научная статья по теме БИРОТОРНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ - ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОГО КОМПЛЕКСА Машиностроение

Текст научной статьи на тему «БИРОТОРНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ - ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОГО КОМПЛЕКСА»

cy of the values of displacement and longitudinal centre of buoyancy as stated in step 2. The computer coding as required for this algorithm is quite straight forward involving only interpolation and integration routines. Of course, one should take adequate care in developing the codes effective enough to provide guidance to the user to select appropriate range of the input parameter values for dependable and reliable output result. A good program would require negligible time to output the desired result by the

widely available personal computer of present age.

NOMENCLATURE: IMO - Inter Governmental Maritime Organization'; X — Longitudinal Distance from Midship; Y — Breadths of Waterplane normal to Z-axis (i. e. corresponding to upright condition); Z — Height above base line along the center line of the ship ; (i. e. Height in upright condition); T — Mean Draft at Midship (mean of port & stbd. drafts); 6 — Angle of Heel; 9 — Angle of Trim; fn( ) — Function of (.....); V —

Volume of Displacement; LCB — Longitudinal Centre Of Buoyancy; LCG — Longitudinal Centre Of Gravity; (dx,dy, dz) — Co-ordinate of the down flooding points w.r.t. X-Y-Z axes; i — Suffix for No. of Drafts; j — Suffix for No. of Heels; k — Suffix for No. of Trims; l — Suffix for No. of Down Flooding Points; h — Vertical Height of Down Flooding Points above Waterline; hmin — Minimum of the values of heights ( i.e. 'h',s ) of down flooding points.; 6f — Down Flooding Angle; * — Multiplication Sign. □

БИРОТОРНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ — ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОГО КОМПЛЕКСА

В. Б. Жинкин, канд. техн. наук (СПб ГМТУ) удк 629.12.03

В Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете разработана концепция многофункционального движительно-рулевого комплекса (МФ ДРК). Кратко идея сводится к следующему: возможности подводного аппарата (ПА) многократно расширяются, если обеспечить ему способность перемещения не только в толще воды и по ее поверхности, но и по дну водоема, а

Рис. 1. Принципиальная схема бироторного движителя

3 Судостроение № 1, 2003 г.

также самостоятельного выхода на берег и движения по нему [1].

Наиболее простым решением задачи является создание совмещенного движителя, одни элементы которого служат для движения в воде, другие — по дну и на суше. При этом желательно, чтобы с помощью движителей можно было осуществлять и маневрирование без использования специальных рулевых устройств. Оба элемента совмещенного движителя — сухопутный и гидродинамический — должны быть соосными и иметь один и тот же механический привод.

Известно, что простейшим и самым надежным сухопутным движителем является колесный. Если его принять в качестве соответствующего элемента совмещенного движителя, то гидродинамический движитель, отвечающий приведенным выше требованиям, должен иметь ось, нормальную к направлению движения. При этом МФ ДРК будет представлять собой самоходное шасси, имеющее четыре совмещенных движителя, расположенных по два по-бортно. Как минимум два из них, симметричные относительно диаметральной плоскости ПА, должны быть ведущими, приводимыми в движение автономными двигателями.

Известны два судовых движителя, оси которых перпендикулярны к направлению движения: гребное колесо и крыльчатый движитель. Пер-

вый из них — полупогруженный и в силу этого обстоятельства не подходит, второй, крыльчатый, вообще-то удовлетворяет необходимым требованиям, однако он имеет весьма сложную конструкцию, значительные габариты и массу. В [1] в качестве гидродинамического элемента совмещенного движителя было предложено модифицированное гребное колесо. В настоящей работе для использования в тех же целях рассматривается бироторный движитель

(БРД).

Конструкция БРД напоминает хорошо известный крыльчатый движитель. Однако рабочими элементами его являются вращающиеся цилиндры — роторы. При этом используется эффект Магнуса — на расположенном в поперечном по-

Рис. 2. Вариант технической реализации бироторного движителя

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ

СУДОСТРОЕНИЕ 1'2003

токе роторе возникает подъемная сила. Значительное увеличение этой силы достигается установкой шайб — соосных дисков большего, чем ротор, диаметра [2].

Принципиальная схема БРД приведена на рис. 1. По окружности радиуса К диска ведущего колеса установлены вертикальные цилиндры — роторы. Колесо вместе с роторами поступательно движется со скоростью V и вращается вокруг своей оси с угловой скоростью Ю, а роторы вращаются относительно колеса с угловой скоростью Юг. Имеются две нерабочие 1 и две рабочие 2 зоны. В симметричных рабочих зонах роторы принудительно вращаются в противоположные стороны. Они обтекаются поперечным потоком, скорость которого VR равна сумме скоростей поступательной V и окружной и = юк При этом на роторах возникают подъемная сила У и сила сопротивления Х. В нерабочих зонах роторы движутся в режиме авторотации, и на них действуют только силы сопротивления. Этот вариант простейший, однако, в принципе, может быть рассмотрен и другой, когда роторы принудительно подкручиваются до частоты, соответствующей минимальным суммарным потерям энергии на работу БРД.

Задача определения гидродинамических характеристик БРД решается в квазистационарной постановке теми же методами, как и при расчете обычного гребного колеса [3] либо модифицированного [1]. В каждый момент времени, т. е. для каждого по окружности положения ротора, рассматриваются мгновенные значения скорости его обтекания и возникающие на роторе мгновенные силы — подъемная и сопротивления движению (см. рис. 1). Проектируя эти силы на соответствующие направления, находят создаваемые рассматриваемым ротором составляющие упора Т самого движителя и момента О сопротивления его вращению. Интегрируя указанные составляющие на всех роторах в рабочей зоне, добавляя сопротивление роторов в нерабочей зоне, затем можно определить упор и момент движителя в целом. При этом сила упора Т всегда нормальна к линии, делящей диск ведущего колеса на две симметричные части (на рис. 1 — вертикальный диаметр С—С). Поворот этой линии

0,5-

ответствующие началу и концу рабочей зоны; протяженность рабочей зо-

нь|: Yw Ymax — Ymin'

В свою очередь, режим работы БРД определяется следующими кинематическими характеристиками: относительная поступь ^р = V/U; относительная скорость ротора Ur= Ur/VR; относительная скорость ротора на швартовах Ür0 = Ur/U при V = 0.

Была произведена оценка ГДХ для БРД, имеющего следующую геометрию: D = 0,4 м; d r/ D = 0,1; dd/dr = 2,0; l/dr = 4,5; Zd = 2; Z = 4.

Коэффициенты упора Ст и момента Cq, а также КПД в зависимости от относительной поступи определялись по формулам:

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Хр CT=7/pn2D2Fp;CQ = Q/pn2D3Fp;

Рис. 3. Гидродинамические характеристики бироторного движителя

симметрии будет приводить к соответствующему изменению направления упора, т. е. придаст БРД свойство средства управления. Действительно, изменение величины и направления сил упора на симметрично расположенных относительно ДП бироторных движителях позволит осуществлять маневрирование подводного аппарата в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Чтобы конструкция БРД была в максимальной степени простой, принудительное вращение роторов в необходимом направлении обеспечивается с помощью соосных с ними шестерен, которые перемещаются по неподвижным зубчатым секторам (рис. 2). Последние, связанные с корпусом ПА, могут поворачиваться относительно оси БРД и устанавливаться в заданном положении, изменяя соответственно направление упора БРД и превращая его в средство управления.

Гидродинамические характеристики (ГДХ) бироторного движителя определяются большим числом независимых величин. В первую очередь это геометрические характеристики различных элементов БРД: диаметр ведущего колеса по осям роторов О = 2 К; диаметр ( и высота 1Г ротора; диаметр с^ шайб, установленных на роторе; количество роторов и шайб Тд на одном роторе; передаточное число / пары: шестерня ротора — зубчатый сектор; ут;п и утах — углы со-

p ^Q"

По = (CT/CQ) (Ap/2),

где n — частота вращения БРД; Fp = (D + су*/г — площадь гидравлического сечения БРД.

Необходимые для расчета ГДХ БРД значения коэффициентов подъемной силы Cy и сопротивления Сх роторов с концевыми шайбами рассчитывались в функции от Ur. Момент сопротивления вращению ротора с концевыми шайбами находился в функции от числа Рейнольдса. При этом использовались экспериментальные данные, приведенные в [2, 4, 5].

Результаты оценок ГДХ для трех вариантов БРД (ymjn = const = 15°; Ymax = 90°, 105°, 120°) приводятся на рис. 3. Характер изменения коэффициента упора и КПД движителя в зависимости от относительной поступи обычный. Коэффициент момента растет с ростом поступи. Это объясняется тем, что большая часть мощности затрачивается на вращение роторов, частота которого не зависит от скорости движения.

Увеличение протяженности рабочей зоны приводит к ожидаемому росту коэффициентов упора и момента (см. рис. 3). Однако для рассматриваемого варианта БРД эффективность имеет максимум в районе Ymax = 105°. Подобная картина наблюдается и для других углов, соответствующих началу рабочей зоны. Таким образом, каждому значению указанного угла отвечает оптимальная, с точки зрения КПД, протяженность рабочей зоны.

Предварительные оценки показывают, что в целом эффектив-

С

п

T

o

ность БРД невелика. В частности, это объясняется тем, что качество (к = С Y/ Сх) ротора значительно меньше, чем у крыла. Поэтому по КПД БРД скорее всего будет уступать крыльчатому движителю, который, как известно, находит применение в качестве движительно-рулевого комплекса и на подводных аппаратах, где, кстати, хорошо себя зарекомендовал.

Хорошо известно, что коэффициент подъемной силы ротора существенно больше, чем у обычного крыла. Это позволяет получить вы-

сокие значения коэффициента упора, что при ограниченных габаритах движителя может играть важную, если не определяющую роль. Кроме того, с ростом габаритов эффективность БРД будет возрастать за счет увеличения числа Рейнольд-са и соответственного достаточно ощутимого сн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком