Анализ результатов скоростных испытаний судов

Основная цель скоростных испытаний — установить действительные ходовые качества построенного судна. Кроме того, данные натурных испытаний могут быть использованы для проверки методов расчета ходкости судна и уточнения коэффициентов, используемых при пересчете результатов испытаний модели судна на натуру.

Соблюдая приведенные в предыдущих параграфах требования, можно уменьшить погрешности измерений, но их нельзя исключить полностью, и это следует иметь в виду при анализе полученных результатов. В табл. 13. составленной на основе отечественных и иностранных данных, приведены значения погрешностей измерений ряда величин при проведении скоростных испытаний судов.


Таблица 13. Погрешности измерений, выполненных при проведении скоростных испытаний судов, %
Измеряемые величины Отечест-
венные данные
Данные д'Акремона (Франция) Данные Аэртсена (Англия) Данные Кука (Англия) Данные методики США
Осадка по маркам углубления
Водоизмещение по кривым площадей шпангоутов
Водоизмещение при испытании с учетом расхода переменных грузов
Время пробега судна на мерной линии по секундомерам
Скорость судна, измеренная:
по створам мерной линии
с помощью радиолага
по вееру пеленгов двух маяков
по створам мерной линии (скорость отнесена к нормальному водоизмещению с учетом погрешностей при определении водоизмещения на испытаниях)
то же по галсам радиолага
то же по вееру пеленгов двух маяков
Мощность на гребных валах, определенная по торсиометру:
на полной скорости
на средних и малых скоростях
Упор гребных винтов
Частота вращения гребных валов:
по штатным электротахометрам
по суммирующим или импульсным счетчикам
         

Чтобы цель, поставленная при проведении натурных испытаний, была достигнута, недостаточно тщательно провести все измерения, не менее важно рационально обработать и проанализировать полученные результаты. При проведении натурных испытаний в большей степени, чем при испытании моделей, невозможно соблюдение одинаковых условий испытаний при всех опытах. Вопросы влияния изменяющихся внешних условий испытаний (течение, ветер и т. д.) были рассмотрены в предыдущем параграфе. Однако, помимо внешних условий, изменяются и элементы самого судна, например его водоизмещение, поскольку нагрузка судна уменьшается с течением времени в результате расхода топлива, воды и смазочных масел.

Для быстроходных судов изменений водоизмещения, обусловленное этими причинами, может оказаться существенным и должно быть учтено при обработке результатов испытаний.

Поскольку результаты испытаний должны быть приведены к заданному значению водоизмещения, следует остановиться на методологии внесения поправок, учитывающих изменение нагрузки судна. Несмотря на возможность внесения поправок, которые всегда будут приближенными, остается в силе требование о необходимости проведения испытаний при водоизмещении, отличающемся от заданного не более чем на 2—3%. Наиболее точно пересчет скорости судна при изменении водоизмещения может быть выполнен на основе паспортных диаграмм. При этом величину сопротивления, соответствующую данному водоизмещению, определяют на основе результатов модельных испытаний. Буксировочные испытания моделей принято проводить при нескольких знаниях осадки судна, что позволяет построить кривые зависимости при постоянном значении скорости судна (рис. 29). На основе этих кривых может быть построена зависимость сопротивления судна от его скорости для любого заданного водоизмещения. Эту зависимость затем наносят на паспортную диаграмму. При изменении водоизмещения в узких пределах допускается определять поправку к скорости в предположении, что пропульсивные качества движителя остаются неизменными, и изменение нагрузки сказывается лишь на величине сопротивления. Тогда, используя кривые, аналогичные кривым, приведенным на рис. 29, непосредственно находят поправки к скорости судна, обусловленные отклонением на определенную величину водоизмещения (или осадки) от заданного. Эти поправки, различные для каждого значения абсолютной скорости, рассчитывают в предположении, что зависимость сопротивления от водоизмещения в рассматриваемой узкой области близка к линейной. Предположение о независимости пропульсивных качеств от нагрузки может давать заметные погрешности для судов, оборудованных кавитирующими винтами, поэтому для быстроходных судов этот метод лучше не использовать.


Рис. 29. Зависимость сопротивления движению судна от водоизмещения.


Рис. 30. Зависимость скорости судна и мощности на валу от частоты вращения гребных винтов. 1 — скорость судна; 2 — мощность на валу.

В тех случаях, когда данные модельных испытаний отсутствуют, пересчет скорости судна принято производить с помощью, так называемых адмиралтейских коэффициентов.

В соответствии с формулой адмиралтейских коэффициентов эффективную мощность судна определяют зависимостью
(1.60)
где D — водоизмещение судна, т; Се — адмиралтейский коэффициент.

Полагая коэффициент Се неизменным, вычислим соотношение между скоростями судна для двух значений водоизмещения при заданной мощности EPS. Очевидно,
(1.61)
Полученная формула предполагает квадратичную зависимость сопротивления судна от его скорости и дает тем большую погрешность, чем больше фактическая зависимость отличается от квадратичной.

В процессе проведения испытаний ведут непрерывный контроль за нагрузкой судна, поэтому его водоизмещение может быть рассчитано для середины каждого режима. По полученным на встречных галсах значениям скоростей вычисляют скорость на данном режиме, в которую вносят определенные тем или иным способом поправки на влияние течения, волнения и ветра. Приведенную к спецификационным метеорологическим условиям скорость судна относительно воды на данном режиме пересчитывают затем на заданное водоизмещение. Приведенные к номинальному водоизмещению значения скорости судна используют в дальнейшем при анализе результатов испытаний.

При разработке проекта судна обычно устанавливают ту скорость, которую оно должно развить при некотором заданном значении водоизмещения, а также частоту вращения гребных винтов и мощность, необходимые для обеспечения этой скорости. Поэтому для проверки соответствия натурных данных расчетным достаточно построить зависимости скорости судна и потребляемой мощности от частоты вращения гребных винтов.

Указанные зависимости (рис. 30) сопоставляют затем с данными модельных испытаний. В случае расхождения расчетных и натурных данных для выяснения причины этого явления необходимо провести предварительный анализ результатов, полученных в процессе натурных испытаний. Строго говоря, сопоставление ведут не собственно с данными модельных испытаний, а с данными, тем или иным способом пересчитанными на натуру. Эти способы пересчета в настоящее время в полной мере не унифицированы и в разных странах существенно различны. Наиболее принципиальное различие связано с предположением, влияет ли масштабный эффект на определенные в результате модельных испытаний характеристики гребных винтов. В отечественной практике обычно принимают, что испытания проводятся в режиме автомодельности, и во введении каких-либо поправок для пересчета на натуру нет необходимости. Далее мы будем полагать для общности, что значения K1 и K2, с которыми сопоставляются результаты натурных испытаний, либо не нуждаются в пересчете на натуру, либо этот пересчет уже выполнен.

Опытовые бассейны и проектирующие организации в итоге многолетней практики разработали, исходя из тех или иных предположений, методы пересчета результатов модельных испытаний на натуру, обеспечивающие удовлетворительное согласование расчетных и натурных данных. Поэтому корректировка и даже уточнение отдельных величин должно сопровождаться пересмотром всей методики в целом, иначе согласование конечных результатов может не только не улучшиться, но даже ухудшиться. Именно поэтому, хотя в настоящее время имеются достаточно убедительные данные о необходимости учета влияния масштабного эффекта на характеристики гребных винтов, введение поправок на этот эффект без корректировки всей системы эмпирических коэффициентов, входящих в расчетные методы, представляется недопустимым.

Возможности анализа результатов пропульсивных испытаний существенно зависят от числа измеряемых величин. Идеальным является случай, когда в натуре измеряются те же величины, которые были измерены на моделях, а именно: скорость судна vs; сопротивление движению судна R; упор гребных винтов Rв; частота вращения гребных винтов n; момент на гребном валу Мв. Одна из этих величин, а именно сопротивление судна, принципиально не может быть измерено в процессе скоростных испытаний. Поэтому при анализе результатов испытаний число неизвестных всегда превосходит число уравнений, и следовательно, метод анализа и его конечные результаты не являются однозначными.

Величину упора при проведении натурных испытаний измеряют далеко не всегда, причем точность этих замеров зачастую оставляет желать лучшего. При отсутствии данных по упору гребных винтов анализ усложняется, а возможность получения неоднозначных результатов возрастает.

Рассмотрим случай, когда в процессе натурных скоростных испытаний были проведены измерения величин vs, Рв, Мв и n и полученные результаты достаточно достоверны. Тогда по результатам измерений — средним по всем галсам, проведенным на данном режиме,— вычисляют значения коэффициентов упора и момента гребного винта по формулам

Затем вычисляют поступь гребного винта

Величина vp представляет собой скорость в плоскости диска винта, которая не может быть измерена в процессе натурных испытаний. Известно, что эта скорость связана со скоростью судна соотношением
Vp = 0,515vs (I — w), (1.64)
где w — коэффициент попутного потока.

Если принять в первом приближении, что масштаб не влияет на значение этого коэффициента, то последний может быть заимствован из данных модельных испытаний. Тогда λр вычисляется по формуле

Результаты расчетов коэффициентов K1 и K2 в виде точек наносят на кривые действия винта за корпусом, построенные в функции λр по данным модельных испытаний. Эти точки лежат обычно в узкой области относительных поступей гребного винта, и по ним нельзя построить кривые коэффициентов упора и момента. Поскольку в общем случае натурные точки не ложатся на кривые модельных испытаний, через них должны быть проведены участки натурных кривых эквидистантно кривым модельных испытаний (рис. 31).


Рис. 31. Сопоставление натурных точек с кривыми действия гребного винта.

• — натурные точки.

Анализ результатов несколько упрощается, если скоростные натурные  испытания дополняются тяговыми швартовными испытаниями и испытаниями с возом.  В этой случае натурные точки охватывают диапазон относительных поступей, достаточный для построения надежных зависимостей. Тяговые характеристики судна, определяют сравнительно редко и почти исключительно при испытаниях буксиров и траулеров.

Расхождение данных натурных и модельных испытаний может быть объяснено наличием масштабного эффекта или ошибки в кривых действия модели винта либо наличием масштабного эффекта или ошибки в коэффициентах взаимодействия. Поэтому на основе полученных данных имеется возможность вносить поправки на влияние масштабного эффекта в характеристики гребных винтов (если они уже внесены, их можно откорректировать) и вносить поправки в характеристики взаимодействия винта и корпуса.

В отечественной практике принято считать, что характеристики винта, полученные по модельным испытаниям, достаточно достоверны. Поэтому по данным анализа результатов испытаний корректируют коэффициенты взаимодействия винта с корпусом.

Корректировку производят следующим образом. Пользуясь графиками K1=f(λp), вычисляют поправку к коэффициенту попутного потока по формуле

где  

(остальные обозначения ясны из рис. 31). Значение поправки Δw, строго говоря, может быть неодинаковым для различных участков кривой, однако для диапазона поступей, соответствующих режимам свободного хода, она может приниматься постоянной с достаточной для практических целей точностью. Если корректировка натурных точек К2 путем их смещения по горизонтали на величину Δλ, не приводит к совпадению результатов с данными модельных испытаний, то вводят дополнительную поправку, учитывающую наличие масштабного эффекта в коэффициенте i2 (влияние неравномерности потока на коэффициент К2). Значение этой поправки рассчитывают по формуле

где K'2 —коэффициент К2, откорректированный с учетом поправки Δw; К02 —коэффициент момента по модельным испытаниям винта за корпусом.

Значения К'2 и К02 определяют с помощью графика (рис. 31) при одинаковых значениях поступи гребного винта.

При последующем анализе по измеренному упору гребного винта вычисляют сопротивление судна
R = Рв (1—t)      (1.68)
где t — коэффициент засасывания, полученный в процессе модельных испытаний.

Вычисленные значения сопротивления сопоставляют с кривой буксировочного сопротивления, принятой по данным модельны испытаний. Расхождение между данными натурных и модельных испытаний (если оно имеется) может быть обусловлено влиянием масштабного эффекта на величину коэффициента засасывания или на сопротивление корпуса, а также неправильным учетом влияния шероховатости обшивки корпуса. Обычно при анализе результатов в качестве наиболее вероятной принимается последняя из названных причин, и по данным натурных испытаний корректируют надбавку на шероховатость. Для этой цели по данным натурных испытаний рассчитывают коэффициент полного сопротивления судна (рис. 32) и на график наносят кривую коэффициента полного сопротивления судна, рассчитанную по модели без учета шероховатости корпуса. Разность ординат указанных кривых будет характеризовать уточненное значение надбавки на шероховатость. Подобный метод анализа достаточно формален, причем критерием допустимости его применения являются лишь пределы изменения надбавки на шероховатость корпуса. Избыточно большие, малые, а иногда и отрицательные значения надбавки являются свидетельством недостаточной обоснованности принятого метода.


Рис. 32. Определение надбавки на шероховатость корпуса.

• — натурные точки; — — — — данные модельных испытаний.

Известно, что коэффициент засасывания связан с коэффициентом попутного потока, поэтому при наличии влияния масштабного эффекта на последний должна быть внесена соответствующая поправка и на засасывание. При расчете этой поправки могут быть использованы теоретические формулы, связывающие засасывание с потенциальным попутным потоком.

В материалах 9-й Международной конференции по опытовым бассейнам [82] приведена следующая формула:

где величина с индексом «м» относится к модели, а с индексом «н» — к натуре. Коэффициент k рекомендуется принимать равным 1,5. Указанная формула получена на основе соотношения, выведенного Корвин-Круковским.

Можно пойти и по иному пути, полагая, что соотношение между попутным потоком и засасыванием не подвержено влиянию масштабного эффекта. Известно, что большинство эмпирических формул связывает попутный поток и засасывание зависимостью вида
t=aw+b.    (1.70)
Принимая коэффициент а по эмпирической формуле и используя данные модельных испытаний, определяем значение величины Ь\. Тогда натурный коэффициент засасывания рассчитывают по формуле
tн = аwн + b1.   (1.71)
Приведенная схема анализа результатов пропульсивных испытаний основана на предположении, что в процессе этих испытаний производилось измерение упора гребного винта. К сожалению, на практике подобные измерения проводятся сравнительно редко, поэтому следует остановиться на возможностях анализа при меньшем числе измеряемых величин. В этом смысле типичным является случай, когда измеряют величины vs, n, N (или Мв). По данным измерений вычисляют К2 и λр (значение w заимствуют из материалов модельных испытаний)

Полученные натурные значения К2 наносят в виде точек на исходные кривые действия винта за корпусом, построенные в функции λр. Если натурные точки не совпадают с указанной кривой, то полученное расхождение является следствием влияния масштабного эффекта на коэффициент попутного потока или на коэффициент неравномерности i2.

Принципиально возможно также влияние масштабного эффекта на гидродинамические характеристики самого гребного винта, однако эта возможность обычно не принимается во внимание. Из названных причин более вероятным представляется влияние масштабного эффекта на попутный поток, что обычно и учитывают при анализе результатов испытаний.

По откорректированному значению коэффициента попутного потока рассчитывают значение поступи винта

затем в функции от этой поступи с помощью кривых действия винта определяют значения коэффициента упора К1. Расчет сопротивления судна производят по формуле

В этой формуле коэффициент засасывания либо непосредственно заимствуют из данных модельных испытаний, либо в него согласно изложенному выше методу предварительно вносят поправки.

Дальнейший анализ проводят так же, как и в описанном выше случае, когда регистрируют значение упора винта.

Рассмотрим еще встречающуюся, к сожалению, на практике схему анализа результатов, когда в процессе скоростных испытаний измеряют только скорость судна и частоту вращения гребных валов.

Для проведения анализа по измеренным значениям скорости судна и частоты вращения винта рассчитывают поступь гребного винта λр. Затем с помощью кривых действия гребного винта за корпусом модели определяют в функции от λр значения коэффициентов К1 и К2: С помощью этих коэффициентов вычисляют мощность N, потребляемую гребным винтом, и развиваемый им упор Pв. Расчет ведут по формулам

Сопротивление судна рассчитывают по формуле R = (1—t)Pв, где t заимствуют из результатов модельных испытаний.

Совершенно очевидно, что выяснить причины расхождений между расчетными и натурными данными (если таковые имеются) при столь ограниченном числе измеряемых величин практически невозможно.

В процессе натурных испытаний зачастую должен решаться вопрос о соответствии гребного винта главному двигателю, причем желательно, чтобы решение этого вопроса не было связано с необходимостью выполнять полный анализ по приведенной выше схеме. Чтобы установить соответствие гребного винта главному двигателю, помимо кривой зависимости скорости судна от частоты вращения гребного винта, необходимо располагать кривой зависимости мощности, потребляемой винтом, от скорости судна. Различные случаи взаимного расположения расчетных и натурных кривых приведены на рис. 33. Рассмотрим эти случаи.


Рис. 33. Различные случаи расположения натурных и модельных кривых.

• — натурные точки; — — — данные модельных испытаний.

Первый случай (рис. 33, а). Натурные точки vs=f(n) лежат выше расчетной кривой, причем при номинальной частоте вращения гребной винт потребляет мощность, превышающую номинальную; кривые зависимости мощности от скорости судна совпадают.

Совпадение расчетных и натурных значений мощности, необходимых для обеспечения данной скорости, свидетельствует о том, что сопротивление воды движению судна и коэффициент полезного действия винт? соответствуют расчетным. Превышение натурных скоростей по сравненью с расчетными при данной частоте вращения винта обусловлено тем, что винт расходует большую мощность, т. е. является гидродинамически тяжелым.

Второй случай (рис. 33, б). Натурные точки vs = f(n) лежат ниже расчетной кривой; зависимости мощности от скорости судна совпадают, причем при номинальной частоте вращения винт использует мощность меньше номинальной. Аналогичными рассуждениями можно показать, что подобное соотношение кривых соответствует гидродинамически легкому винту.

Таким образом, в рассмотренных случаях могут быть достигнуты полное согласование расчетных и натурных данных и нормальная загрузка двигателя путем корректировки элементов гребного винта [16].

Третий случай (рис. 33, в). Натурные точки vs = f(n) лежат ниже расчетной кривой; мощность, необходимая для обеспечения заданной скорости натурного судна, больше расчетной. Подобное соотношение кривых может быть обусловлено либо завышенным значением сопротивления воды движению судна по сравнению с расчетным, либо более низким значением пропульсивного коэффициента. Вопрос о соответствии винта механической установке может быть решен в результате детального анализа и выявления причины увеличения сопротивления корпуса судна движению или ухудшению пропульсивных качеств. Если превышение кривой мощности над расчетной окажется неустранимым, то потребуется корректировка элементов винта с целью предотвращения перегрузки двигателя. Однако  и после проведения этих мероприятий расчетная скорость достигнута не будет.

Четвертый случай (рис. 33, г). Натурные точки vs = f(n) совпадают с расчетной кривой; мощность, необходимая для обеспечения заданной скорости судна, больше расчетной. Мощность, необходимая для развития полной скорости, больше номинальной.

Данный случай аналогичен предыдущему, однако гребной винт гидродинамически более тяжелый. Как и в предыдущем случае, при сохранении неизменной кривой сопротивления потребуется корректировка элементов винта, достижимая скорость меньше расчетной.

Приведенные схемы анализа составлены исходя из предположения, что гребные винты не кавитируют. При кавитирующих гребных винтах анализ существенно усложняется, хотя общая схема его сохраняется неизменной. В этом случае для каждого режима необходимо определить число кавитации и пользоваться кривыми коэффициентов упора и момента модели винта, полученными в процессе испытания в кавитационной трубе при соответствующем числе кавитации.

Результаты анализа ходовых испытаний судна с кавитирующими винтами менее достоверны, что объясняется большей условностью расчетов ходкости судов с кавитирующими гребными винтами и возможностью возникновения кавитации выступающих частей. Поскольку такая кавитация оказывает влияние на сопротивление корпуса и работу гребного винта, при испытаниях быстроходных судов целесообразно производить визуальные наблюдения за гребным винтом и выступающими частями. Методика таких наблюдений описана ниже.


Рис. 34. Характер изменения кривых при развитии кавитации.

v — скорость судна; N — мощность на валу.

О наличии интенсивной кавитации гребных винтов можно также судить по характеру кривых зависимости скорости судна и мощности  на валу от частоты вращения гребного вала. Наиболее типичный характер изменения этих кривых показан на рис. 34.