автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Проектирование перспективных движителей в насадке с учётом их взаимодействия с поворотной колонкой и элементами корпуса судна

г

На правах рукописи

Маринич Николай Владимирович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ В НАСАДКЕ С УЧЁТОМ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ПОВОРОТНОЙ КОЛОНКОЙ И ЭЛЕМЕНТАМИ КОРПУСА СУДНА

Специальность 05.08.01 - Теория корабля и строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

10 ФЕВ 2014

005545216

Санкт - Петербург

2013 г.

005545216

Работа выполнена в ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент А. Ю. Яковлев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю. В. Гурьев, кандидат технических наук Ю. К. Яковлев.

Ведущая организация: Головной филиал «НПО «Винт» ОАО «ЦС «Звездочка»

Защита диссертации состоится " 5 " декабря 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д411.001.01 при Крыловском государственном научном центре по адресу СПб, Московское шоссе д. 44

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Крыловского государственного научного центра

Автореферат разослан "_"_2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук Л. И. Вишневский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Проектирование движителей в насадке представляет собой комплексную задачу, в ходе решения которой необходимо спроектировать гребной винт (ГВ) или рабочее колесо, собственно насадку и в ряде случаев гондолу, а так же учесть особенности взаимодействия движителя с корпусом или поворотной колонкой. Проектирование каждого из перечисленных элементов имеет специфические особенности и требует создания специального расчетного метода. Кроме того, нельзя ограничиться проектированием этих элементов по отдельности, поскольку они оказывают существенное взаимное влияние. Получается, что оптимальный движитель не обязательно является совокупностью оптимальных элементов, что требует комплексного подхода к решению задачи.

До последнего времени в отечественной практике находил применение подход, согласно которому осуществлялось проектирование гребного винта, а форма насадки выбиралась из заданного набора испытанных ранее насадок или на основе общих зависимостей характеристик движителя от наиболее важных параметров насадки. Форма гондолы обычно считалась изначально заданной и не подлежащей корректировке. Данный подход отвечал требованиям середины XX века, но к настоящему времени безусловно устарел. Современные тенденции развития движителей требуют всемерного улучшения их характеристик. С этой целью необходимо выполнять комплексную оптимизацию движителей в насадке. Подобные попытки делаются за рубежом, в частности известны практические примеры численной оптимизации насадок и их внедрения на практике рядом международных корпораций. Таким образом, данная работа находится на пике современных тенденций развития теории и практики проектирования движителей и представляет большое значение для конкурентоспособности проектировщиков отечественных кораблей и судов.

Цель работы

Целью данной работы является создание методики комплексного компьютерного проектирования движителей в насадке для современных кораблей и судов.

Методы исследования

В работе сочетаются численные и экспериментальные методы исследования. С помощью известных теоретических разработок были созданы расчетные методы и реализующие их компьютерные программы. Экспериментальные методы использовались для верификации компьютерных методов.

Научная новизна

1. Разработан быстродействующий метод расчета обтекания элементов движителя вязкой жидкостью с учетом отрыва пограничного слоя. Данный метод позволяет определить гидродинамические характеристики хорошо обтекаемых тел,

определить координаты точек отрыва турбулентного пограничного слоя, определить форму отрывной области, рассчитать гидродинамические характеристики обтекания тела при отрыве пограничного слоя. Метод отличается быстротой расчета, что позволяет использовать его в задачах проектирования.

2. Разработан метод определения коэффициентов взаимодействия движителя в насадке с осесимметричным центральным телом. Эти коэффициенты необходимы для проектирования движительного комплекса. Ранее их определяли экспериментальным путем или по приближенным зависимостям, основанным на систематизации экспериментального материала.

3. Разработан метод проектирования формы направляющей насадки на основе метода прямой оптимизации. Ранее форму насадки определяли по нескольким известным прототипам, что в ряде случаев существенно ухудшает характеристики движителя. Разработанный метод позволяет наилучшую форму насадки путем численной оптимизации.

4. Усовершенствован метод численной оптимизации лопастной системы гребного винта в насадке. Новый метод позволяет оптимизировать не только распределение шага и кривизны лопасти, но и подбирать наилучшее дисковое отношения при условии сохранения прочностных характеристик.

5. Разработана методика комплексного компьютерного проектирования движителей в насадке для современных кораблей и судов, как на заданную тягу движителя, так и на требуемую мощность, по которой осуществляется одновременное комплексное проектирования ГВ и насадки. При этом не обязательно задаваться геометрией элементов движителя.

Практическая ценность

Разработанная методика позволяет без существенных материальных и временных затрат спроектировать движительный комплекс гребной винт — направляющая насадка на заданный режим работы движителя. Метод является гибким и позволяет спроектировать как весь комплекс в целом (форму насадки, форму центрального тела, лопастную систему ГВ), так и отдельные его части. При этом задается минимальное количество исходных данных, что облегчает работу проектировщика. Во время проектирования возможно оценить опасность отрыва пограничного слоя на неподвижных элементах движителя. При возникновении отрывных явлений метод позволяет оценить характеристики обтекания этих элементов и влияние на другие элементы движителя.

Разработанная методика нашла применение на практике в рамках НИР «Автопроект», НИР «Ломовик», НИР «Стабилизация». Методика вошла составной частью в комплекс методик «Комплексное проектирование современных гребных винтов и двухступенчатых движительных комплексов», разработанных по НИР «Автопроект» и в технологии «Технология поверочного расчета многофункциональных двухступенчатых движителей», «Технология проектирования многофункциональных двухступенчатых лопастных движителей».

В результате работы получены два свидетельства на регистрацию программ для ЭВМ.

Апробация работы

Результаты исследований прошли всестороннюю апробацию - материалы диссертации докладывались на Всероссийском семинаре по аэрогидродинамике, посвященному 90-летию со дня рождения С. В. Валандера (СПбГУ, Санкт-Петербург) в 2008; на молодежных научно-технических конференциях «ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ - 2009» и «ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ - 2011» (ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», Санкт-Петербург), на которых диссертант был награжден дипломами; на II международной научно-практической конференции «Наука и современность -2010» (Новосибирск); на II международном симпозиуме по морским движителям — SMP'll (Гамбург, Германия) в 2011; на III международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (БГТУ, Брянск) в 2011, на которой диссертант был награжден дипломом I степени; на IX международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях NPNJ'2012 (МАИ, Алушта), на X международной конференции по гидродинамике ICHD-2012 (Санкт-Петербург).

Публикации

Основные материалы, представленные в диссертации, опубликованы в научных изданиях: всего 14 работ, в том числе 5 статей, опубликованных в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных исследований.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 116 страниц печатного текста, включает 51 рисунок и 95 литературный ссылок.

На защиту выносятся

1. Метод расчета обтекания тел вязкой жидкостью с учетом отрывных явлений и определение на его основе коэффициентов взаимодействия ГВ с осесимметричной гондолой поворотной колонки.

2. Метод проектирования форм неподвижных элементов движителя с насадкой на основе метода прямой оптимизации.

3. Усовершенствованный метод оптимизации лопастной системы на основе метода прямой оптимизации.

4. Методика проектирования движительных комплексов с направляющей насадкой на требуемую тягу или заданную мощность энергетической установки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность выполненных работ и сформулирована их цель. Отмечена апробация в ходе выступлений на различных конференциях, а так же приведены данные по опубликованным работам. Показана область применения движителей с насадкой. Описаны основные преимущества и недостатки таких движителей. Выделены основные трудности при их проектировании. В первой главе описаны проблемы разработки движителей в насадки и способы решения этих проблем.

В параграфе 1 рассмотрена история развития методов расчета движителей в насадке. Дан обзор литературы по развитию методов расчета движителей на основе метода граничных элементов. Основополагающими отечественными исследованиями в этом направлении являются работы В. М. Лаврентьева, затем появились методы В. Г. Мишкевича и В. К. Турбала. Различные методы расчета ГВ в насадках представлены Б. А. Бискупом и Е. Н. Сергеевой, В. А. Бушковским, А. Ю. Яковлевым, JI. А. Мухиной, И. М. Вайнштейном, М. Г. Соколиком, Фалькао де Кампосом, Нозава и Окамото, Сзантиром и Гловером, Кервиным и Киннасом, К. Уэда, Ю. С. Зайцевой, Н. А. Кольцовой.

В втором параграфе описан используемый диссертантом метод расчета движителя в насадке. Методы граничных элементов (ВЕМ-методы) являются одним из наиболее популярных аппаратов исследования обтекания тел невязкой несжимаемой жидкостью.

В третьем параграфе описано решение так называемой обратной задачи, в которой необходимо определить форму обтекаемого тела при заданных его характеристиках.

С математической точки зрения она может быть достаточно легко формализована, и сведена к многократному решению прямой задачи. Однако, численное решение такой задачи — требует значительных вычислительных затрат. Метод проектирования элементов движителя можно рассматривать как задачу минимизации некоторого функционала J с ограничениями, на бесконечномерном пространстве функций, описывающих геометрию проектируемого элемента движителя. К числу ограничений могут быть отнесены требования гладкой стыковки искомого и заданного участков стенки и другие условия, определяющие режим работы движителя j(y(x)) —> min

у{х2)=уг,у1{х1) = у'2

где у(х) - искомая форма элемента движителя, х, и х2 - координаты начала и конца оптимизируемого участка, yi, У2, У/, Уг - величины характеризующие форму элемента и ее производные по х на концах оптимизируемого участка. Решение данной задачи можно искать путем ее сведения к задаче минимизации на конечномерном пространстве. Это означает, что искомая функция, определяющая

форму элемента, представляется в виде комбинации нескольких функций /¡¡(х) известного вида.

Для решения задачи многомерной оптимизации, для каждой из N искомых величин (направлений) Аь последовательно выполняется одномерная оптимизация. После перебора всех величин производится оценка целесообразности смены направлений оптимизации и вновь повторяется процесс оптимизации по N направлениям. Поскольку в первоначальной форме метод имеет строго последовательный характер, в него были внесены изменения. Процесс оптимизации по N направлениям можно распараллелить, если осуществлять его единовременно по всем направлениям, исходя из одной точки.

Во второй главе описан разработанный метод расчета обтекания тел вязкой жидкостью.

В первом параграфе дан обзор современных методов расчета отрывных явлений. Среди отечественных авторов стоит отметить работы Амфилохиева В. Б. и др., Емельяновой, Воропаева и др. Изучению и расчету пограничного слоя при безотрывном обтекании плоских профилей посвящены работы Дробленкова, Каневского и др. В этом же параграфе описан интегральный способ расчета пограничного слоя (способ Э. Труккенбродта), который был взят за основу разработанного метода.

Во втором параграфе описан разработанный метод расчета обтекания тел вязкой жидкостью без учета отрывных явлений. При расчете хорошо обтекаемых тел хорошо зарекомендовал себя метод граничных элементов (ВЕМ) для идеальной жидкости.

Однако ВЕМ не учитывают эффекты вязкости жидкости. Как известно, пограничный слой может повлиять на гидродинамические характеристики. Для учета влияния пограничного слоя можно использовать подход Лойцянского, который предположил, что линии тока вследствие подтормаживающего влияния стенки оттесняются поверхности крыла. Лойцянский доказал, что смещение действительной линии тока относительно линии тока безвихревого обтекания тела идеальной жидкостью на внешней границе пограничного слоя равно толщине вытеснения б¡. Таким образом, действительное распределение давления по поверхности тела при обтекании вязкой жидкостью совпадает с распределением давления при безвихревом обтекании идеальной жидкостью тела, образованного наращиванием на профиль и по обе его стороны от нулевой линии тока в его следе толщины вытеснения, рассчитанной по действительному распределению давления. Стоит отметить, что этот метод в качестве исходных данных должен принимать действительное распределение касательной скорости по телу в вязкой жидкости, которое невозможно получить с помощью панельных методов. Чтобы рассчитать действительное распределение давления по телу, можно применить итерационный подход. В первом приближении рассчитывается распределение давления методом граничных элементов и идеальной жидкости. С

помощью интеграла Бернулли определяется распределение касательной скорости. Затем, по способу Труккенбродта вычисляется толщина вытеснения. Руководствуясь подходом Лойцянского, вычисляется новая геометрия тела путем наращивания на исходную форму вычисленной толщины вытеснения. Во втором приближении, по новому телу ВЕМ методом снова определяется распределение касательной скорости. Расчет пограничного слоя проводится с новыми данными, но на первоначальном теле, без толщины вытеснения.

Такой итерационный подход позволяет свести решение задачи по вычислению поля скорости и толщины вытеснения к единому решению.

В результате, можно реализовать расчет обтекания хорошо обтекаемого крылового профиля с помощью объединения ВЕМ метода, подхода Лойцянского и способа Труккенбродта

В параграфе 3 описан разработанный метод расчета обтекания тел вязкой жидкостью с учетом отрыва пограничного слоя.

Эксперимент показывает, что в отрывных вязких зонах при больших Яе давление приближенно постоянно. В настоящей работе отрывная область моделируется замкнутой струйной схемой, указанной С. А. Чаплыгиным.

Удачное задание начального приближения формы каверны во многом определяет успешное выполнение расчетов. Учитывая отмеченные особенности формы границы каверны, за начальное приближение принят контур, предложенный В. Г. Калюжным, ординаты которого для заданных значений абсцисс определяются двухпараметрической зависимостью, параметры которой А и В определяются отдельно для верхней и нижней границ каверны по значениям ординат и первых производных в точках схода каверны, а также координатами точки замыкания. Зависимость имеет вид:

где х2, у2 ~ координаты вершины фиктивного клина, замыкающего каверну. Схема течения приведена на рисунке 1.

хь у1 — координаты точек отрыва пограничного слоя. Их довольно точно можно определить по тому же способу Труккенбродта. Для этого необходимо оценить формпараметры. Отрыв обычно происходит в диапазоне 1.8 < Я < 2.4. В данной работе критерий отрыва был принят Н > 2.2.

Параметр у2 можно определить путем удовлетворения условия Чаплыгина-Жуковского, обеспечивая постоянство и равенство давлений на верхней и нижней границах каверны. Параметр х2 характеризует длину каверны.

(3)

у(х)=Ах(хв-х2-")+}'2

Рисунок 1. Схема течения для расчета струйного отрывного обтекания тела произвольной формы.

Для построенного в первом приближении контура профиля с каверной рассчитывается распределение скоростей (давлений). По полученному распределению скоростей, используя решение для частичной кавитации, отдельно для верхней и нижней границ каверны определяется их форма во втором приближении. Для полученного во втором приближении контура профиля с каверной вновь рассчитывается распределение давлений, по которому определяются ординаты каверны в третьем приближении. Процесс последовательных приближений продолжается до тех пор, пока не будет получено постоянное распределение давлений по границам каверны.

Минимальная длина каверны, как следует из рисунка 1, ограничивается касательной к контуру профиля в точке схода каверны хи у, и определяется зависимостью:

(4)

■У.

гдеу ^(х,) - производная к контуру профиля в точке схода каверны. Для нахождения длины каверны требуется отдельный итерационный подход и задание граничный условий. В качестве поверочного расчета принимается расчет пограничного слоя на теле, которое состоит из исходного профиля, утолщенного на толщину вытеснения, и оптимизируемой отрывной области. При правильно построенной каверне на таком теле не должно быть отрыва. В представленном методе считается, что длина каверны подобрана правильно, если отрыва нет на расстоянии 95% от начала каверны. Обусловлено это тем, что замыкание каверны для расчета панельным методом реализуется фиксированным клином, на котором почти всегда есть отрыв.

Расчет полного отрывного обтекания тела производится с учетом всей описанной выше теории. В результате происходит одновременный расчет толщины вытеснения, действительного распределения давления, координаты точек отрыва и ; форма отрывной области.

Схема полного расчета приведена на рисунке 2.

Выбор оптимальной длины зоны отрыва

ВЫХОД

Расчет безотрывного обтекания тела

Исходная геометрия:

У(х)

Расчет Ср1(1х) по ВКМ

Расчет <5,(х)

Расчет Сро(1х) по ВЕМ

Рисунок 2. Схема расчета обтекания тела вязкой жидкостью с учетом отрывного явления.

В четвертом параграфе приведены тестовые примеры. Тестирование проводилось на профиле КГАСА0025, обтекаемом турбулентным потоком со стороны выходящей кромки (рисунки 3 и 4).

--2

1 V

<>Ччч^ 02 04 06 08 1 > 1 1.2 1.4 ^ЯГ — " Х/1.

^ч. А"

Рисунок 3. Сравнение ЫАСА0025 с получившейся формой в результате расчета данным методом. 1 -исходная форма профиля, 2 - Профиль с отрывной областью и толщиной вытеснения.

Рисунок 4. Коэффициент давления на профиле ЫАСА0025. 1 - расчет представленным методом, 2 -расчет панельным методом, 3 — эксперимент.

В параграфе 5 обоснована необходимость и практическая значимость описанного выше метода для движителей типа поворотная колонка с направляющей насадкой. ; Корпус поворотной колонки и работающий вблизи него движитель представляют с точки зрения гидромеханики единую систему, между отдельными частями которой ! наблюдается гидродинамическое взаимодействие, приводящее к перераспределению действующих на них сил. Гидродинамическое взаимодействие между гондолой колонки, насадкой и движителем характеризуются | коэффициентами взаимодействия, такими как эффективный попутный поток и

коэффициент засасывания. I Метод расчета коэффициентов взаимодействия включает в себя:

1) Расчет в идеальной жидкости распределения давления по телу и насадке с учетом работы ГВ, а также распределение полной осевой скорости в диске движителя.

2) Расчет характеристик пограничного слоя на центральном теле и насадке с учетом особенностей распределения скоростей по телу и насадке, полученных выше.

3) Расчет гидродинамических характеристик элементов движителя с учетом вязкости жидкости.

4) Расчет сил, возникающих на различных частях движительного комплекса, и реального поля скорости в диске движителя.

5) Расчет коэффициентов взаимодействия.

Для расчета сил, возникающих на различных частях движительного комплекса, используется отдельный ранее разработанный метод. Этот метод основан на моделировании работы ГВ, путем замены его диском гидродинамических особенностей - стоков, располагаемым в месте расположения ГВ в насадке. Полная скорость в диск движителя складывается из потока, набегающего на комплекс, вызванной гребным винтом скорости и скорости, создаваемой насадкой, которая также зависит от вызванной скорости на бесконечности:

Кг =?„ + ?+7- — ' 2

где и>„ - вызванная гребным винтом скорость, отнесенная к скорости комплекса,

; - единичный вектор, направленный в сторону натекания жидкости. Пользуясь результатами теории идеального движителя в насадке, можно определить коэффициент нагрузки комплекса в целом Си и коэффициент нагрузки винта в составе комплекса СТР.

"ТТ

СТР = 2(1 - го)- •

г ~~ \

Н>00 1 + —

V 2

(6) (7)

где Го - радиус центрального тела, отнесенный к радиусу винта, Явяж - вязкостное сопротивление насадки, суммарная скорость в диске ГВ. Зная распределение относительной скорости по телу, можно выразить осевые составляющие сил действующих на каждый неподвижный элемент движителя.

Ст=^~Г2)-пх-г- 1 +

¿а

сЬс

\2

<3х,

(8)

где V — относительная скорость на теле, И - нормаль к поверхности тела.

В шестом параграфе представлены основные соотношения для расчета коэффициентов взаимодействия.

Коэффициент засасывания каждого элемента движителя характеризует его вклад в силу сопротивления, т.е.:

, = ----(9)

С -С

Коэффициент засасывания всего движительного комплекса будет равен.

/ =

СтИнас + ^Шторп

'7Г ^ ТНтс +СТШорп)

С-гт

(16)

где СГЯнас - коэффициент силы сопротивления насадки,

С7Нкорп - коэффициент силы сопротивления гондолы поворотной колонки.

Зная распределение скорости протекания жидкости через движитель при его работе за корпусом и при отсутствии гондолы, можно найти коэффициент эффективного попутного потока: V-V

IV =-2-, (10)

V

где Уа - средняя скорость протекания через движитель при отсутствии гондолы, V — скорость движения судна.

Представлены примеры расчета коэффициентов взаимодействия на колонках, которые были испытаны в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова (рисунок 5).

0.35

Чз

0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 О

1 1

I/

- ШГ .._____ .-•-г I ........ 'V > • • •

•Т'* -4- г * - - Т 1 '

▲ ♦

2

1/Ст

1 -эксп

2 -эксп

3 -эксп

4 -эксп

1 - расчет

2 - расчет ■3 - расчет ■4- Расчет

Рисунок 5. Сравнение расчета коэффициентов засасывания с экспериментальными данными для четырех типов колонок.

В седьмом параграфе подведен итог всей главы и обрисованы возможные перспективы развития представленных методов.

Третья глава посвящена оптимизации геометрических характеристик направляющей насадки.

В первом параграфе описаны проблемы расчета и проектирования направляющей насадки. Дан обзор литературы отечественных и зарубежных исследований в области оптимизации формы насадки.

Во втором параграфе представлены основные геометрические характеристики направляющей насадки. Описано влияние каждой из них на гидродинамические характеристики движительного комплекса. Обоснован выбор оптимизируемых элементов и элементов, которые стоит держать постоянными в процессе проектирования.

В третьем параграфе описан метод решения прямой задачи обтекания движителя. Расчет сил, возникающий на элементах движителя, принципиально не отличается от расчета, представленного в шестом параграфе. Для их расчета можно пользоваться формулами (6 - 8).

Зная упор и режим работы движителя, можно вычислить СТр-

о гг

С _ о-лг ^ где ^ _ коэффициент упора ГВ, 3-рабочая поступь.

Выражение (5) в рамках идеальной жидкости является линейным. Следовательно, можно определить скорость в диске винта при не работающем движителе и при

одном ненулевом режиме. Из уравнений (6) и (7) находятся и :

Для проектирования ГВ необходимо знать поступь, вычисленную по скорости протекания жидкости через насадку в сечении диска винта, так называемую внутреннюю поступь. Внутреннюю поступь можно вычислить по следующей формуле:

Сложность представляет нахождение режима работы ГВ в насадке на швартовном режиме. При скорости потока К» = 0 м/с логично отнести все скорости к вызванной скорости гребным винтом м^. Тогда формула (18) примет вид:

(И)

3 5 - ./ -Кг^ю)-

(12)

Гт =Ке(1)-КЕ(0),

л \Г

где

Как известно, упор винта равен:

где Л - радиус ГВ, др - перепад давления в диске ГВ:

(13)

(14)

(15)

Учитывая (14) и (15), решается уравнение (16) относительно и^:

2-Т

Л

р-л-Я2- 2-К1-1

Поступь, вычисленная через скорость протекания жидкости внутри насадки через сечение ГВ, вычисляется как:

Коэффициент нагрузки на насадке можно вычислить по формуле (8), учитывая то, что скорость на теле находится, как в (13).

Таким образом, метод позволяет провести поверочный расчет движителя в насадке на любом режиме вплоть до швартовного. Как следствие, сложность проектирования насадки на швартовном режиме отпадает. Так же, такие вычисления дают данные, на которые нужно проектировать ГВ. За основу расчета турбулентного пограничного слоя был взят способ Э. Труккенбродта, описание которого представлено в главе 2. В четвертом параграфе описано решение обратной задачи.

Задачи, в которых определяется форма обтекаемых тел, отвечающая определенным требованиям, носят название обратных краевых задач. Оптимизация формы поверхности насадки проходит в автоматическом режиме. В представленном методе, следуя концепции изложенной в главе 1, выбор формы направляющей насадки рассматривается как задача минимизации некоторого функционала 3 с ограничениями, на бесконечномерном пространстве функций, описывающих геометрию поверхности насадки г(х). Поверхность насадки можно условно разделить на три участка (рисунок 6): наружная поверхность, внутренняя поверхность перед ГВ, внутренняя поверхность за ГВ.

Так же могут входить дополнительные параметры оптимизации, такие как а, Д /д.

Рисунок 6. Оптимизированные участки насадки.

Форма насадки может быть оптимизирована как по всем перечисленным параметрам, так и по отдельно выбранным. В зависимости от внешних условий и поставленных задач можно оптимизировать как всю поверхность насадки, так и ее определенную часть.

Л

(17)

За основу оптимизации отдельного участка поверхности насадки был взят метод, описанный в главе 1. В этом случае, для каждого участка систему (4) стоит преобразовать в следующий вид: min

Стр = const Н <2.2

где XI нх2~ координаты начала и конца оптимизируемого участка, г*(х) - радиус исходной насадки.

Решение системы (18) ищется путем ее сведения к задаче минимизации на конечномерном пространстве. Это означает, что искомая функция, определяющая геометрию насадки, представляется в виде комбинации нескольких базисных функций/к(х) известного вида.

г(х) = г'(х)+±Ак./к(х\

к=\ > (19)

где а и р - коэффициенты раствора и расширения насадки на входе и выходе соответственно, и хр - координаты входного и выходного сечения соответственно.

Суть метода сводится к единовременной оптимизации искомых величин (направлений) Ак по всем N направлениям, исходя из одной точки. Для поставленной задачи оптимизация всех трех участков поверхности насадки происходит одновременно по 3-И направлениям, что делает решение более точным, но сильно замедляет время вычислений. Для ускорение вычислений, метод был усовершенствован диссертантом. Из получившегося массива решений Ак по каждому направлению находится наилучшая комбинация сразу нескольких решений. Такой подход значительно уменьшает количество итераций. Форма насадки выбиралась так, что бы обеспечить плавное изменение распределения давления, что снижает опасность отрыва потока, и максимальный коэффициент нагрузки движителя. Минимизируемый функционал в этом случае имеет вид

~йСр '

(¿К

dx-kz-CjT (20)

Л ~ К ' /

Поскольку опасность отрыва возникает только при положительном градиенте давления, было внесено дополнительное условие, которое исключает возможность

резкого положительного перепада давления на поверхности насадки на всех трех участках. Таким образом, окончательный функционал принял вид:

3 =

Л. ^<0

° (21)

сЬс, сЬс,

Весовые коэффициенты ки к2 и к^ подбираются исходя из поставленной задачи и внешних условий, так как заданные три компоненты минимизируемого функционала могут быть взаимноисключаемы. Также используется условие обеспечения заданного расхода:

л

2к| Ух гс1г = £?*, где 0* - заданная величина расхода через насадку. 1

В пятом параграфе представлены примеры оптимизации формы направляющей насадки.

Первоначально метод был использован для преобразование формы насадки под различные тела вращения с сохранением гладкости распределения давления на поверхности насадки и максимально возможного упора на насадке при постоянном упоре на гребном винте.

Представлен пример, который показывает возможность проектирования насадки на различные коэффициенты нагрузки движительного комплекса.

X, тш

Рисунок 7. Сравнение форм насадок. 1 - предложенная насадка, 2 - оптимизированная насадка.

Рисунок 8. Сравнение распределений давления. 1 - на предложенной насадке, 2 - на оптимизированной насадки.

Наибольший интерес представляет насадка, спроектированная на швартовый режим. В работе приведены результаты проектирования насадки на такой режим. В поставленной задаче оптимизировались коэффициент раствора а и форма внутренней поверхности насадки перед гребным винтом. Целью расчета было спроектировать численным методом безотрывную форму насадки, ликвидировав большие скачки давления. С помощью численной оптимизации удалось выгладить распределение давления (рисунок 8) путем изменения формы насадки (рисунок 7) и коэффициента раствора на входе в насадку (а), что обеспечивает безударное обтекание насадки.

Последний пример, представленный в работе, демонстрирует возможность проектирования насадки водометного движителя для быстроходного катера. В результате оптимизации удалось избавиться от резкого перепада давления на входе в насадку, что значительно уменьшает риск возникновения кавитации.

Изложенные выше расчетные методы эффективны для оптимизации отдельных элементов движителя, но не позволяют провести оптимизацию движителя в целом. Для такой оптимизации необходимо разработать специальный алгоритм, чему и посвящена четвертая глава.

В первом параграфе описана принятая в Крыловском государственном научном центре общая расчетная схема проектировочного расчета движительного комплекса в насадке, позволяющая на начальных стадиях проектирования выбрать основные элементы движителя с насадкой, на базе которых мо1уг быть спроектированы модели, испытания которых необходимы для дальнейшей отработки движительного комплекса.

Первоначально задается кажущуюся поступь движителя (7) и определяется потребный коэффициент упора комплекса (Кп):

К„.=--Л-, (22)

р-п -О -(1 — 1)

t - коэффициент засасывания.

На основе количества движения вычисляется скорость на бесконечности за движителем, необходимая для получения заданного упора:

V> = = 0.5 • (1 - м>) + 0.5' ~ м)2 + 4 • ' РЗ)

где у/ - коэффициент попутного потока, Р - площадь выходного отверстия насадки.

Рассчитывается коэффициенты упора и нагрузки гребного винта:

, 0.391. у" . . (1 + )- (1 - „У .(1-д2)), (24)

С = (25)

^ТР .2

где С1 - коэффициент сопротивления входа в насадку, ?2 - коэффициент сопротивления выхода насадки. С1 и С1 можно оценить, пользуясь работами Идельчика. Вычисляется внутренняя поступь ГВ:

3 =Ь±. (26)

5 п-И

На основе значений Кт и ¿ч проектируется гребной винт движителя.

Второй параграф описывает проектировочный расчет ГВ на основе метода прямой оптимизации.

Для проектирования лопастной системы ГВ необходим достаточно точный и быстрый метод поверочного расчета. Для ГВ в насадке, как и для рабочего колеса в трубе, расчетный метод может быть построен на базе теории плоских решеток. В процессе выбора геометрии рабочего колеса задача оптимизации может быть записана следующим образом: ?](н(г), /(г)) -» шах

Ф(Г\ Лг))=КТ0 (27)

ст{н(г\ /(г))-> шш

где Кп - заданный коэффициент упора ГВ, о - число кавитации, т| - КПД ГВ, Кт -коэффициент упора ГВ, Н(г) - шаг лопасти,г) - кривизна лопасти. Искомыми функциями представлялись распределения шага и кривизны лопасти ГВ. Выражение (2) принимает следующий вид:

Н{г) = ^Ак-/к(г)

/(>•) = ¿Я* - л(г)

*=1

Первоначально проектировочный расчет ЛС был реализован А. Ю. Яковлевым.

Данный метод был модернизирован диссертантом. При новой реализации функция /к (г) ™еет гладкий вид, и соблюдается условие зануления первой производной

на концах функции и в точке экстремума. Дополнительно в качестве искомых параметров было добавлено дисковое отношение ГВ, которое оптимизировалось равномерным по радиусу изменением ширины лопасти ГВ. Изменение дискового отношения влияет не только на гидродинамические, но и на прочностные характеристики ГВ. Для сохранения последних было принято дополнительное условие сохранения момента сопротивления лопасти ГВ: С-Е2 =const, где С -ширина лопасти, Е - толщина лопасти.

В качестве примера был взят ГВ с первоначальным дисковым отношением 0.54. Предполагалось спроектировать ГВ в насадке на швартовный режим. После оптимизации лопастной системы без изменения дискового отношения получились следующие величины КПД лопастной системы и числа кавитации: T]s =0.878; 0.412.

В результате оптимизации характеристики ГВ изменились следующим образом: дисковое отношение =0.517; КПД ЛС: tjs =0.883; число кавитации

4сг= 0.415.

В третьем параграфе разработан алгоритм проектирования движительного комплекса на заданную тягу.

Пользуясь теорией, представленной в предыдущих параграфах данной главы можно спроектировать движитель в насадке на требуемую тягу. Но для этого необходимо заранее знать геометрию насадки, так как форма насадки создает осевую неоднородность поля скорости в диске винта, которую нужно учитывать при оптимизации лопастной системы, а коэффициент /? сильно влияет на внутренний режим работы ГВ. Вследствие сказанного, встал вопрос об оптимизации всей геометрии насадки и коэффициента расширения. Как видно из формулы (6), коэффициент нагрузки движительного комплекса зависит от скорости в струе на бесконечности и средней величине скорости протекания жидкости через диск ГВ. Первую составляющую можно вычислить через нагрузку на винте, пользуясь формулой (7). Вторая составляющая в основном зависит только от /?. Следовательно, возможно оптимизировать Д изменяя нагрузку на винте таким образом, чтобы сохранить требуемую тягу движителя. Тогда при оптимизации формы насадки в системе (18) нужно заменить условие СТР = const на условие цгв —» max. Для выполнения такого условия, при каждом изменении /?, нужно выполнить проектировочный расчет ГВ, что сильно увеличит время проектирования.

Для ускорения оптимизации был предложен другой подход. Для оценки КПД гребного винта можно подобрать эквивалентный винт с распределением шага по радиусу пропорциональным осевой неоднородности скорости в диске ГВ. Такой винт будет сильно отличаться от проектированного по кавитации, однако, как показывает практика, кривые действия изменяться незначительно. Это позволяет при каждом изменении Р подобрать шаг винта для обеспечения нужного упора, и

20

оценить КПД гребного винта. Исходя из вышесказанного, получается алгоритм, представленный на рисунке 9.

Оптимизация ЛС

Рисунок 9. Проектирование движителя на заданную тягу.

Несмотря на все упрощения, данный алгоритм довольно сложен в реализации. К его недостаткам также можно отнести большое количество итераций, что сильно замедляет расчет. Упростить расчет можно введением дополнительных ограничений. Например, если заранее задать /? = const, то из представленного алгоритма остаются только расчет режима ГВ, оптимизация насадки и оптимизация JIC.

Задача проектирования движителя на заданную тягу не часто является востребованной. Чаще всего проектировщик имеет в качестве исходных данных мощность двигателя. Вследствие этого встал вопрос о разработке более простого и универсального алгоритма проектирования движительного комплекса в направляющей насадке на заданную мощность. Разработанный алгоритм проектирования на заданную мощность представлен в параграфе 4. При заданной мощности можно определить коэффициент момента ГВ:

Кдо =--- • (28)

в 2л-р-п • D

Первым шагом необходимо спроектировать гребной винт на полученный коэффициент момента. В данной задаче условие (27) перепишем следующим образом:

т](н(г), /(r))-> max

Ф{Л f{r))=KQ0 (29)

а[н{г), /(г)) —> min

В первом приближении примем, что распределение осевой скорости в диске по радиусу постоянно.

Для оптимизации JIC гребного винта необходимо задать внутреннюю поступь, рассчитанную через скорость протекания жидкости внутри насадки в сечении диска ГВ. На первом этапе для расчета этой величины можно применить метод последовательных приближений.

После оптимизации ГВ на заданный коэффициент момента, как результат поверочного расчета, становиться известен коэффициент упора ГВ Кт. Пользуясь (24), вычисляется скорость на бесконечности за движителем при условии, что известны скорость судна, диаметр ГВ и число оборотов вала в секунду:

Тогда внутренняя поступь вычисляется по (26). Коэффициент расширения /? в первом приближении можно принять единицей либо другой более характерной величиной. Затем опять осуществляется оптимизация ЛС с новыми исходными данными. Расчет повторяется до сходимости задачи. Рисунок 10 иллюстрирует описанный алгоритм.

Рисунок 10. Вычисление режима работы ГВ в первом приближении.

Рисунок 11. Проектирование движительного комплекса на заданную мощность.

23

Получив эти значения, оптимизируется форма направляющей насадки. В процессе оптимизации формы направляющей насадки может измениться коэффициент расширения /9, который сильно влияет на внутреннюю поступь. Также насадка дает переменное распределение по радиусу осевой составляющей скорости в диске ГВ. Следовательно, необходимо провести еще один проектировочный расчет ГВ и насадки с новыми исходными данными. В результате нескольких итераций процесс оптимизации движителя сходится к единому оптимальному решению. Схема проектирования движительного комплекса на заданную мощность приведена на рисунке 11.

В пятом параграфе представлены примеры проектирования движителей в насадке. На рисунке 12 показана оптимизированная форма насадки и форма из ОСТ. Рисунок 13 показывает распределение давления по поверхности насадки, а рисунок 14 демонстрирует отсутствие отрыва пограничного слоя на поверхности насадки.

Рисунок 12. Сравнение исходной формы насадки (1) с оптимизированной насадкой (2).

1-Г-М Ч

л/""*-™— » п

• 1 А —|—2

Рисунок 13. Распределение давления по исходной насадке (1) и оптимизированной (2).

л

Граница облает

и отрыва

0.00 0.25 0.60 x/L 075

Рисунок 14. Формпараметры Н на исходной насадке (1) и оптимизированной (2).

1.00

В этом же параграфе описан метод определения кривых действия движительного комплекса. Пользуясь представленной теорией в первом параграфе настоящей главы можно найти зависимость при J ~ const. Поверочный расчет

ГВ в трубе позволяет определить кривые действия винта от внутренней поступи KT0{jS0). Точка пересечения этих кривых является искомой, по которой можно определить внутреннюю поступь J5] и коэффициент упора Кп на заданной внешней поступи. Для нахождения коэффициента момента ГВ и числа кавитации примем, чтоKQl = Ke(JSi), <x, = (t{Jsx)-

Для автоматизации решения стоит применить метод последовательных приближений по Ктг- Алгоритм автоматического нахождения точки пересечения кривых можно упростить. Как показывает практика кривая Km(Jso) по форме близка к прямой линии. Таким образом, решение сводится к минимизации расстояния от точки Кт (js (Ктг)) до прямой Kn(Jso)-1.8

1.6 1.4 1.2 1 0.8 О.б 0.4 0.2 О

► _

1

"-♦-♦и

•

.......2

♦ 3

• 4

0.4

О.б

0.8

1.2

1.4

Рисунок 15. Сравнения расчета кривых действия с экспериментом. 1 ЮЛТд, 3 - экспериментальный Кт, 4 - экспериментальный 10К@.

JS I*

расчетный Кт, 2 - расчетный

Экспериментальные и расчетные данные приведены на рисунке 15, где показаны момент винта и упор винта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

- Разработана методика комплексного компьютерного проектирования движителей в насадке для современных кораблей и судов, как на заданную тягу движителя, так и на требуемую мощность, по которой осуществляется одновременное комплексное проектирования ГВ и насадки. При этом не обязательно задаваться геометрией элементов движителя.

- Разработан быстродействующий метод расчета обтекания плоских и осесимметричных тел вязкой жидкостью. Данный метод позволяет определить действительное распределение давления при безотрывном и отрывном обтекании тел вязкой жидкостью; определить координаты точек отрыва турбулентного пограничного слоя на гоюхообтекаемых телах; определить гидродинамические характеристики плохообтекаемых тел при отрыве пограничного слоя. Данный метод отличается хорошей точностью, быстротой расчета и простотой в использовании, что позволяет использовать его в задачах численной оптимизации.

- Разработан метод оптимизации формы насадки в широком диапазоне режимов, вплоть до швартовного. Стандартные насадки не могут охватить весь спектр требуемых задач, и не всегда обеспечивают требуемые характеристики движителя. Новый метод позволяет определить оптимальную форму насадки под конкретные условия эксплуатации и существенно улучшить КПД и кавитационные характеристики движителя.

- Усовершенствован метод проектирования ГВ в направляющей насадке. Новый метод позволяет получать более гладкие распределения геометрии ГВ. Сделана дополнительная оптимизация по дисковому отношению с учетом сохранения прочностных характеристик.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Маринич Н. В. Определение коэффициентов взаимодействия гребного винта с гондолой - Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. Выпуск 69 (353). СПб: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2012, с. 39-46.

2. Соколов М. А., Маринич Н. В. Экспериментальное исследование особенностей гидромеханики бесступичного гребного винта, используемого в составе электродвигателя-движителя - Труды ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. Выпуск 69 (353). СПб: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 2012, с. 47-58.

3. Яковлев А. Ю. Соколов М. А., Маринич Н. В. Численное проектирование и экспериментальная проверка подруливающего устройства с кольцевым приводом

- Труды Крыловского государственного научного центра. Выпуск 73 (357). СПб: Крыловский государственный научный центр, 2013, с. 17 - 32.

4. Маринич Н. В., Калюжный В. Г. Расчет отрывного обтекания элементов движителя - Труды Крыловского государственного научного центра. Выпуск 73 (357). СПб: Крыловский государственный научный центр, 2013, с. 41 - 50.

5. Маринич Н. В. Оптимизация формы направляющей насадки - Труды Крыловского государственного научного центра. Выпуск 73 (357). СПб: Крыловский государственный научный центр, 2013, с. 51 - 62.

Прочие публикации:

6. Яковлев А. Ю. Коваль А. А. Маринич Н. В. Расчет гидродинамических характеристик тянущей винторулевой колонки - Всероссийском семинар по аэрогидродинамике: Тезисы докладов. СПб: СПбГУ, 2008, с. 91.

7. Маринич Н. В. Метод для расчета обтекания элементов движителя с учетом отрывных явлений - Материалы VII молодежной научно-технической конференции «ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ - 2009». СПб.: ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», 2009, с. 317-325.

8. Маринич Н. В. Метод расчета обтекания плоских профилей - Сборник материалов II Международной научно-практической конференции "Наука и современность - 2010". Новосибирск: "СИБПРИНТ", 2010 г., с. 356 - 363.

9. Alexey Yu. Yakovlev, Marat A. Sokolov, Nikolay V. Marinich. Numerical design and experimental verification of a RIM-driven thruster - Second International Symposium on Marine Propulsors - smp'11, Hamburg, Germany, June 2011.

10. Маринич H. В. Метод расчета характеристик взаимодействия движителя с корпусом поворотной колонки - Материалы IX молодежной научно-технической конференции «ВЗГЛЯД В БУДУЩЕЕ - 2011». СПб.: ОАО «ЦКБ МТ «Рубин»,

2011, с. 323-330.

11. Маринич Н. В. Оптимизация формы насадки судового движителя -Материалы III международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск: БГТУ ,2011.

12. Маринич Н. В. Обтекание элементов движителя турбулентным потоком с учетом отрывных явлений - Материалы IX Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ'2012), Алушта. - М.: Изд-во МАИ, 2012 г., с. 249-251.

13. М. A. Sokolov, N. V. Marinich. Experimental study on hydromechanic properties of hubless propeller in RIM-drive propulsion system - X International Conference on Hydrodynamics ICHD-2012, St.-Petersburg, Russia, Vol. 1, 2012, pp. 110-115.

14. Alexey Yu. Yakovlev, Anna G. Lobova, Nikolay V. Marinich. The Method of flowing surface optimization based on BEM calculation and its practical application - X International Conference on Hydrodynamics ICHD-2012, St.-Petersburg, Russia, Vol. 2,

2012, pp. 25-32.