Противоледовая конструктивная защита винторулевого комплекса судов ледового плавания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.03, кандидат наук Шаринкова Ольга Сергеевна

• Шаринкова Ольга Сергеевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Шаринкова Ольга Сергеевна

Оглавление

Введение

Глава 1. Проблема противоледовой защиты винторулевого комплекса (ВРК) судов

1.1. Существующие варианты конструктивной противоледовой защиты ВРК судов

1.2. Анализ эксплуатационных повреждений ВРК

1.3. Постановка задачи исследования

Глава 2. Обоснование и разработка конструкции противоледовой

защиты винторулевого комплекса судна ледового плавания

2.1. Обоснование и разработка конструкции противоледовой защиты ВРК судов ледовых категорий

2.2. Конструкции рулей изменяемого профиля с одной поворотной частью

2.3. Конструкции рулей изменяемого профиля с двумя поворотными частями

2.4. Рулевое устройство с пером руля переменного профиля судна ледового плавания

2.5. О возможности выполнения кормовой кромки рудерпоста-ледореза с наклоном

Глава 3. Сравнительная оценка гидродинамических характеристик руля изменяемого профиля в составе ВРК судна ледового плавания

3.1. Постановка задачи по исследованию гидродинамических характеристик руля изменяемого профиля

3.2. Методика расчета гидродинамических характеристик профиля

3.3. Сравнительная оценка гидродинамических характеристик обыкновенного и составного рулей профиля КЛСЛ-0021

Глава 4. Исследование влияния особенностей конструкции противоледовой защиты ВРК на ее прочность

4.1. Общие подходы к расчету прочности. Выбор расчетных схем

4.2. Расчет прочности конструкции противоледовой защиты при действии продольной нагрузки (без учета деформации растяжения-сжатия стержней)

4.3. Расчет прочности конструкции противоледовой защиты при действии продольной нагрузки (с учетом деформации растяжения-сжатия стержней)

4.4. Расчет прочности конструкции противоледовой защиты при действии поперечной нагрузки (без учета кручения стержней)

4.5. Расчет прочности конструкции противоледовой защиты при действии поперечной нагрузки (с учетом кручения стержней)

4.6. Анализ результатов расчетов прочности конструкции противоледовой защиты ВРК

Глава 5. Расчетные нагрузки. Расчет прочности конструкции противоледовой защиты ВРК

5.1. Анализ процесса внедрения рудерпоста-ледореза в кромку ледяного поля

5.2. Методика определения расчетной нагрузки, действующей на рудерпост-ледорез при взаимодействии со льдом

5.3. Основы методики проектировочного расчета прочности конструкции противоледовой защиты ВРК

5.4. О применимости устройства противоледовой защиты ВРК на судах различных ледовых классов

Заключение

Библиографический список

182

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Противоледовая конструктивная защита винторулевого комплекса судов ледового плавания»

ВВЕДЕНИЕ

Одними из наиболее повреждаемых конструкций судна при плавании во льдах являются элементы винторулевого комплекса (ВРК; не следует путать с аналогичной аббревиатурой, используемой в отношении системы Azipod - винторулевая колонка). Несмотря на это, в научно-технической и нормативной литературе содержится очень мало информации по вопросу защиты ВРК от воздействия льда. Имеется в виду ограниченное количество известных вариантов конструктивной противоледовой защиты ВРК. Решение проблемы на первый взгляд очевидно - следует исключить прямой контакт повреждаемых элементов ВРК со льдом. Однако абсолютно эффективных и надежных конструктивных решений в этом направлении нет.

Основным нормативным документом, определяющим требования к конструкциям судов, являются правила Российского морского регистра судоходства (далее Правила). Единственное конструктивное решение по защите пера руля от воздействия льда для судов ледового плавания и ледоколов, которое упоминается в Правилах - это ледовый выступ - «зуб». Он предназначен для защиты пера руля от контакта со льдом при движении задним ходом.

В циркулярном письме ГУР № 312-11-812ц от 15.04.2015 говорится о целесообразности применения Финско-Шведских правил для судов ледового плавания (Finnish-Swtdish Ise Glass Rules, 2010) и внесении соответствующих изменений в Правила классификации и постройки морских судов. В части, касающейся защиты пера руля, внесены дополнения «...ледовый зуб по своим габаритам должен выходить за границу нижней ледовой ватерлинии (в той мере, в какой это возможно для рассматриваемой конструкции). Предметом особого рассмотрения Регистром является конструкция пера руля и ледового «зуба» при использовании руля с закрылком».

Альтернативой традиционной конструкции винторулевого комплекса судна ледового плавания является система Azipod - винторулевая колонка.

При известных достоинствах системы Azipod она имеет особенности, ограничивающие возможность ее использования на морских судах с ограниченной осадкой, эксплуатируемых в условиях малых глубин - в прибрежных районах и устьях рек. Это означает, что винторулевой комплекс традиционной конструкции будет и впредь использоваться на судах ледового плавания (морских, смешанного плавания и речных), и задача обеспечения его защиты от воздействия льда остается актуальной.

Степень разработанности темы. Проблема ледовой прочности судов имеет давнюю историю. Естественно, что большая часть исследований и технических решений в этой области приходится на долю ученых и инженеров приполярных стран: России, Норвегии, Швеции, Финляндии, Канады и США. Значительный вклад принадлежит отечественным ученым. Объективной причиной этого является то, что практически все морские границы (России, ранее СССР) относятся к частично или полностью замерзающим полярным и дальневосточным морям. Особую роль играет освоение северного морского пути, являющегося важнейшей транспортной артерией международного значения.

Ледовой прочности судов посвящены работы С.О. Макарова, В.В. Давыдова, Ю.А. Шиманского, А.Я Рывлина, Д.Е. Хейсина, В.И. Каштеляна, В.А. Лихоманова, Б.Н. Свистунова, Ю.Н. Попова, В.А. Курдюмова, В.Н. Тряскина, Е.М. Апполонова, А.В. Андрюшина, В.А. Зуева, Б.П. Ионова, Е.М. Грамузова, и дальневосточных ученых Н.В. Барабанова, В.А. Абоносимова, Н.А. Иванова, М.В. Войлошникова, Г.П. Шемендюка, В.А. Кулеша, В.А. Бабцева, М.М. Беспалова, В.В. Новикова, С.А. Огая.

В области управляемости судов при обычных условиях и с учетом ледовой обстановки, а также в области судовых рулевых устройств известны работы В.Л. Поздюнина, А.М. Басина, Я.И. Войткунского, М.Г. Шмакова, В.И. Асиновского, К.К. Федяевского, А.Н. Гуровича, Н.Ф. Сторожева, С.М. Белоцерковского, К.В. Кохановского, А.М. Васина, П.Н. Шанчурова, В.И. Евенко, Б.Н. Лозгачева, Д.А. Гринберга, М.И. Войникова, М.И. Ништа, А.Д.

Гофмана, В.А. Васильева, Г.В. Соболева, С.В. Сутуло, Н.С. Соларева, А.В Тронина, М.Я. Алферьева и др. Если вопросы управляемости и определения гидродинамических характеристик традиционных рулевых устройств разработаны практически исчерпывающе, то вопросы ледовой прочности касаются, главным образом, корпусных конструкций и элементов винторулевого комплекса: лопастей винтов, пера руля, гребного вала и баллера. Информации о прочностных аспектах защитных противоледовых устройств практически нет.

Область исследования - методики расчетного проектирования судовых конструкций и устройств.

Объект исследования - конструктивная противоледовая защита ВРК судов ледового плавания.

Предмет исследования - конструктивные, прочностные и гидродинамические характеристики противоледовой защиты ВРК, лежащие в основе методики ее расчетного проектирования.

Цель работы - разработка конструктивной противоледовой защиты ВРК судов ледового плавания и прочностных аспектов методики ее расчетного проектирования.

Достижение этой цели предполагает решение комплекса задач, основными из которых являются:

1. Обоснование и разработка конструктивной схемы противоледовой защиты ВРК в комплексе с рулевым устройством, включающей перо руля изменяемого профиля, и принципа ее действия.

2. Сравнительная оценка гидродинамических характеристик руля изменяемого профиля в составе ВРК судна ледового плавания, и их влияние на эффективность рулевого устройства.

3. Исследование влияния особенностей конструктивных элементов и характера их взаимодействия в составе противоледовой защиты ВРК на их прочность и обоснование принципов расчетного проектирования этой конструкции.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы проектирования корпусных конструкций судов, имеющих ледовые категории, численный метод расчета гидродинамических характеристик рулевого устройства с использованием программного продукта SoHdWorks, методы строительной механики корабля.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается использованием апробированных численных и аналитических методов расчета.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты сравнительной оценки гидродинамических характеристик руля изменяемого профиля в комплексе с противоледовой защитой ВРК.

2. Результаты исследования соотношений величин внутренних сил в элементах противоледовой защиты ВРК, определяющих принципы расчетного проектирования данной конструкции, в зависимости от их конструктивных параметров.

3. Методика определения расчетной нагрузки, действующей на конструкцию противоледовой защиты ВРК при взаимодействии со льдом.

4. Основы методики расчета прочности конструкции противоледовой защиты ВРК.

Кроме того на защиту выносится новая конструктивная схема противоледовой защиты ВРК судов ледового плавания.

Практическая значимость заключается в обеспечении защиты элементов ВРК судов ледового плавания от прямого контакта со льдом и, тем самым, от эксплуатационных повреждений, приводящих к выводу судов из эксплуатации во время навигации и дорогостоящим ремонтам.

Апробация результатов работы. Основное содержание работы докладывалось на следующих конференциях инженерно-технических конкурсах: Конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти профессора И.Г. Бубнова и 110-летию со дня образования кафедры

строительной механики корабля. СПб., 2014 г.; Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования океанотехники и морской инфраструктуры: Теория. Эксперимент. Практика». Комсомольск-на-Амуре, 2015 г.; Научно-техническая конференция по строительной механике корабля. СПб., КГНЦ-СПбГМУ, 2015 г.; Всероссийский нженерно-технический конкурс по судостроению. М., Объединенная судостроительная корпорация, 2015 г. - Диплом; Всероссийский инженерный конкурс Министерства образования и науки РФ. СПб., 2016 г. - Диплом и Знак победителя конкурса; Региональная научно-практическая конференция «Молодеж и научно-технический прогресс». Владивосток, 2016 и 2017 гг.; Всероссийская научно-практическая конференция «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященная 100-летию со дня рождения Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2016; Научно-техническая конференция по строительной механике корабля, посвященная 90-летию СПбГМУ. СПб., КГНЦ-СПбГМУ, 2020 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 2 в трудах Крыловского государственного научного центра, входящих в перечень ВАК, 6 в материалах и тезисах докладов международных и российских конференций, 4 патента на изобретения и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и библиографического списка (82 наименования). Содержание работы изложено на 189 стр. машинописного текста. Работа содержит 1 07 рисунков и 15 таблиц.

Глава 1. ПРОБЛЕМА ПРОТИВОЛЕДОВОЙ ЗАЩИТЫ ВИНТОРУЛЕВОГО КОМПЛЕКСА (ВРК) СУДОВ

1.1. Существующие варианты конструктивной противоледовой защиты ВРК судов

Проблема ледовой прочности судов имеет давнюю историю. Естественно, что большая часть исследований и технических решений в этой области приходится на долю ученых и инженеров приполярных стран: России, Норвегии, Швеции, Финляндии, Канады и США. Значительный вклад принадлежит отечественным ученым. Объективной причиной этого является то, что практически все наши морские границы относятся к частично или полностью замерзающим полярным и дальневосточным морям. Особую роль играет освоение северного морского пути, являющегося важнейшей транспортной артерией международного значения.

Ледовой прочности судов посвящены работы С.О. Макарова, В.В. Давыдова, Ю.А. Шиманского, А.Я Рывлина, Д.Е. Хейсина, В.И. Каштеляна, В.А. Лихоманова, Б.Н. Свистунова, Ю.Н. Попова, В.А. Курдюмова, В.Н. Тряскина, Е.М. Апполонова, А.В. Андрюшина, В.А. Зуева, Б.П. Ионова, Е.М. Грамузова, и дальневосточных ученых Н.В. Барабанова, В.А. Абоносимова, Н.А. Иванова, М.В. Войлошникова, Г.П. Шемендюка, В.А. Кулеша, В.А. Бабцева, М.М. Беспалова, В.В. Новикова, С.А. Огая.

Одними из наиболее повреждаемых конструкций судна при плавании во льдах являются ВРК (в данной работе эта аббревиатура используется применительно к винторулевому комплексу; аналогичная аббревиатура, используемой для обозначения винторулевых колонок - А71роё - примечание автора). Несмотря на это в научно-технической и нормативной литературе содержится очень мало информации по вопросу защиты элементов ВРК от воздействия льда. Имеется в виду не пренебрежение информацией такого рода как таковой, а весьма ограниченное количество известных вариантов конструктивной противоледовой защиты ВРК. Решение проблемы на первый взгляд очевидно - исключить прямой контакт элементов ВРК со льдом.

Однако, абсолютно эффективных конструктивных решений в этом направлении нет.

Основным нормативным документом, определяющим требования к конструкциям судов, являются правила Российского морского регистра судоходства [43]. Единственное конструктивное решение по защите пера руля от воздействия льда для судов ледового плавания и ледоколов, которое упоминается в Правилах - это противоледовый выступ - «зуб» (рис. 1.1.1 [42]). При этом должно быть выполнено одно единственное конкретное требование, касающееся зазора между выступом и пером руля.

Рис. 1.1.1. Ахтерштевень ледокола [42] Далее приведен полный текст п. 3.10.2.6.5 части II [43]: «При наличии противоледового выступа ахтерштевня зазор между ним и пером руля должен быть не более 100 мм. Противоледовый выступ должен быть надежно соединен с ахтерштевнем. Закреплять противоледовый выступ на листовых конструкциях не допускается».

В достаточно давно изданной, но остающейся классической работе [42] со ссылкой на действовавшие на момент издания этой книги Правила 1956 г. говорится: «В верхней части ахтерштевня над пером руля обычно предусматривается плавный выступ для предохранения пера от повреждений

льдом при заднем ходе судна. На ледоколах и судах класса УЛ (Аркт.) такая защита обязательна». Отметим, что в современных Правилах последнее категорическое требование отсутствует.

Сравнительно недавно Главное управление регистра выпустило циркулярное письмо № 312-11-812ц от 15.04.2015 о целесообразности применения Финско-Шведских правил для судов ледового плавания (Finnish-Swtdish Ise Glass Rules, 2010) и внесении соответствующих изменений в Правила классификации и постройки морских судов. В части, касающейся защиты пера руля, внесены дополнения «.. .ледовый зуб по своим габаритам должен выходить за границу нижней ледовой ватерлинии (в той мере, в какой это возможно для рассматриваемой конструкции). Предметом особого рассмотрения Регистром является конструкция пера руля и ледового «зуба» при использовании руля с закрылком».

Как видно, кардинальных изменений требований не произошло. При этом при большом диапазоне эксплуатационных осадок кормой ледовый зуб будет иметь большие размеры. Отметим, что в контексте данной работы показательно упоминание руля с закрылком.

Наиболее современной фундаментальной публикацией по вопросу ледовой прочности судов является работа [11]. Следует упомянуть также работы [34, 39]. Однако в этих работах проблеме защиты ВРК судов от воздействия льда должного внимания практически не уделяется.

В 2004 г. в Дальневосточном государственном техническом университете на кафедре конструкции судов в рамках ОКР был разработан проект ледовых подкреплений танкера «Аскольд» [4]. В построечном состоянии танкер японской постройки не имел ледовой категории и первую же зимнюю навигацию потерял лопасть винта. В проекте наряду с подкреплениями корпуса в районе ледового пояса были разработаны устройства для защиты ВРК. С кормы перо защищает ледовый выступ своеобразной пластинчатой конструкции, а при переднем ходе защитой винта служили конструкции в виде крыльев-отбойников (рис. 1.1.2).

В дальнейшей эксплуатации повреждения винта не повторялись, но выявилась другая проблема - у судна снизилась скорость за счет изменения условий взаимодействия винта и корпуса. Оказалось, что наряду с той функцией, для которой отбойники льда были предназначены, следовало более внимательно подойти к сохранению нормального подтока воды к винту. В данном случае это было сделано в значительной мере интуитивно, а необходим был, как оказалось, серьезный гидромеханический анализа для обоснования конструкции, формы и расположения отбойников.

Рис. 1.1.2. Противоледовая защита танкера «Аскольд» в процессе монтажа [4]

Можно констатировать, что противоледовый выступ в корму от пера руля является единственной узаконенной и общепринятой его защитой при движении задним ходом. Эффективность этого устройства вызывает определенные сомнения. У ледоколов при их практически постоянной осадке находящийся на уровне ватерлинии и несколько ниже нее противоледовый выступ достаточно надежно прикрывает перо руля, хотя и здесь возможен уход льдин под наклоном в кормовой подзор с последующим их контактом с рулем и винтом. У грузовых судов при их меняющейся в достаточно широком диапазоне осадке противоледовый выступ либо должен быть достаточно протяженным по высоте (и это уже оговорено Правилами), либо в балласте он свою функцию выполнять не сможет.

Подтверждение того, что при движении судна во льду льдины в районе кормового подзора могут двигаться не только в горизонтальном положении и строго по поверхности, но и могут «нырять» под корпус под произвольными

углами и, следовательно, вступать во взаимодействие с элементами ВРК, есть в теоретических исследованиях, например в [36]. Здесь решена задача по конечноэлементному моделированию буксировочных испытаний судна во льдах заданных характеристик (толщина, сплоченность, раздробленность, ширина ледового канала). При этом процесс движения сопровождается качественным анализом характера «обтекания» льдом кормовой оконечности судна (рис. 1.1.3). Видно, что льдины могут занимать хаотичное положение.

а) б) в)

Рис. 1.1.3. Характер «обтекания» льдом кормовой оконечности судна: а - вид с кормы; б -

вид с левого борта; в - вид с правого борта [36] Существуют другие варианты практически реализованной конструкции противоледовой защиты ВРК. Один из них представлен на рис. 1.1.4.

Для защиты от льда на переднем ходу судна на каждом борту установлены по три плавника, жестко связанные по концам неподвижным полукольцом обтекаемого профиля, соединенным с корпусом. Кроме того

Рис. 1.1.4. Противоледовая защита ВРК кормовая оконечность имеет специальную форму с кринолином по скуле, препятствующим попаданию льда под корпус к насадкам. В пространстве между выкружками от днища наклонно вниз установлены два пера. Для защиты гребных винтов от льда на заднем ходу в кормовой части насадок установлены трехлопастные контрпропеллеры.

Такая конструктивная защита представляется всеобъемлющей, однако, настораживает кажущаяся «хрупкость» конструкции. Имеется в виду решетчатое ограждение винта. Также обращает на себя внимание ее конструктивная сложность. Информации об опыте эксплуатации данной конструкции нет.

Еще один вариант противоледового ограждения винта, реализованный на т/х «Анна», представлен на рис. 1.1.5 и 1.1.6.

Рис. 1.1.5. Чертеж противоледовой защиты винта т/х «Анна» Эта конструкция, также как и предыдущая, не выглядит достаточно прочной при контакте с крупными льдинами и, как показано в разделе 1.2, не без основания. Кроме того, она не предполагает защиты пера руля.

Рис. 1.1.6. Противоледовая защита винта т/х «Анна»

Альтернативой традиционной конструкции винторулевого комплекса судна ледового плавания является система Azipod [46, 82] - винторулевая колонка (рис. 1.1.7).

Рис. 1.1.7. Система Azipod - винторулевые колонки [46] Не вдаваясь в подробности, отметим общепризнанные достоинства и недостатки этой системы. К преимуществам относятся высокая надежность устройства и обеспечиваемая им хорошая маневренность судна. К недостаткам можно отнести сложность конструкции и невозможность его ремонта вне заводских условий.

Кроме того, особенности системы Azipod ограничивают возможности ее использования на судах, эксплуатируемых в условиях малых глубин. В соответствии с [46] «край гребного винта ни в коем случае не должен проходить под основной плоскостью судна. Зазор между кромкой лопасти винта и корпусом судна должен составлять более 25 % от диаметра винта». Соблюдение этих требований предполагает достаточно большую осадку.

Это означает, что винторулевой комплекс традиционной конструкции будет и впредь использоваться на судах ледового плавания и задача обеспечения его ледовой прочности остается актуальной.

В литературе [51] приводятся примеры носовых рулей, имеющих ограждение в виде рамной конструкции явно защитного назаначения. На

ледоколах они устанавливаются впереди носового винта (рис. 1.1.8,а). На рис. 1.1.8,6 такой руль установлен в нос от крыльчатого движителя на судне, не предназначенном для плавания во льдах.

а)

О.Л. 1

1 - перо руля; 2 - съемный лист; 3 - конусное соединение; 4 - баллер руля; 5 - нижний подшипник; 6 - верхний подшипник; 7 - рулевая машина; 8 - нижний штырь

б)

Рис. 1.1.8. Носовые рули: а - небалансирный; впереди носового винта ледокола; 6 - выступающий; впереди носового крыльчатого движителя [51]

Носовые рули применяют на паромах, крановых и других судах для повышения маневренности в узких акваториях и обеспечения работы «челночным» способом. Обычно эти рули располагают за форштевнем (рис. 1.1.8, а) судна или в ограждении под его килем (1.1.8, б).

1.2. Анализ эксплуатационных повреждений ВРК

Несмотря на существование ряда вариантов конструктивной противоледовой защиты, часть из которых упомянута в разделе 1.1, повреждения ВРК носят массовый характер и являются серьезной проблемой при эксплуатации судов ледового плавания. Это происходит, несмотря на теоретические разработки [5] и нормативные документы [26], которые, по всей видимости, не учитывают всех факторов, определяющих эксплуатационную прочность винтов. Есть и объективная причина, заключающаяся в принципиальной сложности обеспечения ледовой прочности элементов ВРК, а именно, в соотношении величины ледовых нагрузок и относительной «хрупкости» элементов ВРК - пера руля, баллера, лопастей винта. При этом надо иметь в виду, что проектирование элементов ВРК - это компромисс между одновременным решением зачастую противоречащих друг другу задач прочности и гидродинамики.

Повреждения элементов ВРК от взаимодействия со льдом не отличаются разнообразием, но повторяются на многих судах ледового плавания (рис. 1.2.1 [28]).

40 -

30

Рис. 1.2.1. Повторяемость видов повреждений судов во время зимней навигации в Балтийском море [28]

Видно, что от 40 до 50% всех повреждений от непосредственного взаимодействия судна со льдом, а именно повреждений корпуса, винта, руля и отказов двигателя, приходится на долю ВРК, в частности, винтов (35%).

Ниже приведены типовые эксплуатационные повреждения элементов ВРК (по результатам анализа литературных источников).

Упомянутый в разделе 1.1 в связи с оборудованием противоледовой защиты танкер японской постройки «Аскольд» [4] в построечном состоянии не имел ледового класса. У винта с малым дисковым отношением были узкие удлиненные лопасти, что привело к их поломке в первую же зимнюю навигацию в сравнительно легких условиях ледового плавания. Из этого следует, что использование на эксплуатируемых во льду судах винтов, спроектированных без учета их ледовой прочности, абсолютно неприемлемо.

На рис. 1.2.2-1.2.4 показаны характерные повреждения винтов различных судов, возникшие в результате контакта со льдом.

Рис. 1.2.2. Повреждения гребных винтов: а, б - облом лопастей на судах типа БМРТ; в - отрыв лопасти ледокола «Ленинград»; г - облом лопасти

на ледоколе «Москва» [37]

Рис. 1.2.3. Типовые ледовые повреждения лопастей винтов (вырывы и изгиб) [39]

Рис. 1.2.4. Повреждения (изгиб) лопастей винта [34] В лопастях гребных винтов наблюдаются повреждения в виде трещин, облома у комля или концов лопастей, загиба, вырыва, ледовой эрозии. Наиболее серьезным повреждением винта, исключающим его дальнейшую эксплуатацию, является утеря или облом лопасти - в результате разбаланса возникает недопустимая вибрация. Облом лопасти винтов, изготовленных из материалов, склонных к хрупкому разрушению, может произойти при разовом сильном ударе о льдину. У винтов, изготовленных из достаточно пластичных материалов, произойдет скорее изгиб лопасти. Однако и у таких винтов наблюдаются обломы всей лопасти или ее части, а также вырывы, но механизм этого разрушения более сложный.

В работе [37] обобщены обширные сведения об эксплуатационных повреждениях элементов ВРК, в частности, винтов. На рис. 1.2.5 приведены сведения о трещинах в лопастях винтов судов различных типов.

Рис. 1.2.5. Трещины в лопастях винтов морских судов различных типов: а-е - ледоколы типа «Москва»; ж - типа «Амгуема»; з, и - плавзаводы типа «Андрей Захаров»; к - типа «Повенец»; л-о - типа «Пионер»: п-т - китобойцы типа «Мирный»; у - китобаза «Советская Россия»; I и к - соответственно длина и глубина трещин [37]

Хотя подробный анализ причин появления трещин в работе [37] не приводится, преобладающее число судов, на которых были установлены эти винты, является судами ледового плавания и ледоколами. Можно предположить, что одной из причин зарождения и развития трещин является усталость материала при действии переменных гидродинамических и

ледовых нагрузок. Заключительным этапом развития трещин является хрупкий облом всей лопасти или ее части под действием разовой экстремальной ударной нагрузки со стороны льдины, когда усталостная трещина достигла критической длины.

Обращает на себя внимание тот факт, что значительная часть трещин наблюдается в поле лопастей ближе к середине ее длины (рис. 1.2.5) . Это объясняется характером распределения напряжений по длине лопасти (рис. 1.2.6 [36]).

190

150

%100

я

й

&

I 50 0

0,21 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Расстояние от оси гребного винта (доля радиуса)

Рис. 1.2.6. Распределение расчетных ледовых напряжений по длине лопасти гребного винта [36]

Видно, что максимальные напряжения от изгиба лопасти действуют в районе 0,5-0,6 от радиуса винта.

В качестве факторов, провоцирующих появление трещин, рассматриваются физико-химические процессы, происходящие в металле в морской воде, внутренние дефекты, появляющиеся при изготовлении, изменение свойств материалов при заварке дефектов и правке при ремонте.

Существует вариант опасного нагружения винта при его неподвижном состоянии. Такая ситуация достаточно часто наблюдается при маневрировании судна во льдах, когда движение судна может сопровождаться неоднократным реверсированием движителя, что связано с

Ур овень допу скаемых н апряжений - 178,5 М а

Максимал >ный урове нь напряж гний - 120 5 МПа

\

\

высокой вероятностью навала остановленного винта на неподвижный лед [36]. Практика ледового судоходства показывает, что это наиболее опасный режим взаимодействия лопасти с ледяным покровом. Похожий характер взаимодействия винта со льдом отмечен в работе [41]. При развороте кормы во время движения по инерции, когда винт не вращается, возможен удар или навал на кромку канала или на большую льдину.

Этот эффект теоретически исследован в работе [36]. Показанный на рис. 1.2.7 характер повреждения лопастей винта, полученный на основе МКЭ-модели, свидетельствует о том, что в реальном диапазоне рабочих толщин зимнего неразрушенного льда при навале неработающего винта на лед его лопасти получают разрушения кромок, несовместимые с его дальнейшей эксплуатацией.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шаринкова Ольга Сергеевна, 2022 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Авиационный справочник для летчика и штурмана. Под ред. В.М. Лавского. - М.: Воениздат, 1964. - 416 с.

2. Алферьев М.Я. Ходкость и управляемость судов.- М.: 1967. - 344 с.

3. Алямовский А.А. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике // А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

4. Анализ соответствия корпусных конструкций требованиям Морского регистра судоходства, оценка технического состояния и разработка проекта подкрепления корпуса т/х «Аскольд». Отчет по ОКР № 04-08рк/Аск. - Центр «Наука. Техника. Бизнес», Владивосток, 2004 г.

5. Андрюшин А.В. Теория взаимодействия гребного винта со льдом. Обеспечение эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания и ледоколов: диссерт. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук: спец. 05.08.01 / СПб.: 2006. - 254 с.

6. Анисимова Н.И. Позиционные гидродинамические характеристики судов при произвольных углах дрейфа. - Л.: Судостроение. 1968. №5. - С. 4.

7. Аносов А.П., Герман А.П., Шаринкова О.С. Рулевые устройства с пером руля изменяемого профиля. Труды Крыловского государственного научного центра, 2015. Вып. 89.2 (273.2). - С. 197-202.

8. Аносов А.П., Шаринкова О.С. Кормовая защита винторулевого комплекса судов ледового плавания с пером руля переменного профиля. Труды Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», посвященной 100-летию со дня рождения Р.Е. Алексеева. -Нижний Новгород, 2016.

9. Аносов А.П., Шаринкова О.С. Устройство для защиты винторулевого комплекса судна ледового плавания. Труды Конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора И.Г. Бубнова. - СПб.: 2014. - С. 169-170.

10. Аносов А.П., Шаринкова О.С. Устройство для защиты винторулевого комплекса для судов ледового плавания. Международный симпозиум «Наука. Инновации. Техника и технологии: проблемы, достижения и перспективы». Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные исследования океанотехники и морской инфраструктуры: Теория. Эксперимент. Практика». - Комсомольск-на-Амуре: 2015. - С. 84-85.

11. Апполонов Е.М. Ледовая прочность судов, предназначенных для круглогодичной арктической навигации / Е.М. Апполонов. - СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2016. - 288 с.

12. Асиновский В., Гофман А.Д. Об оценке управляемости судов. Научно-технический сборник НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 90. - Л.: 1967.

13. Атлас аэродинамических характеристик рулей малого удлинения // Тр. ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. Вып. 1. 1959.

14. Атлас гидродинамических характеристик судовых рулей // Тр. НИИВТ, Вып. 72. 1972.

15. Белоцерковский С.М., Ништ М.И. Отрывное и безотрывное обтекание тонких крыльев идеальной жидкостью. - М.: Наука, 1978.

16. Васильев A.B. Управляемость судов. - Л.: Судостроение, 1989 -

327 с.

17. Васильев A.B., Белоглазов В.И. Управляемость винтового судна. -М.: Транспорт, 1966. - 166 с.

18. Васин A.M. Теория устойчивости на курсе и поворотливости судна. - М.-Л.: Гостехиздат, 1949. - 228 с.

19. Васин A.M. Ходкость и управляемость судов. - М.: Транспорт, 1967. - 455 с.

20. Вождаев В.В. (ЦАГИ) Влияние модели турбулентности на точность расчета аэродинамических характиристик механизированного крыла. - М.: «Техника воздушного флота». Том LXXXV, №3 (704), 2011. - С.16-21.

21. Войников М.И. Некоторые пути повышения эффективности и надежности рулевых устройств судов смешанного плавания// «Труды ЛИИВТ», ч. 8. С. 193-203.

22. Войткунский Я.И., Фадеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. - Л.: Судостроение, 1982. - 450 с.

23. Воробьев Н.Ф. Аэродинамика несущих поверхностей в установившемся потоке. - Новосибирск: Наука, 1985. - 235 с.

24. Воропаев Г.А., Зайнер-Гундерсен Д., Коробов В.И. Гидродинамические характеристики колеблющегося крыла. - Киев: «Прикладная пдромехашка». Том 17, №3. - С. 3-9.

25. Ильинский Н.Б., Абзалилов Д.Ф. Математические проблемы проектирования крыловых профилей: усложненные схемы течения; построения и оптимизация формы крыловых профилей. - Казань: Казан. унт, 2011. - 284 с.

26. Инструкция. Требования к расчету и проектированию открытых гребных винтов и валопроводов судов ледового плавания. РД 212.0147-87. Руководящий документ по стандартизации, группа Т50. Утвержден и введен в действие МРФ РСФСР 27.11.1987 г. - Л.: Транспорт, 1989. - 52 с.

27. Кашафутдинов С.Т., Лушин В.Н. Атлас аэродинамических характеристик крыловых профилей. - Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С.А. Чаплыгина, 1994. - 46 с.

28. Китаев М.В. и др. Особенности проектирования гребных винтов ледоколов и судов ледового плавания // М.В. Китаев, В.В. Новиков, Г.П. Турмов // Вестник Инженерной школы ДВФУ, 2020, № 2(43). - С. 46-57. 001: Шр:/,^^^ёх.ёо1.ог§/10.24866/2227-6858/2020-2-5/

29. Козырев Д.В., Пантюшин Д.И., Шаринкова О.С. Преимущества сложносоставного руля для судов ледового плавания. Исследование его гидродинамических качеств в программном продукте SolidWoгks. Материалы Региональной научно-практической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс». - Владивосток: ДВФУ, 2017. - С. 399-401.

30. Кормовая оконечность судна ледового плавания. Патент на изобретение № 2551638 / А.П. Аносов, О.С. Шаринкова. - БИ № 15, 27.05.2015.

31. Кравец А.С. Характеристики авиационных профилей. - М.: Оборонгиз, 1939.

32. Красильщеков П.П. Серия профилей Р-11 // Труды ЦАГИ, вып. 212,

1935.

33. Красильщиков П.П. Влияние длины закрылка и предкрылка на работу разрезного крыла. Труды ЦАГИ, вып. 133. - М.-Л.: Государственное авиационное и автотракторное издательство, 1932. - 57 с.

34. Кулеш В.А. и др. Эксплуатация судов в полярных льдах / В.А. Кулеш, А.А. Лентарев, Г.Н. Шарлай, В.Н. Мотрич, С.Ю. Монинец.; под. ред. А.А. Лентарева. - М.: Моркнига, 2018. - 277 с.

35. Лебедева Е.Г., Дзюнин Г.Р. Пример решения инженерной задачи при помощи программы CosmosFloWorks. - М.: «Молодой ученый», №4 (94), 2015. - С. 160-162.

36. Лобанов В.А. Численные оценки ледовых качеств винтов. -Институт государственного управления, права и инновационных технологий (ИГУПИТ). Интернет-журнал «Науковедение», №4, 2012. - С. 1-15.

37. Луценко В.Т. Конструктивно-технологическое обеспечение надежности элементов подводной части морских судов. Ч. 3. Закономерности распределения эксплуатационных повреждений и затраты на поддержание надежности элементов движительно-рулевых комплексов / В.Т. Луценко. -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 126 с.

38. Маршан М.В. Численное моделирование аэродинамического эксперимента на аэродинамической трубе. - М.: «Политехнический журнал», №5, 2016.

39. Новиков В.В., Турмов Г.П., Китаев М.В. Ходкость и прочность морских судов при эксплуатации в ледовых условиях; учеб. пособие. В 2 ч.

Ч. 1. Основы обеспечения ледовой прочности морских судов. - Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2016. - 134 с.

40. Перченков Е.С., Чернавский Ю.Н. (ЦАГИ) Анализ взлетных характеристик перспективного БСМС. - М.: «Техника воздушного флота». Том LXXXV, №3 (704), 2011. - С.1-4.

41. Повреждения судов при плавании во льдах. - Copyright © 19982021 Mil.Press FLOT. https://flot.com > books > shelf > specialcases.

42. Попов Ю.Н. и др. Прочность судов, плавающих во льдах // Ю.Н. Попов, О.В. Фаддеев, Д.Е. Хейсин, А.А. Яковлев. - Л., Судостроение, 1967. -224 с.

43. Правила классификации и постройки морских судов. Т.1. - СПб., Российский морской регистр судоходства, 2021.

44. Рулевое устройство судна ледового плавания. Патент на изобретение № 2610778 / А.П. Аносов, О.С. Шаринкова. - БИ №5, 15.02.2017.

45. Румянцев А.Г., Силантьев В.А. Расчетно-экспериментальное исследование обтекания механизированных крыловых профилей. Труды СибНИА им. С.А. Чаплыгина. - Новосибирск: «Теплофизика и аэромеханика». Том 17, №2, 2010. - С. 291-306.

46. Системы Azipod® VI и ICE. Обзор. https://new.abb.com > default-document-library.

47. Соболев Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения. - Л.: Судостроение, 1976. - 480 с.

48. Соболев Г.В. Управляемость корабля. - Л.: Изд. ЛКИ, 1959. - 224 с.

49. Соларев Н.С. Безопасность маневрирования речных судов и составов. - М.: Транспорт, 1980. - 215 с.

50. Справочник маневренных характеристик судов. - М.: Изд. МРФ РСФСР, 1989. - 318 с.

51. Справочник по судовым устройствам. В 2-х т. Т. 1. Рулевые, якорные и швартовные устройства / А.Н. Гурович, В.И. Асиновский, Б.Н. Лозгачев, Д.А. Гринберг. - Л.: Судостроение, 1975. - 352 с.

52. Справочник по малотоннажному судостроению. / [Сост. Б.Г. Мордвинов]. - С74 Л.: Судостроение. 1987. - 576 с.

53. Справочник по серийным транспортным судам. В 12 т. Изд. МРФ РСФСР.

54. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 1. Гидромеханика. Сопротивление движению судов. Судовые движители / Под ред. Я.И. Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985. - 768 с.

55. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / Под ред. Я.И. Войткунского. -Л.: Судостроение, 1985. - 540 с.

56. Справочник проектировщика. Расчетно-теоретический. Под ред. А.А. Уманского. - М., Стройиздат, 1972-1973.

57. Сторожев Н.Ф. Управляемость речных судов и составов. - М.: Транспорт, 1965.

58. Судовое рулевое устройство. Патент на изобретение № 2551948 / А.П. Аносов. - БИ № 16, 10.06.2015.

59. Судовое рулевое устройство. Патент на изобретение № 2579454 / А.П. Аносов, О.С. Шаринкова, А.П. Герман - БИ № 10, 10.04.2016.

60. Судовое рулевое устройство. Патент на изобретение № 2592706 / А.П. Аносов, О.С. Шаринкова, А.П. Герман - БИ №21, 27.07.2016.

61. Судовое рулевое устройство. Патент на полезную модель № 153733 / А.П. Аносов, О.С. Шаринкова, А.П. Герман - БИ № 21, 27.07.2015.

62. Сутугин Л.И. Механизированные крылья. - М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1940.

63. Сутуло С.В. О нормировании маневренных качеств морских судов. Научно-техн. сб. Российского морского регистра судоходства, вып. 19, 1996.

64. Сутуло С.В. Об устойчивости неустановившегося движения водоизмещающего судна. В сб. «Средства и методы повышения мореходных качеств судов». - Л.: 1989. - С. 48-53.

65. Сутуло С.В. Расчеты управляемости на ЭЦВМ. - Л.: ЛКИ, 1986. -

62 с.

66. Тронин В.А. Пушкарев Л.В. Управление речными судами при плавании в ледовых условиях. - М.: Транспорт, 1973. - 112 с.

67. Тумашик А.П. Расчет гидродинамических характеристик судна при маневрировании. // Судостроение, 1978 - №5.

68. Ушаков В.А. и др. Атлас аэродинамических характеристик профилей крыльев // В.А. Ушаков, П.П. Красильщиков, А.К. Волков, А.Н. Грегоржевский. - М.: БИТ НКАП, 1940.

69. Федяевский К.К. Соболев Г.В. Управляемость корабля. - Л.: «Судпромгиз», 1963. - 376 с.

70. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. - Киев, Будiвельник, 1970.

71. Фролов В.А. Аэродинамические характеристики профиля и крыла: учеб. пособие / В.А. Фролов - Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2007. - 48 с.

72. Хейсин Д.Е. Определение контактных усилий при ударе судна форштевнем о лед. Сб. «Проблемы Арктики и Антарктики». №8, 1961.

73. Цой Л. Опыт тяжелых арктических навигаций. - «Морские вести России», № 8, 2018. https://cniimf.ru > press-tsentr > publikatsii.

74. Цыпкин А.Г., Цыпкин Г.Г. Математические формулы. Алгебра. Геометрия. Математический анализ.: Справочник. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1985. - 128 с.

75. Чунарева Н.Н., Ефимова М.Г., Солонин В.П. Крыло и средства улучшения взлетно-посадочных характеристик самолета. - М.: МГТУГА, 2000. - 47 с.

76. Шабаров В.В. Расчет гидродинамических характеристик крыльев вихревыми методами / Учебно-методические материалы. - Нижний Новгород, 2007. - 39 с.

77. Шанчуров П.Н., Соларев Н.Ф. и др. Управление судами и составами. - М.: Транспорт, 1971. - 352 с.

78. Шаринкова О.С. Устройство для защиты винторулевого комплекса судов ледового плавания. Материалы Региональной научно-практической конференции «Молодежь и научно-технический прогресс». - Владивосток: ДВФУ, 2016.

79. Шаринкова О.С., Аносов А.П. Исследование прочности конструктивной противоледовой защиты винторулевого комплекса. Труды Крыловского государственного научного центра, 2020. Специальный вып. 2. - С. 33-42.

80. Ширмаков П.М., Горский В.П. Атлас аэродинамических характеристик авиационных профилей. - М.: ОНТИ НКТП, 1932.

81. Яковлев А.И. Основы гидродинамического расчета траловых плоских распорных досок. Труды Всесоюзного научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО). Том ХХХ. - М.: 1955. - С. 61-76.

82. Андрюшин А.В., Федосеев С.С., Кутейников М.А. Ледовые нагрузки на корпус винторулевых колонок судов ледового плавания. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; Специальный выпуск 2: С. 19-30.