Совершенствование методов проектирования гребных винтов судов ледового плавания и ледоколов
|
Введение
1 ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГРЕБНЫХ
ВИНТОВ СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ И ЛЕДОКОЛОВ 6
1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО
ВИНТА И ОЦЕНКА ЕГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 6
1.1.1 Определение дискового отношения ГВ и гидродинамических характеристик ГВ
из условия предотвращения второй стадии кавитации 6
1.1.2 Распределение ширины лопасти 10
1.1.3 Распределение шага и максимальной кривизны лопасти гребного винта 11
1.1.4 Профилировка лопасти гребного винта 11
1.2 НАЗНАЧЕНИЕ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА ГРЕБНОМ ВИНТЕ И ЕГО ПРОЧНЫХ РАЗМЕРОВ ДЛЯ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГВ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГЭД В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ 12
1.2.1 Механизмы взаимодействия лопастей гребного винта со льдом и ледовые
нагрузки 13
1.2.2 Обеспечения эксплуатационной прочности гребного винта и работоспособности
главного электродвигателя 16
1.2.3 Методика определения глобальных и локальных ледовых нагрузок на гребном
винте и электродвигателе и назначение прочных размеров гребного винта 19
1.2.4 Определение предельной силы поломки лопасти гребного винта для обеспечения
пирамидальной прочности элементов пропульсивного комплекса 27
1.2.5 Определение допустимых скоростей движения судна, обеспечивающих
безопасный уровень ледового нагружения 29
2 РАСЧЕТ ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА 33
2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА 33
2.2 РАСЧЕТ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА 34
2.3 РАСЧЕТ СИЛЫ ПОЛОМКИ ЛОПАСТИ ГВ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ ФОРМУЛ 39
2.4 РАСЧЕТ ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ
КОМПЛЕКСОВ 40
2.4.1 Расчет гидродинамических характеристик с использованием программного
комплекса ANSYS CFX 40
2.4.2 Расчет НДС лопастей ГВ с использованием программного комплекса ANSYS
Mechanical 44
2.4.3 Уточненная оценка силы поломки лопасти на основе расчета НДС в упруго-пластической зоне MКЭ 51
3 СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЕТОВ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ И РАСЧЕТОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 60
1 ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ГРЕБНЫХ
ВИНТОВ СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ И ЛЕДОКОЛОВ 6
1.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО
ВИНТА И ОЦЕНКА ЕГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 6
1.1.1 Определение дискового отношения ГВ и гидродинамических характеристик ГВ
из условия предотвращения второй стадии кавитации 6
1.1.2 Распределение ширины лопасти 10
1.1.3 Распределение шага и максимальной кривизны лопасти гребного винта 11
1.1.4 Профилировка лопасти гребного винта 11
1.2 НАЗНАЧЕНИЕ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА ГРЕБНОМ ВИНТЕ И ЕГО ПРОЧНЫХ РАЗМЕРОВ ДЛЯ
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ГВ И РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГЭД В ЛЕДОВЫХ УСЛОВИЯХ 12
1.2.1 Механизмы взаимодействия лопастей гребного винта со льдом и ледовые
нагрузки 13
1.2.2 Обеспечения эксплуатационной прочности гребного винта и работоспособности
главного электродвигателя 16
1.2.3 Методика определения глобальных и локальных ледовых нагрузок на гребном
винте и электродвигателе и назначение прочных размеров гребного винта 19
1.2.4 Определение предельной силы поломки лопасти гребного винта для обеспечения
пирамидальной прочности элементов пропульсивного комплекса 27
1.2.5 Определение допустимых скоростей движения судна, обеспечивающих
безопасный уровень ледового нагружения 29
2 РАСЧЕТ ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА 33
2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА 33
2.2 РАСЧЕТ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА 34
2.3 РАСЧЕТ СИЛЫ ПОЛОМКИ ЛОПАСТИ ГВ НА ОСНОВЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ ФОРМУЛ 39
2.4 РАСЧЕТ ЛЕДОКОЛЬНОГО ГРЕБНОГО ВИНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ
КОМПЛЕКСОВ 40
2.4.1 Расчет гидродинамических характеристик с использованием программного
комплекса ANSYS CFX 40
2.4.2 Расчет НДС лопастей ГВ с использованием программного комплекса ANSYS
Mechanical 44
2.4.3 Уточненная оценка силы поломки лопасти на основе расчета НДС в упруго-пластической зоне MКЭ 51
3 СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЕТОВ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ДАННЫХ И РАСЧЕТОВ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 58
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 60
Настоящее время отмечено интенсивным развитием арктического судостроения и судоходства. К Российскому арктическому побережью прилегает самая обширная в Мировом океане шельфовая зона, обладающая уникальными ресурсами. На российские моря приходится не менее 80% площади шельфа, опоясывающего Арктический бассейн. Для России XXI века Арктика является резервом географического пространства, потенциальным источником важнейших природных ресурсов, перспективным вектором развития научных исследований для молодых российских ученых. Развитие арктической зоны поддерживается на государственном уровне путем реализации госпрограмм «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации», "Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений на 2013-2030 годы" и другие.
В ближайшем будущем основу транспортной системы Северного морского пути будут составлять новые высокомощные арктические ледоколы, современные танкера арктических классов и транспортные ледокольные суда, включая суда двойного действия с винто-рулевыми колонками (ВРК). Новые суда выходят за рамки предыдущего опыта эксплуатации - интенсивное использование режимов движения задним ходом в ледовых условиях, рост ледовой ходкости и операционных скоростей приводит к увеличению интенсивности воздействия льда на гребные винты (ГВ), что обуславливает необходимость разработки уточненных методов обеспечения их прочности при проектировании и в эксплуатации.
Современные требования Российского Морского Регистра Судоходства (РС) к прочности ледокольных ГВ [1, часть VII, глава 6] построены в виде консервативной эмпирической методики, когда прочные размеры лопасти ледокольного ГВ определяются в зависимости от гидродинамического момента сопротивления, т.е. в зависимости от мощности и скорости вращения ГВ. Для транспортных судов ледовое усиление назначается в виде константы в зависимости от ледовой категории, которая определена на основе предшествующего опыта эксплуатации традиционных одновальных транспортных судов, эксплуатирующихся в тяжелых ледовых условиях на режиме переднего хода под проводкой ледокола. Пересчет этой константы на судно двойного действия в рамках действующих требований РС не представляется возможным. Дополнительно, правила РС ограничивают применение современных сталей с высокими прочностными характеристиками, позволяющими уменьшить толщины лопасти. Применение принципа судна двойного действия актуализирует и проблему обеспечения безопасности эксплуатации судна во
Принимая во внимание вышеперечисленные проблемы современного проектирования ГВ, целью данной работы является усовершенствование имеющихся и разработка новых подходов к проектированию эффективных ледокольных ГВ, с высокими гидродинамическими и прочностными характеристиками, соответствующих запросам современного судоходства.
Согласно поставленной цели данная работа направлена на решение следующих задач:
1 Анализ натурных и модельных данных испытаний ГВ современных ледокольных судов, включая суда двойного действия. Разработка подходов к проектированию ледокольных ГВ с учетом результатов натурных и модельных данных испытаний.
2 Разработка методики определения глобальных и локальных ледовых нагрузок на гребном винте с учетом реального ледового давления в зоне контакта лопасти со льдом и назначение прочных размеров гребного винта. Применение методики для расчета безопасной скорости движения судна во льдах из условия обеспечения эксплуатационной прочности ГВ (в рамках свидетельства о допустимых условиях ледового плавания).
3 Применение современных программных комплексов для расчета гидродинамических характеристик и прочности ледокольного ГВ на стадии проектирования.
Результаты исследований данной работы позволяют разработать эффективный ГВ, обладающий высокими гидродинамическими и прочностными характеристиками, на базе современного опыта эксплуатации и современных расчетных программных комплексов. Разработанная методика назначения ледовых нагрузок позволяет обеспечить прочность «острых» (с уменьшенной толщиной) кромок лопасти, применение которых снижает ледовый момент на ГВ, увеличивает тягу пропульсивного комплекса во льдах и повышает работоспособность главного электродвигателя (ГЭД). В рамках свидетельства РС о допустимых условиях ледового плавания на основе представленной методики разрабатываются рекомендации по безопасным режимам движения судна из условия обеспечения прочности пропульсивного комплекса и корпуса судна.
Следует отметить, что представленные методики и подходы использовались автором работы при проектировании гребных винтов для перспективных ледокольных судов, включая атомный ледокол “Лидер”, и современных судов для освоения месторождений нефти и газа на Арктическом шельфе в рамках контрактов АО «ЦНИИМФ» с ООО «Прикладной инженерный и учебный центр «Сапфир» (центр развития проектов ПАО «НК
«Роснефть»), ПАО «Научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения" («НИПТИЭМ»), ФГУП «Крыловский Государственный Научный Центр».
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в работе, базируется на сравнении экспериментальных модельных и натурных данных с теоретическими расчетами, а также с расчетами в современных расчетных программных комплексах.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, таких как: Всероссийская XIV Молодежная научно-техническая конференции «Взгляд в будущее - 2016», АО
«Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин», 18 мая 2016г.; XIII Международная конференция пользователей CADFEM/ANSYS, Москва, 25-27 октября 2016г.; Всероссийская научно-техническая конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти профессора В.А. Постнова и 90-летию со дня его рождения, Санкт-Петербург, декабрь 2017г.
По материалам исследования опубликованы в едином авторстве 3 статьи в периодических изданиях и сборниках конференций и одна статья в соавторстве в сборнике всероссийской научно-технической конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора В.А. Постнова и 90-летию со дня его рождения, входящая в перечень ВАК РФ.
В ближайшем будущем основу транспортной системы Северного морского пути будут составлять новые высокомощные арктические ледоколы, современные танкера арктических классов и транспортные ледокольные суда, включая суда двойного действия с винто-рулевыми колонками (ВРК). Новые суда выходят за рамки предыдущего опыта эксплуатации - интенсивное использование режимов движения задним ходом в ледовых условиях, рост ледовой ходкости и операционных скоростей приводит к увеличению интенсивности воздействия льда на гребные винты (ГВ), что обуславливает необходимость разработки уточненных методов обеспечения их прочности при проектировании и в эксплуатации.
Современные требования Российского Морского Регистра Судоходства (РС) к прочности ледокольных ГВ [1, часть VII, глава 6] построены в виде консервативной эмпирической методики, когда прочные размеры лопасти ледокольного ГВ определяются в зависимости от гидродинамического момента сопротивления, т.е. в зависимости от мощности и скорости вращения ГВ. Для транспортных судов ледовое усиление назначается в виде константы в зависимости от ледовой категории, которая определена на основе предшествующего опыта эксплуатации традиционных одновальных транспортных судов, эксплуатирующихся в тяжелых ледовых условиях на режиме переднего хода под проводкой ледокола. Пересчет этой константы на судно двойного действия в рамках действующих требований РС не представляется возможным. Дополнительно, правила РС ограничивают применение современных сталей с высокими прочностными характеристиками, позволяющими уменьшить толщины лопасти. Применение принципа судна двойного действия актуализирует и проблему обеспечения безопасности эксплуатации судна во
Принимая во внимание вышеперечисленные проблемы современного проектирования ГВ, целью данной работы является усовершенствование имеющихся и разработка новых подходов к проектированию эффективных ледокольных ГВ, с высокими гидродинамическими и прочностными характеристиками, соответствующих запросам современного судоходства.
Согласно поставленной цели данная работа направлена на решение следующих задач:
1 Анализ натурных и модельных данных испытаний ГВ современных ледокольных судов, включая суда двойного действия. Разработка подходов к проектированию ледокольных ГВ с учетом результатов натурных и модельных данных испытаний.
2 Разработка методики определения глобальных и локальных ледовых нагрузок на гребном винте с учетом реального ледового давления в зоне контакта лопасти со льдом и назначение прочных размеров гребного винта. Применение методики для расчета безопасной скорости движения судна во льдах из условия обеспечения эксплуатационной прочности ГВ (в рамках свидетельства о допустимых условиях ледового плавания).
3 Применение современных программных комплексов для расчета гидродинамических характеристик и прочности ледокольного ГВ на стадии проектирования.
Результаты исследований данной работы позволяют разработать эффективный ГВ, обладающий высокими гидродинамическими и прочностными характеристиками, на базе современного опыта эксплуатации и современных расчетных программных комплексов. Разработанная методика назначения ледовых нагрузок позволяет обеспечить прочность «острых» (с уменьшенной толщиной) кромок лопасти, применение которых снижает ледовый момент на ГВ, увеличивает тягу пропульсивного комплекса во льдах и повышает работоспособность главного электродвигателя (ГЭД). В рамках свидетельства РС о допустимых условиях ледового плавания на основе представленной методики разрабатываются рекомендации по безопасным режимам движения судна из условия обеспечения прочности пропульсивного комплекса и корпуса судна.
Следует отметить, что представленные методики и подходы использовались автором работы при проектировании гребных винтов для перспективных ледокольных судов, включая атомный ледокол “Лидер”, и современных судов для освоения месторождений нефти и газа на Арктическом шельфе в рамках контрактов АО «ЦНИИМФ» с ООО «Прикладной инженерный и учебный центр «Сапфир» (центр развития проектов ПАО «НК
«Роснефть»), ПАО «Научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения" («НИПТИЭМ»), ФГУП «Крыловский Государственный Научный Центр».
Достоверность и обоснованность результатов, представленных в работе, базируется на сравнении экспериментальных модельных и натурных данных с теоретическими расчетами, а также с расчетами в современных расчетных программных комплексах.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, таких как: Всероссийская XIV Молодежная научно-техническая конференции «Взгляд в будущее - 2016», АО
«Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин», 18 мая 2016г.; XIII Международная конференция пользователей CADFEM/ANSYS, Москва, 25-27 октября 2016г.; Всероссийская научно-техническая конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти профессора В.А. Постнова и 90-летию со дня его рождения, Санкт-Петербург, декабрь 2017г.
По материалам исследования опубликованы в едином авторстве 3 статьи в периодических изданиях и сборниках конференций и одна статья в соавторстве в сборнике всероссийской научно-технической конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора В.А. Постнова и 90-летию со дня его рождения, входящая в перечень ВАК РФ.
Учитывая опыт эксплуатации и результаты расчетов по уточненным формулам, а также расчет НДС в упруго-пластической зоне MКЭ, для назначения силы поломки лопасти ГВ при проектировании ПК необходимо учитывать характеристики (croot, troot, /3root) спрямленного (реального) сечение излома лопасти ГВ (рис. 1.2.4 - 2). Следует отметить, что за счет корректировки толщин корневого сечения и формирования галтели гладким переходом переменного радиуса в месте соединения лопасти со ступицей (рис. 2.2.1) возможно снижение силы поломки лопасти ГВ для обеспечения пирамидальной прочности ПК.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе проведены исследования, направленные на усовершенствование подходов к проектированию современных ледокольных гребных винтов, в соответствии с запросами современного судоходства.
Получены следующие основные результаты:
- Выполнен анализ существующих методов проектирования ледокольных гребных винтов, включая требования к прочным размерам ведущих Классификационных обществ (требования РМРС, DNV GL);
- Выполнен анализ натурных и модельных данных испытаний ГВ современных ледокольных судов, включая суда двойного действия;
- Разработаны методики назначения геометрических характеристик ледокольных гребных винтов и их гидродинамических характеристик из условия эффективной переработки мощности на гребном валу и предотвращения второй стадии кавитации на швартовном режиме на основе натурных и модельных данных испытаний ГВ;
- Разработаны уточненные методы назначения глобальных и локальных ледовых нагрузок на гребном винте в зависимости от основных геометрических характеристик, характеристик ледовых образований (толщина и прочность), скорости движения судна и скорости вращения гребного винта. Разработанные методы прогнозирования ледовых нагрузок могут быть использованы для обеспечения прочности основных элементов системы гребной винт-двигатель;
- Разработаны уточненные методы обеспечения прочности ледокольных гребных винтов, включая локальную прочность «острых» кромок лопастей гребных винтов (кромок с уменьшенными толщинами в соответствии с требованиями РС, для снижения ледового момента и повышения работоспособности главного электродвигателя). В рамках обеспечения прочности отработаны методы расчета НДС лопастей гребных винтов МКЭ под распределенной ледовой нагрузкой с учетом реального ледового давления в зоне контакта лопасти со льдом;
- Отработаны методики поверочного расчета гидродинамических характеристик ледокольных гребных винтов методами CFD;
- В рамках свидетельства РС о допустимых условиях ледового плавания разработаны методики определения безопасных скоростей движения судна во льдах из условия обеспечения прочности гребных винтов и работоспособности ГЭД. Методики применимы к традиционным судам и судам двойного действия;
- Разработаны рекомендации по назначению и снижению силы поломки лопасти ледокольного ГВ для обеспечения принципа пирамидальной прочности;
Разработанные методики были непосредственно использованы для проектирования ледокольных гребных винтов и пропульсивных комплексов современных перспективных ледокольных судов, включая атомный ледокол “Лидер” и современные суда для освоения месторождений нефти и газа на Арктическом шельфе в рамках контрактов АО «ЦНИИМФ» с ООО «Прикладной инженерный и учебный центр «Сапфир» (центр развития проектов ПАО «НК «Роснефть»), ПАО «Научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения" («НИПТИЭМ»), ФГУП «Крыловский Государственный Научный Центр».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе проведены исследования, направленные на усовершенствование подходов к проектированию современных ледокольных гребных винтов, в соответствии с запросами современного судоходства.
Получены следующие основные результаты:
- Выполнен анализ существующих методов проектирования ледокольных гребных винтов, включая требования к прочным размерам ведущих Классификационных обществ (требования РМРС, DNV GL);
- Выполнен анализ натурных и модельных данных испытаний ГВ современных ледокольных судов, включая суда двойного действия;
- Разработаны методики назначения геометрических характеристик ледокольных гребных винтов и их гидродинамических характеристик из условия эффективной переработки мощности на гребном валу и предотвращения второй стадии кавитации на швартовном режиме на основе натурных и модельных данных испытаний ГВ;
- Разработаны уточненные методы назначения глобальных и локальных ледовых нагрузок на гребном винте в зависимости от основных геометрических характеристик, характеристик ледовых образований (толщина и прочность), скорости движения судна и скорости вращения гребного винта. Разработанные методы прогнозирования ледовых нагрузок могут быть использованы для обеспечения прочности основных элементов системы гребной винт-двигатель;
- Разработаны уточненные методы обеспечения прочности ледокольных гребных винтов, включая локальную прочность «острых» кромок лопастей гребных винтов (кромок с уменьшенными толщинами в соответствии с требованиями РС, для снижения ледового момента и повышения работоспособности главного электродвигателя). В рамках обеспечения прочности отработаны методы расчета НДС лопастей гребных винтов МКЭ под распределенной ледовой нагрузкой с учетом реального ледового давления в зоне контакта лопасти со льдом;
- Отработаны методики поверочного расчета гидродинамических характеристик ледокольных гребных винтов методами CFD;
- В рамках свидетельства РС о допустимых условиях ледового плавания разработаны методики определения безопасных скоростей движения судна во льдах из условия обеспечения прочности гребных винтов и работоспособности ГЭД. Методики применимы к традиционным судам и судам двойного действия;
- Разработаны рекомендации по назначению и снижению силы поломки лопасти ледокольного ГВ для обеспечения принципа пирамидальной прочности;
Разработанные методики были непосредственно использованы для проектирования ледокольных гребных винтов и пропульсивных комплексов современных перспективных ледокольных судов, включая атомный ледокол “Лидер” и современные суда для освоения месторождений нефти и газа на Арктическом шельфе в рамках контрактов АО «ЦНИИМФ» с ООО «Прикладной инженерный и учебный центр «Сапфир» (центр развития проектов ПАО «НК «Роснефть»), ПАО «Научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения" («НИПТИЭМ»), ФГУП «Крыловский Государственный Научный Центр».