Анализ влияния скошенного потока на рабочие характеристики движителей необитаемых подводных аппаратов..pdf

July 10, 2018 | Author: Anonymous | Category: Каталог , Без категории
Share Embed


Short Description

Download Анализ влияния скошенного потока на рабочие характеристики движителей необитаемых подво...

Description

УДК 629.127 В. В. В е л ь т и щ е в АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СКОШЕННОГО ПОТОКА НА РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖИТЕЛЕЙ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ Рассмотрены особенности работы движителей необитаемых подводных аппаратов в несоосном потоке. Приведены результаты экспериментальных исследований этого явления. Выработаны рекомендации по аналитической оценке влияния этого режима на характеристики движителей. E-mail: [email protected]

Ключевые слова: необитаемый подводный аппарат, движитель, гребной винт.

В процессе движения необитаемого подводного аппарата (НПА) часто возникают режимы, при которых направление набегающего потока воды составляет некоторый угол с осью движителя. В судостроении режим работы движителей в таком скошенном потоке возникает только в процессе маневрирования корабля и поэтому носит кратковременный, динамический характер. Вопросы учета влияния такого режима на управляемость судна подробно рассмотрены в работе1 . Как будет показано далее, в практике использования НПА режимы работы движителя в скошенном потоке могут носить не только переменный, но и постоянный характер. Однако в научно-технической литературе вопросы учета влияния такого режима на энергетические характеристики движительного комплекса НПА еще не рассматривались. Постоянная работа движителя НПА в скошенном потоке возникает в двух случаях. Первый — в вертикальных и лаговых движителях телеуправляемых НПА в режиме совместного движения с носителем. Главной особенностью такого движения НПА является то, что кабель, связывающий аппарат с носителем, постоянно испытывает гидродинамическое воздействие, что вызывает появление приложенной к аппарату реакции кабеля. Вертикальная проекция этой реакции для сохранения горизонтальной траектории движения НПА должна быть компенсирована силой упора, создаваемой вертикальным движителем. В этом случае поток воды набегает на работающий движитель под углом 90◦ к его оси, что вызывает деформацию гидродинамических характеристик движителя и, как результат, изменение силы P упора движителя как по значению, так и по направлению (отклонение на некоторый угол θ вектора силы упора от оси движителя). Аналогичные 1 Г о ф м а н А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. Справочник. – Л.: Судостроение, 1988. – 360 с.

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

97

явления возникают при совместном движении и у лагового движителя, работающего на компенсацию боковой составляющей реакции кабеля или воздействия течения. Второй случай работы движителей в скошенном потоке возникает в тех конструкциях аппаратов, в которых движители установлены под углом к строительным осям. В настоящее время известны и достаточно широко распространены три такие схемы размещения движителей. При создании максимальной силы тяги в любом направлении в горизонтальной плоскости НПА используют так называемую векторную схему размещения горизонтальных движителей. При такой расстановке все четыре движителя работают в скошенном под углом α потоке как при движении НПА вдоль продольной оси Ox (рис. 1, а), так и при боковых перемещениях вдоль оси Oz. Идея использования движителя для изменения двух пространственных координат НПА реализуется и в схеме, приведенной на рис. 1, б. Здесь в поперечно-вертикальной плоскости аппарата под углом α к вертикальной оси установлены два движителя, каждый из

Рис. 1. Схемы размещения движителей, работающих в скошенном потоке 98

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

которых участвует в создании вертикальной силы. Кроме того, при вращении одного из движителей в реверсивном направлении к аппарату будет приложена поперечная сила, вызывающая боковое движение. На рис. 1, б показаны два варианта такой схемы: V-образная установка двух движителей и Л-образная. Наконец, на рис. 1, в приведена компоновочная схема, предусматривающая размещение в хвостовой части НПА наклоненных относительно продольной оси аппарата движителей. Такая схема используется в тех случаях, когда необходимо при малых калибрах аппарата получить большие управляющие моменты для изменения угла дифферента. В процессе продольных перемещений такие движители постоянно работают в скошенном потоке. Таким образом, работа движителей НПА в скошенном потоке является распространенным, типичным явлением. Обычно проектанты НПА эти особенности не учитывают и используют расчетные зависимости только для осевого обтекания движителя. Направление вектора силы упора движителя принимают совпадающим с осью движителя, что не соответствует реальной картине. Необходимо отметить, что анализ работы движителя в скошенном потоке является чрезвычайно сложной задачей. Наиболее полные и достоверные результаты дают только экспериментальные натурные исследования движителя в целях получения так называемых круговых характеристик. Вместе с тем на ранних этапах проектирования НПА практически всегда возникает задача приближенной оценки влияния скошенного потока на номинальные параметры движителя. Наиболее часто такая потребность возникает при выборе оптимальной схемы размещения движителей на аппарате. Рассмотрим приближенное аналитическое решение данной задачи (рис. 2). Выражение для силы упора гребного винта можно записать следующим образом: P~ = −Qm ((V~НПА + ω ~ a ) − V~НПА ),

где Qm — массовый расход воды через сечение движителя; V~НПА — скорость натекания воды на движитель (принимаем ее равной скоро-

Рис. 2. Расчетная схема ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

99

сти НПА); ω ~ a — осевая скорость, вызванная скоростью на выходе из движителя. Обозначим площадь сечения движителя как Fp , а скорость воды в сечении движителя — Vs , тогда имеем ~ a ) − V~НПА ). P~ = −Fp Vs ρ((V~НПА + ω

Считая, что вызванная полная осевая скорость развивается уже на выходе из насадки, можно записать Vs = VНПА + ωa . Обозначив ωa , получим выражения для проекций силы упора на оси ω ˉ = VНПА связанной с движителем системы координат в виде: 2 Px = ρFp VНПА (1 + ω ˉ )(1 + ω ˉ − cos α),

2 Py = ρFp VНПА (1 + ω ˉ ) sin α.

Выразим силу упора движителя Po при работе в осевом потоке 2 (α = 0) зависимостью Po = ρFp VНПА (1 + ω ˉ )ˉ ω. Тогда выражения для проекций силы упора можно переписать в виде Po Po ˉ − cos α), Py = sin α. Px = (1 + ω ω ˉ ω ˉ Используем общепринятое понятие коэффициента загрузки движителя по упору 2Po = 2ˉ ω (1 + ω ˉ ). σТ = 2 ρFp VНПА Выражая из этого уравнения ω ˉ , получаем окончательные формулы для расчета проекций силы упора при работе движителя в скошенном потоке: √ 1 + 1 + 2σТ − 2 cos α √ Px (σТ , α) = Po , 1 + 2σТ − 1 2 sin α . Py (σТ , α) = Po √ 1 + 2σТ − 1

Основные экспериментальные исследования характеристик реальных движителей НПА проводились в гидродинамическом канале ЦАГИ. Эксперименты выполнялись с целью выработать рекомендации по особенностям учета работы движителей НПА в скошенном потоке и оценке возможности практического использования полученных аналитических зависимостей. В экспериментах использовали гребные винты с переставляемыми лопастями типа Каплан диаметром D = 0,23 м с направляющими насадками с удлинениями L/D = 0,2 (сверхмалое) и L/D = 0,7. Основой для последующего исследования характеристик движителя в скошенном режиме является его паспортная характеристика, т.е. зависимость силы упора движителя от скорости осевого потока при 100

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

Рис. 3. Паспортная характеристика движителя первого типа

постоянной (максимальной) частоте вращения движителя. На рис. 3 приведены экспериментальные паспортные характеристики движителя первого типа при различных шаговых отношениях (H/D) гребного винта. Ранее отмечалось, что основной режим работы лаговых и вертикальных движителей при совместном движении аппарата с носителем – это компенсация внешних возмущений (реакция кабеля, воздействие течения, остаточная плавучесть). В этом случае движители, даже установленные вдоль строительных осей НПА, постоянно работают в скошенном потоке под углом 90◦ (заглубляющая сила) или 270◦ (подъемная сила). Поэтому экспериментальные исследования были посвящены изучению именно этого режима. В процессе экспериментов определялись две проекции силы упора движителя в связанной с ним системе координат. На рис. 4 результаты представлены в виде поляры действующего упора в осях Px , Py . Из рис. 4 следует, что при увеличении скорости набегающего потока вектор упора P существенно отклоняется от оси движителя и увеличивается по модулю. На рис. 5 результаты экспериментов при различных значениях шагового отношения движителя приведены в виде графиков зависимости qp = f (σТ , H/D), где коэффициент qр Рис. 4. Поляры вектора силы упопоказывает степень увеличения моду- ра при натекании потока под ля вектора силы упора по сравнению углом 90◦ к оси движителя ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

101

Рис. 5. Зависимость угла отклонения вектора силы упора от коэффициента загрузки движителя: H/D = 1,46 (1); 1,21 (2); 0,96 (3)

Рис. 6. Зависимость нормированной силы упора от коэффициента загрузки движителя (1, 2, 3 — см. рис. 5)

p

Px2 + Py2 , Po а на рис. 6 — в виде графиков зависимости θ = f (σТ , H/D), где θ = arctg(Px /Py ). Следует отметить, что у надводного судна большие местные углы скоса возникают только при сильных маневрах, сопровождаемых значительным падением его скорости и соответствующим ростом коэффициента нагрузки движителя. Поэтому увеличение силы упора подруливающего судового движителя обычно не превышает 5 %, а анализ его работы может проводиться без учета отклонения потока. В противоположность этому работа вертикального или лагового движителя в режиме движения НПА с максимальной маршевой скоростью будет характеризоваться малыми значениями коэффициента загрузки σТ . Из рис. 5 и 6 следует, что при малых значениях σТ наблюдаются существенные изменения силы упора движителя как по значению, так и по направлению. При этом особенно важно отметить, что проекция упора Px вызывает значительное увеличение гисо значениями силы упора в осевом потоке, т.е. qp =

102

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

дродинамического сопротивления НПА вдоль его продольной оси, и поэтому это приращение в обязательном порядке должно учитываться в процессе энергетического расчета всего движительного комплекса аппарата. Значение проекции Py по сравнению со значением силы упора движителя в осевом потоке для швартовного режима (V = 0) возрастает незначительно. В процессе анализа динамики контура вертикальной стабилизации НПА за приближенную оценку величины Py можно принимать величину Pо на швартовном режиме работы вертикального движителя. Как показали результаты сопоставления экспериментальных данных с теоретической оценкой, полученные значения и направления вектора силы упора в скошенном на 90◦ потоке вполне достоверны для поверочного анализа движителя. Для исследования влияния скошенного потока на гидродинамические характеристики движителя, установленного под углом к строительным осям аппарата, были проведены несколько серий экспериментов. Результаты испытаний приведены на рис. 7 и рис. 8. Анализ полученных экспериментальных данных доказывает тот

Рис. 7. Зависимость нормированной силы упора от угла набегающего потока (движитель первого типа, H/D = 1,46)

Рис. 8. Угол отклонения вектора силы упора от оси движителя первого типа (H/D = 1,46) ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

103

факт, что скос потока существенно деформирует гидродинамические характеристики движителя. Так, в рассматриваемом диапазоне изменений угла α модуль вектора силы упора может в 3 раза превышать силу упора движителя при его работе в осевом потоке. Угол отклонения вектора от оси составляет 47◦ . Наибольшее отклонение наблюдается при установке движителя под углом 45◦ . Для оценки применимости полученных ранее теоретических зависимостей для практического учета влияния скошенного потока построим по ним графики qp = f (α, σТ ) и θ = f (α, σТ ) (рис. 9 и 10). Сравнивая экспериментальные кривые (см. рис. 7 и 8) и графики, построенные по аналитическим зависимостям (см. рис. 9, 10), выявили, что последние достаточно точно отражают общие закономерности рассматриваемого явления. Проведем количественную оценку погрешности использования аналитических зависимостей и, кроме того, определим возможную погрешность при использовании в процессе расчета исходных характеристик движителя без учета влияния скошенного потока. Для этого выполним расчет движущей силы для НПА, четыре движителя которого установлены под углом α = 45◦ с продольной стро-

Рис. 9. Графики зависимости qp = f (α, σT )

Рис. 10. Графики зависимости θ = f (α, σT ) 104

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

ительной осью НПА (см. рис. 1, а). В процессе анализа будем использовать приведенные ранее экспериментальные данные для движителя первого типа с H/D = 1,21. При перемещении аппарата вдоль продольной оси Ox выражение для движущей силы можно представить как P1x (V ) = 4qp (Po , V )Po (V ) cos(α + θ(Po , V )) — расчет по экспериментальным данным; P2x (V ) = 4Po (V ) cos α — расчет движительного комплекса без учета скошенного потока; P3x (V ) = 4qp (σТ , α)Po (V ) cos(α + θ(σТ , α)) — расчет по аналитическим зависимостям. Основной целью проектирования средств движения НПА является обеспечение заданной максимальной скорости перемещения. Поэтому целесообразно оценивать результаты расчетов движущей силы по трем вариантам с точки зрения достоверности определения именно этой характеристики. Максимально достижимую скорость движения НПА будем определять графически. Для этого построим графики всех трех вариантов оценки силовой характеристики движительного комплекса P1x (V ), P2x (V ), P3x (V ) (рис. 11); кроме того, на той же плоскости изобразим параболические кривые зависимости гидродинамического сопротивления аппарата от скорости. Предположим, что необходимо оценить реальную максимальную скорость для трех разных с точки зрения значения гидродинамического сопротивления НПА. Анализируя точки пересечения идеальной силовой характеристики и парабол гидродинамического сопротивления, получаем, что при расчете без учета скошенного потока первый аппарат будет иметь максимальную скорость Vx = 1 м/с, второй — Vx = 1,5 м/с, а третий — Vx = 2 м/с. Реальные скорости движения аппарата будут существенно меньше. Их значения определяются точками пересечения парабол с си-

Рис. 11. Оценка погрешности вариантов расчета средства движения при α = 45◦ ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

105

ловой характеристикой, построенной по экспериментальным данным: 0,83; 1,15 и 1,43 м/с соответственно. Таким образом, относительные погрешности определения максимальной скорости НПА без учета реальных гидродинамических характеристик движителей в скошенном на 45◦ потоке составят 20,5; 30,4 и 39,9 %. При использовании аналитических зависимостей и учете влияния скоса потока погрешности уменьшаются и не превышают значений 12; 15,7 и 15,4 %. Проведенный анализ позволяет сформулировать ряд общих рекомендаций по учету особенностей работы средств движения НПА в скошенном потоке. 1. Во всех ситуациях, когда конфигурация движительного комплекса проектируемого НПА или заданные типовые режимы его движения предполагают возникновение стационарных углов скоса потока на движители, необходимо проводить, как минимум, поверочный расчет силовых характеристик движителей. В противном случае существует высокая вероятность снижения реальных скоростных характеристик аппарата по сравнению с его проектными значениями. 2. При углах скоса α > 30◦ и коэффициенте загрузки движителя по упору σТ 6 20 учет этого явления должен проводиться уже на этапе предварительного проектировочного расчета движителей с постоянным уточнением всех характеристик на последующих этапах создания подводного аппарата, вплоть до их экспериментальной проверки в ходе модельных или натурных испытаний. Статья поступила в редакцию 21.12.2009

106

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2010

View more...

Comments

Copyright © 2017 UPDOC Inc.