Милена львовна выбор и аналитическая оценка гидродинамической схемы судна на подводных крыльях на ранних стадиях проектирования

На правах рукописи

УДК 629.124.9:533.693(204.1) Мухина Милена Львовна ВЫБОР И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ НА РАННИХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ Специальность 05.08.03 – Проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2011

Работа выполнена на кафедре «Кораблестроение и авиационная техника» ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» (НГТУ им. Р.Е. Алексеева)

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Зуев Валерий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Панченков Анатолий Николаевич кандидат технических наук, доцент Шабаров Василий Владимирович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» (ВГАВТ)

Защита состоится «17» марта 2011 года в 12 часов в ауд. НГТУ им. Р.Е. Алексеева на заседании диссертационного совета Д212.165. по специальности 05.08.03 – Проектирование и конструкция судов.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печа тью, просим направлять на имя Ученого секретаря диссертационного совета Д212.165. по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Факс: (8312) 436–94–75.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан « » 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.165.08, доктор технических наук, Е.М. Грамузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. К началу 90-х годов прошлого века отечественный ско ростной пассажирский флот по своей численности и масштабам перевозок не имел ана логов в мире. В подавляющем большинстве этот флот был представлен судами, разрабо танными ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева. В эксплуатации находилось свыше 440 еди ниц пассажирских судов на подводных крыльях (СПК) различных типов. Регулярным скоростным сообщением они связывали более полусотни крупных речных и морских портов. Осуществлялись регулярные поставки теплоходов за рубеж.

Смена в государстве экономического уклада стала одной из определяющих причин начавшейся в то время ликвидации стабильно и успешно функционирующей транспорт ной системы. До 2003г. пассажирские перевозки на СПК продолжали дотироваться из госбюджета, затем началось массовое закрытие скоростных линий. Оказалось, что в условиях рыночной экономики, в первую очередь, стихийного роста цен на топливо, СПК не выдерживают конкуренции с междугородными автобусами. Заложенные на «ге нетическом» уровне более высокие, чем у автобусов приведенные расходы топлива у СПК стали поводом для пересудов об их техническом совершенстве. Поэтому автор диссертации посчитала необходимым, наряду с результатами исследования по основной теме диссертации представить в ней материалы аналитического обоснования тезиса, со гласно которому СПК Р.Е. Алексеева были и продолжают оставаться высокотехноло гичными машинами, имеющими свою нишу в транспортной системе государства. Их сравнение с автобусами изначально является некорректным. Линии эксплуатации СПК не должны дублировать автобусные маршруты. В России имеется достаточное число мест, где водный транспорт остается в летнее время безальтернативным. Остались нере ализованными возможности использования СПК для доставки рабочих бригад, работа ющих вахтовым методом в прилегающих к рекам районах Сибири и Дальнего Востока, обслуживания морских буровых установок. Имеются примеры успешного применения СПК в качестве экскурсионных судов, сохраняются до сих пор гарантированные воз можности поставки на экспорт, прекращение которых идет вразрез со стремлением гос ударства к уменьшению сырьевой доли экспорта. Растет востребованность изучения возможностей применения СПК для несения патрульно-пограничной службы, органов Рыбнадзора и МЧС. Нельзя не учитывать также, что утрата алгоритмов проектирования СПК и специфических технологий их постройки неминуемо означает отставание страны в области военно-морских технологий, ибо функция общественной полезности СПК не ограничивается только пассажирскими перевозками.

Цель работы. Разработка методологии проектирования гидродинамического ком плекса СПК, позволяющей с наименьшими затратами времени и средств восстановить проектирование и строительство новых судов этого типа.

Задачи исследования: Сравнительный анализ эффективности использования топлива пассажирскими транспортными машинами принципиально различных типов (СПК, автобусы, самолеты, и др.).

Поиск и анализ материалов в подтверждение тезиса о приоритетной роли задачи построения схемы гидродинамической компоновки (гидродинамической схемы) СПК в начальной стадии проектирования объекта.

Анализ и разработка методического обеспечения для решения проектных задач, посвященных реализации двух важнейших функций гидродинамического комплекса СПК: – разгона судна с обеспечением его «выхода на крылья» и – устойчивости движе ния объекта в расчетном режиме.

В процессе ретроспективного обзора, посвященного диалектике изобретения и развития гидродинамической схемы «тандем», обосновать безальтернативность приме нения этой схемы в предстоящей модернизации СПК;

при этом приоритеты должны быть отданы схемам с самостабилизацией движения, основанной на использовании «эффекта Алексеева».

Разработка алгоритмического строя (блок-схемы) аналитического изучения устойчивости при проектировании СПК;

разработка математического обеспечения для оценки устойчивости продольного возмущенного движения (устойчивости «в малом»).

Обоснование и разработка необходимой базы данных для проектирования гидро динамических комплексов СПК методом «гидродинамического копирования», основан ного на постулатах теории динамического подобия;

выполнение наиболее важных фрагментов практического применения предлагаемого метода.

Объект исследования. Гидродинамические комплексы отечественных СПК кон струкции ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева, выполненные по схеме «тандем», обладаю щие гидродинамической самостабилизацией. Носовое крыло – сложной пространствен ной формы. Кормовое крыло – практически плоское малопогруженное. Пропульсивные передачи – наклонные валопроводы. Суперкавитирующие гребные винты. Гидродина мические рули.

Предмет исследования. Методология аналитического подхода к структуризации и построению схемы гидродинамического комплекса СПК на базе аналогичного комплек са уже построенного и успешно себя зарекомендовавшего СПК, разработанного в свое время в ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева. Такое судно фигурирует в данной работе под термином «гидродинамический прототип». Теоретической базой методологии является теория динамического подобия.

Научная новизна. Признаки научной новизны имеют следующие результаты:

разработка методики расчета и построения диаграммы для сравнительной оценки эффективности использования запаса топлива транспортными машинами принципиаль но разных конструктивных типов;

логико-аналитическое заключение о приоритетной роли задачи выбора и построе ния гидродинамической схемы СПК в начальной стадии проектирования судов этого типа;

выводы, сделанные по результатам проведенного в диссертации изучения меха ники движения СПК, а именно:

определение физического смысла гидродинамического феномена, названного в диссертации «естественной гидродинамической устойчивостью» («гидродинамической самостабилизацией» по А.Н. Панченкову). Присущая исключительно СПК с несущей системой «тандем», эта особенность делает данную схему оптимальной для практиче ского применения;

при изучении проблем разгона – выхода судна на крылья («ходкость» СПК) и устойчивости его движения следует придерживаться общего подхода к определению указанных мореходных качеств, основанного на анализе общей системы уравнений или постановке единого эксперимента;

развитием последнего тезиса является сформулированное в диссертации предло жение о классификации «Расчета продольной посадки СПК» как проектного документа, представляющего не ходкость, а устойчивость движения СПК;

разработанная автором практическая методика оценки устойчивости свободного возмущенного движения СПК является достаточно надежным инструментом аналитиче ского проектирования гидродинамического комплекса СПК;

наиболее эффективен этот способ при использовании предлагаемого в диссертации метода проектирования, названного автором «гидродинамическим копированием»;

статистическая диаграмма, устанавливающая зависимость между пассажировме стимостью СПК и водоизмещением, и свидетельствующая о том, что СПК, разработан ные ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева, обладают наиболее высокими гидродинамически ми характеристиками.

Положения, выносимые на защиту:

СПК продолжают оставаться высокотехнологичными транспортными машинами, имеющими свою нишу в транспортной системе государства;

их сравнение по расходам топлива с междугородными автобусами изначально является некорректным: СПК не должны дублировать транспортные линии, обслуживаемые автобусами;

при формировании теории проектирования СПК как инженерной дисциплины необходимо исходить из следующих положений, объективность которых подтверждает ся материалами диссертации:

приоритетным объектом внимания конструкторов СПК в начальной стадии про ектирования является не корпус судна, а его гидродинамический комплекс, обеспечива ющий успешную реализацию принципа движения по воде;

наиболее целесообразно проводить не отдельное, как это принято в классической теории проектирования судов, а комплексное изучение названных выше наиболее важ ных «мореходных качеств» СПК в формате одного раздела, который будет фигуриро вать под названием, например, «Механика движения СПК»;

определение естественной гидродинамической устойчивости движения СПК как «способности гидродинамического комплекса судна самостоятельно, без вмешательства судоводителя или автоматики, сохранять режим хода на крыльях при воздействии как случайных, так и стационарных возмущений, имеющих спецификационный характер»;

утверждение о том, что применение методологии гидродинамического копирова ния является наиболее прагматичным подходом к решению проблемы возобновления проектирования и строительства новых СПК в современных условиях.

Практическая значимость работы. Как показывает практика проектирования СПК, разработка гидродинамического комплекса нового судна – достаточно трудоемкий процесс, который по опыту ЦКБ по СПК продолжается несколько месяцев и даже лет.

Успех дела при этом обеспечивается специалистами-гидродинамиками и мастерами ра бочих профессий, владеющими специфическими технологиями проведения испытаний на открытых аква-полигонах. Разработанный в диссертации метод проектирования гид родинамического комплекса СПК как динамически-подобной модели гидродинамиче ского комплекса некоторого СПК-прототипа сокращая практически на нет затраты вре мени и средств на проведение модельных испытаний, может оказаться и единственным способом экспресс-восстановления в стране строительства новых СПК.

Достоверность полученных результатов. Разработка методики проектирования гидродинамической схемы СПК на базе схемы уже известного СПК, основанной на ме тоде гидродинамического подобия. Метод позволяет принципиально обойтись без про ведения модельных испытаний, он наиболее эффективен для достижения цели восста новления и строительства в стране скоростного флота.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: III научно-технической конференции «Алферьевские чтения», Н. Нов город, 1990г.;

на ХI научной конференции «Проектирование СДПП», Н. Новгород, 1995г.;

на III Международной конференции по экранопланам, Н. Новгород, 1996г.;

на VI Международной конференции по компьютерной графике «КОГРАФ-96», Н. Новгород, 1996г.;

на научно-технической конференции «XXVII Российская школа по проблемам науки и технологий», посвященная 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Ко ролева и 60-летию «КБ им. акад. В.П. Макеева», Миасс, Челябинская обл., 2007г.;

на научно-технических конференциях и семинарах НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 13 научных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 73 наиме нований, приложения. Диссертация содержит 122 страниц основного машинописного текста, включая 30 рисунков, 2 таблицы и 10 страниц приложения с 10 рисунками.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены его цель, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практиче ская значимость полученных результатов.

В шоковом состоянии оказались в начале 90-х годов пароходства, имеющие СПК.

Возникла необходимость перестройки транспортной системы для хотя бы рентабельной работы флота в условиях рыночной экономики. Это сделать не удалось, и с 2003г. паро ходства, ставшие акционерными обществами, начали активно избавляться от СПК. В такой обстановке сформировалось не имевшее подробного и всестороннего экономиче ского обоснования представление о фатальной убыточности пассажирских перевозок на СПК, не выдерживающих конкуренции с автобусами. При поверхностном подходе этот вывод порождает сомнения в техническом совершенстве СПК. С целью опровержения этого мнения в первой главе диссертации были рассмотрены и проанализированы не которые аспекты обсуждаемой проблемы:

По известным объективным причинам СПК заметно уступают автобусам по при веденным («руб./пасс.км») расходам на топливо. Из-за разницы в режимах эксплуатации расчет этого параметра по рейсовым и годовым (навигационным) показателям заведомо дает негативные для СПК результаты. В диссертации анализируется, как наиболее кор ректный, вариант сравнительной оценки по показателям, рассчитанным за весь период «жизненного цикла» (10 лет у автобусов;

40 лет у СПК).

Вместо параметра «руб./пасс.км» при сравнительной оценке транспортной эффек тивности СПК и автобусов (и др. транспортных средств) по расходу топлива в диссерта ции предложено использовать известные авиационные критерии – часовой и километ ровый расходы топлива:

* + *+ При этом, [ ]– мощность главного двигателя транспортной машины;

[ ] – его где [ ] – масса (водоизмещение масс);

удельный расход топлива;

– пропульсивное качество рассматриваемого транспортного объекта.

Проблема сравнительного анализа расходов топлива и сравнительной оценки тех нического совершенства разнотипных транспортных машин наиболее успешно решается с использованием расчетного параметра, названного в диссертации коэффициентом эф фективности использования запаса топлива, где, [Дж]– полезная работа, выполненная для перевозки некоторого числа пассажи ров на расстояние L в течение времени t, [сек];

, [Дж]– энергия, образующаяся при сго рании некоторого заданного количества топлива с известной теплотворной способно стью. Величины и рассчитываются по известным формулам механики и теплотех ники. Значения коэффициента были рассчитаны для более сотни видов транспортных средств, относящихся к наземному, водному и воздушному видам транспорта. Подроб ная номенклатура объектов и соответствующие значения коэффициента приводятся на Рисунке 1. Полученные результаты подтвердили наши ожидания: у пассажирских СПК есть своя ниша в существующей системе транспорта.

( ) Рисунок 1. Теплотехнический к.п.д. некоторых транспортных машин Расчетная дистанция 100 км.

Начало второй главы посвящено анализу методологических особенностей проек тирования СПК. Суда этого типа имеют специфический, значительно более развитый по сравнению с водоизмещающими судами, гидродинамический комплекс. Входящие в его состав подводные крылья, стабилизирующие и рулевые поверхности, пропульсив ные передачи, участки корпуса, эпизодически включающиеся в работу, должны обеспе чивать: 1) «выход» судна на режим хода на крыльях;

2) устойчивое движение в этом ре жиме, как на «тихой воде», так и в условиях спецификационного волнения.

Главным, структурообразующим элементом гидродинамического комплекса СПК является несущая система, состоящая из двух (носового и кормового) крыльевых устройств. Конструктивный тип несущей системы оказывает самое существенное влия ние на общее проектирование СПК. Достаточно одного визуального анализа внешних форм корпусов и габаритных параметров несущих систем СПК, выполненных по одной из трех классических схем (Рисунок 2), чтобы сделать следующий вывод: тип несущей системы определяет не только главные размерения корпуса судна, но и его внешнюю архитектуру и внутреннею компоновку. Этот вывод говорит о том, что в начальной ста дии проектирования разработка схемы гидродинамической компоновки («гидродинами ческой схемы») СПК должна предшествовать традиционным для классической теории проектирования судов работам по общему проектированию корпуса судна.

а) в) б) г) Рисунок 2. Примеры связи между архитектурными формами корпуса и типом несущей системы СПК: а) т/х «Чайка» – гидродинамическая схема «тандем», малопогруженные подводные крылья;

б) т/х «РТ-20» – схема «тандем», V-образные крылья, пересекающие поверхность воды;

в) т/х «Денисон» – схема «самолетная», два бортовых наклонных носовых крыла, пересекающих свободную поверхность воды и полностью погруженное кормовое крыло;

г) т/х «Джетфоил» – схе ма «утка», глубокопогруженные подводные крылья, система автоматизированного управления подъемными силами Возможности аналитического проектирования несущих систем СПК первого поко ления ограничивалось оценкой равновесного состояния судна при его движении с рас четной скоростью. Информация по гидродинамическим силам получалась на основании результатов испытаний изолированных подводных крыльях, проведенных гидродина мической лабораторией ЦАГИ и выполненных Р.Е. Алексеевым лично. Такая постанов ка задачи не учитывала нестационарности обтекания крыльев, их взаимной гидродина мической интерференции, кавитации, деформации свободной поверхности. Изучение этих явлений началось несколько позднее с работ И.Т. Егорова, А.Б. Лукашевича, В.Т.

Соколова, А.Н. Панченкова, Л.А. Эпштейна и др. Но, до сих пор остаются непреодоли мыми трудности математического описания явлений брызгообразования и аэрации кры льев.

Как известно, Р.Е. Алексеев успешно решил все перечисленные проблемы, внедрив в практику проектирования гидродинамические испытания динамически-подобных мо делей СПК в опытовых бассейнах и на открытой воде. Заложенные Р.Е. Алексеевым ме тодические основы таких испытаний, их техника и технологии стали основой для созда ния при ЦКБ по СПК крупного гидродинамического исследовательского центра. Рабо тая вместе с Р.Е. Алексеевым, специалисты ЦКБ: С.Н. Айзен, С.Г. Аладьин, С.Д. Бога тырев, А.Д. Болотин, В.В. Волков, И.И. Ерлыкин, Б.Л. Зобнин, М.М. Коротков, Г.Н.

Красотский, В.Я. Максимов, В.А. Марков, А.И. Маскалик, Э.И. Привалов и др. обеспе чили уровень получения информации, обеспечивающий работу предприятия по принци пу: «от буксируемой модели – к натурному судну». Такому же «авиационному» подходу к проблеме следовали соратники и ученики Р.Е. Алексеева – ведущие и главные кон структора проектов СПК, составивших ядро скоростного флота: Ю.А. Гаранов, И.И. Ер лыкин, В.П. Ефремов, И.Е. Малеханов, В.Я. Максимов, Б.Ф. Орлов, И.М. Шапкин и др.

Основоположником теории проектирования СПК, как прикладной инженерной науки, также является Р.Е. Алексеев. В своих, к сожалению, немногочисленных статьях и выступлениях он подчеркивал концептуальное значение гидродинамической состав ляющей в начальной стадии проектирования скоростных судов. В теории проектирова ния СПК, этот тезис принял характер постулата после выхода в свет монографии В.В.

Иконникова и А.И. Маскалика (1987г.) и докладов В.Г. Дементьева и Б.А. Царева на двенадцатой конференции по проектированию скоростных судов (1997г.).

Концепция, предусматривающая приоритетную роль гидродинамического ком плекса СПК в начальной стадии проектирования судна, легла в основу дальнейших ис следований, непосредственно отвечающих теме диссертации.

Методология общего проектирования СПК достаточно подробно изложена в тру дах Р.Е. Алексеева, А.М. Ваганова, В.А. Дементьева, И.И. Ерлыкина, Н.А. Зайцева, В.В.

Иконникова, Б.А. Колызаева, А.И. Косорукова, А.И. Маскалика, В.М. Пашина, Г.И. По пова, Б.А. Царева и др. Поэтому дальнейшее содержание второй главы было посвящено синтезу и обобщенной модели гидродинамического комплекса отечественных СПК и анализу его двух, указанных выше, важнейших гидродинамических функций, опреде ляющих жизнеспособность судна. Первоначально при создании СПК первых поколений, эти функции гидродинамического комплекса СПК рассматривались в категории море ходных качеств и фигурировали под традиционными для классической теории корабля терминами» ходкость» и «остойчивость». В настоящее время применение термина «ход кость» в гидродинамике больших скоростей ограничивается работами, связанными с проектированием движителей и определением ходовых характеристик СПК и других СДПП. Теория и методология расчета суперкавитирующих гребных винтов, разрабо танные учеными ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и внедренные в практику проектирова ния специалистами-гидродинамиками ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева, стали наиболее глубоко аналитически проработанным разделом механики движения СПК, обеспечив шим их успешное развитие.

Анализу второй функции гидродинамического комплекса СПК была посвящена целиком вся третья глава диссертации. Причиной такого предпочтения стала особая, доминантная роль задачи обеспечения устойчивости движения в выборе схемы и даль нейшем проектировании гидродинамического комплекса СПК. В начале третьей главы обсуждается корректность трансформации термина «остойчивость», применяемого по отношению к СПК в середине прошлого века, в термин «устойчивость», который утвер дился в гидродинамике СПК в конце 80-х. Отмечается диалектический характер такого перехода, открывающего широкие возможности использовать при анализе движения СПК математический аппарат устойчивости движения. Так анализировали динамику СПК Л.В. Андрианов, А.Ш. Афремов, В.Н. Буров, В.А. Вальдман, Е.Н. Графов, Е.Г. Из вольский, Э.А. Конов, А.Д. Красницкий, М.Г. К улаев, А.Б. Лукашевич, И.И. Матвеев, Н.Б. Плисов, А.Ю. Панов, А.Н. Панченков, Э.И. Привалов, К.В. Рождественский, А.В.

Скафтымов, Г.В. Соболев, В.Г. Суржик, Л.А. Эпштейн, Е.Б. Юдин.

Заметим, что зарубежные авторы, занимавшиеся этой темой, изначально опериро вали термином «устойчивость» («stability»). В их числе K. B ller, F. Ogilivie, V.

Kostilainen, P. Pressia, K. Matveev.

Генетические связи между гидродинамической схемой СПК и устойчивостью его движения устанавливаются в диссертации в ходе ретроспективного обзора, посвященно го истории изобретения и развития схемы «тандем» (Э. Форланини, А. Крокко, Р.Е.

Алексеев). Анализируется гидродинамический феномен, присущий этой схеме, который в диссертации называется естественной гидродинамической устойчивостью СПК, или по А.Н. Панченкову – гидродинамической самостабилизацией СПК. Отмечается, что та кой способности нет даже у вполне устойчивых с точки зрения динамики полета само летов, которые, для возвращения к сугубо исходному режиму полета, должны обладать еще одним летным качеством – управляемостью (в авиационном толковании этого по нятия).

Заложенные Р.Е. Алексеевым принципы эмпирического подхода к решению про блем ходкости и устойчивости движения СПК стали основой наиболее эффективной ме тодологии проектирования СПК. Оптимальная по затратам времени программа «От бук сируемой модели к натурному судну» стала одним из факторов, определивших в свое время темпы развития отечественного скоростного флота. Предпочтения, отдаваемые эмпирическим методам, в значительной степени были вызваны объективными причина ми. Во-первых – это трудности математического описания сложных гидродинамических явлений, происходящих на границе раздела двух сред. Второй причиной был недоста точно высокий уровень развития информационных технологий того времени.

В настоящее время стало очевидным, что при работе над гидродинамической схе мой судна можно уменьшать долю физического эксперимента с динамически подобными моделями СПК, увеличивая, соответственно, аналитическую составляю щую. Для этой цели были разработаны математическое обеспечение, алгоритмы и про граммы для исследования динамики СПК на ЭВМ (А.А. Болотин, А.В. Жульев, А.Б. Лу кашевич, А.Ю. Панов, Г.А. Радовицкий, К.В. Скафтымов, В.В. Шабаров и др.). С этой же целью предлагается включить в традиционно сложившуюся блок-схему алгоритма проектирования гидродинамического комплекса СПК (опыт ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алек сеева) дополнительный информационный блок «Устойчивость», который включает пять расчетных модулей (Рисунок 3).

Рисунок 3. Блок-схема алгоритма проектирования гидродинамического комплекса СПК В начальной стадии проектирования СПК, когда речь идет о структуризации гид родинамического комплекса судна, оказывается достаточным получения позитивных результатов в формате инженерных исследований, предусмотренных двумя первыми модулями. Более того, опыт показывает, что при разработке принципиальной гидроди намической схемы судна, интересы конструкторов в первую очередь связаны с решени ем проблем устойчивости продольного движения объекта. При этом последовательно выполняются инженерные исследования по темам: 1) «Устойчивость (равновесие) уста новившегося продольного движения судна и его продольная посадка»;

2) «Оценка устойчивости его свободного возмущенного движения».

Эти исследования базируются на анализе системы уравнений неустановившегося продольного движения СПК с гидродинамической схемой «тандем». Принципы постро ения системы, ее упрощения с анализом применяемых при этом допущений достаточно подробно изложены в литературе по гидродинамике СПК, в том числе в работах автора диссертации (см. библиографический список).

Первую задачу устойчивости продольного движения СПК можно рассматривать как частное решение базовой системы уравнений. При условии, что скорость, эта система, включающая нелинейные дифференциальные уравнения, трансформирует ся в систему из двух алгебраических уравнений. Первая из них описывает изолирован ное продольное движение СПК, вторая – боковое движение Их анализ, фигурирующий в гидродинамике СПК как решение задачи о продольной посадке СПК, достаточно по дробно изложено в литературе и в диссертации не анализируется. Отмечается только, что «Расчет продольной посадки СПК» изначально входил в число проектных работ по теме «Сопротивление движению и ходкость СПК». Предлагаемая в диссертации разра ботка этого документа в формате блока «Устойчивость» более соответствует современ ным представлениям об алгоритмическом строе изучения этого мореходного качества СПК.

Далее в третьей главе содержится описание методики расчетной оценки устойчи вости свободного возмущенного продольного движения СПК в варианте «да» или «нет».

Этой информации вполне достаточно на самых начальных стадиях структуризации гид родинамической схемы СПК. Рассматривается исходный режим движения объекта – установившийся ход на крыльях с расчетной скоростью (Рисунок 4).

Продольная посадка характеризуется возвышением ЦТ над уровнем свободной невозмущенной поверхности воды (СНПВ) и углом дифферента, который определя ется как угол между осью связанной с судном системы осей координат и СНПВ. Угол атаки судна угол между осями и. Присваивая носовому крыль евому устройству индекс «н», а кормовому – «к», отметим погружения подводных кры льев hн*, hк* и их эффективные углы атаки: н* н уст *, к* к уст *. На Рисунке показаны также и внешние силы, действующие на СПК.

В настоящее время нет достаточно надежных методов расчета или эксперимен тального определения силовых и моментных характеристик гидродинамического ком плекса СПК в целом с учетом работающего движителя. Нужно иметь в виду и еще одно обстоятельство: задача определения гидродинамических характеристик несущих систем СПК, обтекаемых неустановившимися криволинейным или вертикальным потоками жидкости, не находится даже в стадии постановки. А именно эти характеристики опре деляют гидродинамическое демпфирование несущей системы, лежащее в основе гидро динамического феномена, определенного в диссертации как естественная гидродинами ческая устойчивость («гидродинамическая самостабилизация») движения СПК с несу щей системой «тандем». Решение задачи можно упростить, если исключив влияние гребного винта, рассматривать гидродинамический комплекс СПК как совокупность двух, не оказывающих друг на друга взаимного влияния, гидродинамических блоков (носового и кормового крыльевых устройств), на которых формируются силы лобового гидродинамического сопротивления и и подъемные силы и.

y' y y н yк x'Oн А* x'Oк P а) x' y ' x Yк* Oк yV O Yн* yO P ' * * Oк Xк* н xq xн hн Xн* xк H* G P Q * Oн y' h к* y траектория ЦТ б) А x' V z' Мвн y x V O Рисунок 4. Невозмущенное (а) и возмущенное (б) движение СПК : – связанная си –скоростная система координат;

и –носовая и кормовая крыль стема координат;

* – угол дифферента;

– угол наклона траектории;

A – угол атаки судна;

евые системы осей координат;

G – сила тяжести судна;

и – сила упора и поперечная сила движителя;

– внешний дифферен тующий момент;

и – силы лобового гидродинамического сопротивления;

и – подъемные си лы;

«*»– принадлежность к исходному режиму невозмущенного движения;

«»– принадлежность к свя занной системе осей координат;

« ~ »– принадлежность к крыльевым системам Определение позиционных гидродинамических характеристик отдельно взятых крыльевых устройств СПК в настоящее время является вполне доступной для решения инженерной задачей. Но, надо иметь в виду, что информация об указанных силах будет представлена в некоторых локальных, связанных с конкретным крыльевым устройством системах осей координат. С целью необходимого обобщения можно исходить из того, что начала обеих «крыльевых» систем и (см. Рисунок 4) располагаются в ДП суд на, а в расположении осей каждая из них воспроизводит скоростную систему.

Имея информацию по позиционным гидродинамическим характеристикам носово го и кормового крыльев СПК можно рассчитать и нестационарные характеристики, гид родинамические силы и моменты, возникающие при возмущенном движении судна. В диссертации предлагается исходить из следующей структуры продольного возмущенно го движения СПК: основным движением продолжает оставаться исходное поступатель ное движение объекта с расчетной скоростью. На него накладываются два дополнитель ных движения: повороты корпуса вокруг поперечной оси z и его одновременные пе ремещения в вертикальной плоскости. Результаты испытаний натурных СПК показыва ют, что при малых возмущениях, не приводящих к полному выходу крыльев из воды, дополнительные виды движения СПК протекают сравнительно медленно, без ускоре ний, с небольшими амплитудами. Искомые приращения гидродинамических сил и мо ментов можно определить через соответствующие приращения эффективных углов ата ки крыльев, обусловленных поворотами судна с угловой скоростью и его вертикаль z ( )= () ными перемещениями со скоростью : ;

.

z Для аналитической оценки продольной устойчивости СПК при выборе и структу ризации гидродинамической схемы понадобится линеаризованная система уравнений свободного возмущенного движения объекта. Методика ее построения, анализ допуще ний и приемы линеаризации достаточно хорошо известны, в том числе по публикациям, принадлежащим автору диссертации. В процессе линеаризации целесообразно выпол нить переход от размерных гидродинамических сил и моментов к их безразмерным ана логам – гидродинамическим коэффициентам. Переход ведется по традиционным фор мулам аэро-гидродинамики:

,,, где i = н, к.

В рамках теории малых возмущений, на базе которых проводится линеаризация уравнений движения, можно допустить, что падение скорости судна, вызванное внеш ним возмущением незначительно ( ) плечо н а плечо к где – к абсцисса начала в системе координат Oxy z ;

i = н, к. В результате получаем систему линейных однородных дифференциальных уравнений в «вариациях» или «приращени ях»:

;

d V S н С P sin P С yн н С yк к С yн hн С yк hк ~ ~ ~h ~h 1) dt 2m d Z V S н ~ ~ ~h ~h C yн x 0 н н C yк x 0 к к C yнн x 0 н hн C укк x 0 к hк ;

2) dt 2I Z d dH Z ;

4) V ;

5) hн H x 0 н ;

6) hк H x 0 к ;

3) dt dt Z x 0 н Z x 0 к 7) н ;

8) к ;

9).

V V Примечание: в системе уравнений (1) символ « » обозначает приращение кинематиче ского параметра.

Далее вводим следующие безразмерные величины: относительное время - ;

«мас штаб времени» - относительную плотность объекта - µ;

безразмерный момент инер относительную угловую скорость – относительное возвышение ЦТ – ции относительные погружения подводных крыльев – н к относительные плечи – Названные величины рассчитываются по формулам:

н н к к, нн, н, к, к к к н н н н, н, н к, к,,, н н н н н н н н,, где – соответствующее размерное время;

н–гидродинамическая хорда н н носового крыла. Выполнив алгебраические преобразования можно из системы (1) полу чить систему из двух уравнений с двумя неизвестными и d d 2 H dH b12 a11 a12 H b (2), в которой принято:

dt dt dt d d dH a 22 H b22 a b dt 2 dt dt ~ ~ ~ ~ a11 C 0 ( p ) C y н C yк ;

b11 C yн xн C yк xк ;

p b12 C р C yн0 С yк C yн0 хн0 С y к хк ;

~h ~h ~ ~ ~h ~h a12 C y н C y к ;

р 0 (3) 1 ~ 1 ~ ~ ~ a21 C хн y н С хк y к ;

b21 C хн х н y н C xк x к y к ;

iZ i z C ~h ~ C хн y н С хк y к С хн х н y н С хк х к y к.

~ ~ ~h ~h a22 y н С хhк y к ;

b22 хн iZ iZ Характеристическим уравнением системы (2) является уравнение вида:

(4).

В начальной стадии проектирования имеет значение только принципиальный ответ на вопрос об устойчивости движения объекта («да» или «нет»). Теория устойчивости по первому приближению дает возможность получить такой ответ без решения характери стического уравнения. Достаточно проверки по одному из общих условий, сформулиро ванных в теории устойчивости, например, известному критерию Рауса. Согласно этому критерию корни полинома четвертой степени вида (4) будут иметь отрицательные веще ственные части, если выполняются следующие условия:

p1 0, p2 0, p3 0, p4 p1 p2 p3 p4 p12 p2.

В четвертой главе диссертации разрабатывается методология проектирования гид родинамических комплексов СПК, ориентированная на оптимальное по затратим вре мени и средств, необходимых на восстановление проектирования и производства СПК, в первую очередь, в Нижегородском промрегионе.

Проведенный в этом ключе ретроспективный обзор становления и развития гидро динамических схем СПК, принадлежащих к «отечественной», «европейской» и «амери канской» школам проектирования, позволил сделать выводы, оказывающим влияние на успешное решение поставленной задачи. Во-первых. В обозримом будущем в нашей стране останется безальтернативным, как и ранее, применение для СПК схемы «тан дем». Обладая способностью самостабилизации, СПК этого типа имеют более простую, рациональную конструкцию, относительно меньшую массу, более просты и удобны в эксплуатации, чем СПК, имеющие схему «самолетная» или «утка». Во-вторых. Как из вестно, СПК с системой «тандем» берут свое начало от судов Г. ф. Шертеля («европей ская школа») и от судов Р.Е. Алексеева. Автор диссертации собрала необходимую ин формацию об основных технико-эксплуатационных характеристиках практически всех пассажирских СПК, построенных в СССР, а также зарубежных СПК серий «РТ» и «RHS». В подавляющем большинстве это реальные суда, выполнявшие ранее или вы полняющие в настоящее время линейные пассажирские перевозки. На основе получен ных данных были построены достаточно характерные графики, устанавливающие ста тистические зависимости между пассажировместимостью и массовым водоизмещением СПК с несущей системой «тандем» (Рисунок 5).

Анализ полученных материалов показывает, что суда Р.Е. Алексеева и его учеников располага ются на общей линии, яв ляющейся верхней грани цей гидродинамического совершенства СПК, разра ботанных по технологиям второй половины двадца того века. Максимально достигнутые на них зна чения пропульсивного гидродинамического каче ства ( =6,67,8) обеспе чивают этим судам мак симальные значения ко эффициента утилизации водоизмещения по полез Рисунок 5. Статистические зависимости ной нагрузке и оптималь пассажировместимости от полного водоизмещения ные расходы топлива.

отечественных и европейских СПК Таким образом, схема «тандем», обладающая способностью самостабилизации движения, основанной на использовании «эффекта Алексеева», является оптимальным и, практически безальтернативным вариантом гидродинамической компоновки СПК в ожидаемом процессе восстановления их проектирования и строительства. Однако воз обновление производства СПК по старым чертежам, разработанным, в лучшем случае, более четверти века тому назад вряд ли будет признано удачным решением. В то же время разработка нового проекта, включающего в себя экспериментальный поиск новой, устойчиво «ходящей» схемы судна, потребует нескольких лет работы специалистов гидродинамиков и капитальных затрат, направленных на восстановление специфиче ской инфраструктуры для проведения испытаний моделей на открытой воде.

В диссертации была проанализирована и принята концепция иного, более рацио нального подхода к решению проблемы. Были обоснованы принципиальные положения, разработан алгоритмический строй и подготовлены необходимые исходные материалы для практического проектирования СПК методом, названным в диссертации гидродина мическим копированием. Суть метода заключается в разработке проекта нового СПК на базе гидродинамического комплекса судна, в свое время разработанного ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева и фигурирующего в диссертации в качестве «гидродинамического прототипа». Предлагаемый метод базируется на общеинженерной теории динамическо го подобия и предполагает жесткое соблюдение ее критериев при разработке гидроди намического комплекса судна-проекта. В то же время относительная свобода в принятии решений представляется инженерам и дизайнерам, занимающимся проектированием корпуса. Отмечается, что применение метода дает положительный эффект при условии, что СПК-проект будет более крупным объектом, чем СПК-прототип.

В пятой главе диссертации приводятся наиболее ответственные фрагменты прак тического применения метода гидродинамического копирования. В качестве объекта рассматривалось 80-ти местное пассажирское СПК разряда « Р 0/1,2» Российского Речного Регистра. Гидродинамическим прототипом послужило СПК пр.352 «Восход».

Предусмотренные техническим заданием или техническим предложением пасса жировместимость и мореходность СПК-проекта дают возможность по разработанному в диссертации статистическому графику (см. Рисунок 5) выбрать СПК-прототип. После определения величины масштабного модуля строится чертеж «Схема гидродинамиче ской компоновки» СПК-проекта. Этот чертеж – схема является базой для формирования корпуса судна, его внешней архитектуры и общего расположения. Начинается процесс общего проектирования объекта. Структура этого процесса достаточно хорошо извест на. Основным фактором, определяющим успех дела, является соблюдение критериев динамического подобия «по Фруду» при пересчете характеристик с одного судна на другое.

В дальнейшем проверяются некоторые из массово-инерционных характеристик СПК-проекта, полученные пересчетом с СПК-прототипа по критериям динамического подобия и оказывающие непосредственное влияние на динамические качества СПК как механической системы, совершающей пространственное движение. В первую очередь речь идет об их влиянии на устойчивость движения СПК. После этого рассматриваются возможности сравнительной оценки их негативного влияния на динамику возмущенного движения СПК-проекта и его устойчивость. Для этого предлагается прибегнуть к анали тическим исследованиям, предусмотренным информационным блоком «Устойчивость».

Наиболее важные узловые фрагменты методики проектирования СПК «по гидродина мическому прототипу» были проверены в ходе разработки упомянутого выше практиче ского примера. На Рисунке 6 представлены схемы общего расположения СПК прототипа и СПК-проекта, демонстрирующие возможности успешного практического применения метода гидродинамического копирования.

Общее расположение СПК пр.352 «Восход»:

Число пассажиров – 71 чел.

Водоизмещение – 28,4 т.

Эксплуатационная мощность ди зеля «М401А-1» Nе=625 кВт Скорость V=60,0 км/ч.

Общее расположение СПК-проект (I вариант):

Число пассажиров – 84 чел.

Водоизмещение – 20,4 т.

Эксплуатационная мощность ди зеля «ТВD620V8» Nе.=907 кВт Скорость V.=62,0 км/ч.

Общее расположение СПК-проект (II вариант):

Число пассажиров – 90 чел.

Водоизмещение – 20,4 т.

Эксплуатационная мощность ди зеля «ТВD620V8» Nе =907 кВт Скорость V.=62,0 км/ч.

Рисунок 6. Схемы общего расположения СПК -прототипа и СПК -проекта

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАК ЛЮЧЕНИЕ Проведенный в диссертации сравнительный анализ транспортной эффективности пассажирских СПК, позволяет утверждать, СПК конструкции Р.Е. Алексеева продол жают оставаться высокотехнологичными транспортными машинами, располагающими своей нишей в транспортной системе государства.

Результаты анализа творчества Р.Е. Алексеева и опыта практического проектиро вания ЦКБ по СПК позволяют сделать вывод: в отличии от классической теории проек тирования водоизмещающих судов, приоритетным объектом внимания конструкторов в начальной стадии работы над проектом является не корпус СПК, а его гидродинамиче ский комплекс. Схема его компоновки является тем документом, с которого начинается общее проектирование объекта в формате технического проекта.

«Авиационный» подход к началу проектирования СПК, предусмотренный в п.2, вносит еще одну смену приоритетов: первоочередное внимание должно быть уделено двум важнейшим функциям гидродинамического комплекса СПК, определяющих его жизнеспособность, это: 1) обеспечение необходимого разгона судна и его «выход на крылья»;

2) устойчивость движения в режиме хода на крыльях.

В диссертации, впервые в теории движения СПК, обосновывается необходимость и целесообразность совместного изучения ходкости и устойчивости движения СПК в рамках одного раздела, например, «Механика движения СПК».

Особое внимание в диссертации было уделено проблеме устойчивости движения СПК, структуризации построения схемы гидродинамического комплекса СПК. В ходе анализа были сделаны следующие выводы:

Изучение проблемы с позиций общетехнической теории устойчивости движения является наиболее корректным способом получения информации, как при аналитиче ском, так и при эмпирическом методе познания явления.

«Принцип обеспечения устойчивости движения определяет конструктивный тип несущей системы СПК» – этот тезис находит обоснование в ходе ретроспективного об зора, посвященного диалектике изобретения и дальнейшего развития гидродинамиче ской схемы «тандем».

Система «тандем» наиболее оптимальным образом отвечает требованиям к кон структивной реализации гидродинамического феномена, эксклюзивно принадлежащего СПК, построенных по указанной схеме. Речь идет о естественной гидродинамической устойчивости движения СПК в расчетном режиме. Такой способности нет даже у вполне устойчивых самолетов.

Испытания динамически-подобных моделей как наиболее точный способ изуче ния устойчивости сохраняет свое значение в будущем. Но, прибегать к нему следует только на завершающем этапе работ по проектированию гидродинамической схемы судна. Оценку устойчивости предварительных вариантов можно осуществлять аналити ческими методами. Для этого, в диссертации разработано соответствующее математиче ское обеспечение.

Наиболее значительным результатом исследования, имеющим сугубо практиче ское значение, является разработка методики проектирования гидродинамической схе мы СПК на базе схемы уже известного СПК. Метод, основанный на теории динамиче ского подобия, позволяет принципиально обойтись без проведения модельных испыта ний.

СПИСОК ОПУ БЛИК ОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМ Е ДИССЕРТАЦИИ а) в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК РФ:

1. «Эффект Алексеева» – его толкование и роль в развитии речного скоростного флота. К 90-летию со д. р. Р.Е. Алексеева /М.Л. Мухина, В.А. Мухин //Центральный печатный орган от расли речного транспорта «Речной транспорт (ХХI век)», Москва, №4 2007.–С. 28-31 (автор 80%) 2. Денонсация оценок, или ниша для крылатых судов /М.Л. Мухина, В.А. Мухин //«Мир транспорта», учредитель Московский государственный университет путей сообщения, журнал зарегистрирован в Министерстве РФ по делам печати, телерадиовещания и средствам массовых коммуникаций, Москва, №1, 2008.–С. 66-73 31 (автор-80%) б) в других изданиях:

3. К построению математической модели бокового возмущенного неуправляемого движе ния СПК /Л.В. Андрианов, М.Л. Мухина //Сб. «Гидродинамика несущих комплексов скорост ных судов», Ч.5, ГПИ. Деп. в ВНТИЦентре. № Госрег. 0.1860025836. Инв. №02.89.0.036267, Горький, 1988.–С.31-36 (автор-65%) 4. К построению математической модели бокового возмущенного неуправляемого движе ния СПК с крыльями сложной геометрии / Л.В. Андрианов, М.Л. Мухина //Сб. «Материалы НТК по проектированию скоростных судов, 1986г., 1988г., НТО им. акад. А.Н. Крылова, Горь кий, 1990.–С.42-44 (автор-50%) 5. Кинематический анализ движения объекта при построении математической модели про странственного движения СПК /Л.В. Андрианов, И.И. Матвеев, Д.В. Семенов, М.Л. Мухина //Тез. док. III НТК «Алферьевские чтения», Н. Новгород, 1990.-С. 82-83 (автор –50%) 6. Построение математической модели продольного установившегося движения СПК /М.Л.

Мухина //Тез. док. VI м/н конференции по компьютерной геометрии и графике «Кограф-96», Н.

Новгород, 1996.–С.22- 7. Постановка задачи по исследованию естественной устойчивости движения СПК с под водными крыльями сложной геометрии /М.Л. Мухина //Сб. док. Всероссийской НТК «Совре менные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве», Н. Новгород, 2002.–С.555- 8. Гидродинамические характеристики СПК с подводными крыльями сложной геометрии /М.Л. Мухина //Сб. док. IV м/н молодежной НТК «Будущее технической науки», Н. Новгород, 2005.–С. 9. Ретроспективный обзор развития и некоторые современные проблемы теории устойчи вости СПК с естественной гидродинамической стабилизацией хода на крыльях /Л.В. Андриа нов, В.А. Мухин, М.Л. Мухина //Труды НГТУ, том 46, «Современные проблемы кораблестрое ния», Н. Новгород, 2005.–С.105-117 (автор-70%) 10. Сравнительный анализ транспортной эффективности пассажирских СПК и проблемы их дальнейшего развития в современных экономических условиях /М.Л. Мухина //Сб. док. матери алов V юбилейной м/н молодежной НТК. «Будущее технической науки», Н. Новгород, 2006.– С. 11. Транспортная эффективность и проблемы развития пассажирских СПК в современных экономических условиях / В.А. Мухин, М.Л. Мухина //Сб. док. НТК, посвященной памяти вы пускников НГТУ д.т.н. Р.Е. Алексеева и проф. И.И. Африкантова, Н. Новгород, 2006.–С.240 250 (автор-80%) 12. Сравнительный анализ транспортной эффективности пассажирских СПК и перспективы их развития в современных экономических условиях /М.Л. Мухина, В.А. Мухин //Сб. тез. док.

НТК «XXVII Российская школа по проблемам науки и технологий», посвященная 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию.«КБ им. акад. В.П. Макеева», Миасс, Челябинская обл., 2007.–С.35-38 (автор-80%) 13. Выбор гидродинамической схемы и проектирование гидродинамического комплекса СПК на современном этапе их развития /М.Л. Мухина //Сб. док. материалов конференции «Со временные технологии морской и авиационной техники в образовании, науке и производстве», Н. Новгород, 2009.–С.108- Мухина Милена Львовна ВЫБОР И АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ НА РАННИХ СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ А в т о р ефер ат диссертации на соискание ученой степени кандидата наук Подписано в печать.. 2011 г. Формат 60х84/16.

Уч.-изд. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Типография НГТУ