научная статья по теме ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖИТЕЛЕЙ ДЛЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ СУДОВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖИТЕЛЕЙ ДЛЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ СУДОВ»

СУДОСТРОЕНИЕ

ее

ее

о

О

Определяющим показателем успешного функционирования таких плавсредств, как подводные аппараты (ПА) различного назначения, плавкраны, пожарные суда, ка-белеукладчики, земснаряды и землечерпалки, является высокая маневренность.

Для успешной работы тральщиков, рыболовецких траулеров и буксиров, кроме маневренных качеств, необходимо в широких пределах варьировать тягой на скоростном и буксировочном режимах. Для этих целей часто применяются винты регулируемого шага (ВРШ) и водометные движители (ВД). С 1928 г. на перечисленных средствах широко использовались также крыльчатые движители (КД), разработанные впервые австрийской фирмой Foght. В отечественном судостроении крыль-чатые движители применялись в качестве основных на гидрографических судах «Академик Лебедев», «Академик Вавилов» и вспомогательных — на плавкранах («Черноморец», «Астрахань») и буксирах. Комплекс из трех крыльчатых движителей ДКК 20/5 применялся в качестве средства активного управления рыбопромысловой базой «Восток». В России серийно выпускаются различные типоразмеры крыльчатых движителей с мощностью привода от 36,8 до 1572 кВт [1].

Следует, однако, отметить, что существует альтернатива КД, позволяющая решать те же задачи, но более эффективно — это движители, работа которых основана на гидробионических принципах.

Многочисленные исследования движителей морских животных — рыб и дельфинов (гидробионтов) — дают основание считать, что в течение длительной эволюции они выработали совершенные приспособления для эффективного перемещения в воде. Это под-

Т 2А

Рис. 1. Плавник (а) и схема работы плавникового дви-жительно-рулевого комплекса (б): ук — скорость движения судна; уп — скорость движения плавника; ус — скорость стебля; № — суммарная скорость; а — угол атаки плавника; А — амплитуда поступательных колебаний; ^ — подъемная сила; ^ — сопротивление; в — угол перекладки плавника

тверждается большим количеством теоретических и экспериментальных работ [2], на основании которых были разработаны крупномасштабные аппараты и действующие макеты [3—5] с подобными движителями. Натурные испытания позволили установить свойства и возможную область применения гидробионического движителя, который получил название плавниковый движительно-руле-вой комплекс (ПДРК).

Экспериментально были подтверждены некоторые свойства ПДРК, которые делают его перспективным для реализации на подводных и надводных технических объектах. Это возможность совмещения движительных и рулевых функций в одном агрегате, управления тягой и скоростью объекта с ПДРК путем изменения нескольких геометрических и кинематических параметров (аналогично ВРШ или КД), перемещения объекта с ПДРК на мелководье, в водорослях и на засоренных акваториях. Конструктивно ПДРК включает в себя четыре обязательных элемента: плавник, устройства для сообщения плавнику (стеблю) поперечной скорости и управления плавником по заданному закону, а также силовой привод.

При всем многообразии конструктивных решений ПДРК, его принципиальная схема может быть сведена к двум вариантам: первый — плавник кроме крутильных колебаний совершает и возвратно-поступательные колебания (рис. 1, а); второй — только возвратно-поступательные колебания, обеспечивая поперечное перемещение (рис. 1, б). Входящие в состав комплекса конструктивно отличающиеся элементы выполняют одни и те же функции. В дальнейшем при анализе характеристик ПДРК будет рассмотрена схема, приведенная на рис. 1, б.

Существенное значение для повышения КПД ПДРК имеет конструкция плавника и вид соединения его с приводом. Три принципиально отличающиеся друг от друга кинематические схемы приведены на рис. 2.

Рассмотрим подробнее второй вариант (рис. 3). На кронштейне 10, скрепленном с гидроцилиндром 3, установлен управляющий гидроцилиндр 13, на рубашке которого имеется зубчатая рейка 11, находящаяся в зацеплении с шестерней 12, закрепленной на баллере 1. Баллер укреплен на кронштейне 5, соединенном с силовым гидроцилиндром 3,

ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖИТЕЛЕМ ДЛЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ СУДОВ

(В порядке обсуждения)

Е. П. Носов, докт. техн. наук, В. А. Рыжов, докт. техн. наук (СПбГМТУ) УДК 629.12.033.001.36

СУДОСТРОЕНИЕ

ХУДОВЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА

шток 7 которого связан неподвижно с поворотной рамой 6, а шток управляющего цилиндра — с кронштейном 10. Шестеренчатая пара 9 передает нагрузку на баллер. Таким образом, гидроцилиндры при подаче в них масла перемещаются относительно штоков. При работе ПДРК масло от судовой гидросистемы через золотниковое распределительное устройство подается по гибкому шлангу 4 к гидроцилиндрам. Силовой гидроцилиндр, совершая возвратно-поступательные колебания, перемещает управляющий гидроцилиндр 13 вместе с плавником 2. Одновременно управляющий гидроцилиндр, перемещаясь под действием поступающего в него масла, воздействует на поршень 8 и передает нагрузку через зубчатую рейку 11 и шестерню 12, насаженную на баллер, обеспечивая крутильные колебания плавнику по гармоническому закону, формируемому золотниковым распределительным устройством. В результате совместных перемещений силового и управляющего гидроцилиндров вместе с плавником на последнем возникает гидродинамическая сила. Многоугольник скоростей и составляющие гидродинамической силы Кх и Ку, проекции которых на направление движения и ему перпендикулярное дают упор Т и поперечную силу О соответственно, приведены на рис. 1, б.

Перейдем к сопоставительному анализу свойств, характерных для ПДРК (рис. 3). Возможность совмещения движительных и рулевых функций может быть реализована на ПА (в частности роботах), которые должны обладать высокими маневренными качествами. ПА имеют малые скорости движения, что делает управление ими с помощью традиционных рулей невозможным. Поэтому на большинстве из них установлены гребные винты с электродвигателями. Для обеспечения необходимой маневренности количество гребных винтов может достигать восьми, что усложняет управление ПА и существенно утяжеляет его конструкцию.

Применение ПДРК, управляющих тягой и скоростью объекта путем изменения нескольких геометрических и кинематических параметров (см. рис. 1, б), позволяет решить поставленные задачи и обеспечить управление аппаратом по трем координатам. Эти свойства делают особенно эффективным применение

Рис. 2. Кинематические схемы ПДРК с различной конструкцией плавника и соединения с приводом: совместные возвратно-поступательные и крутильные колебания жесткого крыла (а); совместные возвратно-поступательные и крутильные колебания жесткого крыла с упругой связью по крутильным колебаниям (б); совместные возвратно-поступательные и крутильные колебания упругого крыла (в)

ПДРК на буксирах, траулерах и тральщиках, работающих на ходовом или тяговом режимах. При этом для сохранения высокого КПД движителя в случае многорежимного функционирования необходимо изменять параметры его работы (по аналогии с ВРШ). Управление режимами хода ПДРК может осуществляться за счет амплитуды колебаний А, частоты колебаний п, закона управления плавником Р(^, что позволяет в широких пределах обеспечивать скоростной и тяговый режим хода буксира.

Наконец, возможность работы движителя в загрязненных и засоренных водоемах делает целесообразным применение ПДРК на рыболовецких судах, осуществляющих лов рыбы, например, в дельте Волги, где водная растительность затрудняет применение гребных винтов. Это существенно отличает ПДРК от КД.

Представляется перспективным использование ПДРК для снабжения глубинных сибирских районов по рекам, судоходным не более одного—полутора месяцев в году. Применение в этом случае гребных винтов или КД невозможно, а ВД нарушают экологию, размывая берега рек и нанося вред нерестилищам рыб. ПДРК при работе не создает потока, разрушающего берега, а использование упругого (резинового) плавника позволяет избежать его поломки.

Сравнительный конструктивный и расчетный анализ позволяет в полной мере оценить преимущества и недостатки движителей различных типов. Сравнение ПДРК с гидравлическим (см. рис. 3) приводом, выполненным по приведенной на рис. 1, б схеме, проводилось с отечественным серийным крыльчатым движителем типа ДКК 20/5 (рис. 4, таблица). При расчетах было принято, что длина рабочего (силового) цилиндра ПДРК, определяющего амплитуду колебаний плавника, равнялась диаметру й днища ротора КД. Ставилась задача определения характеристик ПДРК, который может быть размещен в габаритах ДКК 20/5. Основные геометрические характеристики крыльчатого движителя ДКК 20/5: мощность привода — 320 кВт; диаметр по осям лопастей — 2000 мм, днища ротора — 2500 мм; длина лопастей — 1200 мм; высота — 250 мм; число лопастей 5; масса — 9100 кг; тяга — 50 кН.

Рис. 3. Конструкция плавникового движительно-рулевого комплекса

СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА судостроение З'1УУУ

Параметры ПДРК для крыла конечного размаха

Рис. 4. Общий вид крыльчатого движителя

ДКК20/5

Расчеты характеристик ПДРК и выбор основных параметров их работы проводились для крыла конечного размаха по методикам, разработанным в СПбГМТУ. Математические модели обтекания жесткого крыла, жесткого крыла на упругих связях и упругого крыла построены в рамках нелинейной теории несущей поверхности и теории изгибных колебаний пластин [6, 7]. Результаты расчетов тяги 7, поперечной силы Q и коэффициента полезного действия ПДРК представлены в таблице. При расчетах скорости движения 1 м/с предполагалось, что закон колебаний плавника гармонический, плавник совершает совместные возвратно-поступательные и крутильные колебания.

Сравнение трех вариантов заделки плавника показывает, что для геометрических и кинематических параметров наибольшая тяга может быть получена с использованием жесткого плавника с упругой связью на резонансном режиме [8], а наибольший КПД достигается для упругого плавника, изготовленного из резины или другого эластомера (см. рис. 2, в).

Оценку движителей различных типов можно выполнить по сопоставлению их конструкций и удельных характеристик (удельной мощности и удельной тяги). На рис. 3 и рис. 5 видно, что конструкция ПДРК знач

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

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»