ВИНТОРУЛЕВЫЕ КОЛОНКИ КАК СРЕДСТВО УЛУЧШЕНИЯ ПОВОРОТЛИВОСТИ СУДОВ

With the application of the CAE-systems the reversing mode of the propulsion complex «pro-peller-rudder» has been researched in conditions of pure-water, ice cakes, and small ice cake of various depths and concentrations. Quantitative assessments of pure hydrodynamic resistance and ice loads have been conducted. The curves of the braking force have been obtained in the given ice conditions. Quality features of the character and ratio of the braking force of the complex in ice and in pure-water conditions have been educed.

Статья поступила в редакцию 22.09.2016 г.

УДК 656.6.

Р. А. Пузанков, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

А.Н. Клементьев, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.

ВИНТОРУЛЕВЫЕ КОЛОНКИ КАК СРЕДСТВО УЛУЧШЕНИЯ ПОВОРОТЛИВОСТИ СУДОВ

Ключевые слова: винторулевая колонка, ВРК, центр бокового сопротивления, Shottel, влияние корпуса.

В статье приведен краткий анализ определения усилий создаваемых, винторулевыми колонками — ВРК. Отмечено, что проведенные ранее исследования по определению эффективности работы ВРК не в полной мере учитывают влияние обводов корпуса судов на их работу, а так же взаимодействие ВРК друг на друга, что вызывает необходимость дальнейшего исследования и разработки методики расчета действия сил, для выбора эффективного маневра.

В последние годы наблюдается обновление танкерного и сухогрузного флота река-море плавания (рис 1.). Так в 2011-2013 годах транспортная группа ULCHolding в рамках программы обновления флота построила 57 современных наливных и сухогрузных судна [1].

Рис. 1. Динамика обновления флота

Приведенные проекты судов оборудованы новыми для российских судов река -море плавания средствами управления - азимутальными винторулевыми колонками (ВРК).

Главной особенностью ВРК является сочетание в них как пропульсивного комплекса, так и органа управления. Впервые ВРК с вертикальным валом (Z - drive) были разработаны в 50-х годах в Германии Й. Беккером.

В настоящее время основными производителями ВРК являются компании «SHOTTEL» (Германия), «STEERPROP» (Финляндия), «ZETPELLER» (Япония), «ROLLS-ROYCE» (Великобритания), «VETH» (Нидерланды).

Основным преимуществом ВРК, по сравнению с поворотными насадками, является то, что они могут работать без ограничений по углу поворота (360° с достижением полной тяги в любом из заданных направлений. Применение данных установок с со-осными винтами противоположного вращения повышает пропульсивную эффективность на 15% [2].

В работах [3, 4] авторы исследовали эффективность ВРК, установленного в кормовой части плоскодонной баржи, для глубокой воды.

В работе [5] предпринята попытка оценки эффективности ВРК одновинтового судна. Однако влияние корпуса судна на работу движителя не учитывалось, так как при моделировании предполагалось, что насадка расположена вне кильватерной струи.

При установке на судно ВРК, их раздельный разворот позволяет регулировать равнодействующую сил упоров не только по направлению, но и по величине даже при фиксированном значении упора каждой из ВРК.

Во время управления судном в швартовном режиме, при условии отсутствия влияния ветра и течения, можно предположить, что отклонение силы упора ВРК от оси гребного винта будет минимальным и воспользоваться векторным сложением этих сил. Результирующий вектор указывает предполагаемое направление движения судна [6].

Управляемость судна будет определяться взаимным расположением трех точек: центром масс (G), центром приложения равнодействующей сил реакции воды (С) и центром приложения равнодействующей сил упоров ВРК.

Рассмотрим схему сил, действующих на судно, оборудованного ВРК при травер-сировании (рис. 2).

Из рисунка видно, что в том случае, когда точка приложения результирующей силы ВРК (XPy) находится «в нос» от точки приложения сил бокового сопротивления (С), судно будет уклоняться вправо.

Для обеспечения лагового движения необходимо переложить ВРК таким образом, чтобы точка приложения результирующей силы действия двух ВРК (ZPy) располагалась «в корму» от точки С настолько, насколько это обеспечит равенство моментов M p и MR.

Для обеспечения такого траверсирования необходимо знать параметры перекладки ВРК, определяемые с помощью нахождения абсциссы центра бокового сопротивления - ЦБС, что может представлять некоторую сложность, так как она может значительно изменяться в зависимости от посадки судна.

Однако даже зная параметры перекладки ВРК для задания движения лагом, мы не можем быть уверены в прогнозе поведения судна, так как при маневрировании на малых скоростях «векторный» подход работает далеко не всегда и не на всех типах судов, может иметь значительные расхождения с описанием реального поведения судна.

Данные расхождения обусловливают необходимость учета таких важных факторов как взаимодействие ВРК с корпусом судна, взаимодействие ВРК между собой.

Рис. 2. Схема сил, действующих на судно

На рис. 3 приведен пример такого положения ВРК, при котором возникает взаимное влияние друг на друга, в результате чего возникает потеря упора.

Рис. 3. Взаимное влияние ВРК друг на друга

Результаты модельных экспериментов, проведенных в Гентском университете [7] показали, что эффект от гидродинамического взаимодействия между двумя ВРК, а также ВРК и корпусом судна, определяют случаи, когда поток одной ВРК значительно влияет на упор другой. При этом обводы кормы, скег могут отклонять поток и влиять на упор ВРК. (рис. 4) [8]. Более того, данные эффекты могут усиливаться или ослабляться в зависимости от запаса воды под килем.

Рис. 4. Влияние обводов кормы на результирующий вектор

А - центр бокового сопротивления при нулевой скорости. Его положение зависит от скорости, осадки, дифферента, угловой скорости и т. д.

Поток воды от винта сталкивается со скегом и корпус судна начинает влиять на дальнейшее движение.

При рассмотрении работы комплекса двух ВРК, следует учитывать влияние угла натекания потока на результирующую силу каждой колонки. Согласно зависимостям, полученным во время испытаний в Дуйсбургском опытовом бассейне, отклонение результирующей силы от оси гребного винта каждой колонки может достигать 45-47 градусов при коэффициенте нагрузки винт-насадка О г=2 [6].

В работе [9] автором определены так называемые «запретные зоны» («ForЫddenZones») (рис. 5). В данных зонах работа ВРК может привести к нежелательным эффектам от действия потока одной ВРК на другую или даже потерю управления судном.

Наличие таких «запретных зон», а также других важных аспектов в управлении азимутальными кормовыми движителями упоминается во многих рекомендациях опытных капитанов и руководствах по эксплуатации от производителей. В связи с этим, для того, чтобы безопасно использовать все преимущества данного типа движителей, необходимо знать его ограничения. В первую очередь это касается маневрирования судна на малых скоростях.

Поэтому необходимо тщательное исследование данной проблемы, включая определение зон взаимного влияния ВРК-ВРК, ВРК-Корпус для конкретных моделей судов с тем, чтобы предсказать поведение судна при эксплуатации на малых ходах и избежать возможных ошибок судоводителя, которые могут повлечь нежелательные эффекты при управлении.

их

Рис. 5. Область работы ВРК с «запретной зоной»

Однако на сегодняшний день не существует универсальной методики расчетов управляемости судов, оборудованных ВРК, поскольку необходимо производить индивидуальное моделирование для каждого проекта судна, с учетом особенностей обводов его корпуса, определением ограничений работы ВРК из-за взаимодействия с корпусом судна.

Особенно актуально это для речных судов и судов смешанного «река-море» плавания, которые по характеру работы часто осуществляют маневрирование на малых скоростях.

Открытым остается и вопрос о влиянии близко расположенной причальной стенки, её подводной части на работу ВРК. Без детального изучения этих факторов невозможно дальнейшее построение динамической модели поведения судна.

Список литературы:

[1] http://vnpinfo.ru/arkhiv/item/11222-otstupat-dalshe-nekuda.html

[2] Зуев В.А., Калинина Н.В. Средства повышения маневренных качеств судов; 2-е изд., пере-раб. - Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2013. - 66 с.

[3] Nienhuis U. Analysis of Thruster effectivity for dynamic Positioning and Low Speed Manoeuvring, PhD Thesis, Delft University of Technology, 1982.

[4] Cozijn H., Hallmann R. and Koop A. Analysis of the Velocities in the Wake of an Azimuthing Thruster, using PIV Measurements and CFD Calculations. Dynamic Positioning Conference, Houston, USA, October 12-13, 2010.

[5] Stettler J. Steady and Unsteady Dynamics of an Azimuthing Podded Propulsor Related to Vehicle Maneuvering, PhD Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2004.

[6] Гофман А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна: Справочник. - Л.: Судостроение, 1988. - 360 с.

[7] Tello Ruiz M., Delefortie G. «Propulsion and Steering Behaviour of a Ship Equipped with Two Contra-Rotating Z-drives» 2012

[8] Aquamaster Azimuth Thruster Guide.

[9] Christiaan de Wit «Optimal Thrust Allocation Methods for Dynamic Positioning of Ships» 2009.

AZIMUTH THRUSTER DEVICE AS A MEAN OF INCREASING SHIP'S MANOEUVRABILITY

R.A. Puzankov, A.N. Klement'ev

Keywords: azimuth thruster device, ASD, point of water resistance, Shottel, hull interaction

The basic analysis of forces on azimuth thruster devices (ASD) is given in the article. It's stated, that previous researches of effectiveness of ASD operations don't take into account hull-thruster and thruster-thruster interaction to the full extent. That necessitates further research in that field, such as development of calculation methods of the forces influence for effective maneuver choice.

Статья поступила в редакцию 18.11.2016 г.

УДК 656.62.052

П.Н. Токарев, к.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ НА ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОМ КОМПЛЕКСЕ СУДНА

Ключевые слова: судно, движительно-рулевой комплекс, упор, полезная тяга, вращающий момент, поступь винта, коэффициент засасывания, мощность двигателя, силы на руле, силы на поворотной насадке.

В работе приведены исследования влияния режима работы двигателя и скорости движения на силы, возникающие на рулевом органе судна. На основе анализа многочисленных выражений и, используя материалы исследований, выполненных разными авторами в предыдущие годы, разработан метод определения усилий, создаваемых ДРК судна. Полученные выражения позволяют с помощью ЭВМ вести непрерывный расчет упора, полезной тяги и боковой составляющей нормальной силы на руле и поворотной насадке в диапазоне изменения скорости хода судна от нулевой до ном и-нальной полного хода с учетом изменения режима работы движителей от швартовного до ходового.

В настоящее время имеется достаточно большое количество методов расчета усилий, возникающих на ДРК судна, которые могут быть использованы для расчета параметров движения судна при выполнении «слабых маневров». Методы расчета усилий, предложенные в работах [2, 8, 11] и пригодные для расчета «сильных маневров» имеют ряд недостатков. Поэтому проведены исследования с целью разработки метода, позволяющего вести расчет усилий на ДРК судна во всем диапазоне изменения динамических характеристик винтов при изменении режима работы движителя от ходового до швартовного. Исходя из практики маневрирования судов на малых и предельно малых скоростях хода, область исследования может быть ограничена

Здесь индексами обозначено: ШВ - швартовный режим; ПХ - передний ход; ЗХ - задний ход; О - номинальный режим.

В расчетах ходкости судов величину упора ТД и момента Мд винта определяют по формулам