Расчет и построение паспортной диаграммы судна

Расчет и построение паспортной диаграммы связано с использованием значительного количества показателей и зависимостей, данные о которых могут быть получены опытным путем по результатам натурных испытаний судна и его энергетической установки или же с помощью расчетов на основании имеющихся величин, характеризующих элементы гребного винта, корпуса судна и главного двигателя. Построение паспортной диаграммы по результатам натурных испытаний практически не осуществимо, т. к. требует значительного количества опытов для различных условий плавания судна (при разных осадках, скоростях судна, частотах вращения гребного винта и т.п.). Это задача чрезвычайно трудоемкая. С другой стороны, построение паспортной диаграммы только на результатах теоретических расчетов, может привести к существенным неточностям. Поэтому наиболее целесообразно строить паспортную диаграмму по данным расчета, в котором используются и имевшиеся материалы испытаний судна [2, 9].

2.2.1. Исходными данными для расчета и построения паспортной диаграммы служат:

■ размерения корпуса судна:

длина судна между перпендикулярами L, м;

ширина судна по миделю В, м,

осадка по грузовую марку Т_Г, м;

осадка судна в балласте T_б, м;

объемное водоизмещение в грузу V, м³;

■ коэффициент полноты корпуса судна δ, который определяется по формуле:

■ гидродинамические характеристики гребного винта:

диаметр винта D_в, м;

шаг винта Н, м;

число лопастей Z;

шаговое отношение H/D_в;

дисковое отношение θ;

■ КПД передачи (редуктора) η_п;

■ КПД линии валопровода η_вл

2.2.2. Расчет паспортной диаграммы следует начинать с определения относительной поступи гребного винта λ_р (по формуле 2.3), взяв за базовый известный по паспортным данным режим работы судна:

■ v_Г — скорость судна в грузу, узл;

■ n_с — частота вращения гребного винта, с^-1.

При этом величину коэффициента попутного потока можно определить по формуле:

где показатель степени х учитывает количество винтов.

Или же можно применить следующие расчетные формулы:

■ ω = 0,5 δ - 0,05 — для одновинтовых судов;

■ ω = 0,55 δ — 0,20 — для двухвинтовых судов,

где δ — коэффициент полноты корпуса судна.

2.2.3. Затем выбираем несколько значений λ_р, при этом одно значение λ_р берем больше выше определенного, а два-три значения λ_р меньше его, с рас четом того, чтобы охватить весь возможный диапазон режимов работы пропульсивного комплекса.

2.2.4.После этого определяем коэффициенты упора k₁, и момента k₂ по кривым действия гребного винта для каждого из выбранных значений относительной поступи λ_р.

2.2.5.Далее задаемся рядом значений (не менее четырех) частоты вращения гребного винта (вала двигателя) n_с, начиная с величины n_с = (0,7... 0,8) n_сн до полного хода n_спх = n_сн с учетом охвата всего поля возможных нагруженных режимов работы главного двигателя, где n_сн — частота вращения гребного винта на номинальном режиме работы главного двигателя.

2.2.6.Для всех выбранных значений относительной поступи и частоты вращения гребного винта/главного двигателя рассчитываем скорость судна υ в узлах по формуле:

Учитывая, что величины D_в — диаметр гребного винта и ω — коэффициент попутного потока не меняются, можно формулу (2.5) записать в виде:

где постоянная с₁ равна:

2.2.7. В формуле (2.2) такие величины как ρ — плотность забортной воды, D_B — диаметр гребного винта и t — коэффициент засасывания можно считать для данных условий постоянными. Поэтому эту формулу можно представить в виде:

где постоянная с₂ = ρ D_в⁴ (1-t) · 10 ^-3.

Используя формулу (2.2), рассчитываем величину полезной тяги Р_е для всех выбранных значений λ_р.и п_с.

2.2.8. Коэффициент засасывания t можно подсчитать по следующим формулам:

■ для одновинтовых судов t = 0,60 (1 + 0,67 ω) ω, где ω — коэффициент попутного потока.

■ для двухвинтовых судов t = 0,80 (1 + 0,25 ω) ω.

Плотность забортной морской воды обычно принимают равной ρ=1025 кг/м³.

2.2.9. Из теории движителей известно, что момент М_в, потребляемый гребным винтом, выражается через частоту вращения вала п_с, коэффициент момента k_г и диаметр гребного винта D_B следующим образом:

Тогда мощность, потребляемая винтом, будет равна N_в = M_в ω, где ω=2πп_е — угловая скорость вала, следовательно:

N_в = 2πk₂ ρn_с³ D_в⁵ ·10 ^-3 , кВт (2.7)

2.2.10. Отсюда находим эффективную мощность главного двигателя N_e, кВт, учитывая потери мощности в передаче и валопроводе через КПД η_п и η_вл, которые можно принять равными η_п = 0,97...0,99, а η_вл = 0,96...0,98:

По формулам (2.8) и (2.8,а) проводим расчеты N_e для всех значений k₂ ип_с.

Схема расчета для построения паспортной диаграммы приведена в таблице 2.1.

2.2.11. По результатам расчета строим графики изменения эффективной мощности главного двигателя N_e = f₃ (υ, n_с) и полезной тяги гребного винта P_е=f₂(υ, n_c) в зависимости от скорости судна υ при выбранных постоянных частотах вращения гребного винта n_c = const.

Выберем оси координат. На оси абсцисс откладываем скорость судна v в узлах, начиная с первого меньшего значения, определенной расчетом, скорости до скорости полного хода в балласте. На оси ординат выше оси абсцисс откладываем величины эффективной мощности N_e, начиная с меньшего расчетного значения N_e до N_e = 1,1 N_ен, где N_ен — мощность ГД на номинальном режиме работы. Ниже оси абсцисс откладываем на оси ординат величины полезной тяги Р_е от минимального значения до максимального расчетного.

2.2.12. Графики изменения N_e = f₃(v,n_с) и Р_е = f₂(.v, n_с) строим для принятых постоянных значениях n_с = const и для постоянных значений относительной поступи λ_р.= const.

Для чего при принятых постоянных значениях n_с = const на оси абсцисс откладываем величину скорости v для каждой заданной относительной поступи λ_р, а на оси ординат соответствующую величину мощности N_е. По точкам пересечения ординат N_e и абсцисс v строим кривые изменения мощности N_e и абсцисс при n_с = const для разных принятых значениях λ_р. Соединяя точки, соответствующие значениям мощности для постоянных величин относительной поступи λ_р = const, получаем зависимости изменения мощности по винтовым характеристикам.

Методика для построения кривых Р_е = f₂ (v, n_с) при п_с = const аналогична методике, приведенной выше для N_e. В результате получается сетка кривых, охватывающая основной диапазон нагруженных режимов работы главного двигателя.

Таблица 2.1 - Расчет паспортной диаграммы