Расчет сопротивления движению судна.
При решении различных проектировочных и эксплутационных задач возникает необходимость в расчетной оценке ходкости судна.
Ходкость – способность судна перемещаться с заданной скоростью при наиболее эффективном использовании мощности судовой энергетической установки.
Достаточно надежно определить сопротивление воды можно после разработки теоретического чертежа, изготовления и испытания в опытном бассейне модели судна.
В начальных стадиях проектирования судов, когда необходимо оперативно найти параметры ходкости судна, удовлетворяющие техническому заданию, этот способ неприемлем. Поэтому разработаны приближенные способы расчета сопротивления с помощью ограниченного числа известных параметров и коэффициентов.
Все современные приближенные способы расчета сопротивления основаны на испытании систематических серий моделей судов в опытных бассейнах. Если обводы судна, для которого следует выполнить расчет, близки к обводам испытаний моделей, то такой приближенный способ может дать достаточно достоверные результаты. В большинстве испытаний систематически изменяемыми параметрами являются: коэффициент полноты водоизмещения δ; отношения L/B, B/T; положение абсциссы центра величины
Смоченную поверхность судна определим по формуле В.А. Семеки [7]:
9.1 Расчёт сопротивления трения
Расчёт сопротивления трения приведён в таблице 9.1
9.2 Расчёт остаточного сопротивления судна
Расчёт остаточного сопротивления судна проводим по формуле
А.Б. Карпова [7]:
где 
− коэффициент, учитывающий влияние относительной ширины судна
− коэффициент, учитывающий влияние продольной полноты φ
− коэффициент, учитывающий скоростной режим судна
Расчёт остаточного сопротивления судна приведён в таблице 10.2
12.3 Расчёт полного сопротивления и буксировочной мощности
Расчёт полного сопротивления и буксировочной мощности приведён в таблице 9.3
Таблица 9.1 Расчет сопротивления трения судна.
| скорость | |||||||
| число Re | 1,31E+08 | 1,75E+08 | 2,19E+08 | 2,63E+08 | 3,06E+08 | ||
| Коэффициент трения Сrт | 0,0024 | 0,0022 | 0,0020 | 0,0020 | 0,0019 | 0,0019 | 0,0018 |
| надбавка на шероховатость | 0,0005 | 0,0005 | 0,0005 | 0,0005 | 0,0005 | 0,0005 | 0,0005 |
| сопротивление R | 3,37 | 12,4 | 26,7 | 132,5 |
Таблица 9.2 Расчёт остаточного сопротивления судна.
| скорость | |||||||
| число Fr | 0,0385 | 0,077 | 0,115 | 0,154 | 0,192 | 0,231 | 0,269 |
| К(t/b) | 0,802 | 0,802 | 0,802 | 0,802 | 0,802 | 0,802 | 0,802 |
| K фи | 0,943 | 0,959 | 0,979 | 1,004 | 1,4 | 1,08 | 1,15 |
| Ск | 0,433 | 0,301 | 0,205 | 0,145 | 0,12 | 0,13 | 0,178 |
| Rост | 0,56 | 3,17 | 7,45 | 12,8 | 21,4 | 42,2 | 96,5 |
Таблица 9.3 Расчёт полного сопротивления и буксировочной мощности.
| скорость | |||||||
| Rтр | 3,37 | 12,4 | 26,7 | 132,55 | |||
| Rост | 0,56 | 3,17 | 7,45 | 12,80 | 21,45 | 42,2 | 96,5 |
| Rп=Rтр+Rост | 3,93 | 15,6 | 34,1 | 58,73 | 91,5 | 141,2 |
Сопротивление при движении судна во льдах
В соответствии с Правилами Российского Морского Регистра суда категории Ice2
Сопротивление в битом льду можно рассчитать по формуле:
Где 
- плотность льда 
B – ширина судна, м
h – толщина льда, м
– сплоченность льда 
.
Число Фруда вычисляется по толщине льда:
Расчёт сопротивления при движении судна во льдах представлен в таблице 9.4
Таблица 9.4 Расчёт сопротивление судна при движении во льдах.
| скорость | |||||||
| Frh | 0,45 | 0,9 | 1,354 | 1,80 | 2,25 | 2,71 | 3,161 |
| Rчл | 65,74 | 70,69 | 72,05 | 69,82 | 64,01 | 54,61 | 41,63 |
| Rп | 3,93 | 15,6 | 34,1 | 58,7 | 91,5 | 141,2 | |
| Rл=Rчл+Rп | 69,7 | 86,3 | 106,2 | 128,5 | 155,5 | 195,8 | 270,7 |
Предварительный расчет гребного винта для выбора главного двигателя
При скоростях хода до 30 км/час для водоизмещающих судов обычного типа наивысшим КПД обладают гребные винты. Они наиболее просты в конструктивном отношении, поэтому их целесообразно установить на проектируемом судне.
При выборе числа двигателей целесообразно воспользоваться данными прототипа и выбрать одновальную или двухвальную установку.
Предварительный расчет винта ведем в следующей последовательности:
1) Определяем коэффициенты взаимодействия гребного винта с корпусом судна. Коэффициент попутного потока:
Коэффициент засасывания:
t=0,8 
(1+0,25 )=0,8∙0,252(1+0,25∙0,252)=0,214.
2) Определяем предельный диаметр винта
D 
=0,65Т=0,65∙4.68=3.042 м.
3) Находим необходимый упор Р и расчетную скорость винта
Р= 
= 
=188.3 кН,
= 
(1- )=6,68(1-0,252)=5 м/с,
где - расчетная скорость хода.
4) Оцениваем целесообразность применения направляющей насадки для гребного винта с помощью коэффициента нагрузки по упору
= 
= 
=2.023
Так как =2.023 и судно будет эксплуатироваться в ледовых условиях, то устанавливаем открытый гребной винт.
5) Прежде чем выбрать расчетную диаграмму необходимо установить число лопастей и дисковое отношение.
=1.122 < 2 следовательно число лопастей принимаем равное 4
При выборе дискового отношения необходимо исходить из обеспечения прочности лопасти и предотвращения кавитации.
Из условия прочности
0,24(1,08- 
)(
) 
,
d 
=0,2D
где d -диаметр ступицы; z-число лопастей; 
=0,08÷0,09-относительная толщина лопасти при относительном радиусе лопасти; m- коэффициент, учитывающий условия работы винта, равный 1,75 для судов ледового плавания; P-упор винта кН; [ ]=6 
кПа – допускаемое напряжение для винтов транспортных судов.
0,24(1,08-0,2) 
=0,462
Из условия отсутствия кавитации
,
р =10+1,025∙9,8∙2,34=33,53 кПа,
где р =р 
+ 
-давление в потоке на бесконечности; р =10 кПа атмосферное давление; 
-плотность воды; g-ускорение свободного падения; h – погружение оси винта, ориентировочно равно Т/2; р 
=2,3 кПа.
После расчета дисковых отношений выбираем большее, по нему подбираем расчетную диаграмму с ближайшим большим дисковым отношением =0,405, которое принимаем окончательно.
6) Дальнейший расчет требуемой мощности и частоты вращения гребного винта производим по алгоритму, приведенному в таблице 10.1 с использованием выбранной диаграммы.
7) По результатам выполненного расчета строим зависимости.
Таблица 10.1 Расчет элементов винта при выборе энергетической установки.
| № | расчетная величина | численные значения | |||||
| диаметр винта Dв | 0,6Dв | 0,7Dв | 0,8Dв | 0,9Dв | Dв | 1,1Dв | |
| 1,8252 | 2,1294 | 2,4336 | 2,7378 | 3,042 | 3,3462 | ||
| Коэффициент упора | 0,67 | 0,79 | 0,90 | 1,01 | 1,12 | 1,23 | |
| относительная поступь | 0,34 | 0,41 | 0,45 | 0,5 | 0,55 | 0,6 | |
| КПД винта ηр | 0,39 | 0,46 | 0,5 | 0,53 | 0,55 | 0,59 | |
| шаговое отношение | 0,37 | 0,39 | 0,41 | 0,43 | 0,45 | 0,47 | |
| пропульсивный КПД | 0,41 | 0,48 | 0,53 | 0,56 | 0,58 | 0,62 | |
| частота вращения | 8,06 | 5,73 | 4,57 | 3,65 | 2,99 | 2,49 | |
| Расчетная мощность | 2416,78 | 2049,01 | 1885,09 | 1778,38 | 1713,72 | 1597,53 | |
| Мощность с 15% запасом | 2779,30 | 2356,36 | 2167,85 | 2045,14 | 1970,77 | 1837,16 |
По графику зависимости диаметра винта и мощности главного двигателя от частоты вращения (рисунок 10.1) определяем необходимую мощность главных двигателей.
Принимаем двигатель фирмы MAN L28/32A мощностью 1960 кВт и с частотой вращения 2.68 об/сек.