METHOD OF CALCULATION OF PASSENGER HOVERCRAFT'S BASIC CHARACTERISTICS TO THE FIRST APPROXIMATION
Authors:
1.
Nizhniy Novgorod State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 17
to 25
Status:
Published
Received:
20.02.2014
Accepted:
25.02.2014
Published:
25.02.2014
Subject area:
UDK 629.5.01
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 39.425.1:39.12
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
BBK 39.425.1:39.12
Language:
Russian
Keywords:
passenger hovercraft, main dimensions, pressure in the air cushion, Danang, Nhatrang
Abstract (English):
The method for determining the main characteristics of passenger hovercrafts for exploitation in Vietnam is offered; they must correspond to the characteristics of the lines of transport operation. The statistical dependences are obtained to determine the main dimensions and the basic characteristics of the vessel. The basic passenger hovercraft characteristics are calculated by the line Danang – Nhatrang as an example.
The method for determining the main characteristics of passenger hovercrafts for exploitation in Vietnam is offered; they must correspond to the characteristics of the lines of transport operation. The statistical dependences are obtained to determine the main dimensions and the basic characteristics of the vessel. The basic passenger hovercraft characteristics are calculated by the line Danang – Nhatrang as an example.
Keywords:
passenger hovercraft, main dimensions, pressure in the air cushion, Danang, Nhatrang
passenger hovercraft, main dimensions, pressure in the air cushion, Danang, Nhatrang
Постановка задачи При проектном анализе судов совокупность характеристик и проектировочных ограничений является сложной многоуровневой системой. Реализацию задачи по определению главных элементов судов на воздушной подушке (СВП) предполагается произвести методом вариаций проектирования судов, т. е. рассматривая множество вариантов СВП и варьируя их основные характеристики (пассажировместимость, габариты, водоизмещение, мощность энергетической установки и др.). Применение общих приближенных зависимостей в методике определения основных характеристик СВП приведёт к получению результатов с большой погрешностью. Для получения характеристик судов с более высокой степенью точности основных характеристик принято решение о составлении приближенных зависимостей для массивов пассажирских СВП, пригодных для эксплуатации во Вьетнаме. Для этого необходимо произвести выборку судов с приемлемыми характеристиками и произвести статистический анализ этой выборки для получения соответствующих статистически-аналитических зависимостей. Расчет основных характеристик пассажирских судов на воздушной подушке Схему последовательности обоснования основных характеристик пассажирских СВП можно представить в виде нескольких блоков (рис. 1). Блок 1. Определение диапазона изменения пассажировместимости nпасс и скорости хода υ судов, предназначаемых для i-й линии эксплуатации. Блок 2. Статистические функциональные зависимости основных характеристик проектируемых СВП. Массив СВП для статистического анализа был сформирован на основании данных ряда источников [1, c. 14, 15, 46, 47; 2, с. 319–326; 3, c. 106–119; 4]. Созданная выборка судов общим количеством 238 СВП (80 из них – пассажировместимостью более 20 чел.) достаточно полно охватывает диапазон изменения характеристик СВП для эксплуатации во Вьетнаме. Статистический анализ характеристик пассажирских СВП даёт возможность построить графики функциональных зависимостей главных размерений и их отношений от полного водоизмещения Dп. Рис. 1. Блок-схема расчета основных характеристик пассажирских судов на воздушной подушке Графики зависимости длины судна L от ширины В и водоизмещения Dп приведены на рис. 2–3. Рис. 2. Функциональная зависимость длины L от ширины В судна Рис. 3. Функциональная зависимость длины L от полного водоизмещения Dп судна Расчетная длина судна в зависимости от ширины В и водоизмещения Dп может быть представлена следующими выражениями: L = 7,53 Dп0,326; L = 1,83 B + 4,16. График зависимости ширины судна В от его полного водоизмещения Dп приведен на рис. 4. Ширина судна аналитически может быть представлена как В = 2,923 Dп0,363. Рис. 4. Функциональная зависимость ширины В от полного водоизмещения Dп судна Зависимость высоты гибкого ограждения hго от ширины судна В приведена на рис. 5. Рис. 5. Функциональная зависимость высоты гибкого ограждения hго от ширины В судна Аналитическая зависимость высоты гибкого ограждения от ширины судна В имеет вид hго = 0,076 В + 0,632. Блок 3. Составляющие нагрузки масс и уравнение масс. Полная масса судна должна быть определена как сумма ее составляющих по уравнению Dп = ∑ Pi + DW, где ∑ Pi – сумма зависимых масс; DW – сумма независимых масс. При разбивке полной массы по схеме D = D0 + DW подразумевается, что в массу порожнем D0 входят статьи нагрузки 01, 02, 03, 04, 05, 07, 09, 10, 11, 12, 13; в составе дедвейта DW: 14, 15, 16, 17 согласно ОСТ 5.0206-76. Таблица 1 Разделы, составляющие нагрузку СВП Характеристика нагрузки Раздел нагрузки Кодовое обозначение Стандартное обозначение Обозначение в данной работе Масса судна порожнем Корпус 01 P01 Dк Судовые устройства 02 P02 Dсу Судовые системы 03 P03 Dст Энергетическая установка 04 P04 Dэу Электроэнергетическая система 05 P05 Dээс Вооружение 07 P07 Dв Запасные части 09 P09 Dзч Балласт 10 P10 Dбл Запас водоизмещения, остойчивости 11 P11 Dзв Постоянные жидкие грузы 12 P12 Dжгр Снабжение постоянное, имущество 13 P13 Dсн Дедвейт Экипаж, провизия, вода 14 P14 Dэпв Груз перевозимый (грузоподъемность) 15 P15 Dгр Запас топлива 16 P16 Dт Переменные жидкие грузы 17 P17 Dпжг Уравнение масс можно записать также в виде Dп = Dк + Dсу + Dт + Dгр + Dэу + Dст + Dээс +Dжгр +Dсн + Dзв + Dэпв + Dго, где Dп – полное водоизмещение; Dк – масса корпуса СВП. Dк в долях от полной массы судна: Dк = рк Dп , где рк – измеритель массы корпуса. Dсу – масса судовых устройств (рулевое, якорное, швартовное, буксирное, спасательное, подъемное) без учета массы гибкого ограждения: Dсу = рcу Dп, где рсу – измеритель массы судовых устройств. Dт – запасы топлива, необходимого для обеспечения судну заданной дальности хода r, определяются исходя из суммарной мощности главной энергетической установки N∑, расчетной скорости хода υрасчет, удельного расхода топлива рт [5]: Dт = α1 α2 pт N∑ r/ υрасчет, где α1 – коэффициент, учитывающий морской запас на случай непогоды, вызывающей снижение скорости. В связи с этим коэффициент α1 принимается обычно равным 1,1. Расчетная скорость υ расчет = υ – (3...5) км/ч. α2 – коэффициент, учитывающий несливаемый остаток в топливных цистернах, дополнительные расходы топлива на прогрев главного двигателя, их работу на холостом ходу, запуски, а также расход топлива на работу пусковых агрегатов и т. д. Среднее значение этого коэффициента также оценивается величиной 1,1. Удельный расход топлива pт зависит от типа двигателя и режима его работы; pт можно принять равным 210 г/(кВт ∙ ч) (у современных быстроходных дизелей). Dэу – масса энергетической установки, находится в прямой зависимости от суммарной мощности главного источника энергии: Dэу = pэу N∑, где pэу – измеритель этого раздела массы. Статистические данные по построенным СВП позволяют назначать величину pэу из диапазона [5]: pэу = (2,0...3,0) кг/кВт. Dст – масса судовых систем, может быть оценена выражением Dст = рcт Dп. Dзв – запас водоизмещения и остойчивости: Dзв = рзв Dп. Dгр – масса судна полезная (переводимая); определяется исходя из оговоренного в техническом задании числа пассажиров. По опыту постройки пассажирских СВП масса пассажира с багажом и провизией при ограниченной продолжительности хода 4–6 ч колеблется от 76 до 106 кг и в среднем для СВП может быть принята из расчета 80–90 кг/пасс. Принимаем 80 кг/пасс, т. е. Dгр = P ∙ 0,08. Dэпв – масса экипажа, провизии, воды, расходные материалы: Dэпв = Dэк + Dпр + Dв. Масса экипажа Dэк = 0,1 nэк , где nэк – число членов экипажа. Принимаем nэк = 3; 0,1 т – средний норматив массы одного члена экипажа. Масса запасов провизии: Dпр = 0,004 (nэк + nпасс) r/(24υрасчет), где 0,004 т – средний норматив запаса провизии на 1 сутки. Масса пресной питьевой и мытьевой воды Dв = 0,15 (nэк + nпасс) r/(24υрасчет), где 0,15 т – минимальная норма расхода пресной воды на одного человек в сутки; r – дальность плавания; nпасс – пассажировместимость. Dсн – масса постоянного снабжения и имуществ: Dсн = рсн Dп. Dжгр – масса жидких грузов: Dжгр = ржгр Dп. Dээс – масса электроэнергетической системы: Dээс = рээс Dп , где рст, рзв, рсн, ржгр, рээс – измерители масс судовых систем, запаса водоизмещения постоянного снабжения, жидких грузов и электроэнергетической системы. Dго – масса гибкого ограждения [2]: Dго = рго Sп hго , где Sп – площадь воздушной подушки, м2: Sп = 0,8 ∙ LB = 0,8 ∙ 7,53 Dп0,326 ∙ 2,923 Dп0,363 = 17,6 Dп0,689; hго – высота гибкого ограждения: hго = 0,076 В + 0,632 = 0,076 (2,923Dп0,363) + 0,632 = 0,222Dп0,363 + 0,632; рго – измеритель массы гибкого ограждения, рго = 7 кг/м3 [6]; => Dго = 0,007 ∙ 17,6Dп0,689(0,222Dп0,363 + 0,632) = 0,027Dп1,052 + 0,078Dп0,689. Тогда уравнение нагрузки можно переписать в виде [2]: Dп = (pк + pсу + pст + pээс + pжгр + pсн + pзв) Dп + Dго + (pэу + α1 α2 pт r/υ расчет)(N∑/Dп) Dп + Dгр + Dэпв. Значения измерителей масс показаны в табл. 2. Таблица 2 Измерители масс [2] Измеритель Обозначение Значение Корпус pк 0,3 Судовые установки pсу 0,02 Судовые системы pст 0,02 Электроэнергетическая система pээс 0,03 Переменные жидкие грузы pжгр 0,01 Снабжение pсн 0,004 Запасы водоизмещения pзв 0,07 N∑/Dп – удельная энерговооруженность. При решении уравнения нагрузки в первом приближении обычно задаются величинами необходимой удельной энерговооруженности. Значение N∑ / Dп можно определить по рис. 6 в зависимости от скорости судна. Рис. 6. Удельная энерговооруженность различных транспортных средств в функции от развиваемой скорости, уз: 1 – водоизмещающие суда; 2 – глиссирующие суда; 3 – суда на подводных крыльях; 4 – СВП; 5 – вертолеты; 6 – экранопланы [2] Получаем следующее уравнение нагрузки: (1) Решение полученного уравнения нагрузки позволит найти в первом приближении водоизмещение судна Dп. Блок 4. Определение главных размерений СВП в первом приближении. Длина наибольшая L: L = 7,53 Dп0,326. (2) Ширина наибольшая В: L = 1,83 B + 4,16 => В = (L – 4,16)/1,83. (3) Коэффициент λ: λ = L/В. (4) Среднее давление в воздушной подушке: Среднее давление для СВП по зарубежному опыту рекомендуется в начале проектирования принимать по зависимости [7]: рп = k (Dп)1/5, (5) где рп – давление в воздушной подушке, Па; k – коэффициент пропорциональности, принимаемый для пассажирских СВП в пределах 900–1050 [7]. Площадь воздушной подушки Sп [6]: Sп = g Dп/pп. (6) Ширина воздушной подушки Вп [6]: Sп = 0,95.Lп Вп = 0,95 λп Вп2; (7) Вп = (Sп / 0,95 λп)1/2, (8) где коэффициент λп = Lп/Вп . Принимаем λп = λ. Длина воздушной подушки Lп: Lп = λп Вп. (9) Высота гибкого ограждения hго: hго = 0,076 В + 0,632. (10) По требованию обеспечения остойчивости высота гибкого ограждения должна удовлетворять условию [6]: hго ≤ 0,15…0,17 Вп. (11) Расход воздуха Qп – через воздушную подушку, м3/ч [2]: Qп = (0,79 ± 0,12)Sп hго0,5. (12) Мощность энергетической установки N∑ [2]: N∑ = (к0к1к2/ηтр) (gDпυ / кгкηпр) (1 + к3к4кгкηпрhго0,5) / (υ ηпк), (13) где к0 – коэффициент, учитывающий потери мощности из-за разрежения, возникающего на срезе воздухоприемника двигателя при прохождении воздуха через совокупность воздузоприемных шахт и каналов, систему воздухоочистительных фильтров, и из-за необходимости преодолевать газовоздушной смесью гидравлическое сопротивление в системе газовыхлопа двигателя. Значение к0 можно оценивать величиной к0 = 1,05…1,1 [5]; к1 – коэффициент, учитывающий отбор мощности от главного двигателя (или от трансмиссии) для привода вспомогательных механизмов; отбор горячего воздуха из проточной части главного двигателя за компрессором для внутренних судовых нужд. Значение рассматриваемого коэффициента следует принимать к1 = 1,05...1,07 [5]; к2 – коэффициент, учитывающий использование двигателей на крейсерских режимах, к2 = 1,0 [5]; к3 – коэффициент, учитывающий отбор части воздуха из ресивера в систему для питания двигателей и для функционирования воздушных маслорадиаторов, охлаждения горячих частей двигателей и. т. д. Значение к3 может быть принято 1,05...1,10 [5]; к4 = 0,79 ± 0,12; кгк – гидродинамическое качество. На тихой воде в интервале значений скорости (40…60) уз большинство амфибийных СВП имеют кгк = 16…22 [2]; ηтр – КПД трансмиссии ηтр = 0,93…0,95; ηпр – пропульсивный коэффициент СВП, ηпр можно принимать равным 0,45…0,55; ηпк – коэффициент эффективности подъемного комплекса ηпк = 0,42 ± 0,02 [5]. Показатель эффективности kэ Для более объективной оценки возможностей пассажирских СВП считается целесообразным рассматривать не величину производительности, а показатель эффективности kэ, объединяющий три параметра [1]: kэ = N∑/(nпассυ), (14) где N∑ – мощность главного двигателя, кВт; nпасс – пассажировместимость судна, чел.; υ – скорость хода судна, км/ч. Оптимальное сочетание варьируемых переменных (скорость и пассажировместимость) соответствует минимальному значению kэ. Блок 5. Таблица значений основных характеристик СВП. Результаты расчета приведены в табл. 3. Таблица 3 Основные характеристики СВП Характеристика nпасс 1 nпасс 2 nпасс 3 nпасс i υ 1 υ2 υк υ1 υ2 υк υ1 υ2 υк υ1 υ2 υк L B Lп Вп hго D рп N∑ kэ В качестве примера использования методики ниже приводится расчет основных характеристик СВП для перевозки пассажиров на маршруте Дананг – Нячанг протяженностью 500 км. Блок 1. Диапазон изменения пассажировместимости nпасс и скорости хода υ судов, предназначаемых для линии Дананг – Нячанг: - пассажировместимость nпасс – от 70 до 100 пассажиров; - скорость хода υ – от 60 до 100 км/ч; - дальность плавания – r = 500 км. Блоки 2–5. Используем формулы (1)–(14) для расчета основных характеристик СВП для данной линии эксплуатации. Полученные результаты расчета приведены в табл. 4. Таблица 4 Основные характеристики СВП для эксплуатации на маршруте Дананг – Нячанг Характеристика Пассажировместимость, чел. nпасс = 70 nпасс = 80 Скорость хода, км/ч 60 70 80 90 100 60 70 80 90 100 L, м 22,93 22,66 22,51 22,43 22,42 23,88 23,60 23,44 23,36 23,35 B, м 10,26 10,1 10,03 9,99 9,98 10,78 10,63 10,54 10,49 10,49 Lп, м 19,86 19,60 19,45 19,38 19,37 20,78 20,51 20,36 20,28 20,26 Вп, м 8,88 8,74 8,66 8,63 8,62 9,38 9,23 9,15 9,11 9,10 hго, м 1,41 1,40 1,39 1,39 1,39 1,45 1,44 1,43 1,43 1,43 D, т 30,43 29,36 28,76 28,46 28,41 34,49 33,27 32,58 32,24 32,18 рп , кПа 1,78 1,77 1,76 1,76 1,76 1,83 1,81 1,81 1,80 1,80 N∑ , кВт 2 602 2 789 3 005 3 246 3 512 2 962 3 172 3 416 3 689 3 990 kэ 0,62 0,57 0,54 0,52 0,50 0,62 0,57 0,53 0,51 0,50 L, м 24,76 24,47 24,31 24,22 24,21 25,58 25,28 25,11 25,02 25,00 B, м 11,26 11,10 11,01 10,96 10,95 11,71 11,54 11,45 11,40 11,39 Lп, м 21,65 21,36 21,20 21,12 21,10 22,46 22,16 21,99 21,90 21,88 Вп, м 9,84 9,69 9,60 9,56 9,55 10,28 10,12 10,02 9,98 9,97 hго, м 1,49 1,48 1,47 1,47 1,46 1,52 1,51 1,50 1,50 1,50 D, т 38,54 37,17 36,40 36,02 35,95 42,59 41,07 40,21 38.54 37,17 рп , кПа 1,87 1,85 1,85 1,84 1,84 1,91 1,89 1,88 1,88 1,88 N∑ , кВт 3 323 3 558 3 830 4 134 4 470 3 686 3 944 4 244 4 580 4 951 kэ 0,62 0,56 0,53 0,51 0,50 0,61 0,56 0,53 0,51 0,50 Заключение Таким образом, нами разработана методика расчета основных характеристик СВП. Получены статистические зависимости для определения в первом приближении главных размерений и основных характеристик судна. Разработана математическая модель определения водоизмещения на начальной стадии проектирования посредством постатейного расчета нагрузки масс.
1. Zlobin G. P. Suda na vozdushnoy podushke / G. P. Zlobin, Yu. A. Simonov. L.: Sudostroenie, 1971. 212 s.
2. Demeshko G. F. Proektirovanie sudov: Amfibiynye suda na vozdushnoy podushke/ G. F. Demeshko. T. 2. SPb.: Sudostroenie, 1992. 329 s.
3. Benua Yu. Yu. Suda na vozdushnoy podushke / Yu. Yu. Benua, V. M. Korsakov. L.: Sudostroenie, 1962. 121 s.
4. Zlobin G. P. Suda na podvodnyh kryl'yah i vozdushnoy podushke / G. P. Zlobin, S. P. Smigel'skiy. L.: Sudostroenie, 1976. 263 s.
5. Demeshko G. F. Proektirovanie sudov: Amfibiynye suda na vozdushnoy podushke / G. F. Demeshko. T. 1. SPb.: Sudostroenie, 1992. 269 s.
6. Vaganov A. M. Proektirovanie skorostnyh sudov / A. M. Vaganov. L.: Sudostroenie, 1978. 279 s.
7. Kolyzaev B. A. Spravochnik po proektirovaniyu sudov s dinamicheskimi principami podderzhaniya / B. A. Kolyzaev, A. I. Kosorukov, V. A. Litvinenko. L.: Sudostroenie, 1980. 472 s.
