close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Приоритетное проектирование ледокольных платформ на воздушной подушке

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Москвичева Юлия Анатольевна
ПРИОРИТЕТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛЕДОКОЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ НА
ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ
Специальность 05.08.03 – Проектирование и конструкция судов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2018
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Нижегородский Государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева» (НГТУ)
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Грамузов Евгений Михайлович
Официальные оппоненты:
Роннов Евгений Павлович,
доктор технических наук, профессор,
«Волжский государственный университет водного
транспорта», г. Нижний Новгород, заведующий
кафедрой «Проектирование и технология постройки
судов»
Ведущая организация:
Сазонов Кирилл Евгеньевич,
доктор технических наук, старший научный
сотрудник, Федеральное государственное унитарное
предприятие «Крыловский государственный научный
центр», г. Санкт-Петербург, начальник лаборатории
Морской ледотехники
Федеральное государственное бюджетное учреждение
науки Институт машиноведения и металлургии
Дальневосточного отделения Российской академии
наук, г. Комсомольск-на-Амуре.
Защита состоится «25» октября 2018 года в 1200 часов на заседании диссертационного
совета Д212.165.08 при ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д.24,
корп.1, ауд. 1315.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО
«Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» по адресу:
http://www.nntu.ru/content/aspirantura-i-doktorantura/dissertacii
Автореферат разослан «
»
2018 года
Ученый секретарь
диссертационного совета
Грамузов Евгений Михайлович
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования обусловлена следующим. Водные пути России – ее
национальное богатство. Географическое положение России с большим количеством морских и
внутренних водных путей предопределило развитие судоходства в ледовых условиях. Успешное
решение задач продления навигации связано с развитием технических, экономических,
организационных и социальных вопросов. Для выполнения этой цели необходим не только
достаточно мощный ледокольный флот, но и вспомогательные средства, обеспечивающие его
эффективную работу, работу портов, гидротехнических сооружений, шлюзов, акваторий заводов
и т.д. Достаточно острой остается задача борьбы с ледовыми заторами и, связанными с ними,
разрушительными наводнениями. Разработка нефти и газа за Полярным кругом и расширением
работ на шельфе Арктических морей привели к поиску новых эффективных средств проводки
судов и продления навигации. Не менее важным является продление навигации и на внутренних
водных путях, связанных с гарантированными сроками начала и завершения навигации. Это
относится не только к центральному водному бассейну, но и к бассейнам рек Сибири и дальнего
Востока, из-за короткого летнего навигационного периода, особенно в высоких широтах и
недостатка железных и автомобильных дорог. Возможный перевод Волги в категорию
международного водного пути открывает не только новые перспективы, но и ставит ряд
технических задач, основными из которых является обеспечение гарантированных сроков начала
и завершения навигации.
Разрушение ледяного покрова, создание ледового канала и проводка судов осуществляется в
основном ледоколами. Несмотря на универсальность ледоколов во всем мире ведется поиск
новых технических средств и технологий, повышающих эффективность их работы. К ним
относятся ледокольно-ледоочистительные приставки, гидро и пневмоомывающие установки на
судах ледового плавания, раскачивающие устройства, специальные обводы корпуса. Эти средства
в локально-конкретных случаях могут повысить эффективность ледоколов, не изменяя по
существу технологию ледовых операций и сохраняя высокую стоимость и большие
энергозатраты.
Одним из принципиально новых способов и технологий является использование ледокольных
судов и платформ на воздушной подушке, сообщение о которых появилось в конце прошлого
века в США, Канаде, Финляндии и в др. странах. Они не исключают использования обычных
ледоколов. Но в ряде случаев, существенно увеличивают эффективность ледокольных работ. Они
могут работать в счале с небольшими ледоколами, ледокольными буксирами, транспортными
судами. Экспериментальные исследования, проведенные в США, Канаде, Финляндии, России и
других странах позволяют надеяться, что они займут достойное место в арсенале средств
разрушения льда и продления навигации. Несмотря на интерес к новым ледовым технологиям,
целый ряд вопросов, связанных с их проектированием остается не выясненным. Настоящая
работа позволяет наметить пути решения приоритетных задач проектирования ледокольных
платформ на воздушной подушке (ЛПВП). Под приоритетным проектированием (ЛПВП) автор
понимает разработку тех характеристик судна, которые при выполнении ледовых операций будут
определяющими. К ним относятся выбор формы и размеров корпуса и гибкого ограждения,
обоснование выбора нагнетательного комплекса и аэродинамической схемы, обеспечение
3
минимального сопротивления при разрушении льда.
Уникальные возможности СВП, прежде всего, амфибийность и возможность работы на
мелководье, позволяют рассматривать эти транспортные средства как одно из наиболее
перспективных видов транспорта для районов Сибири, Крайнего Севера и мелководных
шельфовых районов арктических морей. Это вполне можно отнести и к внутренним водным
путям. Отмеченное позволяет считать исследования, связанные с развитием ледокольного флота,
в том числе, средств и технологий повышения его эффективности, актуальной задачей.
Информационной базой исследований являются труды Российских и зарубежных учёных в
области проектирования судов и судов на воздушной подушке, корабельной ледотехники и
методов физического моделирования. В их числе работы Е.М. Апполонова, Л.М. Ногида,
Ю.А. Шиманского, И.И. Каштеляна, Д.Е. Хейсина, И.И. Позняка, Б.П. Ионова, В.В. Кличко,
Б.А. Колызаева, Г.Ф. Демешко, В.И. Любимова, Е.П. Роннова, К.Е. Сазонова, Ю.А. Симонова,
Л.Г. Цоя, В.А. Зуева, Е.М. Грамузова, Ю.А. Двойченко, В.В. Князькова, В.М. Козина,
М.Б. Дехтяра, N.A. Ball’а, R.Y. Edwards’а, H.S. Fowler’а, V.R. Milano, B.M. Snaider’а, R.G. Wad’а,
B.M. Robertson’а и др.
Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованной базы оценки
взаимодействия ледокольных платформ на воздушной подушке с ледяным покровом,
подготовки исходной информации для формирования математической модели приоритетного
проектирования этих судов.
Для достижения поставленной цели работы решены следующие научные задачи:
 классификация и анализ средств разрушения льда и продления навигации,
 анализ использования ледокольных платформ на воздушной подушке в ледовых
операциях,
 оценка напряженно-деформированного состояния ледяного покрова при
взаимодействии с ЛПВП,
 анализ условий моделирования при модельных испытаниях ЛПВП в ледовых
условиях, проведение испытаний и разработка полуэмпирических зависимостей для
прогнозирования ледового сопротивления,
 разработка математической модели приоритетного проектирования ЛПВП,
 разработка технических и экономических показателей составов с ЛПВП,
Объектом исследования являются ледокольные платформы на воздушной подушке, а также
физические и математические модели, описывающие приоритетное проектирование этих судов.
Предметом исследования являются способы и вычислительные алгоритмы, входящие в
методику обоснования приоритетного проектирования ледокольных платформ на воздушной
подушке, базирующиеся на современных научно-технических принципах.
Научная новизна. Дан анализ и классификация средств разрушения льда и продления
навигации. Показана эффективность использования ЛПВП для ледовых операций. Приведена
математическая модель приоритетного проектирования ЛПВП и её элементов, в том числе
прогнозирование сопротивления окружающей среды.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значение
диссертационного исследования состоит в разработке способов прогнозирования
4
сопротивления льда и выбора приоритетных характеристик проектируемого судна.
Практическое значение и реализация результатов работы состоит в следующем: результаты
анализа существующих ледокольных платформ на воздушной подушке могут быть
использованы при проектировании новых судов; методика приоритетного проектирования
может быть использована при инженерно-конструкторской проработке новых проектов ЛПВП;
способ оценки технических и экономических показателей может быть использован при выборе
технических средств продления навигации в каждом конкретном случае.
Результаты работы использованы в бюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских
работах НГТУ, а также в учебном процессе в НГТУ при чтении дисциплин «Проектирование
судов ледового плавания», «Корабельная ледотехника», «Ходкость судов ледового плавания»,
курсовом и дипломном проектировании.
Методы исследования. Для реализации цели работы использовались аналитические,
экспериментальные и полуэмпирические методы. В частности использовались методы теории
проектирования судов (в том числе судов на воздушной подушке), методы оптимизации,
методы математической статистики, методы расчета экономических показателей работы
судов. Решения поставленных задач выполнялись с помощью ПК и имеющегося
программного обеспечения.
Основные положения, выносимые на защиту:
 подходы и методы приоритетного проектирования ледокольных платформ на
воздушной подушке;
 новые и доработанные математические модели прогнозирования основных
характеристик и параметров ледокольных платформ на воздушной подушке;
 прогнозирование и оценка сопротивления окружающей среды при движении
ЛПВП в различных ледовых условиях;
 способы и технологии проведения модельных испытаний ЛПВП и пересчета их
результатов на натуру;
 схемы расчетов технической и экономической эффективности работы составов с
ЛПВП в ледовых условиях.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением
результатов расчетов с характеристиками существующих ЛПВП и составов ЛПВП при
использовании разработанной информационной базы, выполненными статистическими
исследованиями с оценкой погрешности результата, применением методов математического
программирования и выполнением тестовых вычислений.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на
международной научно-практической конференции «Эволюция современной науки» г. Уфа,
2015, в материалах международной конференции «Полярная механика» СПб, 2017, на V
международной конференции «Морская техника и технологии» г. Калининград, 2017, на XI, XII,
XIII, международных молодежных конференциях «Будущее технической науки» Н.Н. в 2012,
2013, 2014 годах.
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе,
опубликовано 13 научных работ, в том числе в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК,
5
опубликовано 4 статьи.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти разделов, заключения, списка
литературы и приложения. Работа представлена на 189 страницах машинописного текста,
содержит 116 рисунков, 18 таблиц. Список литературы содержит 137 наименований
использованных источников. Приложение в объеме 86 стр. включает методику
приоритетного проектирования ЛПВП с примерами расчетов для Обско-Тазовской губы и для
Азовского моря
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснован выбор и актуальность темы диссертации, определена цель, задачи и
методологические основы исследований, показана научная новизна, теоретическое и
практическое значение полученных результатов, которые выносятся на защиту. Приведены
данные апробации результатов работы, публикации автора по теме исследования.
В первом разделе проанализированы технические средства и технологии разрушения
ледяного покрова при движении судов
Рассмотрены различные технические средства и технологии разрушения ледяного покрова
при движении по водным путям, покрытым льдом.
Основные из этих средств: ледоколы и ледокольные буксиры; технические средства,
повышающие эффективность ледоколов; ледокольно-ледоочистительные приставки (ЛЛП) к
ледоколам и буксирам-толкачам; ледокольные платформы на воздушной подушке (ЛПВП);
ледокольные суда на воздушной подушке (ЛСВП).
Основным и универсальным средством обеспечения судоходства в ледовых условиях
являются ледоколы. В зависимости от районов и условий плавания ледоколы делятся на
морские и речные. Они характеризуются специальной формой корпуса с наклонным
форштевнем, развалом шпангоутов, с пологими батоксами, небольшим отношением длины к
ширине L/B. Корпус должен иметь повышенную местную прочность, мощную и маневренную
энергетическую установку. Специальная форма корпуса позволяет ледоколам за счет тяги
гребных винтов создавать значительные вертикальные усилия, передающиеся на ледяной
покров, вызывать его деформацию и разрушение. При большой толщине льда и недостаточной
мощности энергетической установки, ледокол начинает работу набегами, и за счет
кинетической энергии при разгоне увеличивается его ледоразрушающая способность. Речные
ледоколы в связи с условиями плавания на внутренних водных путях имеют небольшую
осадку, увеличенное отношение B/T и меньшую (по сравнению с морскими) мощность ЭУ.
Приоритетными
эксплуатационными
характеристиками
ледоколов
является
ледопроходимость, ледовая ходкость, а также ледовая прочность.
Одним из направлений совершенствования ледокольных средств являются поиски
принципиально новых способов и технологий разрушения ледяного покрова. К ним в первую
очередь можно отнести использование судов и платформ на воздушной подушке для
разрушения ледяного покрова и прокладки ледового канала (Канада, США, Финляндия,
Россия). Сейчас имеется некоторый опыт использования технологий на ВП в различных
ледовых операциях. Впервые разрушение льда СВП было замечено, по видимому, при
6
испытаниях отечественных судов «Радуга» и «Сормович», чему тогда не придали значения.
Сам факт пролома льда движущейся нагрузкой был известен и ранее, в частности, при
эксплуатации «дороги жизни» во время блокады Ленинграда.
Принципиально разрушение льда СВП можно разделить на два способа: способ давления
(низкоскоростной); резонансный (или «высокоскоростной»). ЛПВП могут быть
несамоходными и работать в счале с буксиром, небольшим ледоколом или с транспортным
судном, приспособленным к работе в ледовых условиях. Второй способ разрушения льда –
резонансный, может осуществляться любым транспортным средством, но амфибийные СВП
являются наиболее подходящими для этой цели. Резонансный способ характеризуется
высокими скоростями, определяющими факторами для которых являются толщина льда и
глубина водоема.
Возможности проведения ледовых операций для ЛПВП и ЛСВП различны. В частности,
ЛПВП целесообразно использовать для: разрушения ледяного покрова и создания ледового
канала; увеличения ледопроходимости ледоколов и ледокольных буксиров; околки судов в
затонах, гаванях и бухтах; использования в качестве паромов во время ледохода и ледостава;
вывода судов и кораблей из ледового «плена». ЛПВП имеют низкие энергетические затраты
при разрушении ледяного покрова.
ЛСВП целесообразно использовать для: раннего вскрытия рек и водохранилищ, которые
освобождаются ото льда позднее, чем открытые участки рек; борьбы с разрушительными
наводнениями, вызванными ледовыми заторами; раннего спуска льда на реках; использования
для перевозки грузов.
В работе проведен анализ исследований и эксплуатации ЛПВП во льдах, проведенных в
США, Канаде, Финляндии. Показаны большие преимущества работы составов с ЛПВП по
разрушению льда по сравнению с известными средствами. Уникальные возможности СВП (как
амфибийность) позволяют рассматривать их как перспективный вид транспорта, особенно в
условиях мелководья.
С 1981 г. исследование и проектирование ЛПВП началось в НГТУ. Первая ЛПВП – 102П
была спроектирована в ЦКБ «Вымпел» совместно с НГТУ. По существу это была натурная
модель для оценки ее ледокольных качеств.
Следующим этапом были испытания новой опытной ЛПВП – 107 П «Торос». Судно
спроектировано ЦКБ «Вымпел» совместно с НГТУ и построено на Октябрьском
судостроительно-судоремонтном заводе.
Ледовые испытания проводились с речным ледоколом «Ока» (пр. 16) мощностью 1300 кВт
и ледокольным буксиром МБ (пр. 07521) мощностью 1060 кВт. Толщина льда в районе
испытаний составляла 40 … 70 см. Один ледокол в сплошных льдах толщиной 40 см двигался
со скоростью 1 … 2 км/ч, создавая канал битого льда шириной 12,5 м сплоченностью 9…10
баллов. С платформой в этом же льду состав двигался со средней скоростью 7 км/ч, создавая
канал 21 м.
7
Рис. 1. Фрагмент испытаний по разрушению льда в счале с ледоколом «Ока» (пр. 16)
Позднее были проведены испытания платформы вместе с буксиром «МБ». Сплошной лед
толщиной 40 … 60 см состав разрушал со средней скоростью 5 … 8 км/ч.
Испытания показали, что присоединение к обычному ледоколу иди буксиру ЛПВП
позволяет резко повысить эффективность разрушения льда.
Так, во льду толщиной 40 см скорость небольшого ледокола «Ока» с платформой в 2 раза
больше, чем у тяжелого ледокола типа «Капитан Чечкин», мощность которого почти в 2,5 раза
превышает суммарную мощность «Оки» и платформы. Более чем в 4 раза снижается стоимость
ледокольной работы состава с платформой и почти в 3 раза уменьшаются затраты мощности на
разрушение 1 м3 льда.
КБ «Вымпел» совместно с НГТУ спроектирована и построена, при участии Крыловского
государственного научного центра, полунатурная модель ЛПВП (пр. 00702). Испытания, в
которых автор принимала участие, проводились на р. Волга в сплошном и битом льду
толщиной 0,35 – 0,45 м. Толкал платформу ледокольный буксир «Калашников» (пр. 10)
мощностью 600 кВт. Отличительной особенностью платформы был корпус, выполненный из
сплава АМГ.
При испытаниях ЛПВП – 00702 ледовый канал за составом имел сплоченность ~ 7 баллов.
Один буксир преодолевать ледовые поля указанной толщины не мог. При испытаниях
отмечалось значительное уменьшение попадания битого льда в гребные винты и улучшение их
работы, скорость при движении состава была 7 км/ч.
Анализ проведенных натурных и модельных испытаний ЛПВП позволил установить:
 метод ломки льда с помощью ВП прошел путь от экспериментальных исследований до
практического применения (хотя теории проектирования таких судов нет);
 при «низкоскоростном» способе для начала работы необходим свободный участок воды
(это может быть участок на кромке ледяного поля или сквозные трещины, образовавшиеся
естественным способом от деформации льда, в том числе, от веса ЛПВП);
 под действием избыточного давления в ВП подо льдом образуется воздушная впадина,
а при напоре в ВП, превышающей толщину льда – воздушная полость. Эта полость перестает
поддерживать ледяной покров и способствует его разрушению. Ледяной покров может
8
разрушаться и без воздушной полости, если давление в ВП достаточно;
 многочисленные испытания показали, что технологии на ВП разрушения льда
произвели переворот в методике разрушения во всяком случае, разрушения однолетнего
пресного льда на внутренних водоемах;
 морские суда снабжения можно оборудовать ЛПВП для обслуживания Арктических
буровых установок. Буровая установка не будет испытывать критических нагрузок при подходе
судна, т.к. ломка льда с помощью ЛПВП не приводит к образованию горизонтальных
составляющих нагрузок, как у обычного ледокола;
 целесообразно разрабатывать оборудование для ЛПВП (нагнетательный комплекс) и
движители для самоходных судов;
 должны быть реализованы оптимизационные задачи проектирования ЛПВП;
 использование ЛПВП не является универсальным средством для всевозможных
ледовых условий;
Второй раздел посвящен напряженнодеформированному состоянию ледяной пластины
при движении ЛПВП с малой скоростью (в статической постановке)
При движении с относительной скоростью Fr  0,40 давление в воздушной подушке (ВП)
приводит к деформации водной поверхности с образованием воздушной впадины с размерами
в плане близкими к размерам ВП и глубиной hВП = PВП/ρВП∙g
Ледяной покров моделировался тонкой упругой изотропной пластиной постоянной
толщины, лежащей на упругом основании гидравлического типа. На рис. 2 приведены
возможные схемы взаимодействия ЛПВП со льдом:
а) движение ЛПВП над бесконечным ледяным покровом без его разрушения;
б) движение ЛПВП с открытой воды или с образованием сквозных трещин, через которые
воздух попадает под ледяной покров с образованием воздушной полости;
в) давление в ВП существенно превышает величину вgh, приводящее к перегибу (такое
состояние наблюдалось при модельных испытаниях в тонком естественном льду);
г) воздушная полость заходит далеко вперед под ледяной покров;
д) кромка льда прогибается так, что замыкает воздушную полость, и на лед действует только
давление ВП.
Были решены две задачи:
 определение напряженно-деформированного состояния (НДС) ледяного покрова с
определением критических напряжений (от изгиба) и связь между длиной распределения
нагрузки от ЛПВП с местом расположения магистральных поперечных трещин при разных
толщинах льда. Задача решалась аналитическим способом с использованием уравнения для
тонкой изотропной упругой полубесконечной пластины, лежащей на упругом основании
гидравлического типа при цилиндрическом изгибе (последнее полностью подтверждается
фотографиями разрушения льда при движении ЛПВП.). Задача решалась вместе с граничными
условиями на свободном крае пластины, на бесконечности и на границе области ВП.
 определение НДС в зависимости от конфигурации ледяной пластины и действующей
от ЛПВП нагрузки. Пластины принимались: бесконечная, полубесконечная, полубесконечная
9
с вырезом в форме канала, прокладываемого от ЛПВП. Нагрузка – система равномерно
распределенных давлений от ЛПВП в форме квадрата или прямоугольника. Задача решалась
численным методом с использованием МКЭ.
Возможные схемы взаимодействия ЛПВП с ледяным покровом приведены на рис. 2
Рис. 2. Возможные схемы взаимодействия ЛПВП с ледяным покровом
На рис.3 в качестве примера решений приведен график безразмерных напряжений ̅ =
безразмерной нагрузки ̅ =

в ℎ
п ℎ
в  2
от
в зависимости от соотношения сторон распределения
4
нагрузки a/b (r – характерная длина при изгибе пластин  = √
4ℎ3
12(1−2 )в 
.
Давление в ВП Pвп, будем считать постоянным, распределенным по площади ВП. Площадь
ВП будем считать имеющей форму прямоугольника со сторонами a и b. В воде и частично под

̅ = .
льдом образуется воздушная полость с давлением Рвп, ̅ = 2 , 

ℎ
При расчете движения в канале необходимо учитывать концентрацию напряжений в углах
вырезов. Для учета концентрации напряжений в углах вырезов необходимо выбирать меньшие
размеры конечных элементов, что и было сделано. По мере уменьшения размеров элементов,
величина напряжений в районах концентрации растет.
Сравнивая данные расчетов для полубесконечной пластины с вырезом в форме канала и без
него, можно видеть, что напряжения на оси симметрии для одинаковых относительных
площадей ̅ и отношений а/в при равной суммарной нагрузке оказываются близки. Трещины
из-за повышения напряжений будут образовываться в углах выреза.
Следовательно, для расчетного усилия при определении НДС следует выбирать случай
10
нагружения полубесконечной пластины, т.к. он требует больших усилий.
Оптимальное соотношение сторон нагрузки при проектировании ЛПВП целесообразно
принимать равным 1.
Рис. 3 График безразмерных напряжений в полубесконечной ледяной пластине при
постоянной нагрузке, распределенной по площади прямоугольника со сторонами a и b.
В третьем разделе рассмотрено определение элементов судна необходимых для
формирования математической модели проектирования
Одним из важнейших элементов при оценке эффективности использования технологий на
воздушной подушке является давление в ВП. Очевидно, оно будет зависеть от толщины и
механических свойств льда, от размеров площади, на которой оно действует.
Предполагается, что нагрузка на лед меняется медленно, поэтому динамическими
эффектами можно пренебречь, и в то же время достаточно быстро можно пренебречь
ползучестью и релаксацией льда.
Проанализированы
существующие
теоретические
решения
и
результаты
экспериментальных исследований разрушения ледяного покрова вертикальной нагрузкой.
В результате получена зависимость применительно к полному пролому льда при движении
ЛПВП
вп =
 ℎ2
2
(1 +
2
вп
),
(1)
где  − удельная энергия разрушения ледяного покрова, которую можно принять
 = 1900 ± 100 кПа - при центральном изгибе и  = 1300 ± 50, кПа, если нагрузка
приложена по площади прямоугольника в ледяной пластине с вырезом в форме канала.
Величины  получены В.А. Зуевым, Е.М. Грамузовым и Ю.А. Двойченко в натурных
экспериментах на Горьковском водохранилище.
Следует отметить, что различают грузоподъёмность ледяного покрова до образования
11
первых магистральных трещин и полную несущую способность (пролом) льда.
Магистральные трещины представляют опасность, хотя несущая способность льда далеко не
исчерпана.
Для оценки расчетов (1) и их сравнения с данными натурных испытаний получен график,
приведенный на рис. 5.
Следующим элементом проектирования ЛПВП является определения необходимого
расхода воздуха из воздушной подушке. У ЛПВП этот расход не велик по сравнению с СВП
и составляет примерно 1,0…1,5 м3/с на 1 метр периметра.
Аналитическое представление зависимостей для расхода воздуха, особенно для судов нового
типа, какими являются ЛПВП, является сложной задачей. Поэтому определение расхода может
проводится по прототипу или путем модельных испытаний в ледовом бассейне.
Проведена статическая обработка, имеющихся натурных испытаний ЛПВП. В качестве
безразмерных характеристик расхода воздуха в соответствии с положениями теории подобия
̅вп =
вп
2
вп √ вп
,
(2)
возд
где ̅вп = 0,0018 ± 0,0003 с доверительной вероятностью 90% (при выборке из 12 судов).
Рисунок 3. Сравнение расчета с данными натуральных испытаний
(1 − VIBAK; 2 − АCIB; 3 − Iceator; 4 − АCIB; 5 − АCT − 100; 6 − HI − 15;
7 − АCT − 10; 8 − VP − I; 9 − ЛПВП − 102П; 10 − ЛПВП − 107П; 11 − Н − 119)
Одним из важных элементов при проектировании ЛПВП является обеспечение остойчивости
особенно в переходном периоде при выходе на ВП.
12
Классические скоростные СВП имеют ресиверную аэродинамическую схему (АДС) и
соответствующее ей двухъярусное ГО, состоящее из монолита (гибкий ресивер) и навесных
элементов. Остойчивость таких СВП обеспечивается секционированием ВП путем применения
продольных и поперечных килей, выполненных также двухъярусными и включающих
монолит.
Однако, для ЛПВП применение ресиверной схемы нецелесообразно по нескольким
причинам, наиболее важными из которых являются необходимость создания в ресивере
давления большего, чем и без того высокое давление в ВП, что вызывает трудности при выборе
нагнетателя. Во – вторых, что является более важным, это неудовлетворительная живучесть и
ремонтопригодность монолита при ледовых операциях. Это особенно актуально при работе в
ледовых условиях. Поэтому у ЛПВП целесообразно применять безресиверную АДС с
одноярусным ГО. Для повышения ремонтопригодности такое ГО необходимо выполнять
расчлененным по периметру на отдельные элементы. По описанным выше причинам
секционирование ВП неприемлемо, так кили работают также как и непрерывный монолит.
Исследования показали, что остойчивость безкилевых ПВП в режиме парения можно
обеспечить за счет применения ГО с развалом по высоте.
В работе рассматривается камерная схема формирования ВП. При работе ЛПВП следует
учитывать постоянную нагруженность гибких элементов значительными давлениями,
обдувание струями воздуха с большими скоростями, вызывающие брызги, возможное
обледенение, истирание нижних кромок о бетон, лед, снег, торосы, эксплуатацию при низких
температурах. Кроме этого важной задачей ГО является обеспечение остойчивости в
переходном режиме и парении.
Анализ возможностей ГО, модельные исследования и опыт эксплуатации натурных ЛПВП в
России и за рубежом позволил выбрать предпочтительный тип ГО.
Углы развала  и завала  связаны с углами наклона бортовых ветвей корпуса и
определяются устойчивостью формы элементов ГО. В первом приближении можно принять
 = 40 ÷ 50°,  = 40 ÷ 50°
ГО выполняется из отдельных съемных поперечно-расчлененных элементов, позволяющих
проводить их оперативную замену в полевых условиях при возможных повреждениях. Как
показали опыты повреждение одного из элементов практически не влияет на
работоспособность всей системы, так как под действием большого избыточного давления в ВП
происходит смыкание смежных элементов.
В связи с этим к материалу ГО предъявляются следующие основные требования: высокая
прочность, износостойкость, высокая прочность между армирующим и обкладочным
материалом, эластичность, малая плотность.
Для того, что бы обеспечить устойчивый выход на ВП в переходном режиме при выбранной
схеме ГО, как показали эксперименты, надо правильно выбрать высоту колена ГО.
Устойчивый выход на ВП происходит, если высота колена удовлетворяет соотношению (3).
13
̅к ≥ 0,323 ∙ ℎ̅ − 0,116 + √0,490 ∙ 
̅20 + 0,037 ∙ ℎ̅ + 0,0135, где ℎ̅ =

вп
в вп
,
(3)
̅
̅
̅ ).
̅20 = 20 /вп ,  = (0,107+1,86∙к )∙(1+2,030∙ℎ+0,1к ), к = (
̅к − ℎ

̅
0,91+0,83∙ℎ
На рис. 5 показана геометрическая схема корпуса ЛПВП и ГО.
Рисунок 4. Геометрическая схема корпуса ЛПВП и ГО (1-корпус; 2-ГО)
Источником воздуха повышенного давления в подкупольном пространстве ЛПВП являются
один или несколько воздухонагнетателей (ВН), работающих на одну воздуховодную сеть.
Учитывая необходимость получить достаточно высокие давления в ВП при умеренных
расходах воздуха целесообразно использовать центробежные вентиляторы.
К нагнетателям на ЛПВП предъявляются эксплуатационные требования по их
эффективности, а также по ограничению по массе, габаритам и шумности. Они должны быть
приспособлены к работе в условиях перегрузок, крена и дифферента при отрицательных
температурах. Для ЛПВП с толщиной разрушаемого льда до 1,2 м, можно использовать
серийно выпускаемые шахтные или мельничные вентиляторы ВВМ 18, ВВМ 20, ВВМ 22,
создающие требуемое давление и приемную производительность.
Применяемые в промышленности вентиляторы работают на статически устойчивую сеть. В
условиях ЛПВП возникает необходимость регулирования давления и расхода нагнетателя, что
можно достичь изменением частоты его вращения. Связано это с возможным изменением
нагрузки (приемом балласта, расходованием топлива).
Первая ЛПВП-102П (натурный макет) была оборудована реактивным двигателем РД-9Б,
списанным из авиации и оборудованным кольцевой насадкой (эжектором). Вырабатываемая
двигателем газо-воздушная смесь подавалась в подкупольное пространство, обеспечивая
необходимое давление и расход воздуха. Преимущество такого нагнетателя – простота в
обслуживании, особенно при отрицательных температурах воздуха, быстрый запуск на морозе,
предотвращение обмерзания ГО. Недостаток – большой расход топлива.
Вторая ЛПВП-107П (опытный образец) оборудована двумя центробежными вентиляторами
ВВН-18М и двумя дизелями мощностью 630 кВт. Опытная эксплуатация не выявила серьезных
недостатков в работе.
14
Третья – ЛПВП 00702 – полунатурная модель оборудована двумя вентиляторами ВЕЗА и
дизелями 2х330 кВт. При ее опытной эксплуатации также не выявлено серьезных недостатков.
При проектировании любого судна определение нагрузки масс является одной из основных
задач, от корректного решения которой зависят мореходные и эксплуатационные качества
судна.
В работе для расчетов нагрузки масс, в первом приближении (если нет прототипа) приведены
укрупненные измерители масс.
При небольшой выборке (11 судов) их результаты можно рассматривать как
рекомендательные.
Одной из задач проектирования ЛПВП является (при необходимости) прием балласта для
обеспечения необходимого давления в ВП. При этом необходимое водоизмещение
∗ =
вп вп
в
, а полное водоизмещение из расчета нагрузки масс  = ∑  .
В этом случае для разрушения льда, заданной толщины, следует принять необходимое
количество балласта  = ∗ − 
В четвертом разделе рассматривается сопротивление окружающей среды при движении
ЛПВП.
Основное количество работ по сопротивлению при движении СВП посвящено движению
при относительно высоких скоростях ( > 0,5). При меньших скоростях известные решения
обнадеживающих результатов не дают. Большинство исследователей отмечает наличие
большого числа горбов и впадин на кривой сопротивления при низких числах Фруда и
сомнительной справедливости теории в этих условиях. Еще менее изученными являются
вопросы сопротивления при движении ЛПВП в ледовых условиях. В работе рассматриваются
относительно низкие скорости разрушения льда при движении судна (способ давления).
Отметим и то, что способ давления реализуется при высоких давлениях в ВП (7 – 12кПа).
3
Небольших расходах воздуха (1 ÷ 1,5 м ⁄на 1 м периметра), низких скоростях движения
( < 0,5).
Сопротивление при движении ЛПВП в ледовых условиях можно представить как:
 = р + тр + обл + а/д + г/д ,
(4)
где р − сопротивление от разрушения льда; тр − сопротивление от трения материалов
ГО о лед; обл − сопротивление обломков льда; г/д − гидродинамическое сопротивление;
а/д − аэродинамическое сопротивление.
Последняя составляющая здесь не рассматривается, но имеются методы ее определения.
Для составляющих р + тр в работе получена полуэмпирическая формула:
р + тр = вп вп (в − л ) −
2
вп
вп
2в 
где в и л − заглубление задней и передней кромки ГО.
в − л =
15
вп
в 
−  √ℎ ,
+
2
вп
вп
в  sin 
(5)
где  = 0,28 м1/2 − экспериментальный коэффициент прогиба ледяной пластины при
нагрузке от ЛПВП;
 = 0,075 ÷ 0,080 − коэффициент трения ГО о лед;
 − угол наклона передней поверхности ГО к горизонту;
г/д − гидродинамическое сопротивление для ЛПВП (получено В.А.Зуевым и Н.М.
Семеновой).
г/д = 0,322,5 (
вп −0,3
вп
)
,
(6)
Используя материалы зарубежных и наших исследований для экспресс оценки полного
сопротивления в работе, получено:
3 
 = ̅ВП ВП √
в
(7)
2
4
12(1− )в 
где ̅ = 1,4ℎ + 0,3  ;  = √
3
ℎ
Сравнение результатов расчета с данными экспериментов приведены на рис. 5, 6.
Рис. 5. Сопротивление ЛПВП
Рис. 6. Сопротивление ЛПВП
АСТ-100
«107 П»
Для оценки сопротивления битого льда аналитически получена зависимость при движении
ЛПВП в поле мелкобитого льда 10-балльной сплоченности. Схема взаимодействия приведена
на рис. 7.
Рис. 7. Схема взаимодействия обломков льда с ГО
16
Полное сопротивление в битом льду представлено в виде:
бл = ст + д + г/д
(7)
где ст , д − статическая и гидродинамическая составляющие.
Статическая составляющая разделена на следующие ′ст , ′′ст и ′′′ст по признаку
взаимодействия с разными поверхностями ( ′ст - от воздействия льда на носовую
поверхность ГО, ′′ст - на нижние кромки ГО, ′′′ст – от воздействия льда на боковые
наклонные поверхности ГО).
Получено:
∗
(в − л )ℎвп
вп (,
̂ )
 (.̂ )
′ст =
+
(
)
в 
(,
̂)
(,
̂)
∗ ),
′′ ст = 2(в − л )ℎ(∗вп + вп
′′′ ст = 2(в − л )ℎ
(8)
∗∗
вп⁄
 ,
∗
д = (л ℎ + в æ1 ) 2 вп
(9)
Динамическая составляющая определена из теоремы об изменении кинетической
энергии обломков льда с учетом присоединенных масс воды.
г/д − определяется по (6).
На рис. 8, 9 приводится сравнение кривых сопротивления в битом льду, полученные
расчетом и экспериментально.
Рис. 9 Сопротивление при движении в
Рис. 8 Сопротивление при движении в
битом льду толщиной
битом льду толщиной
35 см ЛПВП 00702
35 – 40 см ЛПВП-ВП-1
Ряд опытов по прогнозированию сопротивления сплошного и битого льда проведен в
ледовом бассейне НГТУ.
Сплошной лед моделируется тонким естественным льдом, битый – плитками полиэтилена
высокого давления. Теория моделирования в таком льду водоизмещающих судов разработана
Е.М. Грамузовым и В.А. Зуевым. Здесь приводится коррекция этих результатов применительно
17
к испытаниям ЛПВП. Принимаем во внимание известные результаты для пересчета толщин
льда модели и натуры в виде:
ℎ =
ℎн
ℎм
1/3 −1/3
4/3  
(10)
где ℎ − масштаб толщин льда;  − геометрический масштаб;  − масштаб плотности
льда и воды;  − масштаб модуля упругости льда, а также известные линейные зависимости
модуля упругости от изгибных напряжений получим для сплошного льда
ℎ = 1,43 ;  = 2,72 ;  = 0,86
(11)
н
м



К этим модулям пересчета добавляются известные н⁄м = √ ; вп⁄м = ; вп⁄н =
вп
вп
5/2
 ;
н = м .
При испытаниях в битых льдах, пластинках из полиэтилена высокого давления, модули
пересчета имеют вид
н
м
м
н
 = ⁄ ; ℎн =  ∙ ℎм ; н = м √ ; н = 3 м ; вп
= вп
; вп
= 5/2 вп
; н = м ; н = м .
Испытание модели в бассейне показано на рис. 10.
Рис.10 Фрагменты испытаний моделей ЛПВП в ледовом бассейне
Проведены также испытания моделей ЛПВП в мелкобитом льду с целью определения
влияния некоторых параметров на сопротивление.
Качественный эксперимент позволил установить:
 = (, ⁄ , ВП , ℎ, ВП , ̅,  )
(13)
Считая, что функции от приведенных в (13) параметров взаимонезависимы можно записать:



= ∏ 

=1
В безразмерном виде это можно записать так:

= 1 1 ( ) ∙ 2 2 (ℎ) ∙ 3 3 (̅) ∙ 4 4 (ВП ) ∙ 5 5 (ВП ) ∙ 6 6 (ВП /ВП )

18
(14)
Входящие функции определены экспериментально по специальному плану испытаний. В
результате получено:
̅1,4 −0,3


−0,3
0,9
= [(0,131 + 0,016) + 1,65ℎ̅−0,7 (
+ 0,322,5 (⁄) ]
)

2 − ̅
ℎ 
где ℎ̅ = в ; ̅ − функция сплоченности; 4 4 (ВП ) = 1.
ВП
При модельных испытаниях ЛПВП в битых льдах исследователями был замечен эффект
уменьшения сопротивления по сравнению с сопротивлением при движении в чистой вое, т.е.
в + обл < в .
Очевидно это связано с экранирующим влиянием битого льда при образовании поперечных
волн. В работе сделана попытка приближенно определить экранирующий эффект с
использованием подхода Д.Е. Хейсина к оценке энергии при распространении волн в воде и в
битых льдах, вычисляя энергию распространения гравитационных волн в чистой воде и в
битых льдах. Кин6етическая энергия для пресной воды и для льда получена в виде Тв =
Тл =
2 в ℎ в 2
( ) .
4
п
в 2 
4
,
В этом случае экранирующий эффект можно записать в виде:
э =
в +л
в

≈ 1 + ( в)

2
(17)
п
где в − частота волны при движении ЛПВП; в =
2
в
;
в  0,5
п − частота свободных колебаний льдины, как поплавка; п = (
л ℎ
) .
Для льда со сплоченностью ̅ < 1 коэффициент экранирования целесообразно умножить на
функцию сплочённости. Волновая составляющая сопротивления изменяется пропорционально
этому коэффициенту.
В пятом разделе приводятся алгоритмы приоритетного проектирования ЛПВП и техникоэкономическое обоснование использования составов с ЛПВП.
Оптимизацию поставленной задачи предлагается решать в два этапа:
 оптимизация параметров ЛПВП как таковой с минимизацией энергетических затрат на
подъем и разрушение льда заданной толщины при заданной ширине прокладываемого канала;
 оптимизация работы составов с ЛПВП и выбор толкающих судов-претендентов для
решения задачи прокладки ледового канала с позиций технической и экономической
эффективности.
Задача приоритетного проектирования ЛПВП сформулирована как экстремальная задача
математического программирования.
Элементы множества векторов внешней среды W образуют вектор технического задания
C  С (C1 , C2 ...Ci ) , в состав которого входит толщина льда h, высота торосов hт , ширина
ледового канала Bк , автономность А, численность экипажа n.
19
Вектор оптимизируемых параметров ̅ содержит компоненты, характеризующие судно в
целом: ̅ = ̅(1 , 2 …  ). К таким элементам относятся: размеры и форма гибкого
ограждения, главные размерения судна, аэродинамическая схема давления в воздушной
подушке и расход воздуха, мощность энергетической установки для привода нагнетателей
воздуха.
Компоненты вектора ̅ имеют ограничения в диапазоне возможных значений и выражаются
в виде равенств или неравенств, связанных условиями эксплуатации, техническим заданием и
другими причинами. Это минимальное водоизмещение судна для разрушения льда,
ограничение минимальной высоты колена ГО для обеспечения устойчивого выхода на
подушку, ограничения на минимальную ширину канала.
̅ (̅, ̅ ) ≥  (̅ ), j = 1, 2 ...m.
Существует еще система функциональных ограничений 
Функция ̅ представляет собой оценки j качеств судна, а функции ̅ требования к этим
качествам.
Для выбора наилучшего варианта вводится целевая функция
̅(̅, ̅ ) → 
(18)
При проектировании ЛПВП целевая функция выражается в виде минимума
энергетических затрат для выполнения заданной работы.
Поскольку ЛПВП рассматривается как несамоходное судно, после выбора его
параметров необходимо перейти к выбору толкающих судов претендентов, позволяющих
решить задачу с максимальной технической и экономической эффективностью, которые
можно записать следующим образом:
Коэффициент технической эффективности
Kт 
N
Bк hv
 min , кДж/м3,
(19)
где ∑ - суммарные энергетические затраты (ЛПВП + судно) для прокладки канала
заданной ширины Bк , толщины льда h и скорости .
Коэффициент экономической эффективности
Kэ 
C
, руб/ м3,
lBh
(20)
где C – суммарные затраты (ЛПВП + судно) на прокладку канала, включающие стоимость
строительства ЛПВП или аренду толкающего судна и экплуатационные суммарные расходы
на топливо, содержание экипажа и т.п., l – длина канала, м.
Очевидно K т представляет энергетические затраты на разрушение 1 м 3 льда при прокладке
канала, а K э - стоимость прокладки 1 м 3 канала.
Дополнительными исходными данными являются длина прокладки канала и данные по
судам претендентам (L, B, T, N, Т е , ).
В любом случае Bк  B .
20
Для решения поставленной задачи необходимо рассчитать сопротивление от разрушения
льда ЛПВП и сопротивление битого льда при движении судов-претендентов за ЛПВП. Как
показали опыты, сплоченность льда в канале за ЛПВП не превышает 7 баллов.
По результатам расчетов сопротивления для разных толщин льда и тяги гребных винтов
строятся диаграммы ледопроходимости v  f (h) для всех судов претендентов или пар с ЛПВП.
Эти диаграммы используются для определения скорости и ходового времени на прокладку
канала ( t  l v ).
Результаты расчетов технической и экономической эффективности представляются в виде
графиков K т  f (h) , K э  f (h)
Для конкретных линий и судов-претендентов расчеты приведены в Приложении.
Рис.11. Испытание полунатурной ЛПВП пр.00702
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Тема диссертационной работы связана с вопросами приоритетного проектирования
ледокольных платформ на воздушной подушке судов
Основные результаты работы:
 выполнена классификация и анализ средств разрушения льда и продления
навигации;
 выполнен анализ использования ледокольных платформ на воздушной подушке в
ледовых операциях;
 выполнена оценка напряженно-деформированного состояния ледяного покрова
при взаимодействии с ЛПВП;
 выполнен анализ условий моделирования при модельных испытаниях ЛПВП в
ледовых условиях и способы их пересчета на натуру;
 проведены модельные испытания ЛПВП в различных условиях, получены
полуэмпирические зависимости для оценки сопротивления при движении ЛПВП;
 получены аналитические и полуэмпирические зависимости для оценки
сопротивления льда при движении ЛПВП;
 разработана математическая модель проектирования ЛПВП;
21
 разработаны технические и экономические показатели эффективности работы
составов с ЛПВП при выполнении ледовых операций;
 разработана методика проектирования ЛПВП с примерами расчетов (в
Приложении)
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
I В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:
1. Москвичева Ю.А. Технико-экономический анализ разрушения ледяного покрова и
продления навигации с использованием технологий на воздушной подушке/ Е.М.
Грамузов, Ю.А. Москвичева, Е.В. Зуева, // Современные проблемы науки и
образования– 2014. – Вып. №6.– С. 9
2. Москвичева Ю.А. Оценка напряженно-деформированного состояния ледяного покрова
при движении над ним ледокольных платформ на воздушной подушке/ А.Г. Ларин,
Ю.А. Москвичева// Современные проблемы науки и образования – 2015. – Вып. №2-2 .
– С. 59
3. Москвичева Ю.А. Сопротивление мелкобитого льда при движении ледокольных
платформ на воздушной подушке/ Е.М. Грамузов, Ю.А. Москвичева //Вестник ВГАВТ.
– Н. Новгород, 2017. – Вып. №53. – С. 51-59.
4. Москвичева Ю.А. Прогнозирование сопротивления окружающей среды при
проектировании ледокольных платформ на воздушной подушке / Зуев В.А.,
Москвичева Ю.А.// журнал «Судостроение». – СПб, 2017. – Вып. № 4. – С. 11-13.
II Прочие издания:
5. Москвичева Ю.А. (Зуева Ю.А.) Актуальность продления навигации в инновационной
стратегии развития России. / Москвичева Ю.А. (Зуева Ю.А.), Зуева Е.В.// Тезисы
докладов Всероссийской научно-практической конференции «Российский студент,
гражданин, личность».– НГТУ, Н. Новгород, 2010. – С. 232-233.
6. Москвичева Ю.А. (Зуева Ю.А.) Анализ экономических и социальных последствий
паводковых наводнений и пути их предотвращения/ Москвичева Ю.А., Зуева Е.В.//
Тезисы материалов Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в
экономике, менеджменте и подготовке кадров» – Н. Новгород, 2010. – С.146-148.
7. Москвичева Ю.А. (Зуева Ю.А.) Анализ и оценка сопротивления при движении судна
навстречу волнам// Тезисы докладов XI Международной молодежной научнопрактической конференции «Будущее технической науки» Н. Новгород, 2012. – С. 7778.
8. Москвичева Ю.А. (Зуева Ю.А.) Разработка концепции и технических предложений
обеспечения безопасности нефтегазовых платформ в условиях Арктического шельфа//
Тезисы докладов XIII Международной научно-практической конференции «Будущее
технической науки» - НГТУ, Н. Новгород, 2014. –С. 499-500
9. Москвичева Ю.А. Влияние сплоченности мелкобитого льда и ширины ледового канала
на сопротивление судов // Труды НГТУ Н. Новгород – 2015. – Вып. №4 (11). – С. 228233.
22
10. Москвичева Ю.А. Вопросы проектирования ледокольных платформ на воздушной
подушке // Журнал «Транспортные системы» Н. Новгород – 2016. – Вып. №1 – С.44-49.
11. Москвичева Ю.А. Модельные исследования ледокольной платформы на воздушной
подушке в мелкобитых льдах // Тезисы докладов на 4-й Международной конференции
«Полярная механика» - СПб – 2017. – Вып. №47. – С.43.
12. Москвичева Ю.А. Развитие теории и практики моделирования движения судов в
ледовых опытовых бассейнах/ Зуев В.А., Грамузов Е.М., Москвичева Ю.А.// V
Международный Балтийский Форум «Морская техника и технология. Безопасность
морской индустрии», Калининград, 2017. – С. 187-195.
13. Москвичева Ю.А. Влияние битого льда на сопротивление воды при движении судов
ледового плавания // Журнал «Транспортные системы» НГТУ, Н. Новгород, – 2017. –
Вып. №2 (5). - С. 10-15.
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
1 591 Кб
Теги
приоритетный, платформы, ледокольных, проектирование, воздушного, подушки
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа