автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Теория взаимодействия гребного винта со льдом. Обеспечение эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания и ледоколов

На правах рукописи

Андрюшин Александр Владиславович

Теория взаимодействия гребного винта со льдом. Обеспечение эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания и ледоколов

Специальность 05. 08. 01 - Теория корабля и строительная механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2007

003053034

Работа выполнена в ФГУП "Российский морской регистр судоходства" (РС, Регистр).

(Служба классификации, экспертизы проектов и нормативной деятельности, отдел механического оборудования и систем-009 (СМ))

Официальные оппоненты'

Д.т.н., профессор Ачкинадзе Александр Шамилевич

Д.т.н. Ионов Борис Петрович

Д.ф-м.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ Шхинек Карл Натанович

Ведущая организация- ОАО Центральное конструкторское бюро "Айсберг"(ОАО ЦКБ "Айсберг")

Защита состоится 24 апреля 2007г. на заседании диссертационного совета

Д.212.228.01 при ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский Государственный Морской

технический университет", 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью учреждения, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ

Автореферат разослан

" " Р£ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета дт.н., профессор

г^-^ ' А И Гайкович

Общая характеристика работы

Актуальность. Нефть и газ являются стратегическими видами сырья, которые необходимы для развития современной промышленности Наличие значительных запасов органического топлива на арктическом шельфе и шельфе замерзающих морей России определяет повышенный интерес к их освоению Решение этой важной хозяйственной проблемы невозможно без ледокольного флота, оснащенного современными судами ледового плавания (СЛП) и ледоколами (JIK) Кроме этого, ледокольный флот является основным транспортным средством для трассы Северный Морской путь, а также для обеспечения жизнедеятельности районов Крайнего Севера.

Обеспечение прочности пропульсивных комплексов судов ледового плавания и ледоколов является одной из главных проблем арктического судоходства и ледокольного судостроения Это определяется высоким уровнем ледовых нагрузок, воздействующих на их элементы при эксплуатации в ледовых условиях Безаварийная работа пропульсивного комплекса определяет экономическую эффективность и безопасность эксплуатации судна

До середины 90-х годов прошлого века СЛП и Ж в основном оборудовались традиционной пропульсивной системой (ПС): олкрьпый ледокольный гребной винт (ЛГВ) фиксированного шага -валопровод - электродвигатель - главный двигатель. В настоящее время для повышения эксплуатационной эффективности на СЛП и Ж устанавливаются современные пропульсивные комплексы (ПК) - вингорулевые колонки (ВРК) с винтами регулируемого и фиксированного шага (ВРШ, ВФШ) Указанные ПК соединяют в себе функции ПС и рулевого устройства Проблема обеспечения прочности ПК обостряется для современных ледокольных судов, включая суда двойного действия (DAT) с ВРК В ледовых условиях движение DAT осуществляется кормой вперед что приводит к снижению ледового сопротивления и повышению эксплуатационной эффективности В этом случае ВРК работает как носовой ПК, что приводит к увеличению интенсивности воздействия эксплуатационных ледовых нагрузок на его элементы в сравнении с традиционной ПС

ЛГВ является одним из основных элементов ПС (ПК) Ледовые нагрузки на лопастях ЛГВ и их прочные размеры определяют эксплуатационную прочность всех других элементов ПС При эксплуатации во льдах ЛГВ взаимодействует со льдом. Переменные ледовые нагрузки от гребного винта передаются на элеменш валопровода, что обуславливает их вынужденные крутильные и продольные колебания, на механизм изменения шага (МИШ) и т.д. Ледовые нагрузки в несколько раз превышают соответствующие гидродинамические при эксплуатации на чистой воде и являются определяющими для назначения прочных размеров ЛГВ и других основных элементов ПС.

Методы расчета прочности ЛГВ начали развиваться с середины 60-х годов прошлого века В эти годы М А Игнатьевым, В Я Ягодкиным, С В Яконовским, Ф М Кацманом были разработаны расчетные схемы и нормативные требования PC к прочности ЛГВ и других элементов ПС. Требования PC, разработанные Ф М. Кацманом для ЛГВ, до сих пор остаются действующими

Расчетная схема MA Игнатьева положена в основу действующих требований Норвежского классификационного общества (DNV) и Морской Администрации Финляндии. Указанные расчетные схемы и действующие требования Классификационных Обществ (КО), Морских Администраций (MA) к прочным размерам ЛГВ основаны на статической прочности Например, в действующих требованиях PC прочные размеры лопастей ЛГВ назначаются из условия обеспечения статической прочности от воздействия гидродинамического изгибающего момента. Учет ледовых нагрузок осуществляется в виде коэффициентов, полученных на основе анализа предшествующего опыта эксплуатации традиционных ПС В настоящее время автором и другими исследователями показано, что прочные размеры ЛГВ должны назначаться из условия совместного обеспечения усталостной и сташческой прочности от воздействия ледовых нагрузок Для стальных лопастей ЛГВ усталость является определяющим фактором при решении этой проблемы Недооценка усталостной прочности была основной причиной многочисленных поломок лопастей ЛГВ ледоколов типа "Арктика". Поэтому существующие требования не могут быть применены к ЛГВ современных судов, обеспечение безопасности которых выходит за рамки предыдущего опыта эксплуатации и проектирования, например к судам DAT, для которых характерно увеличение интенсивности воздействия льда на ЛГВ, и требуется его дополнительное подкрепление из условия обеспечения усталостной прочности.

Необходимость разработки новых требований к прочности ЛГВ и других элементов ПК (ПС) привела к интенсификации исследований ледовых нагрузок в России, Канаде, Финляндии, США и других странах В середине 80-х годов прошлого века наибольшие успехи в этой области были достигнуты в России в ЦНИИ им акад. АН Крылова, ГМА им адм СО Макарова (В А. Беляшов, ЮН Алексеев, ВС. Шпаков, В А Меркулов, Е.М Пасуманский, ОН Беззубик и др) В А Беляшовым были исследованы основные механизмы разрушения льда при взаимодействии лопастей ЛГВ со льдом, разработана детерминированная расчетная схема определения средних ледовых давлений в зоне контакта лопасти со льдом и интегральных ледовых нагрузок на лопастях. Выполнены натурные измерения эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ и в ПС При участии автора и под его руководством (в период работы в ЦНИИ им акад. АН Крылова) разрабатывались методы прогнозирования ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний в ледовом опытовом бассейне Аналогичные исследования выполняются в Канаде, Финляндии, США (В Veitch, N. Bose, Р Koskinen, MJussiIa, H Sominen и др) Однако, в отношении прочности ЛГВ указанные исследования не были доведены до практических методик и разработки новых требований До решений, предложенных автором, оставался открытым вопрос о распределении ледового давления в зоне контакта лопасти со льдом в зависимости от формы ее профиля и параметров взаимодействия со льдом Решение этой задачи необходимо для расчета местной и общей прочности лопастей ЛГВ Дтя обеспечения усталостной и статической прочности ЛГВ и других элементов ПС требуется определение интенсивности эксплуатационных ледовых нагрузок (частота

воздействия и вероятностное распределение значений) на J11 В в зависимости от ледовой категории судна, расположения ПК и основных характеристик J11В Комплексное решение этой проблемы на базе как натурных, так и модельных испытаний с учетом результатов исследований ЦНИИ им акад. А.Н Крылова (В А. Меркулов, Е М Пасуманский) и Научно-технического центра Финляндии VTT (Р Koskinen, М Jussila) было получено автором

При эксплуатации во льдах СЛП и ЛК должна быть обеспечена шфамидальная прочность ПК (ПС), те поломка лопасти ЛГВ не должна приводить к повреждению других элементов ПК (ПС) в потоке силовых линий (элементов МИШ ВРШ, гребного вала, упорного подшипника, элементов крепления лопасти ЛГВ к ступице и ВРК к корпусу и т д.) В этом случае аварийная сшуация может быть устранена в море путем замены лопасти. Расчетная нагрузка для обеспечения принципа пирамидальной прочности соответствует предельной силе поломки лопасти Однако, в действующих правилах PC требование к значению этой силы отсутствует Требования к пирамидальной прочности элементов МИШ ВРШ ограничены условием не превышения напряжений, обусловленных поломкой лопасти, пределом текучести Данный критерий, как показывает опыт эксплуатации, является недостаточным, так как согласно современным исследованиям пирамидальная прочность элементов ПК определяется упругопластической деформацией в зонах концентрации напряжений, что определяет необходимость разработки требований к соответствующим допустимым значениям Отсутствие научно обоснованных требований к пирамидальной прочности послужило одной из основных причин поломок МИШ ВРШ и ВРК на современных ледокольных танкерах и буксирах. При обеспечении надежности элементов ПК дополнительно к пирамидальной прочности необходимо учитывать усталость от циклических ледовых нагрузок.

Учитывая актуальность проблемы, Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) также ведутся интенсивные исследования по разработке Унифицированных требований (УТ) МАКО к механическим установкам полярных судов Однако, в настоящее время они не завершены по различным причинам В рамках УТ МАКО не решена основная задача - разработка требований к ЛГВ и другим элементам ПС ю условия обеспечения усталостной прочности.

Принимая во внимание изложенное, можно констатировать, что существующие расчетные методы, действующие требования Классификационных Обществ и Морских Администраций к эксплуатационной прочности ЛГВ и других элементов ПК (ПС) ледокольных судов не удовлетворяют современным требованиям проектирования и эксплуатации Необходима разработка новых требований PC к прочности ПК (ПС) для ЛК, СЛП и, в первую очередь, к их основному элементу - ЛГВ

Учитывая изложенное, целью настоящей работы является решение крупной научной проблемы по обеспечению безопасной эксплуатации ПК современных ледокольных судов Ее решение сводится к разработке теории взаимодействия гребного винта со льдам, включающей теоретические и экспериментальные методы определения ледовых нагрузок на ЛГВ, и методов

обеспечения на ее основе эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса Решение поставленной проблемы требует рассмотрения следующих задач исследования, сформулированных на основе анализа опыта эксплуатации и существующих методов обеспечения прочности ПК (ПС) ледокольных судов:

- аналща опыта эксплуатации ЛГВ в ледовых условиях анализа повреждений и разработки основных подходов к обеспечению эксплуатационной прочности элементов ПК,

- исследования механщмов взаимодействия лопастей гребных винтов со льдом,

- анализа результатов натурных испытаний по измерению ледовых нагрузок на ЛГВ и исследования их основных закономерностей,

- разработки расчетных методов определения контактных давлений в зоне взаимодействия лопастей со льдом для расчетов местной прочности их кромок, назначения интегральных ледовых нагрузок наЛГВ и расчетов прочности элементов ПК,

- разработки методов определения ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний в ледовом опыговом бассейне (ЛОБ) для отработки ПК и обеспечения эксплуатационной прочности его элементов на стадии проектирования,

- разработки вероятностно-статистической модели эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ для расчетов усталосшой и статической прочности элементов ПК,

- исследования напряженного состояния лопастей ЛГВ под действием ледовых нагрузок;

- разработки методов обеспечения усталостной и статической прочности лопастей ЛГВ,

- разработки метода назначения предельной силы поломки лопасти для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК СЛП и ЛК,

- разрабспки критериев прочности элементов ПК (элемент МИШ ВРШ, креплений лопасти к ступице и ВРК к корпусу и тд) при упругопласшческом деформировании в зонах концентрации напряжений от воздействия предельной силы поломки лопасти,

- разработки методов обеспечения усталостной и пирамидальной прочности элементов ПК.

Указанные задачи являются взаимосвязанными и при рассмотрении одной из них необходимо учитывать другие

Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования: методов математической статистики, теории вероятности и случайных процессов, регрессионного анализа, методов сопротивления материалов, а также правила линейного суммирования Майнера для оценки усталостной прочности Научная новизна и основные научные результаты работы Лично автором'

1 Выполнен комплексный анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации ледокольных ПК, включая натурные данные по ледовым нагрузкам на ЛГВ и ресурсу его лопастей Результаты аналща были использованы для разработки методов обеспечения прочности элементов ПК

2 Разработана теория взаимодействия ЛГВ со льдом, включающая теоретические и экспериментальные методы определения и исследования ледовых нагрузок с целью обеспечения прочности элементов ПК В рамках этой теории:

2.1 выявлены основные закономерности механизмов взаимодействия гребных винтов со льдом Разработана уточненная схема взаимодействия лопастей ЛГВ со льдом, основанная на модели вязкого ледового слоя Объяснен феномен независимости ледовых нагрузок на лопастях от скорости их врезания в лед Предложены решения по определению контактного ледового давления в зоне взаимодействия лопасти со льдом,

2.2 разработаны методики определения эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний ЛГВ на режимах фрезерования льда и самоходных моделей в ледовом опытовом бассейне,

2.3 созданы вероятностно-статистические модели ледовых нагрузок на ЛГВ и методы назначения их параметров для расчета усталостной и статической прочности элементов ПК

3. Разработаны новые методы обеспечения эксплуатационной прочности ЛГВ и других элементов ПК от воздействия ледовых нагрузок В рамках этой проблемы разработаны и получены.

3.1 методики оценки напряженного состояния корневых сечений лопастей ЛГВ и назначения их прочных размеров от совместного воздействия изгибающего и скручивающего лопасть ледовых моментов Методы назначения прочных размеров периферийных сечений лопастей ЛГВ и их кромок;

3.2 методика определения допустимых напряжений для назначения прочных размеров лопастей ЛГВ ю совместного обеспечения усталостной и статической прочности Усталость является определяющим фактором для назначения толщин стальных ЛГВ Прочные размеры ЛГВ из высококачественных бронзовых сплавов (типа NIAL) определяются статической прочностью Разработан метод учета дробеструйного упрочнения поверхности лопастей для улучшения их усталостной прочности. Разработанные методы позволяют снизшъ прочные размеры ЛГВ, что улучшает его к.п.д, имеет положительный эффект для обеспечения пирамидальной прочности и снижения весогабаригных характеристик ПК Разработанные методики не имеют мировых аналогов и могут быть применены для назначения прочных размеров ЛГВ судов нового типа - DAT,

3J критерий для оценки критической деформации материала, соответствующей его разрушению, в зависимости от предела текучести, удлинения, ударной вязкости и характерной толщины лопасти, элемента ПК Критерий использован для назначения предельной силы поломки лопасти и для обеспечения прочности элементов ПК (ПС) при упругопласгическом деформировании в зонах концентрации налряжешш,

3.4 вероятостно-стагисгические методы оценки максимальных и минимальных значений прочностных характеристик материала отливок ЛГВ и элементов ПК для назначения предельной силы поломки лопает и обеспечения прочности элементов ПК при упругопласгическом деформгфовании, 35 метод назначения предельной силы поломки лопасти ЛГВ от воздействия скручивающего и изгибающего ледовых моментов для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК,

3.6 метода обеспечения усталостной и пирамидальной прочности элементов ПК (элементы МИШ ВРШ, элементы крепления лопасти к ступице и ВРК к корпусу и т д)

Практическая ценность работы связана с внедрением новой комплексной методологии обеспечения ледовой прочности гребных винтов и других элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания (СЛП) и ледоколов (ЛК) Разработанная комплексная методология согласована с практикой проектирования и эксплуатации и позволяет на научной основе обеспечивать безопасность плаванияЛКи СЛП в тяжелых ледовых условиях. На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Результаты анализа отечественного и зарубежного опыта эксплуатации J11В как главного элемента ПС и ПК Комплексный вероятноспю-статисгаческий анализ ресурса лопастей ЛГВ

2. Теория взаимодействия ЛГВ со льдом д ля обеспечения прочности элементов ПК, включающая 2.1 результаты исследования и анализа механизмов разрушения льда ЛГВ Разработанный на их основе метод определения контактного ледового давления в зоне взаимодействия лопасти со льдом для расчета прочности лопастей ЛГВ и других элементов ПК (ПС),

22 вероятностно-статистические модели ледовых нагрузок на ЛГВ и методы назначения их параметров для обеспечения усталосшой и статической прочности ЛГВ и других элементов ПК (ПС);

23 Методики определения ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний на режимах фрезерования льда и самоходных моделей в ледовом опытовом бассейне

3 Методы обеспечения прочности элементов ПК Ж и СЛП:

3.1 Методы назначения прочных размеров лопастей ЛГВ из условия усталостной и статической прочности, включая'

- аналитические методы оценки напряженного состояния корневых и периферийных сечений лопастей ЛГВ от совместного воздействия изгибающего и скручивающего лопасть ледовых моментов,

- метод назначения допустимых напряжений из условия усталостной и статической прочности.

Разработанные методы назначения прочных размеров лопастей распространяются на все ледокольные ПК, включая носовые ВРК для современных судов ледового плавания типа DAT;

3.2 метод (критерий) определения кршической деформации материала, соответствующей его разрушению, для назначения предельной силы поломки лопасти и обеспечения прочности элементов ПК в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании,

33 методы вероятностно-статистического анализа максимальных и минимальных значений прочность к характеристик материала винтовых отливок и элементов пропульсивного комплекса для назначения предельной силы поломки лопасти и обеспечения прочности элементов ПК при упругопластическом деформировании в зонах концентрации напряжений,

3.4 метод назначения предельной силы поломки лопасти ЛГВ от совместного воздействия изгибающего и скручивающего моментов для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК (ПС),

3.5 методы обеспечения усталостной и пирамидальной прочности элементов ПК (элементов МИШ, элементов крепления лопастей ЛГВ к ступице и ВРК к корпусу и тд)

Внедрение результатов работы.

На основании полученных результатов подготовлены проекты новых требований Правил классификации и постройки морских судов PC: к лопастям гребных винтов СЛП категорий ЛУ4-ЛУ9 и ЛК категорий ЛЛ6-ЛЛ9; к ступице и деталям крепления лопастей; к механизму изменения шага для гребных винтов судов с ледовыми усилениями и ледоколов; к прочности основных элементов главных ВРК с учетом характерного размера элемента (детали), вязкопласпиеских характеристик материала, а также концентрации напряжений

Проекш представлены в книгах 12 и 13 Нормативно-методических материалов PC, выпуск 2004г. Проекты использованы для формирования позиции PC на международном уровне в рамках:

- проекта "ARCOP"- "Исследование в рамках Европейской Комиссии морской транспортировки углеводородного сырья, добываемого в северных регионах России, в страны Западной Европы",

- разработки унифицированных требований (УТ) МАКО к механическим установкам полярных судов

В настоящее время результаты работы и проект требований использовались и используются три проектировании и одобрении технической документации на современные ПК, предназначенные для:

1 Портового ледокола ARC 0 455 с ледовыми усилениями категории ЛЛ6 Мощность 2 * (3000 КВт). Проект и гфоизводство концерна "Rolls-Royce". ВРК ледокола оборудована ВРШ;

2 Портового буксира "Приморск" с ледовыми усилениями категории ЛУ5 Мощность 2 * (1980 КВт) Проект и производство фирмы "Shottel" ВРК буксира оборудована ВРШ;

3 Арктического судна двойного действия с ледовыми усилениями категории ЛУ7 Мощность

1 * (13300 КВт) Проект концерна "ABB". ВРК судна оборудована ВФШ;

4 Арктического крупнотоннажного танкера с ледовыми усилениями категории ЛУ6, предназначенного для вывоза нефти с терминала "Варавдей" "Печорского" моря Мощность

2 * (8500 КВт) Проект и производство концерна "ABB". ВРК ледокола оборудована ВФШ;

5 Балтийского ледокола категории ЛЛ6 Мощность 2* (8000 КВт) Проект компании "Steerpprop". ВРК оборудована ВФШ

Апробация работы. Результаты и основные части работы докладывались и обсуждались: - на российских и международных научно-технических конференциях конференции "Крыловские чтения" (1989, 1991, 1993, 1997, 1999, 2003, 2006 гг); "Проблемы продления навигации", 1991 г, Нижний Новгород; РОАС-93, 1993 г, Гамбург; "Освоение шельфа арктических морей России", 1993 г, Санкт-Петербург (РАО'93); "Lavrenbev Lectures", 2001 г., Санкт-Петербург; "Гидрометеорологическое обеспечение хозяйственной деятельности в Арктике и замерзающих морях", 2002 г, ААНИИ, Санкт-Петербург; вторая и третья международные конференции по судостроению ISC (1998 и 2002гг., Санкт-Петербург, ЦНИИ им акад. А.Н. Крылова); международные конференции "Нева" (2003 и 2005 гг, Санкт-Петербург);

- на совещаниях между PC и фирмами - производителями пропульсивных систем и комплексов ("ABB", "RollsRoyce", "Shottel")-,

- на рабочей группе МАКО по разработке УТ к механическим установкам полярных судов;

- на рабочих группах международного проекта Европейской Комиссии GRD2/2000/30I12-S07/16174 "ARCOP " (Arctic Operational Platform) в 2004 и 2005 it.

Разработанные в рамках диссертации проеюы требований к прочности J11В и других элементов ПК получили положительную оценку концерна "Rolls-Royce" в 2004 г.

Публикации. Содержание работы отражено в:

- 49 научно-технических работах автора, ю них статей - 29, параграф в монографии-1, тезисов докладов-14, оборников нормативно-методических материалов Российского морского регистра судоходства -3, патентов РФ-2 В соавторстве 33 работы (авторский вклад 80%) и два патента. В ведущих рецгнзцтуемых щданиях Российской Федерации, входящих в Перечень ВАК, -5 работ(в соавторстве -1, авторский вклад 80%), Дополнительно:

- 21-м техническом документе (отчете) PC, подготовленных в рамках разработай унифицированных требований МАКО к механическим установкам полярных судов (автор -90%);

- 2-х отчетах PC для проекта Европейской Комиссии GRD272000/30112-S07/16174 "ARCOP" по исследованию морской транспортировки углеводородного сырья, добываемого в северных регионах России, в страны Западной Европы, 2003-2004 гг (автор - 80% и 90%);

- техническом отчете PC по контракту 323/2005 с «НарьянМарнефтегаз» по отработке ледокольного танкера двойного действия для вывоза нефти с терминала "Варандей", 2005 г. (автор -90%);;

-21-м научно-техническом отчете ЦНИИ им акад АН Крылова (в период работы автора в ЦНИИ им акад А Н. Крылова)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 254 страниц текста (с 51 таблицами и 122 рисунками) Список литературы состоит из 145 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение и разработка основных подходов к назначению прочных размеров пропульсивных комплексов судов ледового плавания и ледоколов посвящены обоснованию актуальности выбранного направления рабош - обеспечение прочности гребных винтов и других элементов ПК (ПС) ледоколов и судов ледового плавания, разработка соответствующих нормативных требований. При эксплуатации во льдах ледовые нагрузки, воздействующие на JU B и другие элеменгы ПК, являются определяющими для обеспечения их прочности. Основным элементом ПК (ПС) является J11В Прочные размеры (толщины) лопастей ЛГВ должны назначаться из совместного обеспечения усталостной и статической прочности. Прочные размеры других элементов ПК (ПС), лежащих в потоке силовых линий (элементы МИШ, гребной вал, упорные подшипники и т.д.), определяются пирамидальной и усталостной прочностью Действующие требования классификационных обществ к ЛГВ основаны на статической прочности. Необходимые подкрепления от ледовых нагрузок учитываются в виде эмпирических коэффициентов, разработанных на основе предыдущего опыта

эксплуатации. Требования к пирамидальной прочности в правилах PC носят рамочный характер без нормирования предельной силы поломки лопасти. Такие подходы не соответствуют современным требованиям проектирования Таким образом, необходима разработка новых методов и требований по обеспечению статической и усталостной прочности J11В и других элементов ПК СЛП и ЛК от воздействия ледовых нагрузок. В первую очередь, такие требования должны был. разработаны к ЛГВ, как основному алемешу ПК Дополнительно необходимо обеспечение пирамидальной прочности ПК. Комплексное решение указанных задач, представляющих крупную научную проблему, является основной целью работы

В первой главе представлены результаты аналша опыта эксплуатации J11 В. основные подходы к обеспечению их прочности и прочности других элементов ПК Разработка новых требований к прочности элементов ПК должна выполняться с учетом тенденций развитая современного ледокольного флота, особенностей эксплуатации и конструктивных типов судов, поэтому в разделе 11 выполнен анализ перспектив развития ПК и ПС для СЛП и ЛК Разрабспка требований к ЛГВ современных ледокольных судов должна учигывап> особенности их эксплуатации (например, увеличение времени воздействия льда на носовые гребные виты судов типа DAT) Однако, такая работа невозможна и без учета предшествующего опыта эксплуатации ЛГВ В разделе 12 выполнен анализ аварийности ЛГВ при эксплуатации СЛП и Ж в ледовых условиях канадского шельфа и на трассе Северного Морского пут. На основе выполненного аналша получены следующие результаты и выводы:

- при эксплуатации во льдах характерным типом повреждения ЛГВ из высокопрочных бронзовых сплавов (типа NIAL) является деформация (изгиб) лопасти или ее потеря (разделение на две части) в силу нарушения статической прочности при взаимодействии со льдом Наиболее подвержены поломкам кромки и периферийные сечения Усталостные поломки не характерны для ЛГВ из современных винтовых бронз;

- для стальных ЛГВ поломки обусловлены потерей статической и усталостной прочности, при этом усталость является определяющим фактором Как правило, усталостная трещина возникает на засасывающей стороне корневого сечения лопасти в районе входящей кромки;

- для российских Ж среднее время наработки (средний ресурс) стальных лопастей бортовых ЛГВ между усталостными повреждениями составляет около 5 лет Для средних -14 лет. Увеличение ресурса среднего ЛГВ в сравнении с бортовым обусловлено уменьшением ледовых нагрузок и времени взаимодействия ЛГВ со льдом, чш подтверждает усталостную природу рассматриваемых повреждений Такой низкий ресурс не соответствует современным требованиям эксплуатации По нормам безопасности морских конструкций минимальный ресурс лопастей должен соответствовать сроку службы судна (20-25 календарных лет) с обеспеченностью 0 999;

- прочные размеры ЛГВ в общем случае должны назначаться исходя из условия совместного обеспечения усталостной и статической прочности. Такая методика впервые предложена автором, и ее

разработка является одной из приоритетных задач для обеспечения безаварийной эксплуатации ЛГВ и других элементов ПК СЛП и Ж (анализ существующих методов и действующих требований классификационных обществ для назначения прочных размеров ЛГВ выполнен в разделе 13 диссертации;

- для обеспечения надежной работы ПК необходимо учитывать возможность возникновения нерасчетных режимов ЛГВ со льдом, когда уровень ледовых нагрузок так высок, что обеспечить прочность лопасти в рамках традиционно сложившихся требований к пропульсивным характеристикам не удается В этом случае для обеспечения прочности элементов ПК должен быть реализован принцип пирамидальной прочности Для арктических ЛК средняя частота поломок (средний ресурс лопастей) лопастей бортовых ЛГВ на нерасчетных режимах составляет около 9 календарных лег Вероятность повреждения среднего ЛГВ мала Для российских транспортных СЛП арктического плавания на трассе СМП указанная величина приблизительно равна 40 календарным годам Полученные оценки среднего ресурса могут быть использованы для назначения количества запасных лопастей и гребных винтов;

- для СЛП и ЛК на нерасчетных режимах частота поломок бортовых ЛГВ значительно выше, чем средних. В этом отношении надежность двухвального ПК может быть значительно ниже, чем одновального Последнее необходимо учитывать при компоновке ледокольных ПК

В разделе 1 2 2 представлены основные результаты анализа опыта эксплуатации ВРШ и ВРК в ледовых условиях. Основными причинами поломок ВРШ и ВРК в ледовых условиях являются

- недооценка ледовых нагрузок, определенных из условия обеспечения усталостной и статической прочности;

-недооценка нагрузок, определенных из условия обеспечения пирамидальной прочности;

-ошибки в расчетах прочности,

- некачественное изготовление элементов МИШ ВРШ и ВРК

До настоящего времени комплексное решение указанных задач отсутствовало Поэтому разработка соответствующих методов по обеспечению прочности элементов ВРШ (ВРК) была одной из основных целей диссертационной работы

В разделе 14 на основе анализа опыта эксплуатации ЛГВ, перспектив развитая ПК, анализа существующих расчетных схем и требований классификационных обществ выполнена постановка задач исследований по обеспечению прочности ЛГВ и других элементов ПК, разработаны основные подходы к их решению (см раздел "актуальность" автореферата).

Вторая глава посвящена разработке требований к прочности лопастей Л1 Ы судов активного ледового плавания и ледоколов Решение этой задачи включает определение вероягаостно-сишстческих параметров ледовых нагрузок для расчета усталостной и статической прочности, анализ напряженного состояния лопастей под действием ледовых нагрузок; определение допустимых напряжений.

Ледовые нагрузки для назначения прочных размеров лопастей ЛГВ рассмотрены в разделе 2.1, Параметры ледовьсс нау^гзок определялись на базе комплексного анализа натурных и модельных испытаний (см. разделы 2.1.3, 2.1.4 диссертации) и теоретических исследований (см. раздел 2.1.2 диссертации), R начале раздела 2.1 рассмотрены основные подходы к их назначению, й качестве основного расчетног о режима для их определения принимается режим фрезерования льда, когда угол

згакн пр(х|>нля лопасти а(г) > 0, г - радиус сечения (профиля) лопасти, (см. рис. 1). Такой подход

является общепризнанным и положен в основу УТ МАКО. На режиме реверса, когда а{г) < 0, возможен Ефямой удар ("плашмя") обломка льдины о поверхность лопает При движении судна с остановленными ЛГВ может иронюйш навал льда на лопасть Указанные режимы рассматриваются как нерасчетные Ледовая сила, воздействующая на лопасть, так велика, что обеспечить се сохранность не удается. В 7пк случаях должен быть обеспечен принцип пирамидальной прочное™.

На расчетных режимах фрезерования эксгитушагхионньге ледовые силы на лопасти могут бьгть положительными и отрицательными Огришге.и.ные яалравлслы противоположно гидродинамическому упору и приложены к входящей кромке лопасти ЛГВ. Положительные силы обусловлены, в основном, взаимодействием периферийных сечений лопастей со льдом и приложены к их цеггтру. Отрицательная кромочная ледовая сила h]c~ является определяющей для назначения прочных размеров лопастей ЛГВ, так как вызывает вогтействие на лопасть ишюаюшего

и скручивающего, моментов

Для лопастей ЛГВ величина Qvml соизмерима с Момеггг Q^ приводит к стесненному кручению корневых сечений и обуславливает появление дополнительных касательных и нормальных напряжении дегпанации (нормальггых напряжений от стесненного кр>чения), Последние могу г превосходить нормальные напряжения ст изпгба В этом случае точка максимального расшивающего напряжения лежит на засасывающей стороне корневого сечения около входящей кромки, что подтверждается опытом эксплуатации: усталостные трещиггы возникают именно в этом районе Полому при определении прочных размеров лопастей необходимо уштывтпь одновременно j и Q^j от воздействия Flcc~. Для режимов

Рис. 1 Взаимодействие врвфя in гребного пинта со льдам на режиме фрезерования льда: ог(л) - утл атаки I ikv:i',knit'. <;\г) - шаговый угол; г -

радиус селении (ирофн:]ч) допасти требногр винта, -

■ikLts' п.и'я скеростъ .пкднны: 2 лгп - окружная скорость ■ цюфшя: п - частота крлнкгшя гребною винта, VmI- скорость юаимолсиствия профиля со льдом.

фрезерования угол атаки лопасти является одним из основных параме|ров. определяющих уровни ледовых нагрузок.

Частота и уровень ледовых нагрузок на ЛГВ являются случайными. Поэтому назначение прочных размеров ЛГВ и других элементе ПК требует определения их вероятностно-статистических параметров (экстремально-возможного значения, чакона распределения, времени кзаимодейсшш зребного винта со льдом) в зависимое™ от ледового усиления судна, расположения сребного вита, его основных характеристик и парамтров взаимодействия со льдом. Статистическая информация 1ю ледовым нагрузкам может быль получена на основе натурных испытаний. На стадии отработки проезла судна наиболее лочш указанная шк}х)рмаш1я может быть получена по результатам модельных испытаний в ледовом опытовом бассейне, чго требует разработки методов пересчета модельных нагрузок на натурный масштаб. Решение этой задачи является основой для построения модели ледовых нагрузок в функции от характерного размера гребного вшт (диаметр), скорости врезана лопастей в лсд. прочности льда На основе анализа натурных и модельных данных, с учетом результатов теоретического анализа, в работе исследованы основные закономерности ледовых нагрузок. Ршрабаганы и представлены предлонгазия по назначению их расчетных з!1ачений для обеспечения прочности ЛПЗ и других 'элементов ПК (см. ниже)

В разладе 2.1.2 разраб(лана уточненная расчетная модель взаимодействия 1[рофцля логасти ЛГВ со льдом, основанная на гидродинамической модели вшеснения вязкого ледового слоя (порошка), позволяющая определяв распределение ШХПЖШОП) ледового давления р1СГ в зоне взаимодействия лопасти со льдом. Модель разработа14а на базе исследований В.А. Беляшом Д Д Хейсити, Н. ^еипшеп, В. \'с11с11 и Е, М. Апполонова С\ема внедрения профиля в лед и процесс выдавливают! поронпса, как вязкого слоя, представлены на рис. 2,3. Дм определения рш предложен метод оценки толщины слоя порошка и его <|юрмы. С этой целыо расчетная модель дополнена уьювием неразрывности - условием равенспза массы выдавливагмого ледового порошка и разрушаемого льда н райсик (юсика профили

Рис. } Схеми вытеснения тедое/ко порошка: р1се - вжтактное ледовое давление нормальное к поверх) кхли профит: гк, - кацпелыюе ледовое напряжение; Ь1се - тали (нш ледовою спой ,

Рис. 2 Взаимодействие профиля со льдач: I - зона смятия; 2 - ледовый порошок, 3 - элемент скопа, - харакгершлй размер юны смятия

Характерный размер зоны разрушенного льда (зона емяшя 1 на рис 2) 1,се и его масса определялись т основе линейной механики разрушения Величина контактных давлений р,се не зависит от скорости врезания лопасти в лед что обусловлено обратно nponopi оюналы юй зависимостью вязкости ледового порошка от скорости врезания. Последнее экспериментально показано D Fmn. В зоне смяли (см зону смяшя 1 на рис 2) контактов давление принимался постоянным. В зоне выдавливания гюрошка(см зону2нарис 2) контактное давление не является постоянным По разработанной методике были выполнены поверочные расчеты кошакшого ледового давления р,„ для засасывающей поверхности инденгора, для которого Н Sominen измерены надурные значения р1се при резании льда.

Расчетные и экспериментально полученные значения р,„ для зоны вытеснения ледового порошка представлены на рис. 4. Степень их согласования является достаточной для выполнения практических расчетов р1Се с целью обеспечения прочности кромок лопастей. Численные исследования показали, что форма профиля слабо влияет на распределение р,се.

Результаты анализа натурных испытаний по определению ледовых нагрузок на лопастях ЛГВ и на гребных валах ЛК и СЛП представлены в разделе 2 13 диссертации. В работе выполнен анализ натурных данных по теюометрированию лопастей ЛГВ ледокольного судна "Güdingen" и бортового ВРШ ледокола "Polar Star", которые были переданы PC в рамках разработки УТ МАКО Дополнительно выполнен анализ ледовых нагрузок на гребных валах ЛК типа "Аркгака". В проведении натурных испытаний Ж типа "Арюика" в 1983 и 1986 гг автор принимал непосредственное участие Обработка последних данных для определения ледовых нагрузок на ЛГВ выполнялась с учетом динамических колебаний по методикам, разработанным в ЦНИИ им акад. А.Н Крылова В рамках анализа ледовых нагрузок (Flce~, QbenJ, ßvm/) выполнено исследование их основных свойств и закономерностей, учет которых необход им три назначении прочных размеров ЛГВ

Для исследования ледовых нагрузок на ЛГВ в работе были использованы результаты модельных испытаний в ледовом опытовом бассейне ЦНИИ им акад А Н Крылова (раздел 214 диссертации) Указанные работы выполнялись автором, под его руководством и при его непосредственном участии (в период работы в ЦНИИ им акад АН Крылова) На рис 5 представлена схема испытания модели гребного винта в режиме фрезерования льда На рис 6

Рис. 4 Ледовое контактное давление р1се для засасывающей поверхности имдентора в зоне вытеснения ледового порошка.

представлен процесс взаимодействия ЛГВ в насадке со льдом мри проведении самоходньтх испытаний модели арктического ЛК.

На основании выполненных экспериментальных исследований разрабшаны методики определения жсплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам испытаний модетей :ребных винтов на режимах фрезерования льда и самоходных моделей ледокольных судов в ледовом опьгговом бассейне (метод пересчета ледовых нагрузок на ЛГВ с модельного масштаба на натурный, методики проведения модельных испытаний для оценки интенсивности ледовых нагрузок).

f/Puc. 5 Схема испытаний модели гребного винта в ледовом онитовом бассейне ЦНИИ и.», акад. Л*1 6 Б**яро*»ак насшЬи .йичхичи.ида

А.Н. Крылоеа в режиме фрезерования ,»<*в. (модема* иаятвшя>

Разработанные методы модельного эксперимента имевл важное практическое значение, так как дают возможность выполнить оценку интенсивности ледовых нагрузок на элементы ПК (ПС) применительно к конкретному судну в зависимое:« от индивидуальных особенностей конструкции ПК. корпуса и эксплуатационных условий. В рамках отработки указанных методик выполнено исследование влияния па ИНТЕНСИВНОСТЬ ледовых нагрузок следующих факторов: прочностных характеристик льда: скорости врезания лопастей в лед; масштабного эффекта обусловленного неолновременноегью разрушения льда вдоль лопасти; расположения ЛГВ и насадки.

На основании лшрйпяюш иссяедовявш {раздел 2.1.2 диссертации), анализа натурных и модемных испытаний (разделы 2.1.3, 2.1.4 диссертации) установлены следующие основные свойства и закономерности ледовых нагрузок на гребных вин/пах дяя режимов rfypeteptmoaet льда:

I) для режимов фрезерования угол атаки лопасти а является основным параметром, определяющим уровень ледовых нагрузок. Ледовые нагрузки возрастают при его уменьшении, что связано с увеличением зоны контакта лопасти со льдом. В качестве примера на рис 7 представлены значения h]ci' для бортового гребного винта ледокола "Polar star" в зависимости от а. Для предотвращения нерасчетного режима взаимодействия лопасти со льдом расчетный а для периферийных радиусов не должен быть меньше нуля. Угол атаки лопасти определяется шаговым углом лопасти, скоростью вращения ЛГВ, его аксиальной скоростью взаимодействия со льдом и, еоо1ветственно, скоростью судна Указанные параметры необходимо учитывать при назначении ледовых нагрузок. 8 тяжелых ледовых условиях минимальные углы атаки и максимальные ледовые нагрузки реализуются для максимальных эксплуатационных скоростей но льдах. Для ЛК И

СЛП арктических категорий максимальные скорости соответствуют режимам форсирования торосов и составляют около (10-12) и 8 узл. соответственно;

2500 2000

Рин 7 Лн:шпы1ые (йгцнщителшие лвдовлш снты па . итаугш {трттнео ¿ребшии вшта ЫЧЪ'Н! Ш "РЫ** МИГ" Л ММСН ЩК77Ш (Л1 I ." Ш

¡ггшкн. гпи ш1 игшинттелыпч ра/Щхе А 9.

относительном радиусе 0.9, i 4 б а 10 12 и 1$ 1« 20 22 24

2) на режимах фрезерования льла уровень ледовых ншрузок на ЛГВ не зависит от его скорости вращения (отскорости врезания профиля лопали) при прочих постоянных условиях,

3) уровни ледовых на1рузок прямо пропорциональны прочности льда на смятие и на одноосное сжатие;

4) с учетом масштабного (редукционного) фактора, обусловленного нсолновременностью разрушения льда вдоль лопасти, ледовые силы и моменты на ЛГВ для режимов фрезерования льда пропорциональны А'16 и /С2 ^соответственно. где К - масштаб:

5) ледовая сила на лопасти ЛГВ прямо пропорциональна длине ее хорды (ее ширине);

6) рагпрсдслсние контактных давлений по поверх!¡ост профиля слабо зависит от его формы;

7) статистические распределения ледовых нагрузок, включая наибольшие значения,

соответствуют третьему асимптотическому закону (ЗРРТ} с функцией распределения (1). Огличитетной чертой закона ЗРРТ является ограничение диапазона изменения нагрузок сверху параметром который соответствует максималыю-вдаможной тгагрузке. При т-1 функция распределения (1) называется первоначальной и может бьгть заменена приближением (2)

= ехр

где *„,„ - экстремально-вочмажнне паче кие ледовой нагрузки, х - значение экстремума ледовой нагру-ки, Т

а, I, - параметрьц м =— ; Т- время процесса (эксплуатации); 10 - средний промежуток времени между 'и

экстремумами ледовых нагрузок (параметр т является целочисленным и определяет объем выборки, из которой

говлекаета экстремум).

Для ледовых нагрузок параметр формы а является устойчивым и соответствует величине,

близкой а = 4 3 В качестве примера на рис. 8 представлены, полученные автором, распределения

экстремумов для бортового ВРШ ЛК "Ро1аг5йг" в предположении закона распределения (1),

( \ а

»ИИ-*!

т т

1 Щ J

О)

-М-

(2)

fin S Распределение -цхтре.чу.чое .vfkteüü птрицителыиш cu ín на .vinacmii (юрттиJtt fíPUJ .letiowm "Pnlar Star" я j.'/v.v;,' M Ы .-г/,/.',-школа раэфедеясния (1). Дикльный режнч.

Разработаны методы оценки параметров законов распределения (1), (2) по ограниченным распределениям, включая малые выборки. В качеаве основной расчетом величины для назначения прочных размеров лопастей Л!Б и других элементов ПК принимается экстремально-возможная Офищггеяьная лиижая сила (/\„ )т„ (параметр х^ моделей (1) и (2)), которая саерХу ограничивает диапазон изменения !■]„ - Значения , Н, аппроксимируются зависимостью (Э).

= 105

22+24

ni 6

■ и стецп и сотрг

<г = 0.8),

(3)

гае смгЛ= ji(r)dr/(0AR) - средняя безразмерная ширина лопасти по глубине врезания

лопасти в лед; R-радиус гребного винта; г = г/К - относительный радиус; а(г = 0.9) - расчетный угол атаки лопасти на относительном радиусе У = 0.9, град., О - диаметр фебного винта, м;

прочность морского льда при одноосном сжатии на глубине, которая соответствует заглублению лопасти в лед на относительном радиусе г - 0.8, МПа

Разработаны требоваштя к определению параметров уравнения (3) для назначения (Flcr)„^.

Ледовые моменты QhrnJ(r), Qv¡,¿(r) определяются в функции от (/v,)™* " геометрических характеристик лопасти. Для расчета усталостной прочности получены данные по частоте воздействия ледовых нагрузок на ЛГ~В в зависимости от ледовой каш оряи судна pací юложения ЛГВ.

В разделе 2.2 диссертации "Прочные размеры лопастей гребных винтов" представлены практические методики оценки напряженного состояния корневых сечений лопастей ЛГВ и назначения ta прочных размеров от совместного воздействия изгибающего и скручивающего лопасть ледовых моментов, методы назначения прочных ¡химеров периферийных сечений лопастей. Согласно традиционной практике классификационных обществ прочные размеры лопастей назначаются для корневого сечения и периферийных сечений на относительных радиусах

г = о б, г = 1 Дополнительно регламентируются прочные размеры кромок. Такой же подход принят в настоящей работе

Наиболее чалым и характерным видом поломок лопастей является разрушение корневых сечений Как правило, поломка происходит на относительном радиусе г,, где галтель примыкает к лопасти Указанное корневое сечение принимается как основное расчетное Для лопастей ЛГВ

п =гы + 005,где гы - опюсигельный радиус жестко заделанного корневого сечения или ступицы Прочные размеры корневых сечений должны назначаться от совместного воздействия изгибающего, Qtrnd, и скручивающего, Qlpln), лопасть ледовых моментов от действия отрицательной ледовой силы Как указывалось выше, Qiplnl обуславливает появление дополнительных нормальных напряжений стесненного кручения aJlp, максимум которых находится на засасывающей поверхности и сдвинут в сторону входящей кромки Значения егАр превосходят нормальные напряжения от изгиба аЫп,, что приводит к смещению в сторону входящей кромки максимума суммарных нормальных [abe„d + adep )

и эквивалентных аъ = ^(ube„d + Odepf + напряжений, где г - касательное напряжение. В пункте

222 диссертации разработаны методы оценки напряженного состояния корневых сечений лопастей ЛГВ от совместного воздействия Qbend и Qsp,„d Особое внимание уделено определению crJep Сечение лопасти отлично от кругового, поэтому при действии Q,plnl оно перемещается вдоль радиуса, те. депланирует (осевые перемещения (вдоль радиуса) называются депланациями а> ) При действии Q,P,«d угол поворота жестко заделанного на ступице корневого сечения равен нулю, а верхние сечения закручиваются с различными углами <р. Это приводит к различным ш и к стесненной деформации продольных волокон поперечных сечений и, соответственно, к возникновению aiep Изменение угла закрутки корневого сечения <р(г) вдоль радиуса г от воздействия определяется уравнением

- £, /w(r) + Са (г) ,<г) = Q,plnd , (4)

где £, Iw(r) - сеюориальная жесткость сечения, !w(r) - секториальный момент инерции сечения лопасти, El=EI( l-fi2). Е- модуль Юнга, fi - коэффициент Пуассона, Са (г) = G С(г)- жесткость корневого сечения на свободное кручение, G - модуль упругости при сдвиге, С(г)- геометрическая жесткость на свободное кручение

Анализ уравнения (4) показывает, что для корневых сечений утлы поворота <р(г) определяются в основном геометрической жесткостью на свободное кручение На основании выполненных исследований получено аналитическое решение для uiep на г, от воздействия Qlplnl

Нормальные напряжения сг^^ от югтгоа и каеагельные напряжения г определялись на базе традиционных методов, Точность разработанных решений для и эквивалентных напряжений

Рис. 9 Напряженное сос тояние лопасти ЛГВ ледокола "Арктика" под действием кромочной ледовой погруз ки,

Засасыкашщая поверхность

Мгосса, сгг = тЦет,+ а^ +3т2 , проверена

серийными расчетами Методом конечных элементов (МКЭ) для рзпнчньгх ЛГВ. В качестве примера на рис 9 и 10 гредстанлены резулыаш расчета напряженного состояния лопали и ее корневого течения для ЛГВ ледокола "Арктика". Схема сечения представлена на рис. 11.

Рис. 11 Схема цилиндрического спрАчленнсго сечения юпыти на птыкителыном радиусе г

Аналш результатов расчетов показывает, что разработанные аналитические формулы правильно отражают характер изменения напряжений по кошуру профиля Суммарные напряжения от действия и резко отличаются от напряжений изгиба гткп1, что обусловлено

характером изменения Точка максимальных напряжений сдвигается в сторону входящей

кромки и соответствует приблизительно координате ^г^Об^/ОЩ Данная точка принимается в качестве основной расчетной. В районе расчетной точки эквивалентные напряжения по МКЭ и по аналитическим формулам совпадают с точностью, необходимой для разработки требований к прочным размерам ЛГВ и выполнения проеюных расчетов

Толщина корневого сечения /06(п),м, в расчетной точке определяется по формуле (5)

'0бМ =

Л(п)г+39

С (г,) )

(5)

ОыпАп) ,21бар^)

а^^^ыМФО^ б^М" скручивающий лопасть

гДе Дл) =

0118^,) О-а(п)

ледовый момент относительно цешра координат спрямленного корневого сечения лопасти на относительном радиусе п = гы,+005, Нм, - изгибающие лопасть ледовые моменты относительно

нейтральной оси спрямленного корневого сечения на относительных радиусах

п — гииЬ + 005,г2 = л + 005, Нм, с(п),с(г2)-длины хорд корневых сечений на относительных

радиусах п, гг, м, <7 репл - допустимое напряжение, Па, Л-диаметр гребного винта, м

Методика определения допустимого напряжения из условия обеспечения усталостной и статической прочности <трег„ рассмотрена ниже Исследования, выполненные в диссертации, показали, что жесткость корневого сечения лопасти ЛГВ на кручение близка к жесткости эллипса Поэтому толщины расчетного корневого сечения на координатах £оо(п) = 00, £0 6(П) = -0 6(с(п)/2) (см рис 11) не должны быть меньше чем

'оо(п) = 119 106(п)

(6) и 1-об(п) = 075 1оо(п) . (7)

Требование к выходящей кромке на координате <5об(г|) = ~0 6(с(г 1)12) также обеспечивает прочность лопасти для режимов заднего хода. Для ВРШ и нереверсируемых гребных винтов условие

(7) может быть ослаблена и таоший выходящей кромки может быть принята равной

Прочные размеры периферийных сечений на радиусе г = 0.6 назначжттся из условия обеспечения прочности при "косом" отгибе кромки лопасти, а также "прямою" изгиба ее концевых сечений от воздействия ледовой нагрузки (см. раздел 2.23 диссертации). Соответствующие схемы нагружения лопасти характерные разрушения ее периферийных сечений представлены на рис 12,13.

] Ледовая сила ЩР Я^к

. Щ1

мвдйИ

Рис 12 Схена нагружения и хцимуню рацкшение птисти при "»нам" отгибе ее

фОМКМ

Рис. 13. Окна шщп иа'нии и хароаперн/к' pmpyuieiate лопасти при "прямом " изгибе ее концевых сечений

При "косом" отгибе кромки лопасти (ем. рис 12) максимальная толщина периферийною сечения лопасти ,00(г - о б>, м. на огносшелыюм радиу се г = 0.6 должна быть не менее рассч1тганной 1Ю формуле

г!0-5

№

(О11(г = 06) =

cosj Vj,„y„i

raO.SjjJfEll-D^+ft

tue с(гьиь } - ширина спрямленного шшинлричесхого сечения на относительном радиусе гыь. м, с{г = 0 8)

- ширина спрямленного цилиндрического сечения на отноапельном радиусе г = о 8, м; а - допустимое

напряжение. Па; <Pdtstgn(r - ~ расчетный шаговыйугол на<тюсшйшюм радиусе г = 0.8. = 0 7

- коэффициент, учитывающий определение расчетных геометрических характеристик в плоскости спрямленного контура логвети.

Дня "прямого" шгиба концевых смсиий лопасти (см. рис. 13) максимальная толщина на относительном радиусе г = 0.0, м, должна 5ыть не менее рассчитанной по формуле

<00(Г«0.6)-

0.12 ■»■('■',«.)„

(9)

0,085с(г т 0 6) <т^г„

где г(л = 0.6) - ширина спрямленною цилиндрического сечения на относительном радиусе г = 0 6, м

В качестве расчетной толщины на относительном радиусе г=0 6 принимается наибольшая ю рассчитанных по формулам (8) и (9)

Требования к прочным размерам лопасти на относительном радиусе г = 1, а также к толщинам входящих и выходяших кромок разработаны на основе опыта эксплуатации Однако, эти прочные размеры могут быть назначены более точно на основании детализированного расчета напряженного состояния лопасти по МКЭ Ледовая распределенная нагрузка на кромки (давление) задается в соответствии с разработанной в диссертации схемой.

Допустимые напряжения а для назначения прочных размеров лопастей ЛГВ, рассчитанные из условия совместного обеспечения усталостной и статической прочности, рассмотрены в разделе 2 3 диссертации В качестве допустимого напряжения а для назначения прочных размеров лопастей гребных винтов принимается а = тш((сг^ )„, (а^ )г), ще (ор„т ),, и (ар„„)г - допустимые напряжения из условия обеспечения статической и усталостной прочности соответственно

Критерий статической прочности для лопастей ЛГВ рассмотрен в пункте 2 3.2 диссертации Статическая прочность должна обеспечиваться, исходя из условия сохранения формы лопасти в пределах допусков на изготовление и предотвращения ее разрушения (разделение на части), от воздействия одноразовой ледовой нагрузки Для разработки требований к статической прочности в диссертации исследованы эти два фактора Показано, что для бронзовых лопастей расчетная величина допустимого напряжения (<тр,гт)„, исхода из условия статической прочности, должна

приниматься равной а для лопастей из мартенсишых сталей

(<Грет)я =0 8(<т>„и)тш, где (<ту,м)тт - минимально требуемый условный предел текучести стандартного образца, гарантируемый техническими условиями на поставку материала

Методика определения допустимых напряжений, исходя из условия обеспечения усталостной прочности, представлена в пункте 233 диссертации. Расчет прочности лопасти из условия усталости должен выполняться по первой фазе, которая соответствует периоду зарождения трещины Эксплуатация лопастей ЛГВ с трещинами (дефектами), размер и количество которых превосходят допустимый уровень, запрещается Допустимый уровень определяется, исходя из условия нераспространения дефекта, как макротрещины, под действием эксплуатационной нагрузки Такой подход принят в действующих требованиях РС и БКУ Прочные размеры лопастей из условия обеспечения усталости назначались из равенства срока службы лопасти и судна При этом необходимо принимать во внимание случайность ресурса (долговечности) лопастей. В этом случае прочные размеры должны назначаться из условия равенства нижней границы долговечности лопасти ЛГВ сроку эксплуатации судна, который принимается равным 25 годам. Обеспечение этого условия

требует исследования вероя! носто-статистическнх характеристик ресурса лопаспз ТЬШг, включая его минимальные значения

В диссертации выполнен верояшоансьсуетистическнй аналю ресурса Г|(|<| лопастей Л!~В арктических Ж из сталей 08X1411ДЛ и 08Х15Н4ДМЛ с различными прочностными характеристиками. включая усталостную прочность в морской воде. Анализ выполнялся по методикам, разработанным авюром. Учитывались расположение ЛГВ, обработка поверхности лопасти. Ресурс l'hiaJí определялся по моменту образования усталостной макротрещины в лопасти.

Время зарождения макрогрещины определялось в процессе водолазных осмотров и освидетельствований. Возникновение усталостной макр01рещины наиболее типично в районе корневого сечения около входящей или выходящей кромок, гак как в этом районе напряжения ai ледовой нагрузки на режимах фрезерования льда являются максимальными (см. рис 14).

Дробеструйное узтрочненис поверхзкхли лопасти увеличивает ее средний ресурс приблизительно в 2 раза, при этом стекается разброс долговечности

Ресурс л01 юстейдля бортового ЛГВ в (1.5-2.3) раза меньше, чем для среднего, что обусловлено увеличением времени воздействия льда и ледовых нагрузок

Анализ результатов на1>рных испытании, испытаний самоходньк медалей в ледовом бассейне показывжз, что время взаимодействия льда с бортовым ЛГВ в два раза больше, чем со средним, а нагрузки - 1зриб;мз(тгсльно в 1.5 раза Полому расположение ЛГВ и обработка поверхности лопасти должны учитываться при назначении ее прочных размеров Увеличение условною предела усталостной прочности стали в 1.5 раза приводит к значительному увеличению ресурса допасти. Поепеднее сшс раз убедигельно показывая, что усталостная прочность является определяющим фактором для назначения прочных размеров стальных Л1Б.

Для назначения минимального ресурса лопасти выполнено иселедованис статистических распределений ТЬШг. в области их минимальных значений Установлено, что распределения ТЬЫг соответствуют трехпараметрическому закону Вейбулла с функцией распределения

К^&М] - (io)

гае (1Шj, )тт - минимально возможное значение ресурса (долговечности) лопасти, которое спилу ограничишь возможный диапазон изменения случайной величины ; .S'(7t(ajr ) - iiapciMeip нормировки (сдвига), имеющий размерность случайной величины ТЬЫе : а - безразмерный параметр (параметр формы), который харцк(ерю>1гт форму кривой функции распределения

f¡* 14 Типичное распикмаяшс устшкпимй .чсифчгпрещшш ни

. KlttUCttUt .JHl'lвинти k'V'M.. ni из

аяаыШий(Щ

В качестве примера на рис 15 представлено распределение ресурса ТЬ!аае, кален мес, лопасти бортового ЛГВ арктического ЛК в предположении закона Вейбулла (10) Нижняя граница долговечности соответствует величине (ТьшЛпш, которая снизу ограничивает диапазон изменения ТЬы, Такой подход гарантирует безаварийную работу лопасти в составе ЛГВ и ПК в течение срока службы судна Максимальные напряжения в лопасти сгшах от воздействия расчетной ледовой нагрузки (/-¡я)тах не должны превосходил, величины

(1 /*, Г„ пУ" .Г(т) (ОЙЗ1 . (11)

где (а- ~ расчетный предел усталостной прочности элемента лопасга в ее составе при числе циклов нагружения ]М„ = 5-10'; Т,„- относительное время взаимодействия гребного винта со льдом; п -частота вращения гребного вита, об/с; 4/ - коэффициент, учитывающий влияние расположения гребного винта на частоту взаимодействия со льдом; т - константа материала, определяемая по результатам испытаний на усталостную прочность стандартных образцов в морской воде с 3 %-ным содержанием ЫаС1 в соопвегствии с кривой усталостной прочности атЫ-а_" - условный предел усталостной прочности

стандартного образца при числе циклов N0 =5 1 о', М.т)~ функция от т

Значения функции ч<л<) представлены в диссертации Расчетный предел усталости элемента лопасти в ее составе (ст. определяется по формуле.

(«•-ЙГ = ***-✓ * . (12)

где ке - коэффициент эффективного напряжения по симметричному циклу, учитывающий асимметричность реального цикла нагружения, к1иг/ - коэффициент, учитывающий обработку поверхности лопасти, е - коэффициент, учитывающий масштабный эффект или влияние абсолютных размеров детали на усталостную прочность, куш- коэффициент, учитывающий вероятностно-статистический разброс значений условного предела усталости элемента лопасти в ее составе, <т_, - среднее значение условного предела усталости стандартного образца в морской

воде для симметричного цикла нагружения при числе циклов Л'д = 5 * 107

Показано, что коэффициент эффективного напряжения по симметричному циклу ке, может быть принят к" = 1 Для разработки практической методики назначения коэффициентов к1иг^, е,

и-н--1- 1п1-Ы11-Ш Р-функщиI распределения •

\

п\Тыа(!е -(Тьые )шт ]

Рис. 15 Распределение ресурса лопасти бортового ЛГВ арктического ЛК в предположении модели (10). Сталь 08Х14НДЛ.

стшах ^ (°>™ V =

был выполнен вероятностно-статистический анализ расчетных (с.)^Г Д™ ЛГВ аркшческих ЛК, для которых исследованы распределения ТЬЫе Расчет случайных выполнялся по

формуле (13) при (арегт)г = сгтах для известных распределений случайных ТЬШе, где <ттах -расчетное напряжение в лопасти от воздействия ледовой нагрузки (Г,се)тгх

где Л^ = Ты<ик к, Т,се • и - значение числа циклов до появления усгалосгаой макротрещины

Показано, что распределения (сг-Эы^Г подчиняются трехпарамстрическому закону Вейбулла с функцией распределения типа (10) В качестве расчетного (с-)мЗГ принимается его минимальное значение, которое снизу ограничивает диапазон его изменения и соответствует (Гш,)™,, В этом случае коэффициент А1аг при дробеструйном упрочнении принимается равным ку11 = о 87, а при его отсутствии = о 82. При дробеструйном упрочнении значения (о-)^Г в среднем увеличиваются на 20% Поэтому при дробеструйном упрочнении к1иг/ в формуле (12) принимается равным к!игГ = 1 2, а при его отсутствии -к1иг/ =10. Значения значительно ниже, чем предел

усталости стандартного образца, что обусловлено влиянием масштабного фактора В работе рассмотрены причины этого эффекта и разработаны рекомендации по определению £ в зависимости от характерной толщины лопасти и типа материала

Таким образом, в главе 2 решена задача по обеспечению эксплуатационной прочности ЛГВ, разработаны теория взаимодействия гребного винта со льдом, включающая теоретические и экспериментальные методы определения ледовых нагрузок на ЛГВ и методы назначения его прочных размеров, гщхттируюгцих безопасную экагчуатацшо вледовыхусловиях

Третья глава посвящена решению проблем обеспечения пирамидальной и усталостной прочности элементов пропульсивного комплекса (элементы МИ1Н ВРЩ. креплений винго-рулевых колонок (ВРЮ к корпусу и тд) Обеспечение пирамидальной прочности является основным принципом при проектировании современных ПК для Ж и СЛП Дополнительно к пирамидальной прочности необходимо учшывать усталость сгг циклических ледовых нагрузок на ЛГВ Для обеспечения прочности креплений ВРК дополнительно необходимо принимал, во внимание ледовые нагрузки, воздействующие на ее корпус

Требования к пирамидальной прочности элементов пропульсивной системы и комплекса (элементы МИШ ВРШ, креплений ВРК к корпусу и т д) должны включать: - требования к величине предельной разрушающей лопасть нагрузки;

(13)

- нормативные методики оценки напряженно-деформированного состояния элементов ПК при упругопластическом деформировании, включая зоны концентрации напряжений;

- требования к допустимым номинальным напряжениям и упругопластаческим деформациям в зонах концентрации напряжений

Аналогично, нормы для обеспечения усталостной прочности элементов ПК должны включать:

- требования к параметрам ледовых нагрузок д ля расчета усталости;

- требования к соответствующим допустимым напряжениям в элементах ПК

Для разработки требований к пирамидальной прочности необходимо определение предельной (критической) упругопластической деформации материала с„, соответствующей его разрушению Решение данной задачи было предложено автором на основе линейной механики разрушения и результатов исследований Г В Клевцова (см пункт 32.1 диссертации) Анализ показывает, что в качестве расчетных сценариев для назначения есг с целью обеспечения прочности элементов ПК и определения предельной силы поломки лопасти должны приниматься вязкий и вязкохрупкий режимы разрушения С учетом этого в диссертации разработаны расчетные зависимости для оценки есг = ес,(оу,еШ,КУ ,6,1) в зависимости от вязко-пластических характеристик материла (предел текучести а-у,еи, уд арная вязкость КУ, относительное удлинение <5) и характерной толщины детали I

Полученные результаты были использованы при разработке требований к предельной силе поломке лопасти и к прочности элементов ПК - (МИШ ВРШ, ВРК и т,д) в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании

Разработка требований к предельной силе поломки лопасти У7,^1** представлена в пункте

3.23 диосертащи Сила /^у прикладывается на относительном радиусе г = 0 8 на расстоянии (2/3) от оси поворота лопасти до входящей кромки в плоскости ее спрямленного конгура направлена в сторону, противоположную гидродинамическому упору В качестве основной расчетной точки, где начинается разрушение лопасти, принимается точка максимальных напряжений

на относительном радиусе г\ на координате £06(г) = 06[с('')/2] (см рис. 14) Разрушение соответствует расщеплению материала при нормальном отрыве, когда деформация достигает критической €„. На основе решений, полученных в диссертации, нормальное напряжение в расчетной точке от изгиба и стесненного кручения, Па, определяется по формуле

Выражение (16) может трактоваться как определение в упругой области "изгибных" напряжений а от действия эквивалентного "изгибающего" момента =л„ (¡^„¿(гх) по формуле

(16)

о =

ло 6w(f') (17)

W

где (с = о 09 с(г\) г002 - момент сопротивления упругой деформации корневого сечения лопасти на относительном радиусе п для точки, которая располагается на засасывающей поверхности и соответствует

максимальной толщине /0 0, ^ =

1 + 483^ = 08)С(„)

с, (г=08)- расстояние от оси вращения

О (0 8-ri)

лопасти до входящей кромки в плоскости спрямленного контура лопасти, Qbe„d(ri) - изгибающий

лопасть момент относительно нейтральной оси корневого сечения на относительном радиусе п

При поломке лопасти реализуется напряженное состояние, близкое к пластическому шарниру В этом случае по аналогии с "упругим" решением (17) эквивалентный предельный разрушающий лопасть момент может бьпь определен по формуле

/¡-.damage, _ , damage _ у/ damage /1 о\

y^bend Ihmil ~ л0 Уьепй ~Wplasl аdesign ' У

ще WpUa, - момент сопротивления пласпетеского шарнира при изгибе, Q^™^' - предельный разрушающий лопасть момент сгг изгиба, сг^"™^ - расчетный предел текучести.

Для корневых сечений ледокольных лопастей Wplau = 1 5 W Для материла с линейным упрочнением может быть определен по формуле

7 у,еУ

3

(19)

7 yieU

где £сг - есг /8р, 8р - равномерное относительное удлинение стандартного образца до образования "шейки" текучести, cr^j, ale„sl¡e - условный предел текучести и временное сопротивление (предел прочности на разрыв) станд артного образца, соответственно

Окончательно сила поломки лопасти определяется по формуле

rdamage , 0 ^Ф^р2 ) spmd ~ ехр _ >

D(0 8 - п) ^

где р - коэффициент, учитывающий определение геометрических характеристик лопасти в плоскости спрямленных сечений

Скручивающий лопасть момент, который передается на МИШ ВРШ при поломке лопает, определяется по формуле

= ^-схр с,(г = О 8)j (21)

Значения по разработанному методу несколько ниже, чем по правилам DNV, так как

требованиях DNV сила поломки лопасти определяется только от изгиба без учета скручивающего момента. ™ не соответствует реалыюму взаимодействие ЛГВ CD льдом.

При разработке требований к пирамидальной прочности необходимо учитывать случайность фюико-механических характеристик (ФМХ) отяивок лопастей и щючностных характеристик, опредешощих их рсарушение. В качестве расчетных для обеспечения пирамидальной прочности должны приниматься максимально возможные значения случайных f'^™14', которые определяются

соответствующими значениями случайных прочностью характеристик В пункте 3.2.3.5 диссер1ации выполнены исследования статистических распределений максимальных значений ФМХ. отливок

лопастей {cr„tW, ale„llle, KV, S) и прочностных характеристик scr, ■ определяющих

расчетное (максимально возможное) значение f^™'** Показано, 'по соответствующие статистические

распределения подчиняются трстъему

асимптотическому закону максимальных значений (3FFT)(см. формулы (1) и (2)). Парис. 16 представлено

распределение £„ для лопастей ЛГВ ледокола "Арктика" в предположении 3FFT. В качестве расчетного значения прочностной характеристики rV№>wa,KXb <>™*С .г (/"»0.999)

для функшв) распределения F = 0 999, которое практически соответствует параметру дгП1< в формуле (1) На основании выполненных исследований разработаны требования к назначению расчетных F^f дгиобеспечения пирамидальной прочности

В пункте 322 диссертации разработан критерий прочности элементов 11К в зонах концентрации напряжений при упрутопластическом деформировании Условие прочности предсташщегоя в виде ■зависимости

^((с^гы )min )- ksofety Ccr ' ((°yitU )min -^mm ■ '''' гит • '] ji (22)

где с - значение упругогщастической деформации в районе концентрации напряжений, еа - значение крити'кской упрутопластической деформаюш, соответствующей разрушению материала; (<тигИ )„ , ömin , KV„,m- минимальные величины условного предела текучести, относительного удлинения стандартного образца, работы улара по метод)' Шарли, гарантируемые техническими условиями на поставку материала, соответственно, ksaß,,y - коэффициент безопасности учитывающий вероятноспю-стзгшсгический разброс ФМХ материала в отливках деталей

Рис, 16 Распределение awwwettwi критической деформации разрушения

Ca для лопасти ¿ребиага винта

ледокола "Арктика" из стили ОЛХЫНДЛ. Толшина лопасти г=0.33м

На основе подхода Нейбера в диссертации разработаны расчетные формулы для определения упругопластической деформации с в районе концентрации напряжений.

На основании вероятностно-статистического исследования ФМХ и прочностных характеристик отливок элементов ПК значения коэффициента безопасности принимаются

равными = 0,7 при (ау,м )тт >о,б('ст:,„„,)т„ (мартенсшные стали) и к,ф1г =0,83 при <о.«ст,„1,,,)тш (аустентные стали) Условие обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК дополнено выполнением традиционного критерия, основанного на учете номинальных напряжений, а также требованием к материалам Расчетные номинальные напряжения не должны превосходил, допустимого напряжения о 8 (<гу,еи)ат.

Вопросы обеспечения усталостной прочности элементов ПК (элементы МИШВРШ, креплений ВРК к корпусу и тд) рассмотрены в разделе 3 3 диссертации Показано, что прочные размеры элемента ПК с концентратором напряжений должны назначап.ся таким образом, чтобы действующие напряжения от ледовых нагрузок не превосходили предела текучести. Возможность возникновения пластической деформации должна бьпь ограничена одноразовыми нагрузками при поломке лопасти В работе наиболее подробно рассмотрена задача по обеспечению усталостной прочности элементов МИШ ВРШ современных СИЛ и ЛК Ледовые нагрузки на лопастях на режимах фрезерования льда ЛГВ являются определяющими для решения этой задачи Разработанный подход к оценке усталости элементов МИШ ВРШ может быть использован и для других элементов ПК, например, для элементов крепления (болта) лопасти к ступице В этом случае дополнительно необходимо учитывать усилия от затяжки фланцевого соединения

Для выполнения расчетов усталостной прочности креплений ВРК к корпусу судна оценка интенсивности ледовых нагрузок на корпус колонки, включая насадку, может быть определена по результатам испытаний в ледовом опытом бассейне по методикам, разработанным автором

Таким образом, в третьей главе разработаны методы обеспечения пирамидальной и усталостной прочности элементов ПК Применительно к элементам МИШ ВРШ разработаны подробные расчетные методики обеспечения их эксплуатационной прочности

В четвертой главе на основании представленных выше результатов подготовлены проекты новой редакции требований Правил классификации и постройки морских судов РС к:

- к лопастям гребных винтов судов ледового плавания с ледовыми усилениями категорий ЛУ4-ЛУ9 и ледоколов с ледовыми усилениями категорий ЛЛ6-ЛЛ9,

- к ступице и деталям крепления лопастей,

- механизму изменения шага для гребных винтов судов с ледовыми усилениями и ледоколов,

- к прочности основных элементов главных ВРК, находящихся в потоке силовых линий, с учетом характерного размера элемента (детали), вязкопласгических характеристик материала в составе данного элемента, а также концентрации напряжений

Указанные проекты представлены в Нормативно-методических материалах РС, книги 12 и 13, выпуск 2004г

В пятой главе представлены результаты поверочных расчетов прочности ледокольных пропульсивных комплексов в соответствии с разработанным проектом требований

В данном разделе выполнена апробация разработанных требований (глава 4 диссертации) применительно ко всем основным российским судам ледового плавания (СЛП) и ледоколам (ЛК)

Расчеты прочных размеров лопастей ЛГВ выполнены для судов российской и зарубежной постройки, имеющих ледовые усиления, соответствующие категориям ЛУ4, ЛУ5, ЛУ7 и их эквивалентам, а также для ледоколов Расчеты выполнены для российских винтовых сталей марок 08Х14НДЛ (1Х14НДЛ) и 08Х15Н4ДШ, а также для бронзы типа NIAL Для стальных лопастей учитывалось упрочнение поверхности

Показано, что прочные размеры стальных ЛГВ определяются усталостью, а бронзовых из сплава NIAL - сгагической прочностью Применение дробеструйного упрочнения позволяет снизить приблизительно на (10-15)% прочные размеры стальных лопастей, что увеличивает кпд. ЛГВ и имеет положительный эффект для обеспечения пирамидальной прочности и снижения весогабаритных характеристик ПК (ПС) Разработанные требования позволяют реализовать преимущества отечественных винтовых сталей с высокими коррозионно-усгалосшыми характеристиками для существенного снижения прочных размеров ЛГВ и других элементов ПК и ПС в сравнении с действующими требованиями РС Последнее является чрезвычайно важным для обеспечения пирамидальной прочности ПК современных ледокольных судов типа DAT Использование современных отечественных сталей для гребных винтов с высокими коррозионно-усгалосгными характеристиками позволяет снижать прочные размеры ЛГВ по отношению к гребным винтам, изготовленным из бронзы типа NIAL

Представленные результаты расчетов прочных размеров элементов ПК (ПС) полностью соответствуют опыту эксплуатации. Расчетные прочные размеры согласуются с прочными размерами надежно эксплуатирующихся пропульсивных комплексов с точностью, необходимой для современной практики проектирования и эксплуатации.

Заключение.

В представленной диссертации разработан комплекс научно-обоснованных технических решений по теории взаимодействия гребного винта со льдом и методам обеспечения эксплуатационной прочности пропульсивных комплексов ледокольных судов и ледоколов,

который является решением крупной научной проблемы по обеспечению их безопасной эксплуатации, что имеет важное хозяйственное значение для освоения арктического шельфа России, поддержания трассы СМП и жизнедеятельности районов Крайнего Севера

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные выводы и прикладные результаты

1 Основные научные выводы и результаты разработки основных подходов к обеспечению прочности элементов пропульсивных систем (ПО и пропульсивных комплексов (ТТЮ дня судов ледового плавания (СЛП) и ледоколов (ЛЮ

1.1. На основании анализа отечественного и зарубежного опыта эксплуатации СЛП и ЛК, тенденций развития современного арктического судоходства и ледоколосгроения сделан принципиальный вывод о необходимости разработки новых методов и требований для обеспечения прочности ледокольных ПК (ПС) В первую очередь, такие требования должны бьпь разработаны для основного элемента ПК (ПС) - ледокольного гребного винта (ЛГВ)

12 Сформулированы основные подходы к методам обеспечения прочности ПК при эксплуатации в тяжелых ледовых условиях:

12.1. Ледовые нагрузки от взаимодействия ЛГВ со льдом являются определяющими для обеспечения прочности элементов ПК (ПО Режим фрезерования льда гребным винтом принимается в качестве основного проектного для назначения параметров расчетных ледовых нагрузок. Эксплуатационные ледовые нагрузки являются случайными, поэтому требуется разработка их вероятносгао-сгагистической модели (законы распределения, значения максимальных нагрузок, частота воздействия льда на ЛГВ) для расчетов усталостной и статической прочности ПК (ПО Для обеспечения прочности лопастей ЛГВ необходимо определение ледовых давлений в зоне контакта лопасти со льдом Решение этих задач возможно только в рамках единой теории взаимодействия ЛГВ со льдом, включающей теоретические и экспериментальные методы определения ледовых нагрузок на основе уточненных исследований механизмов разрушения льд а лопастями ЛГВ

122. Гребной винг является главным элементом ПК (ПО Нагрузки от взаимодействия ЛГВ со льдом и прочные размеры лопастей определяют прочность всех других основных элементов ПК и ПС

123. Прочные размеры ЛГВ, как правило, должны назначаться из условия совместного обеспечения усталостной и статической прочности

1.2.4. В качестве основного критерия для обеспечения прочности ЛГВ принимается ресурс, равный сроку эксплуатации судна (20-25 кален лег) с обеспеченностью не менее 0 999, что соответствует современным нормам безопасности морских конструкций.

1.25. Для обеспечения эксплуатационной прочности ПК СЛП и ЛК необходимо учшывагь возможность возникновения нерасчетных режимов взаимодействия ЛГВ со льдом, когда обеспечить сохранность лопасти не удается В этом случае должен бьпь реализован принцип пирамидальной прочности, согласно которому при поломке лопасти все остальные элементы ПК (ПО должны остаться

целыми. При поломке лопасти в зонах концентрации напряжений элементов ПК возникают упруго-пластические деформации Способность материала элемента ПК выдерживать упруго-пластическую деформацию без разрушения является основным фактором, определяющим его пирамидальную прочность Поэтому необходимо нормирование допустимых уровней упруго-пластических деформаций. Дополнительно необходимо учитывать усталость элементов ПК для назначения их прочных размеров

12.6. На основании анализа опыта эксплуатации установлена частота поломок ЛГВ на нерасчегаых режимах их взаимодействия со льдом, которая может бьпь использована для назначения количества запасных лопастей (гребных винтов)

2. Основные научные вывода и результаты разработай теории взаимодействия J11В со льдом, включающей теоретические и экспериментальные методы определения ледовых нагрузок для обеспечения эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса (ПК)

21 Выполнены комплексные теоретические и экспериментальные исследования механизмов взаимодействия лопастей гребных винтов со льдом и закономерностей ледовых нагрузок для обеспечения эксплуатационной прочности ЛГВ и других элементов ПК.

22 Разработан уточненный расчетный метод, позволяющий определять распределение контактного ледового давления в зоне взаимодействия лопасти со льдом Полученные решения имеют первостепенное значение для обеспечения грочности лопастей ЛГВ. Метод адекватно описывает процессы смятия (крошения) лыв кромкой лопасти и выдавливания раскрошенного льда вдоль зоны ее контакта со льдом Процесс выдавливания раскрошенного льда описывается гидродинамической моделью вязкого ледового слоя Расчетные давления хорошо согласуется с соответствующими экспериментальными данными. Установлено, что распределение ледовых контакгаых давлений по поверхности лопасти слабо зависит от формы профиля.

23. В период работы автора в ЦНИИ им акад АН Крьшоеа под его руководствам и по авторским методикам в ледовом опытовам бассейне выполнены комплексные экспериментальные исследования по изучению взаимодействия ЛГВ и других элементов ПК со льдом. Исследования включали испытания моделей ЛГВ на режимах фрезерования льда, испытания самоходных моделей СЛП и ЛК в различных ледовых условиях Изучены закономерности ледовых нагрузок на ЛГВ (влияние грочности льда, скорости врезания лопастей в лед, геометрических псфаметров ЛГВ науровень ледовых нагрузок и т.д) Разработаны методы определения натурных жсплуатсщионньхх ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний в ледовом опытовам бассейне Разработанные методики имеют важное практическое значение для сгграбогки ПК современных ледокольных судов на стадии проектирования.

24. Выполнен комплексный анализ ледовых нагрузок на ЛГВ, полученных по результатам натурных испытаний ледоколов "Polar Star", "Арктика", ледокольного судна "Gudrngen". В натурных испытаниях ЛК типа "Арктика" в 1983 и 1986 гг. автор принимал непосредственное участие

25. На основании теоретических и модельных исследований, результатов анализа натурных испытаний разработаны вероятностно-статистические модели ледовых нагрузок на гребных винтах (вероятностные распределения значений нагрузок, частота взаимодействия ЛГВ со льдом) и методы определения их параметров для расчета усталостной и статической прочности ЛГВ и других элементов ПК Локазано, что статистические распределения эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ соответствуют третьему асимптотическому закону Фреше-Фишера-Типпета, отличительной чертой которого является ограничение диапазона изменения нагрузки максимально возможным значением Для данного закона разработаны оригинальные методы оценки его параметров по ограниченным случайным выборкам, включая выборки малого объема Разработанные вероягностно-статасгические методы имеют самостоятельную ценность и нашли применение для прогнозирования экстремальных нагрузок на различные морские сооружения и оценки риска их эксплуатации

3. Основные научные выводы и практические результаты разработки методов и требований к назначению прочных размеров ледокольных гребных винтов (JU И).

3.1. Разработаны практические методики назначения прстыхразмеров лопастей ЛГВ Показано, что прочные размеры лопастей целесообразно регламентировать на корневом сечении в районе галгельного перехода, на относительном радиусе 0 6 и на конце лопает. Прочные размеры корневых сечений должны назначаться от совместного воздействия изгибающего и скручивающего лопасть ледовых моментов Это обусловлено тем, что скручивающий момент приводит к возникновению в корневых сечениях нормальных напряжений от их стесненного кручения, которые могут превосходил, нормальные напряжения от изгиба Толщины периферийных сечений должны назначаться из условия обеспечения прочности при косом отгибе боковой кромки лопасти и при прямом изгибе ее концевых сечений. Толщины кромок лопастей в общем случае должны рассчитываться от воздействия ледового давления, методика определения которого разработана в рамках теории взаимодействия ЛГВ со льдом Анализ прочных размеров ЛГВ на основе опыта эксплуатации показал, что с необходимой для практических целей точностью толщины кромок могут назначаться по действующим лопастям

3.2. Разработана методика определения допустимых напряжений для назначения прочных размеров ЛГВ Показано, что прочные размеры ЛГВ из бронзовых высококачественных сплавов (типа NIAL) определяются статической прочностью. Прочные размеры стальных ЛГВ назначаются из условия обеспечения усталостной прочности. Применение дробеструйного упрочнения позволяет на (10%-15%) снижать прочные размеры стальных ЛГВ В сравнении с существующими методами разработанная методика позволяет значительно снизил, прочные размеры ЛГВ из высококачественных сталей, что значительно улучшает к.пд ЛГВ и имеет положительный эффект для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК и снижения их весогабаригаых характеристик Разработанная методика не имеет мировых аналогов и может быть применена для назначения прочных размеров ЛГВ судов нового типа- DAT

4. Основные научные выводы и пракшческие результаты в целях обеспечения эксплуатационной прочносш элементов ПК для судов ледового плавания и ледоколов

4.1. Разработан метод назначения предельней силы поломки лопасти для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК Установлено, что сила поломки лопасти должна назначаться из условия разрушения в области пластического деформирования (пластический шарнир) от воздействия изгибающего и скручивающего моментов Для назначения расчетной величины предельной силы поломки лопасти учитывалась случайность прочностных характеристик материала винтовых отливок.

42. Разработан метод определения допустимых критическихупругопластических деформащш, соответствующих разрушению материала, для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании. Локазано, что критическая деформация, соответствующая разрушению материала, определяется пределом текучести, относительным уд линением, уд арной вязкостью материала детали ПК и ее характерной толщиной. При назначении допустимого уровня критической деформации учитывалась случайность прочностных характеристик отливок.

43. Разработаны методы обеспечения усталостной прочности элементов ПК от воздействия ледовой нагрузки. Показано, что для обеспечения усталостной прочности элементов ПК напряжения в зонах концентрации напряжений от воздействия ледовых нагрузок должны быть ограничены упругой деформацией Применительно к элементам МИШ ВРШ разработаны детальные методики и требования к обеспечению усталостной прочности

На основании полученных результатов подготовлены проекты новых требований Регистра к пренным размерам гребных винтов и элементов пропулъсивного комплекса СЛП и JIK Разработанные проекты прошли представитель! [ую гфоверку крупнейших фирм производигелей-проектшггов ледокольных ПК ("Rolls Royce", "ABB", "Shottel") В настоящее время они используются при проектировании и для одобрения пропульсивных комплексов современных ледокольных судов

Содержание диссертации отражено в следующих опубликованных основных работах и патентах автора:

В ведущих рецензируемых изданиях Российской Федерации, входящих в Перечень ВАК

1 Нормы прочности гребных винтов ледоколов и судов ледового плавания // Журнал "Судостроение" -1997 - №3 - с 18-24 (в соавторстве с Ф М. Кацманом, К А Решетовым) (Автор - 80%)

2 Анализ опыта эксплуатации гребных винтов судов ледового плавания и ледоколов // Журнал "Морской вестник"-2006-№2(18)-с 98-101 (Автор-100%)

3 Анализ натурных ледовых нагрузок на лопасти гребного винта регулируемого шага арктического ледокола // Труды Центрального научно-исследовательского института имени акад. АН Крылова.-2005 -вып 24(308)-Санкт-Петербург-с 172-183 (Авгор-100%)

4 Ледовые нагрузки на лопастях гребных винтов ледоколов и судов ледового плавания // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского технического университета.-2006 -№2 -с 209-216 (Авгор-100%)

5 Новые требования Российского морского регистра судоходства к пропульсивным комплексам ледокольных судов// Журнал "Судостроение" -2006 -№2-с 31-32 (Автор-100%)

В рецензируемых изданиях судостроительной промышленности, морского транспорта, образования, в трудах международных и отечественных конференций

6 Методы экспериментальных исследований ледовых гагрузок на движителях ледоколов и судов ледового плавания //"Судостроение зарубежом"-1986 -вып. 11-№239 -16с (в соаягорсгве с В А. Беляшовым). (Автор - 50%)

7 Статистические законы распределения экстремальных ледовых нагрузок в системе движитель -валопровод судов ледового плавания и ледоколов // Журнал "Судостроительная промышленность" - серия "Проектирование судов" - вып 11 -1989 - с 69-75 (в соавторстве с В А Беляшовым) (Автор - 90%)

8 Статистические модели экстремальных ледовых нагрузок в системе движигель-валопровод судов ледового плавания // Журнал "Судостроительная промышленность" - серия "Проектирование судов" - вып. 13 -1989 - с 27-36 (Автор -100%)

9 К вопросу о прогнозировании ледовых нагрузок в системе "движигель-валопровод" судов ледового плавания по результатам самоходных испытаний в ледовом опьгтовом бассейне // Сборник ВНТО им акад. АН Крылова- 1992 -вып. 532 - Санкт - Петербург - Судостроение - с 32-39 (в соавторстве с В А Беляшовым, АВ Бицулей, И.Н. Семеновой) (Автор - 80%)

10 Методы пересчета результатов модельных исследований ледовых нагрузок на движителях на натуру //Проектирование, теория и прочность судов, плавающих во льдах (межвузовский сборник научных трудов) -Нижний Новгород-1992 - с 23-34 (в соавторстве с В А Беляшовым, АВ Бицулей) (Автор - 80%)

11 Вероятностно-статистический метод прогнозирования максимально-возможных ледовых нагрузок в системе "гребной винт - вал" ледокольных судов, на англ языке (Probabilistic/Statistic Method for Predicting maximum Possible Ice Load levels in the Propeller-Shafting System of Ice-Breaking Ships) // The 12 International Conference on Port and Ocean Engineenng under Arctic Conditions (POAC) - Hamburg -1993 -Proceedings - VoL 2-p 763-773 (Автор -100%)

12 Прогнозирование ледовых нагрузок на открытых гребных винтах и винтах в насадках по результатам испытаний самоходных моделей в ледовом опытовом бассейне // Труды первой международной конференции "Освоение шельфа арктических морей России" - Москва,-1994 - с 220-225 (в соавторстве с О Н Беззубиком, АВ Бицулей) (Автор - 80%)

13 Требования к прочности гребных винтов ледоколов и судов активного ледового плавания // Российский морской регистр судоходства,- Научно-технический сборник №19 - Санкт-Петербург - 1996-с 169-189(в соавторстве Ф М Кацманом, В А Беляшовым) (Автор - 85%)

14 Нормы прочности лопастей гребных винтов ледоколов и судов активного ледового плавания // Российский морской регистр судоходства.- Научно-технический сборник №20- часть 2- Санкт-Петербург -1998 - с 50-75 (в соавторстве с Ф М Кацманом) (Автор - 85%)

15 Эксплуатационная надежность гребных винтов ледоколов и судов активных ледовых классов'/Журнал "Морская технология" -1998 - № 4 - Февраль - с 58-62 (в соавторстве с Ф М. Кацманом) (Автор - 85%)

16 Анализ Финско-Канадских предложений по нормам прочности ледокольных гребных винтов для судов активных ледовых классов и ледоколов // Российский морской регистр судоходства,- Научно-технический сборник№22-1999-с 172-189 (всоавторствеФМ Кацманом,ВС Голубевым) (Авгор-80%)

17 Ледовые нагрузки для расчета прочности ледокольных гребных винтов // Российский морской регистр судоходства,- Научно-технический сборник №23 - 2000 - с 162-179 (в соавторстве О H Беззубиком, AB, Бицулей, M А Гаппоевым) (Автор - 80%)

18 Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений газа// Санкг - Петербург -Гидрометеоиздат -2001 - 356с (в соавторстве с Ю К Алексеевым, В П. Афанасьевым, О Е Лигоновым, М.Н. Мансуровым, ВВ Пановым, П.А Трусковым При участии автора подготовлен параграф 5 4 -с 221-238) (Авгор-80%)

19 Назначение и проверка размеров лопастей ледокольных гребных винтов, на англ языке (Assigning and venficaüon of icebreaker propeller blade scantlings) // Conference Lavrentiev Lecture -Saint-Petersburg- State Manne University - 2001- 19-21 June- Proceedings- p 267-277 (в соавторстве с Г В Бойцовым, ВС Голубевым, Ф М. Кацманом) (Автор - 80%)

20 Требования к прочности Механизма Изменения Шага МИШ гребных винтов судов ледового плавания и ледоколов // Российский морской регистр судоходства- Научно-технический сборник №24 - Санкт-Петербург- 2001 - с 191-215 (в соавторстве с В И. Алферовым, ГВ Бойцовым, В С Голубевым, ФМ Кацманом) (Автор-70%)

21 Методы статистической теории экстремальных значений для прогнозирования риска и обеспечения надежности эксплуатации морских судов и буровых платформ // Российский морской регистр судоходства,-Научно-технический сборник №24-Санкт-Петербург-2001 с 5-29 (в соавторстве с В И Евенко, Ю H Алексеевым, Л. А Золотухиной, M. А Гаппоевым) (Автор - 80%)

22 Проект новых требований PC к прочным размерам ледокольных гребных винтов, на англ. языке (Project of new RS requirements for îcebreaking propeller strength sizes) // Third international shipbuilding conference ISC 2002- S-Petersburg- Krylov Shipbuilding Research Institute - 2002 -8-10 October- Proceedings, Section В - p 164-173 (в соавторстве с ГВ Бойцовым,ВС Голубевым, Ф M. Кацманом) (Авгор-85%)

23 Статистические методы экстремальных значений для прогнозирования эксплуатационного риска и обеспечения эксплуатационной надежности шельфовых сооружений и морских судов, на англ языке (Statistical Method of Extreme values to predict operating operating nsk and to ensure reliability offshore structure and sea-going ships) // Third international shipbuilding conference ISC 2002 - S-Petersburg- Kiylov Shipbuilding Research Institute - 2002 -8-10 October - Proceedings, Section С - p 190-199 (в соавторстве с В И Евенко, M. А Гаппоевым, Ю H Алексеевым, Л А Золотухиной) (Автор - 75%)

24 Методы оценки напряженного состояния лопастей гребных винтов дня ледовых крупнотоннажных танкеров с целью разработки требований к их прочным размерам //Российский морской регистр судоходства.- Научно-технический сборник №25 - Санкт-Петербург - 2002 - с 121 -146 (в соавторстве с Г В Бойцовым, В С Голубевым, Ф М. Кацманом) (Автор - 80%)

25 Анализ опыта эксплуатации гребных винтов арктических ледоколов и разработка критериев их усталостной прочности // Российский морской регистр судоходства.- Научно-технический сборник №26 -Санкт-Петербург -2003 -с 108-138 (в соавторстве с H Д Лемус) (Автор-85%)

26 Ледовые нагрузки для расчета местной прочности лопастей ледокольных гребных винтов // Российский морской регистр судоходства- Научно-технический сборник №26 - Санкт-Петербург- 2003 - с. 93-107 (Автор -100%)

27 Прочность гребных винтов современных судов активного ледового плавания для транспортировки нефти и газоковденсата из районов арктического шельфа и шельфа замерзающих морей // Государственная Морская

Академия им. адм СО Макарова,- Сборник научных статей 'Эксплуатация морского транспорта"- Санкт-Петербург - изд "Наука" - 2003 - с 187-203 (в соавторстве с Ф М Кацманом) (Автор - 85%)

28 Проект новых требований PC к пропульсивным установкам судов ледового плавания и ледоколов, на англ языке (Project of new RS Requirements for propulsion machinery of ice going vessels and icebreakers) // Report "Legal and administrative issues of arctic transportation",WP5 (workshop activity)- Project GRD2 -2000-30112-S07 16174 "ARCOP" Arctic Operation Platform.- Finland- Ministry of Trade and industry -Deliverable D 6 5 -03 012005 - p 35-36,98-118 (Автор -100%)

29 Развитие требований Российского морского регистра судоходства к пропульсивным системам судов активного ледового плавания, на агл языке (Development of RMRS Requirements for the propulsion Systems of active ice-going vessels including Double Acting vesselsy/ Report "Legal and administrative issues of arctic transportation",WP7 (workshop activity)- Project GRD2 -2000-30112-S0716174 "ARCOP" Arctic Operation Platform- Finland.- Ministry of Trade and industry - Deliverable D 6 7 -01 022006-p 33-35 (Автор-100%)

30 Ледовые нагрузки для расчета прочности лопастей ледокольных гребных винтов // Тез докл-Конференция "XLII Крыловские Чтения, Проблемы Мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики"- ЦНИИ им ак АН. Крылова- НТО Судостроителей им ак АН. Крылова- Санкт-Петербург - 2006 - с 91 -93 (Автор -100%)

В патентах РФ:

31 Судовая Винторулевая Колонка//Патент РФ на изобретение № 2126762-Бюллетень изобретений №6 -1999 -8с (в соавторстве с Ю Н. Алексеевым, В А Беляшовым, О Н. Беззубиком, В М Пашиным, АВ Пономаревым, В Е. Спиро)

32 Движительный комплекс судна ледового плавания // Патент РФ на изобретение № 2141431 -Бюллетень изобретений №32 -1999 -8с (в соавторстве с Ю Н Алексеевым, В А Беляшовым, О Н. Беззубиком, В М Пашиным, А В Пономаревым, В Е Спиро)

ИЦСПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 23 01.2007. Зак 3233 Тир. 100. 2,0 печ. л.

Стр. Введение и разработка основных подходов к назначению прочных размеров пропульснвных комплексов и систем судов ледового плавания и ледоколов.

1 Состояние проблемы и постановка задач исследования.

1.1 Перспективы развития пропульсивных комплексов и систем судов ледового плавания и ледоколов.

1.2 Результаты анализа аварийности основного элемента пропульсивного комплекса -гребного винта для судов активного ледового плавания (СЛП) и ледоколов (ЛК).

1.2.1 Основные результаты анализа аварийности лопастей гребных винтов СЛП и ЛК.

1.2.1.1 Поломки гребных винтов Российских транспортных судов при эксплуатации на трассе Северного Морского пути (СМП).

1.2.1.2 Поломки гребных винтов транспортных судов по данным Канадского министерства обеспечения безопасности транспорта (Transportation Safety Board of Canada-TSB).

1.2.1.3 Поломки лопастей гребных винтов Канадских и Североамериканских ледоколов при эксплуатации в Арктике.

1.2.1.4. Поломки гребных винтов Российских ледоколов в Арктике.

1.2.2 Основные результаты анализа опыта эксплуатации Винтов регулируемого шага (ВРШ) и ВРК на судах активного ледового плавания и ледоколов.

1.3 Существующие методы и действующие требования Классификационных Обществ для назначения прочных размеров ледокольных гребных винтов (ЛГВ).

1.4 Постановка задач исследований и разработка основных подходов к их решению.

2. Требования к лопастям гребных винтов судов активного ледового плавания и ледоколов.

2.1 Ледовые нагрузки для назначения прочных размеров лопастей гребных винтов.

2.1.1 Основные подходы к определению ледовых нагрузок для назначения прочных размеров лопастей гребных винтов из условия усталостной и статической прочности. ^

2.1.2 Расчетные модели определения ледовых нагрузок на режимах фрезерования льда.

2.1.2.1 Краткий обзор предыдущих исследований.

2.1.2.2 Расчетная модель для определения ледовых давлений в зоне контакта лопасти со льдом.

2.1.2.3 Пример расчета контактного ледового давления.

2.1.3 Основные результаты анализа натурных испытаний по определению ледовых нагрузок на лопастях гребных винтов.

2.1.3.1 Основные подходы к определению и анализу ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам натурных испытаний.

2.1.3.2 Результаты анализа тензометрирования лопасти открытого гребного винта СЛП " Güdingen " в ледовых условиях.

2.1.3.3 Результаты анализа тензометрирования лопасти открытого гребного винта ледокола "Polar Star" в ледовых условиях.

2.1.3.4 Результаты анализа натурных испытаний арктических ледоколов типа "Арктика".

2.1.4 Основные результаты анализа модельных испытаний по определению ледовых нагрузок на гребных винтах для режимов фрезерования льда.

2.1.4.1 Основные подходы к определению ледовых нагрузок по результатам модельных испытаний на режимах фрезерования льда.

2.1.4.2 Испытания моделей гребных винтов в ледовом опытовом бассейне (ЛОБ) на режимах фрезерования льда.

2.1.4.3 Разработка методик по определению прочности модельного льда на смятие и на одноосное сжатие.

2.1.4.4 Метод пересчета ледовых нагрузок на ЛГВ с модельного масштаба на натурный для режимов фрезерования льда.

2.1.4.5 Исследование интенсивности ледовых нагрузок на гребные винты по результатам испытаний самоходных моделей в ледовом опытовом бассейне. Ю

2.1.4.6 Исследование влияния расположения пропульсивного комплекса и насадки на уровень ледовых нагрузок на гребном винте по результатам испытаний самоходной модели в ЛОБ.

2.1.5 Разработка предложений по определению ледовых нагрузок для назначения прочных размеров лопастей гребных винтов.

2.2. Прочные размеры лопастей гребных винтов.

2.2.1 Разработка основных подходов к назначению прочных размеров лопастей гребных винтов судов ледового плавания и ледоколов.

2.2.2 Прочные размеры корневых сечений.

2.2.2.1 Основные подходы к определению нормальных напряжений от стесненного кручения.

2.2.2.2 Геометрическая жестокость профиля на кручение и его центр жесткости.

2.2.2.3 Секториальныймомент профиля.

2.2.2.4 Угол закрутки корневого сечения от воздействия скручивающего лопасть ледового момента.

2.2.2.5 Оценка детонации профиля и нормальных напряжений от стесненного кручения.

2.2.2.6 Оценка касательных напряжений.

2.2.2.7 Изгибная прочность корневых сечений.

2.2.2.8. Расчетные формулы для оценки напряженного состояни.я корневых сечений от совместного воздействия скручивающего и изгибающего лопасть моментов. Сравнение с результатами расчетов по МКЭ.

2.2.2.9 Расчетные формулы для оценки максимальных напряжений и назначения прочных размеров корневых сечений.

2.2.3 Прочные размеры периферийных сечений лопастей и их кромок.

2.3. Допустимые напряжения для назначения прочных размеров лопастей гребных винтов из условия усталостной и статической прочности.

2.3.1 Основные подходы к назначению допустимых напряжений для назначения прочных размеров лопастей гребных винтов.

2.3.2 Критерий статической прочности для лопастей ледокольных гребных

ВИНТОВ.

2.3.3 Допустимые напряжения из условия усталостной прочности.

2.3.3.1 Основные подходы к назначению допустимых напряжений из условия усталостной прочности.

2.3.3.2 Вероятностно-статистический анализ ресурса лопастей гребных винтов арктических ледоколов.

2.3.3.3 Критерий усталостной прочности и разработка формулы для определи допустимых напряжений. Решение проблем обеспечения пирамидальной и усталостной прочности элементов пропульсивного комплекса (элементы МИШ ВРШ, креплений Винторулевых колонок (ВРК) к корпусу и т.д.).

3.1 Разработка основных подходов по обеспечению пирамидальной и усталостной прочности элементов МИШ ВРШ, креплений ВРК к корпусу и других элементов пропульсивного комплекса для судов ледового плавания и ледоколов.

3.2. Разработка требований к пирамидальной прочности.

3.2.1 Разработка критерия к величине предельной пластической деформации, соответствующей разрушению материала лопастей и элементов пропульсивного комплекса. ^

3.2.1.1 Разработка основных подходов к определению критической деформации разрушения материала в составе детали.

3.2.1.2 Практическая методика определения критического раскрытия трещины для вязкого и хрупкого разрушения с учетом характерной толщины детали.

3.2.1.3 Разработка расчетных формул для определения критической деформации.

3.2.2 Разработка критерия пирамидальной прочности для элементов пропульсивного комплекса из условия обеспечения допустимых уровней упругопластического деформирования в районах концентраторов напряжений.

3.2.2.1 Практические методики оценки напряженного состояния в районах концентрации напряжений для области упругопластического деформирования.

3.2.2.2 Учет вероятностно-статистических параметров прочностных характеристик деталей для назначения допустимых упругопластических деформаций при разработке требований к обеспечению пирамидальной прочности элементов пропульсивного комплекса (Механизма Изменения Шага (МИШ) ВРШ, крепления ВРК к корпусу и т. д.).

3.2.3 Разработка требований к предельной разрушающей лопасть нагрузке.

3.2.3.1 Анализ предыдущих методов по оценке предельной нагрузки от поломки лопасти.

3.2.3.2 Основные подходы к назначению предельной силы, разрушающей лопасть.

3.2.3.3 Метод Г.В. Бойцова по назначению предельной силы, разрушающей лопасть.

3.2.3.4 Метод II по назначению предельной силы, разрушающей лопасть.

3.2.3.5 Учет вероятностно-статистических характеристик винтовых отливок для назначения расчетной величины предельной силы, разрушающей лопасть.

3.3 Обеспечение усталостной прочности элементов Механизма Изменения Шага (МШИ) ВРШ, креплений Винторулевых колонок (ВРК) к корпусу и лопастей к ступице от воздействия ледовых нагрузок.

3.4 Разработка практических методик проверки пирамидальной и усталостной прочности типовой конструкции МИШ ВРШ для судов ледового плавания и ледоколов.:.

4 Проект требований Российского морского регистра судоходства (PC) к прочности пропульсивных комплексов судов ледового плавания и ледоколов.

5 Поверочные расчеты прочности ледокольных пропульсивных комплексов в соответствии с разработанным проектом требований.

В настоящее время одной из главных проблем современного ледокольного судостроения и судоходства в полярных водах является обеспечение эксплуатационной прочности пропульсивной системы (пропульсивного комплекса) судов ледового плавания (СЛП) и ледоколов (Ж). В первую очередь это определяется высоким уровнем ледовых нагрузок, воздействующих на элементы указанной системы при эксплуатации в ледовых условиях. Безаварийная работа пропульсивной системы (ПС) для СЛП и JDC в ледовых условиях определяет не только экономическую эффективность, но и безопасность эксплуатации судна. Актуальность указанной проблемы обостряется интенсификацией добычи нефти и газа на арктическом шельфе и шельфе замерзающих морей. До середины 90 годов прошлого века СЛП и Ж оборудовались открытым гребным винтом фиксированного шага (ВФШ) с электродвижением. Такая компоновка пропульсивной системы (открытый гребной винт - система привода - двигатель) считалась традиционной. В настоящее время на суда активного ледового плавания в качестве основного пропульсивного комплекса (ПК) внедряются Винторулевые колонки (ВРК), которые могут оснащаться Винтами Регулируемого Шага (ВРШ). Указанные ПК соединяют в себе функции ПС и рулевого устройства Лидирующее место по производству ВРК для СЛП и Ж занимают фирмы ABB (ВРК типа "Azipod") и Rolls Royce (ВРК типа "Aquamaster"). Введены в строй первые СЛП двойного действия (DAT) с ВРК типа "Azipod". Фирмой "Aker Fin Yards" (бывшая "Kwaemer Masa Yards") построено первое судно DAT категории ЛУ7 в классе Российского морского регистра судоходства (PC) для вывоза продукции из порта "Игарка". Данное судно оборудовано ВРК типа "Azipod". В ледовых условиях движение DAT осуществляется кормой вперед, что привод ит к значительному снижению ледового сопротивления и повышению эксплуатационной эффективности. В этом случае ВРК работает как носовой пропульсивный комплекс, что увеличивает уровень эксплуатационных ледовых нагрузок на его элементы. ВРК типа "Aquamaster" устанавливаются на буксирах высоких ледовых категорий и портовых ледоколах. Новые Балтийские ледоколы мощностью 2*8МВт будут оснащены ВРК типа "Aquamaster" фирмы "Steerprop". Предполагается установка ВРК типа "Aquamaster" на арктических ледоколах, предназначенных для Печорского моря. Для повышения эффективности ВРК типа "Aquamaster" оснащаются ВРШ.

Ледокольный гребной винт (J1TB) является одним из основных элементов ПК (ПС). Нагрузки на лопастях J 11В и их прочные размеры определяют эксплуатационную прочность всех других элементов ПК (ПС). Поэтому в правилах всех КО требования к конструкции гребного винта и его прочным размерам содержатся в Механической части, см. например, правила PC, часть VII "Механические Установки". На рис. 1 представлена пропульсивная система современного СЛП, оборудованная ВРШ. При эксплуатации во льдах гребной винт взаимодействуют со льдом. Мелкие обломки льда отбрасываются лопастями гребного винта, а крупные фрезеруются. В настоящее время режим фрезерования принят в качестве основного расчетного для назначения прочных размеров ПК и ПС. Ледовые нагрузки от гребного винта передаются на элементы валопровода, что обуславливает их вынужденные крутильные и продольные колебания. Скручивающий лопасть ледовый момент предается на Механизм Изменения Шага (МИШ). Рассмотренные ледовые нагрузки в несколько раз превышают соответствующие гидродинамические при эксплуатации на чистой воде и являются определяющими для назначения прочных размеров гребного винта и других основных элементов ПК (ПС), лежащих в потоке силовых линий.

Крутильные и продольные колебания валопровода

Рис. 1 Принципиальная схема действия ледовых нагрузок в пропульсивной системе (ВРШ)- водопровод при взаимодействии гребного винта со льдом на режиме фрезерования.

1. Гребной винт регулируемого шага (ВРШ).

2. вал

3. редуктор

4. лед

5. ледовые нагрузки на лопасти гребного винта.

6. изгибающий гребной вал момент.

Сфусихшсшош лспзе® *кыеэгг

При проектировании ПК и ПС необходимо учитывать возможность возникновения так называемых нерасчетных режимов взаимодействия гребного винта со льдом, когда поломка лопасти неизбежна. В этом случае должен быть обеспечен принцип пирамидальной прочности, согласно которому поломка лопасти не должна приводить к поломке всех других элементов: частей МИШ; гребного вала; упорного подшипника и т.д.

Расчетные схемы, а также действующие требования Классификационных Обществ (КО) и Морских Администраций (МА) для обеспечения прочности элементов пропульсивной системы (комплекса) основаны на опыте эксплуатации и в большинстве случаев носят эмпирический характер, не отражая основных физических закономерностей. Например, в действующих требованиях РС прочные размеры гребного винта назначаются из условия обеспечения статической прочности от действия гидродинамического момента. Учет ледовых нагрузок и усталости при назначении прочных размеров ледокольного гребного винта (ЛГВ) и других элементов ПК (ПС) в зависимости от ледовой категории осуществляется в виде коэффициентов, полученных на основе анализа предшествующего опыта эксплуатации. Такой подход не может быть применен к современным пропульсивным комплексам, обеспечение безопасности которых выходит за рамки предыдущего опыта эксплуатации и проектирования традиционных ПС. Требования РС к пирамидальной прочности носят рамочный характер. Например, в правилах РС не регламентируется требование к предельной силе поломке лопасти, а требования к прочности элементов МИШ, как показывает опыт эксплуатации, являются недостаточными. Поэтому существующие методы обеспечения прочности ледокольных ПК и пропульсивных систем, включая действующие правила РС, не соответствуют современным требованиям проектирования и эксплуатации. Требуется модернизация существующих и разработка новых научно-обоснованных методов и требований Российского морского регистра судоходства (РС) по обеспечению прочности главного элемента пропулъсивного комплекса - гребного винта и его других компонентов для ледокольных судов и ледоколов. Учитывая изложенное. целью настоящей работы является решение крупной научной проблемы, которая сводится к разработке теории взаимодействия гребного винта со льдом, включающей теоретические и экспериментальные методы определения ледовых нагрузок на ЛГВ, и методов обеспечения на ее основе эксплуатационной прочности элементов пропулъсивного комплекса СЛП и ЛК

Решение поставленной проблемы требует рассмотрения следующих задач исследования, сформулированных на основе анализа опыта эксплуатации и существующих методов обеспечения прочности ПК (ПС) ледокольных судов (см. главу 1, раздел 1.4):

- анализ опыта эксплуатации ЛГВ в ледовых условиях. Анализ повреждений и разработка основных подходов к обеспечению эксплуатационной прочности элементов ПК;

- определение вероягностно-статистических параметров распределений ледовых нагрузок на ЛГВ для обеспечения усталостной и статической прочности элементов ПК судов ледового плавания и ледоколов;

- разработка расчетных методов определения ледовых нагрузок на лопастях ЛГВ, включая контактные ледовые давления в зоне взаимодействия лопасти со льдом, с целью обеспечения местной прочности лопастей ЛГВ, расчетов прочности ЛГВ и других элементов ПК;

- разработка методов определения ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний в ледовом опыговом бассейне (ЛОБ) для обеспечения эксплуатационной прочности элементов ПК на стадии проектирования;

- исследование напряженного состояния лопастей ЛГВ под действием ледовой нагрузки;

- разработка методов обеспечения усталостной и статической прочности лопастей ЛГВ;

- разработка метода определения предельной силы поломки лопасти с целью обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК СЛП и Ж;

- разработка критериев прочности элементов ПК (элементы МИШ ВРШ, креплений лопасти к ступице, ВРК к корпусу и т.д.) при упругопласгическом деформировании в зонах концентрации напряжений от воздействия предельной силы поломки лопасти;

- разработка методов обеспечения усталостной и пирамидальной прочности элементов ПК (элементы МИШ ВРШ, креплений лопасти к ступице, ВРК к корпусу).

Указанные задачи являются взаимосвязанными и при рассмотрении одной из них необходимо учитывать другие.

Таким образом, на защиту выносятся следующие основные положения.

Теория взаимодействия ЛГВ со льдом, включающая комплексную методологию определения ледовых нагрузок на гребном винте, и разработанные на ее основе методы обеспечения эксплуатационной прочности элементов ПК судов ледового плавания и ледоколов.

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные выводы и прикладные результаты:

1. Основные научные выводы и результаты в части разработки основных подходов к обеспечению прочности элементов ПК для СЛП и Ж.

На основании анализа отечественного и зарубежного опыта эксплуатации и проектирования судов ледового плавания и ледоколов, а также тенденций развитая современного ледоколостроения сделан принципиальный вывод о необходимости разработки новых методов и требований обеспечения прочности ледокольных ПК. На основании анализа эксплуатационных повреждений ЛГВ и других элементов ПК разработаны основные гипотезы и подходы к разработке методов обеспечения их прочности при эксплуатации в тяжелых ледовых условиях. Ледовые нагрузки от взаимодействия ЛГВ со льдом значительно превышают гидродинамические и являются определяющими для назначения прочных размеров элементов ПК. Режим фрезерования льда принимается в качестве расчетного для назначения параметров ледовых нагрузок. Установлено, что в ледовых условиях поломки ЛГВ из высококачественных бронз обусловлены потерей статической прочности. Повреждения стальных гребных винтов обусловлены нарушением как статической, так и усталостной прочности. Поэтому прочные размеры ЛГВ в общем случае должны назначаться из условия совместного обеспечения усталостной и статической прочности. Усталость является определяющим фактором для назначения прочных размеров стальных ЛГВ. С целью разработки метода назначения прочных размеров лопастей ЛГВ из условия усталости выполнен вероятностно-статистический анализ их ресурса для арктических ЛК. На основании этого анализа в качестве основного критерия для обеспечения прочности ЛГВ принимается его минимальный ресурс, равный сроку эксплуатации судна (20-25 кал. лет) с обеспеченностью не менее 0.999, что соответствует современным нормам безопасности морских конструкций. Для обеспечения эксплуатационной прочности ПК ледокольных судов необходимо учитывать вероятность возникновения нерасчетных режимов взаимодействия ЛГВ со льдом, когда обеспечить сохранность лопасти не удается. В этом случае должен быть реализован принцип пирамидальной прочности, согласно которому при поломке лопасти все остальные элементы ПК и ПС должны остаться целыми. На основании опыта эксплуатации установлена частота возникновения нерасчетных режимов для СЛП и ЛК в зависимости от расположения ЛГВ (бортовый или центральный) и разработаны рекомендации в части назначения запасных лопастей (гребных винтов) в составе ЗИП. Обеспечение усталостной прочности элементов ПК обуславливает необходимость разработки вероятностно-статистической модели случайных ледовых нагрузок.

2. Основные научные выводы и результаты в части разработки теории взаимодействия Л1 В со льдом.

В рамках разработки этой теории выполнены комплексные теоретические и экспериментальные исследования ледовых нагрузок с целью назначения прочных размеров ЛГВ и других элементов ПК судовой энергетической установки из условия обеспечения усталостной и статической прочности. На основании ранее полученных результатов и выполненных в работе исследований показано, что ледовые нагрузки на лопастях ЛГВ для расчетных режимов фрезерования определяются процессами смятия (крошения) льда носиком кромки лопасти и выдавливанием раскрошенного льда вдоль зоны контакта лопасти со льдом. На основании этого подхода разработана расчетная модель взаимодействия лопастей ЛГВ со льдом, основанная на гидродинамической модели вязкого ледового слоя, позволяющая определять распределение контактного ледового давления в зоне взаимодействия лопасти со льдом. Полученные решения имеют первостепенное значение для обеспечения прочности лопастей ЛГВ. В период работы автора в ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова под его руководством и по авторским методикам в ледовом оптовом бассейне (ЛОБ) были выполнены комплексные испытания моделей ЛГВ на режимах фрезерования льда с целью исследования основных закономерностей ледовых нагрузок. На основании выполненных теоретических и модельных исследований установлено, что ледовые нагрузки на ЛГВ не зависят от скорости его вращения при прочих постоянных условиях. Ледовые нагрузки прямо пропорциональны прочности льда на смятие и на одноосное сжатие. Ледовые силы и моменты пропорциональны от16 и т2 6, где т - масштаб. Распределение ледовых контактных давлений по поверхности лопасти слабо зависит от формы профиля. Угол атаки лопасти и соответственно скорость судна являются основными расчетными параметрами для определения ледовых нагрузок с целью обеспечении элементов ПК (ПС). На режимах фрезерования льда контакт лопасти происходит в районе ее кромки, что приводит к воздействию на лопасть изгибающего и скручивающего моментов. На основании полученных результатов предложены методики определения эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний на режимах фрезерования льда и самоходных моделей в ЛОБ.

На основании комплексного анализа натурных и модельных ледовых нагрузок на ЛГВ показано, что их статистические распределения соответствуют третьему асимптотическому закону, отличительной чертой которого является ограничение диапазона изменения нагрузки максимально-возможным значением. С учетом последнего разработаны вероятностно-статистические модели ледовых нагрузок на ЛГВ и методы определения их параметров для обеспечения усталостной и статической прочности элементов ПК. Разработан метод назначения расчетных ледовых нагрузок на лопастях ЛГВ с целью назначения их прочных размеров и прочных размеров других элементов ПК.

3. Основные научные выводы и практические результаты в части разработки методов и требований к назначению прочных размеров ледокольных гребных винтов 011 В).

На основе комплексного анализа характерных эксплуатационных поломок ЛГВ показано, что прочные размеры лопастей целесообразно регламентировать на корневом сечении в районе гантельного перехода, на относительном радиусе 0.6 и на конце лопасти. Прочные размеры корневых сечений должны назначаться от совместного воздействия изгибающего и скручивающего лопасть ледовых моментов. Это обусловлено тем, что скручивающий момент приводит к возникновению нормальных напряжений от стесненного кручения корневых сечений, которые могут превосходить нормальные напряжения от изгиба На основе анализа сценариев нагружения лопасти ледовой нагрузкой и ее напряженного состояния показано, что толщины периферийных сечений должны назначаться из условия обеспечения прочности при косом отгибе боковой кромки лопасти и при прямом изгибе ее концевых сечений. Толщины кромок лопастей в общем случае должны рассчитываться от воздействия ледового давления, методика определения которого разработана в рамках теории взаимодействия ЛГВ со льдом. Анализ прочных размеров ЛГВ показал, что с необходимой для практических целей точностью, толщины кромок могут назначаться по действующим лопастям на основе опыта эксплуатации. С учетом изложенного, в диссертации разработаны практические методики назначения прочных размеров лопастей ЛГВ.

В рамках разработки методики определения допустимых напряжений подтверждено, что прочные размеры ЛГВ из высококачественных бронзовых сплавов (типа НИАЛ) определяются статической прочностью. Прочные размеры стальных ЛГВ назначаются из условия обеспечения усталостной прочности. Установлено, что применение дробеструйного упрочнения приблизительно на 10% снижает прочные размеры стальных ЛГВ. В сравнение с существующими методами разработанная методика по назначению допустимых напряжений позволяет значительно снизить прочные размеры ЛГВ из высококачественных сталей, что значительно улучшает кпд ЛГВ и имеет положительный эффект для обеспечения пирамидальной прочности ПС и снижения ее весогабаритных характеристик. Разработанные методики не имеют мировых аналогов и могут быть применены для назначения прочных размеров ЛГВ для судов нового типа - DAT.

4. Основные научные выводы и практические результаты в части обеспечения эксплуатационной прочности элементов ПК для судов ледового плавания и ледоколов.

Прочные размеры основных элементов ПК, лежащих в потоке силовых линий за гребным винтом, должны назначаться из условия обеспечения пирамидальной и усталостной прочности. Сила поломки лопасти является основной расчетной для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК. На основе теоретических исследований, а также анализа характерных изломов лопастей ЛГВ установлено, что сила поломки лопасти должна назначаться из условия ее разрушения в области пластического деформирования от воздействия изгибающего и скручивающего моментов. Дня назначения ее расчетной величины необходимо учитывать случайность прочностных характеристик материала винтовых отливок. На основании вероятностно-статистического анализа показано, что в качестве расчетных прочностных характеристик необходимо принимать их максимальные значения, которые превосходят минимально-требуемые по условиям поставки на 30%. В рамках этого подхода в работе предложен метод назначения предельной силы поломки лопасти для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК.

Анализ аварийных случаев показывает, что разрушение элементов ПК начинается в районе концентратора напряжений. На основе расчетов прочности установлено, что при поломке лопасти ЛГВ в концентрационных зонах элементов ПК возникают пластические деформации. Способность материала элемента ПК выдерживать пластическую деформацию без разрушения определяет его пирамидальную прочность. Поэтому в качестве основного критерия пирамидальной прочности элемента ПК принимается критическая деформация материала, соответствующая его разрушению. На основании выполненных исследований, анализа известных экспериментальных данных показано, что критическая деформация определяется пределом текучести, удлинением, ударной вязкостью и характерной толщиной конструкции (детали). При назначении расчетной критической деформации необходимо учитывать случайность указанных выше прочностных характеристик. На основании изложенного, в работе предложены методы обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании.

В рамках выполненных исследований показано, что для обеспечения усталостной прочности элементов ПК напряжения в концентрационных зонах от воздействия ледовых нагрузок должны быть ограничены упругой деформацией. В этом случае для оценки усталостной прочности элементов ПК

ПС) может приниматься гипотеза Майнера - гипотеза линейного суммирования усталостных повреждений. На основании этого подхода в работе разработаны методы обеспечения усталостной прочности элементов ПК от воздействия ледовой нагрузки.

На основе перечисленных выводов и практических результатов подготовлены проекты требований Правил Классификации и Постройки Морских Судов Российского морского регистра судоходства (PC): к лопастям гребных винтов с ледовыми усилениями категорий ЛУ4-ЛУ9 и ледоколов с ледовыми усилениями категорий ЛЛ6-ЛЛ9; к ступице и деталям крепления лопастей; к механизму изменения шага для гребных винтов судов с ледовыми усилениями и ледоколов; к прочности основных элементов главных ВРК, находящихся в потоке силовых линий, с учетом характерного размера элемента (детали), вязкотастических характеристик материала в составе данного элемента, а также концентрации напряжений.

Указанные проекты представлены в книгах 12 и 13 "Нормативно-методические материалы" PC, выпуск 2004г. Проект представлен PC на международном уровне в рамках контракта "ARCOP"- "Исследование в рамках Европейской Комиссии ARCOP морской транспортировки углеводородного сырья, добываемого в северных регионах России, в страны Западной Европы ".

В настоящее время результаты работы и подготовленный на ее основе проект требований непосредственно используются при проектировании и одобрении технической документации на современные пропульсивные комплексы. На его основе Регистром выполнено и выполняется одобрение технической документации (гребные винты, элементы МИШ ВРШ, крепления ВРК к корпусу) для ледовых ВРК, предназначенных для:

1. Портового ледокола ARC 0.455 категории ЛП6. Мощность 2*(3000KW). Проект и производство концерна "Rolls-Royce". ВРК оборудована ВРШ;

2. Портового буксира "Приморск" категории ЛУ5. Мощность 2*(1980 KW). Проект и производство фирмы "Shottel". ВРК оборудована ВРШ;

3. Арктического судна двойного действия категории ЛУ7. Мощность 1* 13300KW. Проект концерна ABB. ВРК оборудована ВФШ;

4. Арктических крупнотоннажных танкеров двойного действия, предназначенных для вывоза нефти с терминала "Варандей" и "Приразломного" месторождения;

5. Балтийского ледокола категории J1JI6. Мощность 2 * (80000ÄW). Проект компании "Steerpprop". ВРК оборудована ВФШ.

Апробация работы выполнена на многочисленных отечественных и международных конференциях и симпозиумах, а также ведущими фирмами производителями ПК, рабочей группой МАКО по разработке Унифицированных требований МАКО к механическим установкам полярных судов.

4. Основные выводы в части обеспечения эксплуатационной прочности элементов ПК (элементы механизма изменения шага (МИШ) винтов регулируемого шага (ВРШ), элементов крепления ВРК к корпусу, креплений лопасти к ступице, валов и т.д.) для судов ледового плавания и ледоколов.

4.1 Прочные размеры элементов пропульсивного комплекса, лежащие в потоке силовых линий за гребным винтом, должны назначаться из условия обеспечения пирамидальной и усталостной прочности.

4.2 Согласно принципу пирамидальной прочности при поломке лопасти элементы ПК судовой энергетической установки должны остаться целыми. Указанный подход является базовым при проектировании современных ПК для судов ледового плавания. Сила поломки лопасти является основной расчетной для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК и должна назначаться из условия ее разрушения в области пластического деформирования от воздействия изгибающего и скручивающего моментов. Для назначения силы поломки лопасти необходимо учитывать вероятностно-статистический разброс прочностных характеристик материала в составе винтовых отливок. На основании вероятностно-сгатисшческого анализа показано, что в качестве расчетных прочностных характеристик необходимо принимать их максимальные значения, которые превосходят минимально-требуемые по условиям поставки на 30%. В рамках этого подхода в работе предложен метод назначения предельной силы поломки лопасти для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК.

43 Анализ прочности элементов пропульсивного комплекса показал, что при поломке лопасти гребного винта в концентрационных зонах основных элементов ПК возникают пластические деформации. Способность выдерживать пластическую деформацию является основным фактором, который определяет пирамидальную прочность конструкции. На основании исследований, выполненных в работе, и анализа известных экспериментальных данных показано, что критическая деформация материала, соответствующая его разрушению, определяется его пределом текучести, удлинением, ударной вязкостью и характерной толщиной конструкции (детали). Показано, что для назначения критической деформации материала необходимо учитывать вероятностно-сттистический разброс прочностных характеристик отливок в области их минимальных и максимальных значений. На основании изложенного в диссертации разработаны методы обеспечения прочности элементов ПК в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании.

4.4. При обеспечении эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса судовой энергетической установки необходимо учитывать усталость от циклических ледовых нагрузок. Усталостные повреждения начинают развиваться в концентрационных зонах. Для обеспечения усталостной прочности напряжения от воздействия ледовых нагрузок должны быть ограничены упругой деформацией. Возможность возникновения пластической деформации должна быть ограничена одноразовыми воздействиями при поломке лопасти. В последнем случае должен быть обеспечен принцип пирамидальной прочности. В этом случае в качестве основного подхода для оценки усталостной прочности элементов ПК может приниматься гипотеза Майнера -гипотеза линейного суммирования усталостных повреждений. На основании изложенного в работе предложены методы обеспечения усталостной прочности элементов ПК от воздействия ледовой нагрузки.

На основании полученных в работе выводов и результатов подготовлены проект требований Российского морского регистра судоходства (РС) к:

- лопастям гребных винтов с ледовыми усилениями категорий ЛУ4-ЛУ9 и ледоколов с ледовыми усилениями категорий ЛЛ6-ЛЛ9;

- ступице и деталям крепления лопастей;

- к механизму изменения ишга для гребных винтов судов с ледовыми усилениями и ледоколов;

-к прочности основных элементов главных ВРК, находящихся в потоке силовых линий, с учетом характерного размера элемента (детали), вязкопластических характеристик материала в составе данного элемента, а также концентрации напряжений.

Указанные проекты представлены в книгах 12 и 13 "Нормативно-методические материалы" РС, выпуск 2004г. [11,111] Проект представлен РС на международном уровне в рамках контракта "ARCOP"- "Исследование в рамках Проекта Европейской Комиссии ARCOP морской транспортировки углеводородного сырья, добываемого в северных регионах России, в страны Западной Европы".

Таким образом, в рамках диссертационной работы решена крупная научная проблема -модернизация существующих и разработка новых научно-обоснованных методов и требований PC для обеспечения прочности гребного винта и других элементов пропульсивного комплекса (ПК) для ледокольных судов и ледоколов

Разработанные требования были обсуждены на совместных встречах PC с основным производителем ВРК для СЛП и ледоколов, концерном Rolls-Royce в 2004г и получили положительную оценку [144,145]. Разработанные проекты требований апробированы на всех основных ледокольных судах. Расчетные прочные размеры с точностью, необходимой для современной практики проектирования и эксплуатации, соответствует прочным размерам пропульсивных комплексов, которые успешно эксплуатировались во льдах.

В настоящее время подготовленный проект требований непосредственно используется при проектировании и одобрении технической документации современных пропульсивных комплексов. На его основе Регистром выполнено одобрение технической документации (гребные винты, элементы МИШ ВРШ, крепления ВРК к корпусу, валы) для ледокольных ВРК, предназначенных для:

1. Портового ледокола ARC 0.455 категории ЛЛ6. Мощность 2*(3000К\У/750сек-1). Проект и производство концерна "Rolls-Royce". ВРК оборудована ВРШ.

2. Портового буксира "Приморск" категории ЛУ5. Мощность 2*(1980 KW/750cck":'). Проект и производство фирмы "Shottel". ВРК оборудована ВРШ.

3. Арктического судна двойного действия категории ЛУ7. Мощность 1* 13300KW. Проект концерна "ABB". ВРК оборудована ВФШ.

4. Арктических крупнотоннажных танкеров двойного действия, предназначенных для вывоза нефти с терминала "Варандей" и Приразломного месторождения.

5. Балтийского ледокола категории ЛЛ6. Мощность 2 * 80000ÄW. Проект компании "Steerpprop". ВРК оборудована ВФШ.

6. Заключение, основные результаты и выводы

Обеспечение прочности ледокольных пропульсивных комплексов (ПК) является первостепенной задачей для современного арктического судоходства и ледоколостроения. Проблема осложняется с внедрением на суда ледового плавания (СЛП) и ледоколы (ЛК) новых типов ПК - Винто-Рулевых колонок (ВРК), которые могут оснащаться Винтами Регулируемого Шага (ВРШ). Гребной винт является основным элементом ПК (пропулъсивной системы (ПС)). Прочность гребных винтов и ледовые нагрузки на их лопастях определяют надежность всех других основных элементов пропульсивного комплекса (элементы механизма изменения шага (МИШ) для ВРШ, вал, подшипники). Существующие методы и действующие требования Классификационных обществ и Морских Администраций к лопастям ледокольных гребных винтов (ЛГВ) разработаны на основе требований к статической прочности. В правилах Российского морского регистра судоходства (РС) учет ледовых нагрузок осуществляется в виде эмпирических коэффициентов, полученных на основе предшествующего опыта эксплуатации. Такие нормативы не соответствуют современным требованиям проектирования и эксплуатации. Прочные размеры лопастей ЛГВ должны назначаться из условия совместного обеспечения усталостной и статической прочности от воздействия ледовых нагрузок. Прочность других элементов ПК (ПС), лежащих в потоке силовых линий, должна обеспечиваться из условия пирамидальной и усталостной прочности. Согласно принципу пирамидальной прочности поломка лопасги ЛГВ не должна приводить к повреждению других элементов пропулъсивной системы в потоке силовых линий (элементы МИШ ВРШ, гребной вал, упорный подшипник, элементы крепления лопасти ЛГВ к ступице и ВРК к корпусу и т.д). Указанный принцип является основным для обеспечения эксплуатационной прочности ледокольных судов. Требования РС к пирамидальной прочности носят рамочный характер. В правилах РС не регламентируется требование к предельной силе поломке лопасти, а соответствующие критерии прочности элементов ПК (например, элементы МИШ), как показывает опыт эксплуатации, являются недостаточными.

Учитывая изложенное, требуется разработка новых научно-обоснованных требований РС к прочности ПК ледокольных судов и, в первую очередь, к их основному элементу - гребному винту. Решение данной задачи необходимо рассматривать не только с технической точки зрения, но также принимать во внимания престиж России, как морской державы. Правила РС должны содержать требования, которые опираются на реальные физические процессы и учитывают современные достижения науки и практики в области проектирования и эксплуатации ЛК и судов активного ледового плавания.

Таким образом, основной целью диссертационной работы является решение крупной научно-технической проблемы, которая сводится к разработке теории взаимодействия гребного винта со льдом и к созданию на ее основе методов и требований по обеспечению эксплуатационной прочности элементов пропулъсивного комплекса для судов ледового плавания и ледоколов.

Разработка теории взаимодействия гребного винта со льдом является первым этапом решения указанной проблемы и включает исследование механизмов разрушения льда лопастями гребного винта, а также создание комплекса теоретических и экспериментальных методов определения ледовых нагрузок для расчета усталостной и статической прочности ЛЕВ и других элементов ПК (ПС).

Разработка на основе теории взаимодействия ЛГВ со льдом методов обеспечения прочности элементов ПК от воздействия ледовых нагрузок, а также из условия поломки лопасти является вторым этапом решения указанной выше проблемы.

В диссертационной работе разработан комплексный подход для решения поставленных задач. Основные выводы и результаты представлены ниже.

1. Вейккола В. Ледовые испытания показали максимальную эффективность // Навигатор,- 1993. №2- с. 6-7.

2. Лохи П. Многоцелевые ледоколы для мореходного управления Финляндии // доклад АО "Финнярдс".- 1993, 13.09.- 11 стр

3. Невел Д. Е. Сравнение проектных ледовых нагрузок по стандартам API и CSA // Третья международная конференция по освоению шельфа арктических морей России. Санкт-Петербург, 1997- 7 стр.

4. Ice Damages to Propulsion Machinery on Russian Ice-Strengthened Cargo Vessels //Report.-S-Peterburg, CNIIMF (Центральный научно исследовательский институт Морского Флота).- 1995, March.- № 4436А.- 56р.

5. Руководство по техническому наблюдению за ремонтом морских судов// Российский морской регистр судоходства.- Санкт-Петербург.- 2005,- 167с.

6. Винд Я Определение размеров высокомощных движительных комплексов для арктических ледоколов и ледокольных судов // 5-й симпозиум по гребным винтам фирмы Липе, Нидерланды.-Москва,-1983, 19-20 мая,- 41 с.

7. Анализ поломки ВРШ танкера Санкт-Петербург И Технический отчет,- Санкт-Петербург.- Российский морской регистр судоходства.-1999, сентябрь.-ислолнители А.В. Андрюшин, B.C. Голубев.-ЗЗ с.

8. Koskinen P., Ussila М., Soininen Н Propeller ice load models//Finland.-VTT.- Recearch Note №1739.-1996.-82p.

9. Игнатьев M.A. Гребные винты судов ледового плавания // Ленинград-Судостроение,- 1966г.-114с., приложения I-VI.

10. Ягодкин В.Я. Аналитическое определение момента сопротивления вращению гребного винта при его взаимодействии со льдом // Ленинград,- Морской транспорт.-Сборник "Проблемы Арктики и Антарктики".-вып. 13.-1963.-79-88 с.

11. Кацман Ф.М., Яконовский С.В. Ледовые нагрузки, действующие на лопасти судовых гребных винтов И Морской флот. 1967.- №11,- с. 26-27.

12. Belijashov V.A. Method for calculating ice loads encountered by propeller blades // The 12^ International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC -93).- Hamburg.-1993, August 17-20,- Proceedings.- Volume 2,- p. 359-368.

13. Беляшов В.А., Шпаков B.C. О механике разрушения льда лопастями гребных винтов // Механика и физика льда. Москва.- Наука.- 1983,- с. 21-29.

14. Soinenen H. A propeller-ice contact model Dissertation for the degree of Doctor of Technology // VTT technical research centre of Finland. Espoo.- 1988.- 116p.

15. Андрюшин A.B. Ледовые нагрузки для расчета местной прочности лопастей ледокольных гребных винтов //Санкт-Петербург.-Российский морской регистр судоходства,- Научно-технический сборник.-2003., №26.- с. 93-138.

16. Кацман Ф.М., Андрюшин А.В., Беляшов В.А. Требования к прочности гребных винтов ледоколов и судов активного ледового плавания IIСанкт-Петербург Российский морской регистр судоходства-Научно-технический сборник,- 1996., №19- с. 169-189.

17. Blade Strains measured on USCGC Polar Star //MetriComp Systems, February 1998.- Meeting in Det Norske Veritas, Oslo, 26-27 Febryary.- IACS (International Association of Classification Societies) documentation, Harmonisation of Polar Ship Rules.-7p.

18. Алексеев Ю.Н., Беляшов B.A., Шпаков B.C. Исследование напряжений в лопасти гребного винта ледокола в натурных условиях // Вопросы судостроения, Серия проектирования судов,- 1978г.-вып. 19 с. 30-37.

19. Авдрюшин А.В, Беззубик О.Н, Бицуля А.В., Гаппоев М.А. Ледовые нагрузки для расчета прочности ледокольных гребных винтов //С-Петербург Российский морской регистр судоходства.- Научно-технический сборник. -2000., №23.- с. 162-179.

20. Baker D., Nishizaki R. The MV Arctic New Bow Form and Model Testing // SNAME Transactions.- 1986., Vol. 94.-p. 57-74.

21. Глебко Ю.В., Штрек А.А. Ледовые испытания танкера двойного действия в Финском заливе //Санкг-Петербург.-ЦНИИМФ.- Сборник трудов ЦНИММФ Проблемы развития морского флота.-2004.-стр. 92-93.

22. Soininen Н., Veitch В. Propeller-ice interaction Joint research project arrangement #6 (JPRA#6), Joint conclusion report // Finland, VTT Technical Research Centre of Finland.- Espoo.-VTT Research Notes №1762.-1996.-3 lp.

23. Bose N., Veitch В., Douset M. Proposal For Design of Ice Class Propellers И Report TP 1321.- Canada Memorial University of Newfoundland.- Faculty of Engineering and Applied Science.- March 1998.- 37p.

24. Pekka K., Brian V., Robin B. Proposal for estimation of the blade ice loads for IACS unified ice class rules // IACS (International Association of Classification Societies) documentation., Harmonisation of Polar Ship Rules -17.11.1997.-25p.

25. Pekka K. Calculation of blade forces for FE-Analysis // IACS (International Association of Classification Societies) documentation., Harmonisation of Polar Ship Rules.- 28.11.1997,- 4p.

26. Заключение ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова на проект Унифицированных Требований МАКО к механическим установкам судов с ледовыми усилениями //ЦНИИим. ак. А.Н. Крылова, исх. №1007-10435 от 26.06.1999г.- 14с.

27. О проекте Унифицированных требований МАКО к механическим установкам полярных судов // ЦНИИМФ, исх. № Ц-21/2466 от 05.07.2001. Зс.

28. Заключение ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова на проект Унифицированных Требований МАКО к механическим установкам судов с ледовыми усилениями // ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова, исх. № 040311470 от 20.09.1999.-4с.

29. Draft Proposals for the Finnish Swedish Ice Class Rules for Propulsion Machinery (rev.2), 31.03.04 // Finland.-Finish Maritime Administration. 2004.- 26 p.

30. Koskinen P., Jussila M., Soininen H. Propeller ice loads models // Finland.-VTT Technical research centre of Finland.-ESpoo.- VTT Research Notes № 1739,- 1996.- 82p +1 appl.

31. Андрюшин A.B. Статистические модели экстремальных ледовых нагрузок в системе движитель валопровод судов ледового плавания // Судостроительная промышленность, сер. Проектирование судов. -1989г.- вып. 13,-с. 27-26.

32. Алексеев Ю.Н., Афанасьев В.П., Лишнов О.Е., Мансуров М.Н., Панов В.В., Трусков П.А. Ледотехнические аспекты освоения морских месторождений и газа // Гидрометеоиздат.- Санкт-Петербург,-2001,-356 с.

33. Андрюшин А.В., Кацман Ф.М., Решетов А.Н. Нормы прочности гребных винтов ледоколов и судов ледового плавания // Судостроение.- №3,-1997,- с. 18-24.

34. Андрюшин А.В., Кацман Ф.М. Нормы прочности лопастей гребных винтов ледоколов и судов активного ледового плавания // Санкт-Петербург.- Российский морской регистр судоходства,- Научно-технический сборник №20,- часть 2,- Санкт-Петербург,-1998,- с. 50-75.

35. Andiyuishin A. The Support of Operational Reliability For Icebreaking Propeller During Designing // OMAE.-1999.-Proceedings. -p. 122-132

36. Andryushin A V., Boistov G. V., Golubev V.S., Katsman F.M. Assigning and verification of icebreaker propeller blade scantlings // Sanct-Petersburg.- State Marine University .-Conference Lavrentiev Lecture.- 2001, 19-21 June-Proceedings.- p. 267-277.

37. Katsman F.M., Andryushin A V. Ships propeller operation reliability for icebreakers and the ice ship classes // Marine technology -1998., February.- № 4,- p. 58-62.

38. Draft of IACS Unified Requirements for Polar Ship Machinery, Version 13, May 2004// IACS (International Association of Classification Societies) documentation, Harmonisation of Polar Ship Rules. -2004, May. -22p.

39. Koskinen P., Jussila M. Long term measurements of ice loads on propeller blade of M/S Gudingen // Finland.- Espoo.-VTT Technical Research Centre of Finland.- VTT Research Notes 1260,- SF-02150.- 46p. and 118 app.

40. Правила Классификации и Постройки Морских Судов, 2003г., том 1, часть 1 "Классификация" // Санкт- Петербург.-Российский морской регистр судоходства, 2003.

41. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. Гидродинамическая модель удара твердого тела о лед // Прикладная механика,-том XII.- № 10.- 1976.-е. 103-109.

42. Е.М. Апполонов, A.B. Дидковский, М.А. Кутейников, А.Б. Нестеров. Совершенствование методологии определения ледовых нагрузок // Санкт-Петербург,- Российский морской регистр судоходства.- Науч.-техн. сб.- 2002. вып. 25.- с.83-100.

43. К. Хеллан. Введение в механику разрушения// Москва: Мир.- 1988. 364 стр.

44. Измерение критического коэффициента интенсивности напряжений поликристаллического льда при больших скоростях нагружения // Сборник "Механика. Новое в зарубежной науке. Физика и механика льда".- Москва: Мир. -№30.-с. 127-139.

45. Юдовин Б.С. Условия применения турбозубчатых агрегатов на судах ледового плавания // Судостроение-1973,-№10,-с. 22-26.

46. Беляшов В.А., Беззубик О.Н. Учет динамичности Процессов взаимодействия гребного винта со льдом // Межвузовский сборник научных трудов Вопросы проектирования судов, плавающих во льдах",- Горький,-1988,- стр. 98-106.

47. Гребенюк С.Я. Система обработки результатов натурных ледовых испытаний пропульсивных комплексов судов // Санкт-Петербург,- ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова.- Вторая международная конференция по судостроению ISC 98.- 1998, 24-26 ноября.- с. 170-177.

48. Меркулов В.А., Пасуманский Е.М. Динамика и прочность двигательно-движительных комплексов ледоколов и судов ледового плавания // Санкт-Петербург,- Динамика и прочность судового оборудования и систем,- 2004г.-с. 4-14.

49. Басалыгин Г.М. Доможаков И.О. Анализ влияния энергообмена в масляных зазорах ГУП на динамику валопровода ледокола // Санкт-Петербург,- Росийский морской регистр судоходства Научно-технический сборник №27,- 2004,- с. 221-240.

50. Басалыгин Г.М. Снижение динамических нагрузок на главные упорные подшипники арктических ледоколов //Судостроение,-1995.- №1. -с. 21.-29.

51. The report on the 1986 Trials of M.V. KALVIK, volume 1, main report prepared for Canadian Coast Guard, February 1987 // Технический отчет.- Российский морской регистр судоходства, вх. №18372 от 15 мая 2003.

52. Саеки X, Одзаки А. Давление льда на сваи // МИР.- Москва.- Сборник Физика и механика льда-1983. №30- с.327-336.

53. Алексеев Ю.Н., Беззубик O.H., Беляшов B.A., Шпаков B.C. Экспериментальные возможности нового ледового опытового бассейна ЦНИИ им. ак. А.Н. Крылова // Судостроительная промышленность, Серия проектирование судов 1989г. - вып. 13.-с. 3-8.

54. Беззубик О.Н. Современные средства измерения скручивающих моментов на лопастях ВРШ // Судостроительная промышленность, Серия проектирование судов.-1991. вып. 19,- с. 31-34.

55. Беззубик О.Н. Динамометрическая аппаратура для исследования периодических гидродинамических нагрузок на моделях гребных винтов // Судостроительная промышленность, Серия проектирование судов,-1998. вып. 13,- стр. 22-27.

56. Bhat S.U. Modeling of Size Effect in ice Mechanics Using Fractal Concepts.// Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering (OMAE.)-1990, November.- Vol.12.-p. 371-376.

57. Богородский В. В., Таврило В.П. Лед, Физические свойства, Современные методы гляциологии // Ленинград,- Гидрометеоиздат.-1980 380 с.

58. Enkvist Е. On the ice Resistance Encountered by ships operating in the Continues mode of ice breaking // Helsinki.-The Swedish Academy of Engineering Sciences in Finland.-1972.-Report №24,-181 p.

59. Алексеев Ю.Н., Шахаева Л.М, Сазонов К.Е. Оценка составляющей полного ледового сопротивления, зависящей от разрушения льда // Вопросы судостроения, сер. Проектирование судов,--1982,- вып. 32, с. 69-73.

60. Laskow V., Spencer Р.А., Bayly M.I. The MV Robert Lemeur Ice/Propeller Interaction Project: Full-Scale Data //Marine Technology.- 1986, №4.-October. vol. 23,- p. 301-319.

61. Беляшов B.A., Дмитриев Д.С. Изменение кинематических параметров системы винт-вал-двигатель при взаимодействии гребного винта со льдом//Вопросы судостроения, сер. Проектирование судов.- вып. 41.1984 г.-с. 36-43.

62. Escola Н. Modeling the propulsion machinery behavior during model propulsion test in ice // POLARTECH-86.- 1986. Proceedings.- vol. 2. - p. 185-205.

63. DNV Rules for Ships. -Pt.5 Special service and Type -Additional Class.- Chapter 1 Ships for navigation in ice.- Sec 4.- G400 Ice loads on propeller nozzle.-2002.

64. Власов B.B. Тонкостенные упругие стержни // Ленинград Государственное издательство строительной литературы,-1940,-276 с.

65. Лурье А. И. Теория упругости // Москва- Издательство "Наука",- Главная редакция физико-математической литературы- 1979. 939 с.

66. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иоселевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин // Москва.- Справочник.-Машиностроение-1979.- 702 с.

67. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность // Москва.-Машгиз,- 1963.-452 с. с ил.

68. Wenschot P. The properties of NIAL Bronze sand cast ship propellers in relation to section thickness // Naval engineers Journal.- 1986, September.- p. 58-69.