Порядок и условия проведения скоростных испытаний судов
Цель скоростных испытаний судна — получить данные о зависимости скорости от частоты вращения гребных винтов и мощности главного двигателя в широких пределах изменения частоты вращения винтов, включая максимальную частоту вращения, которая может, быть достигнута при развитии главным двигателем судна полной мощности.
В соответствии с этим отечественные и зарубежные методики предусматривают проведение скоростных испытаний судов на нескольких режимах работы главного двигателя.
Так, в откорректированной методике проведения натурных испытаний судна на мерной линии, разработанной Британской судостроительной исследовательской ассоциацией BSRA, рекомендуется проводить прогрессивные испытания судна минимум на четырех различных скоростных режимах [98].
Американская методика стандартизованных скоростных испытаний, разработанная Обществом кораблестроителей и морских инженеров SNAME, предусматривает в зависимости от типа судна, цели испытаний и принятого метода анализа их результатов проведение испытаний не менее чем на четырех скоростных режимах, охватывающих диапазон от половинного до максимального значений скорости судна. Если необходимо охватить больший диапазон скоростей, например при испытании высокоскоростных судов, то методика рекомендует увеличивать число режимов, соответствующих определенным значениям скоростей судна. Если на кривых зависимости мощности от скорости судна появляются так называемые «горбы» и «впадины», то необходимо провести испытания на дополнительных ходовых режимах, чтобы достаточно подробно исследовать и эти области кривых.
Японская научно-исследовательская судостроительная ассоциация рекомендует проводить испытания судов на четырех скоростных режимах, а именно: при одной четверти, половине, трех четвертях и полной длительной мощности главного двигателя [104]. Испытания при одной четверти мощности двигателя можно опустить, если не будет достаточно времени для скоростных испытаний на этом режиме.
В практике отечественного судостроения при испытаниях транспортных судов рекомендуется устанавливать следующие пять обязательных режимов проведения скоростных испытаний: n = nн; n = 1,08 nн; n = 0,91 nн; n = 0,79 nн и n = 0,63 nн, где nн — номинальная частота вращения гребного винта в минуту при максимальной мощности двигателя.
Существует другой метод проведения испытаний [61], который иногда называют методом Тейлора. Согласно этому методу проводится большое количество пробегов судна на мерной линии при прогрессивно увеличивающейся частоте вращения и постоянном интервале в значениях частоты вращения (в минуту) между пробегами, которые совершаются в противоположных направлениях.
Увеличение количества режимов не только удорожает стоимость испытаний, но и может ухудшить их качество, так как при этом увеличивается время испытаний, з течение которого могут существенно измениться метеорологические условия или произойти какие-либо неполадки в главном двигателе, что приведет к перерыву в испытаниях. При продлении испытаний необходимо повторить сделанный накануне последний скоростной режим, чтобы сравнить результаты, полученные в разные дни испытаний.
При выборе наименьших значений скоростей следует помнить, что на малых скоростях значительно снижается точность работы приборов, в частности торсиометров, и уменьшается устойчивость работы главного двигателя судна при малых частотах вращения гребного винта.
При испытании судов на мерной линии очень важное значение имеет характер маневрирования судна по окончании очередного пробега и перед подходом на измерительный участок мерной линии для совершения нового пробега. Особенно важно обеспечить надлежащий разгон судна перед измерительным участком мерной линии, так как после окончания очередного пробега судно совершает поворот на обратный курс, что приводит к снижению скорости, которая должна быть восстановлена к моменту прохождения первого секущего створа мерной линии. Снижение скорости судна при угле поворота руля, равного 20—30°, может достигать 20—25% его скорости на прямом курсе при неизменном режиме работы главного двигателя. В связи с этим обстоятельством, а также с запрещением какой-либо подрегулировки работы главного двигателя на режиме большинство методик рекомендует совершать по возможности пологую циркуляцию при угле перекладки руля, не превышающем 15°.
Еще более важным является вопрос о разгоне судна при переходе на новый скоростной режим, когда для совершения следующей группы пробегов повышается частота вращения винта.
Вопросам выбора надлежащей длины разгонного участка мерной линии уделено большое внимание в отечественной практике и в ряде работ иностранных авторов [96, 98, 104]. В табл. 4 в качестве примера приведены рекомендованные английскими правилами значения длины разгонного участка для танкеров различного водоизмещения.
Таблица 4. Рекомендуемые длины разгонных участков для танкеров, мили
Из теоретических соображений следует, что длина разгонного участка должна быть тем больше, чем меньше отношение мощности главного двигателя к водоизмещению судна. В связи с этим длина разгонного участка для сравнительно тихоходных танкеров большого водоизмещения должна быть значительно больше, чем для быстроходного судна, например пассажирского лайнера.
В японской методике проведения скоростных испытаний крупнотоннажных танкеров [104] рекомендуется при полной мощности механизмов соблюдать длину разгонного участка не менее 2,5 миль при минимальном времени разгона 9 мин. При половинной мощности главного двигателя длина разгонного участка должна быть не менее 4 миль (минимальное время разгона 17 мин). В настоящее время существует ряд методов расчета длины разгонного участка. Подробное изложение метода, рекомендованного нормалью ОН9-792—68, и метода, предложенного Танигучи, даны в работе [22].
Во время режимных испытаний, в том числе при поворотах судна на обратный курс, все методики категорически запрещают производить какую-либо регулировку работы главного двигателя с целью сохранить неизменным режим его работы, установленный при первом выходе на мерную линию при данной частоте вращения гребных винтов.
При переходе на следующий скоростной режим регулировку работы главного двигателя необходимо начинать сразу по окончании последнего пробега на предыдущем режиме и заканчивать ее до поворота судна на обратный курс.
Маневрирование на мерной линии должно соответствовать схемам, приведенным на рис. 3 и 6. Расстояние между берегом и линией пробега судна должно составлять 1,5— 2,0 морские мили; при больших расстояниях понижается линейная чувствительность створов. На рис. 3 пунктиром показан курс судна при переходе на новый режим испытаний, когда увеличивается частота вращения винтов, и перед входом на измерительный участок мерной линии судно должно пройти несколько большее расстояние для того, чтобы установились постоянство режима и скорость (разгонные участки для повторных режимов показаны сплошной линией).
Академик А. Н. Крылов [25] указывает на необходимость того, чтобы судно совершало свои пробеги приблизительно вдоль одной и той же линии («по одной воде»), так как на различном расстоянии от берега течение может быть неодинаковым. Поэтому принято приходить на обратный курс, описывая не полуциркуляцию (рис. 6, а), а кривую, называемую «коордонат» (рис. 6, б). При этом переход на обратный курс необходимо совершать по кривой, показанной на рис. 6, б, так как в момент перекладки руля в точке А мгновенный курс судна будет направлен в сторону от берега и в случае заклинивания руля или поломки рулевых приводоб, испытывающих в это время наибольшие напряжения, судно будет иметь достаточное пространство для остановки. Если же «коордонат» описывать по схеме, приведенной на рис.- 6, в, то в момент перекладки руля в точке А мгновенный курс судна будет направлен в сторону берега, и в случае повреждения рулевых приводов судно подвергается опасности выскочить на берег, так как на расстоянии 1,5—2,0 мили от берега не всегда возможно остановить судно, даже используя реверс.
Рис. 6. Схемы маневрирования судна на мерной линии.
1 — берег; 2 — створ; 3 — линия пробега.
Во время движения на разгонном участке мерной линии, особенно на его концевом участке, а также на измерительном участке мерной линии необходимо избегать перекладки руля даже на небольшие углы, так как она приводит к увеличению сопротивления движению судна и снижению его скорости. Лучше допустить отклонение судна на один градус от назначенного курса, чем перекладку руля на 5°.
Гидрометеорологическая обстановка во время испытаний существенно влияет на достоверность получаемых результатов. Желательно, чтобы сила ветра и волнение моря были минимальными, в частности, в отечественной практике обычно формулировалось требование, чтобы интенсивность волнения не превышала 3 баллов. В правилах ряда иностранных обществ сила ветра и состояние моря строго не регламентируются, лишь указывается на необходимость фиксировать величины, характеризующие гидрометеорологическую обстановку. Нормалью ОН9-792—68 сила ветра ограничивается 2 баллами для судов водоизмещением до 1000 т, 3 баллами для судов водоизмещением от 1000 — до 20 000 т и 4 баллами для судов большего водоизмещения. Допустимая интенсивность волнения определяется в функции длины судна и коэффициента его полноты. Согласно указанной выше нормали допустимые пределы по интенсивности волнения более широкие (в баллах), чем по силе ветра. Подобный подход представляется спорным.
Перед проведением испытаний составляется рабочая программа, предусматривающая порядок осуществления всех измерений и наблюдений и расстановку по постам наблюдений всех участников испытаний. Программой также оговаривается количество режимов испытаний и время начала и конца каждого из них с. точностью до 5 мин. С этой программой должны быть ознакомлены все участники испытаний. Во время пробегов на мерной линии производятся следующие операции:
измерение скорости судна по времени прохождения расстояния между секущими створами мерной линии или с помощью радиоинтерференционных методов;
определение частоты вращения гребных винтов с помощью механических счетчиков или импульсных тахографов;
измерение мощности главного двигателя с помощью торсиометров;
измерение углов перекладки руля;
определение скорости и направления ветра;
наблюдения за состоянием поверхности моря и направлением волнения.
В тех случаях, когда программой предусмотрено измерение упора гребных винтов, на судне устанавливают упоромеры. При проведении скоростных испытаний желательно также определить некоторые теплотехнические параметры, характеризующие работу главного двигателя. Если на судне не установлены торсиомегры, то эти параметры позволяют оценить мощность главного двигателя.
Если судно имеет автоматизированную энергетическую установку, то при скоростных испытаниях следует отключить всережимный регулятор частоты вращения двигателя и перейти с дистанционного автоматического управления на ручное.
Ниже приводятся некоторые соображения, касающиеся порядка проведения измерений скорости судна.
Время прохождения судном измерительных участков мерной, линии должны определять три наблюдателя, снабженные секундомерами. За створами особенно хорошо наблюдать с помощью установленных на крыльях мостиков оптических труб, пеленгаторов репитеров компасов или, сильный биноклей. В этих случаях обычно штурман наблюдает за прохождением створа, а его помощник по команде засекает на секундомере моменты прохождения створов. Наиболее пригодны для этой цели двухстрелочные секундомеры. Основная стрелка засекает время прохождения всего измерительного участка, а вторая дополнительная стрелка служит для засечения времени прохождения промежуточных участков мерной линии. Замеры, проведенные на двух-трех промежуточных участках, позволяют судить о /степени постоянства скорости судна во время его испытания.
Каждая группа наблюдателей заносит результаты измерения скорости судна в заранее заготовленные бланки, которые по окончании испытаний передают в группу обработки результатов испытаний.
В ходе испытаний необходимо непрерывно вести запись отклонений руля от диаметральной плоскости и судна от заданного курса и результаты этих наблюдений заносить в протокол испытаний.
Скорость и направление ветра должны систематически фиксироваться на каждом пробеге судна с помощью анемометра или анемографа и флюгера. Эти приборы располагают таким образом, чтобы на их показания не влияли надстройки, мостики, дымовые трубы и т. д. Считается, что если они установлены на высоте около 6 м над ходовым мостиком, то влиянием этих факторов можно пренебречь.
Наблюдения за состоянием моря следует вести непрерывно, а их результаты фиксировать в протоколе испытаний, в котором должно быть указано направление бега волн и их высота, оцениваемая визуально опытными наблюдателями. Методики проведения испытаний, принятые в ряде зарубежных стран, рекомендуют регистрировать величину течения в различных точках мерной линии. Дополнительно рекомендуется фиксировать величину и направление течения по систематическим гидрографическим данным.
При проведении измерений весьма важно обеспечить их одновременность. Для этого наблюдатели должны иметь сверенные между собой часы, причем в записях наблюдений в первую очередь отмечают порядковый номер режима или режимную частоту вращения винтов, затем время замера или наблюдения с точностью до одной минуты. Только после внесения этих данных в протокольные таблицы наблюдений записывают результаты непосредственных измерений или наблюдений.
Если отсутствует специальная аппаратура для синхронизации измерений, то рекомендуется использовать имеющуюся на судах звуковую сигнализацию, которая сообщает наблюдателям о начале или конце пробега, измерений и наблюдений. В крайних случаях для информации постов наблюдения разрешается прибегать к помощи связных.
Существенный недостаток многих скоростных испытаний заключается в отсутствии одновременной автоматической объективной записи измеряемых величин (очень большое количество измерений производится визуально), что понижает точность отсчетов и вносит добавочные случайные ошибки в замеры. Не менее серьезный недостаток проведения скоростных испытаний и особенно обработки их результатов — отсутствие единых приемов проведения измерений и учета внешних обстоятельств и условий, влияющих на результаты испытаний.
В настоящее время созданы специальные системы сигнализации и связи между постами наблюдения и командным пунктом испытаний. В частности, такие системы сигнализации рекомендует применять американская методика стандартных скоростных испытаний судов [101].
Сигнальную систему связи (рис. 7) контролирует наблюдатель, находящийся на штурманском или ходовом мостике. Систему охватывает группу основных наблюдателей, осуществляющих измерения в процессе испытаний. Кроме того, имеется контролирующий наблюдатель. Наблюдатели должны быть размещены таким образом, чтобы их наблюдения были независимыми друг от друга. Первый наблюдатель пользуется световыми сигналами (лампочками), второй — звуковыми (звонками). Обычно система включает и собственную систему телефонной связи.
Рис. 7. Сигнальная система связи для стандартизованных испытаний судов.
1 — прибор, регистрирующий направление ветра; 2 — анемометр; 3 — контактные часы; 4 — пульт управления; 5 — торсиометр; 6 — измеритель частоты вращения винтов; 7 — приборы для регистрации параметров работы главных двигателей; 8— секундомер.
После каждого пробега судна и особенно по окончании каждого режима испытания следует быстро передавать результаты измерений руководству для анализа полученных данных и принятая соответствующих решений. Обработку поступающих от наблюдателей материалов производит расчетная группа из двух-трех специалистов, которая в процессе испытаний строит графики зависимости скорости судна (в узлах) от частоты вращения винта в минуту. Обычно зависимость скорости судна от частоты вращения винта при пробегах в одном направлении близка к прямой. Значительные отклонения от этой прямой указывают на неточность полученных измерений.
Если испытания проводятся по методу осреднения трех и более пробегов при одинаковой для данного режима частоте вращения винта, то для получения одной осредненной для режима точки на кривой скорости судна частота вращения в течение каждого пробега не должна отклоняться больше чем на ±2÷3% от ее среднего значения. В течение одного пробега многовального судна частота вращения каждого вала не должна отклоняться больше чем на ±2÷3% от средней частоты при условии, что номинальная частота вращения каждого вала одинакова. При невыполнении этих требований пробеги должны повторяться.
Осреднение замеренных для каждого режима значений частоты вращения винта и мощности производят по формулам, аналогичным формуле (1.19) для осреднения значения скорости судна.
После осреднения полученных данных строят график зависимости
где Ne — осредненное значение мощности, измеренное на режиме, л. с.; vs — осредненная скорость судна, уз; n — осредненная частота вращения винта, об/мин.
Указанная зависимость, как правило, должна иметь форму, близкую к прямой в пределах от 25 до 110% изменения номинальной мощности главного двигателя.