Исследование разгона высокоскоростного катамарана на подводных крыльях при различных режимах работы главных двигателей

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗГОНА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО КАТАМАРАНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ГЛАВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Хазова В. И., старший преподаватель Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

В статье рассматривается задача разгона высокоскоростного катамарана на подводных крыльях на различных режимах работы главных двигателей. Исследование разгона производится на основе математической модели динамики судна в вертикальной плоскости.

Ключевые слова: катамараны на подводных крыльях; высокоскоростные катамараны; разгон; присоединенные массы; коэффициенты демпфирования.

RESEARCH ON ACCELERATION OF HIGH-SPEED HYDROFOIL CATAMARAN UNDER DIFFERENT OPERATING CONDITIONS OF THE MAIN ENGINE

This research deals with acceleration of high-speed hydrofoil catamaran under different operating conditions of the main engine. The study of acceleration based on the mathematical model of the dynamics of the vessel in the vertical plane.

Keywords: hydrofoil catamarans; high-speed catamarans; acceleration; added masses; damping coefficients.

В последние десятилетия во всем мире помимо традиционных однокорпусных судов активно используются и строятся многокорпусные суда различных типов и назначений. В частности большую популярность приобрели скоростные суда катамаранного типа, применяющиеся главным образом для паромных пассажирских и автомобильно-пассажирских перевозок. При этом такие суда могут быть оборудованы устройствами, обеспечивающими дополнительную гидродинамическую разгрузку и стабилизацию корпуса при движении на высоких скоростях, например, подводными крыльями

Рассмотрим переходный режим движения высокоскоростного катамарана на подводных крыльях. Он характеризуется значительными изменениями посадки судна, что приводит к соответствующим перегрузкам в работе судовых энергетических установок. Поэтому движение в переходном режиме целесообразно осуществлять на прямом курсе. В этом случае можно считать, что судно движется в вертикальной плоскости, и координата центра масс судна у g остается неизменной. Схема сил, действующих на высокоскоростной катамаран при его движении в вертикальной плоскости, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Силы, действующие на высокоскоростной катамаран Движение катамарана на подводных крыльях в вертикальной плоскости описывается системой дифференциальных уравнений (1):

Khazova V., master teacher at Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev

Mg

Хкк

Mc +

\

r

V

/

+ M-15 +

V

6Р Vissmi N1 SS3NISПЯ I>JOdSMV>JI

BdiHsti xo 9HHKOxoo^d - c xj fKHHSiraBdnA axotfsdo оігоиь - ш faoirca xiaHgadj оігоиь - и fxKirAd ш тшиэ кваояод и эинэкаихосЗлоэ -

QX

d ївхниа ojoHgadi doixC - ‘.шъдттзш. ojcrnxoodoMooxooiaa oaxoHodxo/v aoaaainads ш эиШгаЛахэиэЬ1

XH9WOIM И ІЧІГИО ЭЮЮЭЫШВН

ОД 03 ОД д л л

-HtfodtfHJ - yf X 1Ш13С^1те1БЯ ojoHxoodoxooxooiaa зоКікіоя ш хнэжж и ічігио зююзьигашиЬЬгїіі'ил - X 9^J

т=?

‘ +(Ix) uis xi -Ію so° zi) *<іЛ +

U

+ (9X)UTS 4l~ 9X)SOO 5X)UIS*}/ + }X)SODZI/) “]X~

\=f

Жsoo dzfixjtt% — (”X)ins Z'j + ”X)soo x-j) ~z - (]»UTS Z]l~ so° *4) ~]Z =

IU

\=f

ї/lxms fqxdti% - 9»soo 99z +

IU

і=;

+ }»soo z+ vZ + s°Fi[- l»uxs ?V4tt +(9X)uis §9x+ ^uis ~x + Auis 9x)- = Z

U

\=f

!Asoo fgxdttt -

IU

1=1

”Ю uis ~z~ J»uis z~ T»soo ?ytt| +(»soo -x+ !»soo d]x + Asoo %x)~ - X

U

:гокхэ(жиэиав£ імиґпшЛї/зіго on iaHairatfadiio axiag xAjojm гкіохявф энаокиэ их£ иинзжиаїґ олэ udu Biredmвхвя олонхэс^ояэомоэна HxooHxdsaon эиГпАээн вн зиґпшАахоизї/ ‘гзхнэжж и ічігио эияээыштзниЬ'с^Ь'ил хкїґоха иинэнашК хічнчіпшіїї^зффиїґ иховь зічашіи g

2vOfc*£) ганийЯооя гшэхэиэ иоштескаэ иэо іш шІґАо nxoodoxo иоаошА и зовім шіхнзії nxoodoso aodoxMsa mtiix9odn - 2^ < 4 lQ) 6 '1ШИ^ооя 1ЧИЭХЭИЭ ионнвекзэ иэо ончкэхиэонхо внїйСо иий^эни хнэумсж

- & £ їкиїгеаосіифішзїґ нхнзиїшффєоя - ^ у4) їихоояїґиж нээшм зічннзниї/зооі^іі Э1ЧННЭШ9090 - ївнїйСо вээт - ^ j^j чозїґ^;

- z/^lX + zAxA^l\~ lIY) +(£л ~ z2)£l4, + *'

(0

tp

5Z

УР

+ ssri

+ ZA

tp

S£-

УР

+ S£Tl

+ XA

tp

si

V>

+ 5lTl

tp

( 7° 7° tP 7*>

_ ££т1— + £1ГІ---------------—I— - S£V

zAp{ XA XA 5£Ф I X

+

_D _D ;jk> _£>

Е'ТІ^Ч- ”ті4-------------------------

A A £lTlp l

tp

(0P

D }p D

+

+

\

XA I

‘2 = ^cosiy - ^(o^(nY + - ^<0

tp

9£

+ ZA

tp

її

VP

+ eerl

+ XA т^-+£Іп

ЄІ

XP

tp

/

Slr1^ +

XP

D

+ S£rl

CO

AP

D tp -D

+ ________ЄЇ

^09 ЄІФ I

+

tp 1ЛР

соp

ct, z^ V^ cc о

Ї1у\-^-----1---------і;-----£W -1- 0

+

+

\

CO

ееф I

X+ П

ЗИНЗІГЯУсША

масс судна О до гидравлического сечения движителей вдоль осей &, Ох связанной с центром масс судна системы координат Охуг; 1^р -расстояние от центра масс судна до центра давления средств управления вдоль оси О связанной с центром масс судна системы координат

Gxyz; h z ’ hz ’hx’^

ex

- расстояния от центра масс судна до центров давления носового и кормового подводных крыльев вдоль осей

Ог, Ох связанной с центром масс судна системы координат Охуг.

Расчет сил, входящих в правую часть уравнений системы (1), проводился по рекомендациям [1, 2]. Порядок расчета присоединенной

массы корпуса А|Ц приведен в [3]. Присоединенные массы ^13 , ^]_5 , ^33 , ^35 , ^55 рассчитывались в соответствии с рекомендациями [4, 5]. Коэффициенты демпфирования, входящие в левую часть системы уравнений (1), и их производные определялись по формулам [5].

Численный расчет динамических характеристик высокоскоростного катамарана при разгоне производится на основе дифференциальных уравнений системы (1). Расчет разгона судна проводился в условиях тихой воды с момента начала движения до достижения скоростей

5, 8 и 11 м/с за один и тот же интервал времени. При этом определялись зависимости скорости V , угла дифферента ^ и угловой

скорости СО у от времени (рис. 2, 3, 4).

Рис. 2. Зависимость скорости движения V катамарана при разгоне от времени 1 *=5т/с “ — у=8м/с *¥=11 м/с

t* с

Рис. 3. Зависимость дифферента ^ катамарана при разгоне от времени I

Рис. 4. Зависимость угловой скорости движения Wу катамарана при разгоне от времени t

Из графиков видно, что наибольшую интенсивность имеет разгон до скорости 11 м/с, так как в этом случае угловая скорость щу катамарана имеет максимальный диапазон изменения. Этот же режим разгона характеризуется наибольшим волнообразованием. Скорость 8 м/с характеризуется меньшей интенсивностью разгона, а также меньшим диапазоном изменения угловой скорости ш^, но для этой скорости значение угла дифферента ш максимально.

При разгоне судовая энергетическая установка катамарана испытывает максимальные перегрузки. Поэтому необходимо определить мощность, обеспечивающую заданную скорость движения. Выбор главного двигателя по мощности осуществлялся для тех же значений скоростей, на которых производился расчет разгона. Для этого использовалась кривая буксировочного сопротивления катамарана с подводными крыльями, полученная в результате проведения модельного эксперимента в опытовом бассейне Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева [8]. Также было учтено влияние на мощность сил инерционной природы и волнообразования при разгоне. Двигатели подбирались из каталога продукции ОАО «Звезда» (Санкт-Петербург) типоразмеров 12ЧНС18/20 и ЧН16/ 17, применяемых на пассажирских судах на подводных крыльях, скоростных транспортных судах и морских катамаранах.

На рис. 5 изображена зависимость мощности, потребляемой главными двигателями в составе двухвальной энергетической установки катамарана, от скорости его хода в узлах. Точками на графике отмечены скорости хода катамарана, которые могут быть достигнуты с использованием соответствующих двигателей. Знаком «Ч» отмечены точки графика мощности, соответствующие скоростям (в узлах), для которых производился расчет разгона.

Исходя из имеющихся двигателей производства ОАО «Звезда», можно сделать вывод, что эксплуатационная скорость катамарана на подводных крыльях должна составлять 15,5 узлов (8 м/с), причем заданную скорость движения могут обеспечить три марки двигателей М401А-3, М417, ДРА - 210Б.

N. кВт

ДР НА

] 1S32A / /

м 401 Г 11 А-3

А ДІ І-І1 >А-1 ТА. 101

М-І 80

Рис. 5. Зависимость потребной мощности главных двигателей от скорости хода катамарана V в узлах

Литература:

1. Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля. Судовые движители и управляемость / Я.И. Войткунский, Р.Я. Першиц, И.А. Титов. - 2-е изд., перераб и доп. - Л.: Судостроение, 1973. - 512 с.

2. Хазова, Вик. И. Исследование управляемости высокоскоростных пассажирских катамаранов на подводных крыльях / Вик. И. Хазова // Транспортное дело России. - 2011. - №2. - С.58 - 61.

3. Хазова, Вик. И. Численное исследование устойчивости движения на прямом курсе высокоскоростного катамарана с подводными крыльями / Вик. И. Хазова, Вер. И. Хазова, А. Ю. Панов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - Н.Новгород, 2011. - Т 78, № 4 (91). - С.184-190.

4. Хаскинд, М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля / М.Д. Хаскинд. - М.: Наука, 1973. - 328 с.

5. Панов, А.Ю. Кинетическая энергия механической системы «судно-жидкость». Присоединенные массы и коэффициенты демпфи-

рования / А.Ю. Панов. - Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т., 1998. -27 с.

6. Ремез, Ю.В. Качка корабля /Ю. В. Ремез. - Л.: Судостроение, 1983. -328 с.

7. Войткунский, Я.И. Справочник по теории корабля: в 3 т. Т.2. Статика судов. Качка судов / Под ред. Я. И. Войткунского. - Л.:

Судостроение, 1985. - 440 с. : ил.

8. Хазова, Вер. И. Экспериментальное определение гидро-динамических харак-теристик скоростного катамарана / И.Д. Краснокут-ский, Вер. И. Хазова, Вик. И. Хазова // Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве: сб. докладов Всеросс. научно-техн. конф. - Н.Новгород, 17-20 ноября 2009. - Н.Новгород: НГТУ, 2009. - С.137-141.