A. Koval, N.V. Marynich. Optimization of thruster propeller geometry to mitigate periodical forces
Плёночная кавитация
Щелевая кавитация
1,3
1,2
1,1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Van V ♦ Спроектированный ГВ ■ Исходный ГВ
\ i
\
0,926 v Чи
\
\ \ ■
0,740 \ \
\ \
i
J
1,3
1,2
1Д
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Van ♦ Спроектированный ГВ ■ Исходный ГВ
ч
0,820 л
0,755 -Y
\
♦ J
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Рис. 3. Кавитационные диаграммы исходного и оптимизированного гребных винтов подруливающего устройства Fig. 3. Cavitation buckets of initial and optimized propeller
Безусловно, в результате оптимизации удалось добиться существенного снижения пульсаций давления на стенку канала ПУ, что привело к улучшению вибрационных характеристик всей конструкции ПУ.
Заключение
Conclusion
Исходя из представленных выше результатов, которые были получены как теоретически, так и экспериментально, можно сделать вывод о том, что предложенный метод позволяет при сохранении эффективности снизить периодические силы на лопастях ГВ и ПУ в целом, улучшить кавитационные характеристики ГВ ПУ и вибрационные характеристики всей конструкции ПУ.
Библиографический список
1. Лебедев Э.П., Пергииц Р.Я., Русецкий А.А., Аврагиков Н.С., Тарасюк А. Б. Средства активного управления судами. JL: Судостроение, 1969. 264 с.
2. Ермолаев А.А., Шевцов С.П. Проблема вибрации подруливающих устройств и способы ее решения // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Специальный выпуск 1. С. 67-74.
3. Шевцов С.П. Особенности проектирования подруливающих устройств большой мощности // Тезисы докладов конференции «Российское кораблестроение
Р[кПа] ш 370
210 200 190 180 Исходный ГВ —Спроектированный ГВ
Рис. 4. Пульсации давления на стенке канала подруливающего устройства, вызванные работой исходного и оптимизированного гребных винтов в неоднородном потоке
Fig. 4. Pressure fluctuations on thruster tunnel wall due to operation of initial and optimized propeller in non-uniform flow
от академика А.Н. Крылова до наших дней». СПб., 2014. С. 66-68.
4. Fischer R. Bow thruster induced noise and vibration // Dynamic positioning conference. October 17-18,2000.
5. Левковский Ю.Л. Шум гребных винтов. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2005. 184 с.
6. Васильев А.В., Яковлев А.Ю. Расчетный метод оценки гидродинамических характеристик осевых насосов // Тезисы докладов XL Крыловских чтений, 2001. СПб., 2001. С. 69-71.
7. Маринич Н.В. Численная оптимизация водометных движителей подводных аппаратов // Тезисы докладов. Материалы Всероссийской научно-прак-тической конференции «Морское подводное оружие. Перспективы развития». СПб., 2015. С. 72-77.
8. Яковлев А.Ю. Проектировочный расчет лопастных систем путем прямой оптимизации // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2008. Вып. 35(320). С. 111-121.
9. Мухин А.Б. Акустическая оптимизация геометрических элементов гребных винтов подводных лодок // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2009. Вып. 47(331). С. 81-90.
10. Андреев ЮМ., БавинВ.Ф., Базилевский Ю.С., Вашкевич МЛ., Иванов В.К., Мухина Л.А., Пустотный А. Ф. Периодические силы, передаваемые гребным вином корпусу судна // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1972. Вып. 273.
11. Мухина Л.А. Гидродинамический расчет гребного винта на персональном компьютере // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1998. Вып. 7(291). С. 30-32.
12. Boushkovsky V.A., YakovlevA.Yu. Unsteady forces induced by ducted propellers // SP 2001: Lavrentiev Lectures. St. Petersburg, June 19-21,2001.
References
1. E. Lebedev, R. Pershitz, A. Rusetsky, N. Avrashkov, A. Tarasyuk. Active control tools for ships. Leningrad, Su-dostroyeniye, 1969,264 pp. (in Russian).
2. A. Ermolaev, S. Shevtsov. Vibration of thrusters and ways to combat it // Transactions of KSRC, Special Issue No. 1, 2018, pp. 67-74 (in Russian).
3. S. Shevtsov. Design specifics of high-capacity thrusters // Theses of papers, Conference Rossiyskoye korablestroyeni-ye ot akademika A.N. Krylova do nashikh dney (Russian shipbuilding from Academician Krylov to our days). St. Petersburg, 2014,, pp. 66-68 (in Russian).
4. Fischer R. Bow thruster induced noise and vibration // Dynamic positioning conference. October 17-18,2000.
5. Yu. Levkovsky. Noise of propellers. St. Petersburg, KSRI, 2005,184 pp. (in Russian).
6. A. Vasilyev, A. Yakovlev. Analytical assessment method for hydrodynamic parameters of axial pumps // Theses of pa-
pers, XLth Krylov Readings, St. Petersburg, 2001, pp. 69-71 (in Russian).
7. Numerical optimization of wateijets for underwater vehicles // Materials of All-Russian scientific & practical conference Underwater naval weaponry. Development prospects. St. Petersburg, KSRC, 2015, pp. 72-77 (in Russian).
8. A. Yakovlev. Design calculation of blade systems through direct optimization // Transactions of KSRC, 2008, Issue 35(320), pp. 111-121 (in Russian).
9. A. Mukhin. Acoustic optimization of geometric elements for submarine propellers // Transactions of Krylov Shipbuilding Research Institute, 2009, Issue 47(331), pp. 81-90 (in Russian).
10. Yu. Andreev, V. Bavin, Yu. Bazilevsky, M. Vashkevich, V. Ivanov, L. Mukhina, A. Pustoshny. Periodical forces transmitted by propeller to hull // Transactions of Krylov Shipbuilding Research Institute, 1972, Issue 273 (in Russian).
11. L. Mukhina. Hydrodynamic calculation of propeller on personal computer // Transactions of Krylov Shipbuilding Research Institute, 1998, Issue 7(291), pp. 30-32 (in Russian).
12. Boushkovsky V.A., Yakovlev A.Yu. Unsteady forces induced by ducted propellers // SP 2001 : Lavrentiev Lectures. St. Petersburg, June 19-21,2001.
Сведения об авторах
Багринцев Виктор Викторович, инженер ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 931 212-20^19. E-mail: [email protected]. Маринич Николай Владимирович, начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 911 986-50-43. E-mail: [email protected]. Коваль Анастасия Александровна, начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 911 968-02-54. E-mail: [email protected].
About the authors
Bagrintsev, Viktor V., Engineer, KSRC, address: 44, Mos-kovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158, tel.: +7 931 212-20-49. E-mail: [email protected]. Marinich, Nikolay V., Head of Laboratory, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158, tel.: +7 911 986-50-43. E-mail: [email protected]. Koval, Anastasia A., Head of Sector, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158, tel.: +7 911 968-02-54. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 25.07.19 Принята в печать / Accepted: 30.08.19 © Коллектив авторов, 2019
