ВЛИЯНИЕ ДИФФЕРЕНТА НА ХОДОВЫЕ КАЧЕСТВА СУДНА
В. Б. Жинкин, канд. техн. наук (СПбГМТУ) удк 629.5.016.5
О влиянии дифферента на ходовые качества судна известно достаточно давно. Так, еще сорок лет назад, на основании анализа эксплуатационных рейсов судна типа «Либерти» (L x B x T = 127 х 17,3 х 8,23 м, 8 = 0,752) было выявлено, что при движении с дифферентом d = (Тк - TJ/L = 0,5% (где Тн, Тк - осадка носом и кормой; L и В — длина и ширина судна) скорость составляет 12 уз, в то время как при незначительном отклонении от этой посадки (d = -0,5% и d = 1%) скорость снижается на 0,5 уз, а при d = 2% — на 1 уз [1].
Несколько позже были опубликованы данные 350 наблюдений за скоростью еще одного судна типа «Либерти» — теплохода «Александр Суворов» [2]. Максимальная скорость 11,2 уз достигалась также при дифференте на корму d = 0,5%, отклонение от него в обе стороны на Ad = ±0,5% приводило к падению скорости на 0,5 уз и более. При некотором различии максимальной скорости движения, проведенные исследования свидетельствуют о наличии оптимального дифферента dopt= 0,5%, движение с которым при 1 1 — 12 уз (Fr = v/VgL = 0,16...0,18) приводит к увеличению скорости судов типа «Либерти» на 0,5 уз, т. е. приблизительно на 4,5%. С учетом того, что затрачиваемая на движение мощность Ps пропорциональна скорости в третьей степени, выигрыш в мощности в первом приближении можно оценить в 14%.
Дифферент, влияя на ходовые качества судна, приводит к изменению формы корпуса ниже ватерлинии, что, в свою очередь, влечет за собой изменение сопротивления движению R, а также и характеристик взаимодействия гребного винта и корпуса, интегрально учитываемых коэффициентом влияния корпуса пн. В принципе, можно ожидать и некоторого изменения КПД гребного винта в свободной воде.
Обоснование влияния дифферента на сопротивление движению приводится в работе [3], из которой следует, что дифферент на корму
сопровождается увеличением сопротивления формы и снижением волнового сопротивления, а дифферент на нос приводит к противоположному эффекту. Сопротивление в каждом конкретном случае определяется соотношением положительных и отрицательных изменений. Изменение дифферента судна, имеющего носовой бульб и транцевую корму, сопровождается изменением заглубления бульба и погружения транца. Последнее в значительной степени также определяется как динамическим изменением посадки, так и волновым профилем, которые, в свою очередь, будут зависеть от относительной скорости движения — числа Фруда.
Изложенные выше обстоятельства делают теоретические прогнозы влияния дифферента малоперспективными — сопротивление зависит от слишком большого количества факторов, чтобы пытаться все их корректно учесть: форма и расположение буль-ба и транца относительно поверхности воды, форма носовых и кормовых ветвей ватерлиний, ходовой дифферент, картина волнообразования и др. Поэтому основным способом изучения указанного влияния следует признать модельный и натурный эксперименты.
В связи с этим было проведено большое количество испытаний, в том числе и систематических серий моделей судов. Так, в работе [4] приводятся данные обстоятельного эксперимента, в процессе которого ис-пытывались модели с коэффициентом общей полноты 8 = 0,68...0,80 при относительных скоростях Fr = 0,16... 0,24 для значений дифферента d = 0 и d = 2% (на корму). Результаты буксировочных испытаний пересчиты-вались на «стандартное» судно с L x B x Т = 122 х 6,8 х 7,62 м.
Сопоставим данные по «стандартному» судну с данными «Либерти». Главные размерения и соотношения судов близки: L/B = 7,34 и 7,26 B/T = 2,1 и 2,2 соответственно. Кроме того, в обоих случаях отсутствует носовой бульб. По результатам испытаний модели для «стандартно-
го» судна с 8 = 0,75 при относительно ско-ости Fr = 0,18 дифферент на корму d = 2% приводит к увеличению сопротивления, по сравнению с посадкой на ровный киль (d = 0), приблизительно на 6%. По данным [1] такое же изменение дифферента дает снижение скорости на 1 уз, что эквивалентно повышению требуемой для движения мощности почти на 25%. Столь существенное расхождение в оценках ухудшения ходкости при d = 2% на корму вряд ли можно отнести только за счет погрешностей экспериментов. Скорее всего у рассматриваемых судов были значительные различия в форме, не учитываемые обобщенными характеристиками 1/Б, В/Т и 8. Подобных примеров можно было бы привести еще несколько.
Изложенные факты ставят под сомнение возможность создания систематической серии моделей, испытания которых дали бы исчерпывающую информацию о влиянии дифферента на сопротивление, так как модели пришлось бы исследовать при различных загрузках и дифферентах в очень широком диапазоне относительных скоростей.
Пропульсивные испытания, проведенные в опытовом бассейне с моделями судов трех типов, имеющих носовые бульбы и различную полноту 8 = 0,68...0,78, позволили прийти к выводу [5], что в наибольшей степени потребляемая мощность зависит от дифферента на судах, имеющих полные обводы при невысоких скоростях движения. В меньшей степени эта зависимость проявляется на относительно быстроходных судах.
Был зафиксирован и такой интересный факт: для судна типа «Меридиан» (147 х 21,8 х 9,0 м; 8 = 0,68) при загрузках 14 000, 16 000 и 18 000 м3 в диапазоне скоростей Fr = 0,20...0, 26 оптимальным является дифферент на нос d = -0,5%. Аналогичные результаты для близкого по форме судна были получены автором и в СПбГМТУ (бывш. ЛКИ). Указанные данные в определенной степени противоречат «хорошей морской практике», рекомендующей избегать дифферента на нос.
Основной недостаток модельных испытаний — неизбежный масштабный эффект вследствие невозможности моделирования по числу Рейнольдса. Прежде всего проана-
3 Судостроение № 1, 2000 г.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
лизируем влияние указанного масштабного эффекта на сопротивление движению. Основная его часть — вязкостное сопротивление — подчиняется критерию Рейнольдса и определяется площадью смоченной поверхности О, коэффициентами сопротивления трения Ср и формы Сур. Что касается площади О, то, строго говоря, для каждой посадки она может быть рассчитана по теоретическому чертежу. Правда, проведенные в СПбГМТУ расчеты показали, что при дифференте судна в пределах d = ±2% изменение этой площади имеет один порядок с погрешностью ее расчета. Коэффициент сопротивления трения при неизменной скорости также остается постоянным. Он определяется числом Рейнольдса, влиянием которого при различных дифферентах можно пренебречь. Следовательно, как у модели, так и у натурного судна изменение дифферента практически не скажется на сопротивлении трения. От дифферента будет зависеть только остаточное сопротивление, которое, следуя общепринятым допущениям, можно считать функцией моделируемого критерия подобия Фруда. Таким образом, анализ влияния дифферента практически сводится к изучению зависимости от него коэффициента остаточного сопротивления Ск, который для модели и натуры одинаков. Этот факт можно считать дополнительным доводом в пользу модельного эксперимента, точность которого возрастает за счет того, что исследуются не достаточно малые изменения сопротивления в целом, а гораздо большие относительные различия в коэффициентах остаточного сопротивления. Это позволяет предположить, что модельные исследования влияния дифферента на сопротивление будут сопровождаться минимальным масштабным эффектом.
Поскольку интерес представляет эффективность судна в целом, рассмотрим и другие ее определяющие параметры: составляющие про-пульсивного коэффициента коэффициент влияния корпуса Пн и КПД гребного винта По. Что касается последнего, то трудно ожидать большого его изменения: при дифферентах в интересном с практической точки зрения диапазоне d = ±2% максимальный скос потока не будет превышать ф = 1,2о, что, как известно, не должно заметно сказаться на рабо-
те гребного винта. Если, исходя из предыдущих оценок, предположить, что сопротивление, а вместе с ним и упор гребного винта будут изменяться в пределах 8К = 87 = ±5%, то за счет изменения коэффициента нагрузки по упору СТА КПД умеренно нагруженного (СТА= 1) гребного винта изменится не более, чем на 8^о = 0,7%, а тяжелонагруженного (Ста = 5) — на 8п0 = 1,5%. При этом снижение сопротивления в районе оптимального дифферента приведет к увеличению КПД винта. Не учет этого обстоятельства будет «работать» в безопасную сторону — снижать ожидаемый эффект по сравнению с фактически достижимым.
Сложнее обстоит дело с коэффициентом влияния корпуса ПН, достоверное прогнозирование характера изменения которого представляется практически невозможным. Единственное, что достоверно можно утверждать, — именно здесь следует ожидать максимального проявления масштабного эффекта. А если к тому же не исключен немоделиру-емый отрыв потока в кормовой оконечности, что может иметь место для достаточно полных судов, то сложность прогнозов последствий этого явления на сопротивление и на коэффициент влияния корпуса многократно возрастает. Изложенное выше позволяет сделать парадоксальное, на первый взгляд, предположение: максимальная достоверность определения оптимального дифферента достигается в ходе простейшего эксперимента — буксировочных испытаний модели. Самоходные испытания, существенно усложнив и повысив стоимость исследований, не только не приведут к повышению точности прогнозов, но даже могут дать противоположный эффект.
Естественно, что натурный эксперимент лишен масштабного эффекта — это его основное достоинство. Однако большое количество исследуемых режимов в достаточно широком диапазоне водоизмещения, дифферента и скорости движения исключает проведение «чистого» эксперимента, его осуществление возможно только в процессе эксплуатации. С одной стороны, это не так уж и плохо — стоимость работ по определению dopt снижается, с другой — осуществление эксперимента станет возможным только при благоприятном стечении ряда обсто-
ятельств: гидрометеорологических условий, эксплуатационной загрузки, возможности реализации заданного дифферента и скорости движения.
Результаты натурного эксп
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.