Промышленное освоение районов Крайнего Севера и Дальнего Востока, обладающих богатейшими запасами полезных ископаемых, является одной из стратегических задач России. Северный Морской Путь, являющийся уникальной Арктической трассой России, в конце восьмидесятых годов стал эксплуатироваться круглогодично в западном секторе Арктики. На базе накопленного опыта в последние годы развернуты широкомасштабные работы по промышленному освоению месторождений нефти и газа, разведанных на шельфе Баренцева и Печорского морей, а также у острова Сахалин.
В настоящее время одной из важнейших задач является создание новой транспортной системы, состоящей из ледоколов, судов снабжения и танкеров ледового плавания, которые должны осуществлять вывоз сырья с морских буровых платформ в соответствии с жесткими графиками. Эти требования выдвигают на первый план проблему обеспечения эффективности и надежности эксплуатации судов этой транспортной системы. При решении указанной проблемы важную роль играет задача повышения эффективности и надежности дви-жительных комплексов, поскольку они являются одними из наиболее ответственных элементов судов, работающих в замерзающих акваториях. Находясь вне корпуса судна, движители подвергаются значительным ледовым нагрузкам, которые могут привести к повреждениям не только лопастей (Рис.1), но и других элементов пропульсивного комплекса. Из-за частых поломок гребные винты ледоколов имеют съемные лопасти, которые в аварийных ситуациях заменяются в морских условиях, поскольку с поврежденным движителем судно работать не может. При поломке лопасти возникают большие материальные потери, обусловленные не столько заменой самой лопасти, сколько срывом графика движения судов к пункту доставки грузов. При сложной ледовой обстановке из-за неработоспособности ледокола такая ситуация может привести к повреждению корпуса или даже гибели проводимых судов.
Выбор прочных размеров гребных винтов и элементов системы привода осуществляется по правилам и нормам классификационных обществ. Требования к прочным размерам лопастей гребных винтов ледокольных судов сформулированы в правилах семи ведущих классификационных обществ. Они разработаны на основе опыта эксплуатации построенных судов с использованием моделей взаимодействия движителей со льдом, предложенных М. А. Игнатьевым [1] и В. Я. Ягодкиным [2]ещё в начале семидесятых годов. В них рассматривается лишь эквивалентное сечение лопасти, а картина взаимодействия со льдом не отражает ряд важных физических явлений.
В правилах Российского Морского Регистра Судоходства (РМРС) прочные размеры лопастей гребных винтов ледокольных судов назначаются из условия обеспечения статической прочности от действия гидродинамического изгибающего лопасть момента с последующим введением эмпирических процентных надбавок к прочным размерам, учитывающих ледовые нагрузки и влияние факторов технологического и эксплуатационного характера. Эти поправки являются достаточно условными и до настоящего времени скорее отражают опыт эксплуатации, чем результаты исследований. Такой подход нельзя считать научно-обоснованным, так как он не отражает специфику ледовых нагрузок [3]. Правильное нормирование запасов прочности лопастей гребных винтов ледокольных судов возможно лишь на основании физически обоснованного метода определения экстремальных значений ледовых сил и достаточно надежных данных, характеризующих связь между внешними условиями и соответствующими величинами ледовых нагрузок, а также длительностью их воздействия на лопасть. В настоящее время МАКО вырабатываются общие подходы к созданию гармонизированных требований к назначению прочных размеров элементов пропульсивного комплекса, которые базировались бы на современных представлениях о взаимодействии гребных винтов со льдом. Одной из основных проблем при этом является оценка внешних сил, главенствующую роль в которых играет рассмотренная в данной работе составляющая, обусловленная механическим контактом лопасти и льда.
Искусство проектирования движителей судов, эксплуатируемых в ледовых условиях, состоит в поиске компромисса между принципами безопасности и надежности, гидродинамической эффективности и так называемой «пирамиды прочности». Последний состоит в том, чтобы при поломке лопасти гребного винта не происходило повреждений других элементов валопровода. Чрезмерное увеличение толщины лопастей недопустимо, если это приводит к поломке гребного вала, что представляет более существенную опасность для судна. Лопасть должна быть слабым звеном в системе пропульсивного комплекса. Для судов высоких ледовых классов и ледоколов гидродинамическая эффективность, являясь важной характеристикой винта, при его проектировании не определяет выбор прочных размеров лопастей. В сложных ледовых условиях принцип безопасности и надежности превалирует над принципом гидродинамической эффективности. Поэтому ледокольные гребные винты заведомо теряют в к.п.д. за счет утолщения лопастей в допустимых пределах. Увеличение толщины лопастей для обеспечения повышенной надежности ледокольных гребных винтов должно быть минимально достаточным, поскольку по данным модельных исследований увеличение толщины лопастей на 60% относительно значения, определенного из расчетов их прочности при действии только гидродинамических сил, снижает к.п.д. движителя на 5%, а тяговые характеристики на 12% при увеличении опасности кавитации. Естественно, ухудшаются технико-экономические характеристики судна, возникают неоправданные затраты топлива, ухудшаются параметры ходкости судна на чистой воде и в ледовых условиях. При создании новых судов могут возникнуть проблемы с технико-экономическим обоснованием проектных предложений.
При взаимодействии со льдом наблюдается торможение гребного винта, которое обусловлено действием ледового момента сопротивления вращению. Оно сопровождается падением тяговых характеристик движителя и приводит к ухудшению ледовых качеств судна. В этих условиях особую важность приобретает задача определения геометрических параметров лопастей, обеспечивающих не только высокую гидродинамическую эффективность (к.п.д., тягу) движителей ледокольных судов на чистой воде, но и уменьшение уровней нагрузок, возникающих при взаимодействии с льдинами. Это позволит более стабильно сохранять частоту вращения гребного винта и таким образом более устойчиво поддерживать требуемую тягу винта в наиболее тяжелых ледовых условиях.
В новых экономических условиях ледокольные суда должны быть конкурентоспособными и обладать высокими технико-экономическими характеристиками. Это может быть достигнуто в том числе за счет оптимизации движи-тельно-рулевых комплексов. В последнее время на ледокольных судах наряду с традиционной дизельили атомно-электрической системами привода получают все более широкое применение приводы с прямой передачей мощности на винты регулируемого шага, а также азимутальные винто-рулевые колонки. Их использование может не только улучшить пропульсивные и маневренные качества судов, но и повысить их рентабельность за счет снижения стоимости и весо-габаритных характеристик системы привода. Широкое внедрение перечисленных движительных комплексов на современных ледокольных судах, несмотря на порой явные их преимущества, сдерживается отсутствием достаточной информации об особенностях процессов их взаимодействия со льдом. Для их проектирования необходимо не просто знание внешних сил, воздействующих в процессе эксплуатации на движитель и определяющих нагрузки на всех элементах пропульсивного комплекса и их прочные размеры, но и процедуру выбора оптимальных параметров винта, имеющего достаточную прочность, высокую эффективность и минимальный вес. Для этого необходима новая феноменологическая модель процесса взаимодействия, дающая четкое представление об особенностях разрушения льда и уровнях действующих нагрузок, позволяющая на этапе проектирования гребного винта обеспечить осознанный выбор рациональных геометрических характеристик лопастей, позволяющих минимизировать уровни ледовых воздействий.
Воздействие льда на движители обусловлено двумя различными по физической природе силами. Силы гидродинамического происхождения вызваны повышением средней нагрузки гребного винта вследствие роста сопротивления движению судна в ледовых условиях [4−7], изменением поля скоростей натекающего на движитель потока жидкости из-за присутствия в нем значительного количества фрагментов льда различных размеров, наличием на поверхности корпуса ледяных блоков, образующих так называемую «ледовую рубашку», из-за которой изменяется характер обтекания судна, а также изменением картины обтекания профилей лопасти при её механическом контакте со льдом [8−10].
В данной работе рассматриваются вопросы чисто механического взаимодействия гребного винта со льдом, поскольку именно оно определяет нагрузки на лопастях движителей ледокольных судов. Из опыта эксплуатации известно, что ледовые силы и моменты, возникающие на гребных винтах ледоколов и судов активного ледового плавания, в 2−3 раза превосходят соответствующие гидродинамические нагрузки [11−14], поэтому выбор геометрических характеристик лопастей должен осуществляться, исходя из знаний об их влиянии на величину максимально возможных уровней ледовых нагрузок. Поскольку эти нагрузки воспринимаются элементами крепления лопастей к ступице, гребными валами и судовым набором кормовой оконечности судна, они определяют также и их прочные размеры. Поэтому задача. изучения процессов взаимодействия движителей со льдом на наиболее опасных режимах с целью правильного понимания физических особенностей разрушения льда при внедрении в него лопастей является важной.
С появлением атомных ледоколов типа «Арктика» толщины преодолеваемых ледовых образований значительно увеличились. При этом на 25−30% возросло число повреждений лопастей гребных винтов, показав несовершенство технических решений при выборе геометрии движителей, существующих методов расчета ледовых нагрузок и прочности лопастей, а также технологии их изготовления.
При изучении процессов взаимодействия движителей со льдом используются различные методы: расчетные методы, модельные и лабораторные эксперименты, а также натурные испытания судов в ледовых условиях.
Математические модели взаимодействия гребных винтов с льдинами и основанные на них расчетные методы оценки возникающих ледовых нагрузок с момента появления первых работ разделились на две группы, основанные на различной философии взаимодействия:
— статические, в которых рассматриваются процессы установившегося фрезерования льда, и.
— динамические, основанные на теории соударения твердых тел.
Оба подхода рассматривают задачу в детерминированной постановке.
Наиболее ранней работой, посвященной учету взаимодействия винта со льдом при расчетах прочности валопроводов судов ледового плавания, можно считать статью В. К. Векслера [15], вышедшую в 1935 году. В ней впервые определен единый подход к расчету прочности валопровода пропульсивного комплекса и сформулировано требование о том, что при поломке лопасти в направлении её наименьшей жесткости от воздействия льда в гребном вале не должно возникать остаточных деформаций. Этот принцип в настоящее время принят всеми классификационными обществами.
Большинство моделей взаимодействия гребного винта со льдом базируется на сценарии статического нагружения лопасти в процессе ее механического контакта при фрезеровании льдины. Первым аналитическим методом расчета ледовых моментов сопротивления вращению гребного винта при фрезеровании льда является метод В. Я. Ягодкина (1963г.) [2]. В этой модели лопасть гребного винта заменяется консольной балкой равномерного поперечного сечения. Рассматривается лишь эквивалентный профиль, расположенный на середине максимальной глубины врезания лопасти в льдину. Описаны три возможных случая статического взаимодействия со льдом элемента лопасти, расположенного на расчетном радиусе. В первом случае ледовый момент сопротивле9 ния вращению обусловлен силами среза слоя льда толщиной Б—У/пг нагнетающей стороной лопасти, и силами смятия слоя льда, толщина которого равна максимальной толщине лопасти на эквивалентном радиусе. Предполагается, что независимо от кинематики взаимодействия разрушение льда срезом осуществляется под углом 45° к плоскости диска движителя. Второй случай описывает режим, возникающий при резком торможении винта, когда по мнению автора наблюдается смятие льда по ширине, равной проекции хорды эквивалентного сечения лопасти, определяемой формулой сэ=2А/г (В-ф, на направление траектории её относительного движения. Третий случай рассматривает режим «чистого прорезания», когда разрушение льда происходит только за счет смятия льда по толщине, равной максимальной толщине лопасти на эквивалентном радиусе. Согласно В. Я. Ягодкину на этом режиме достигается минимум величины ледового момента сопротивления вращению гребного винта. Прочность льда характеризуется прочностью на срез и на смятие, значения которых определены на основании сравнения результатов расчетов с результатами натурных измерений момента на электродвигателе ледокола «Капитан Воронин» и обмеров следов фрезерования на льдинах. Несмотря на значительное упрощение картины взаимодействия лопасти с льдиной, основные положения этого метода нашли широкое практическое применение и использованы многими авторами. Этот метод численной оценки величины ледового момента на движителе широко используется при выборе типов главных двигателей ледокольных судов.
М.А.Игнатьев предложил расчетно-экспериментальный метод определения прочных размеров лопасти гребного винта ледокола [1], в котором модель взаимодействия лопасти винта со льдом еще более упрощена. Лопасть рассматривается как консольная балка, нагруженная на 2/3 длины постоянной ледовой нагрузкой. Рассматривается предельное состояние лопасти перед разрушением изгибом, обусловленным тангенциальными силами сопротивления льда вращению гребного винта и осевой компонентой ледовой нагрузки. Центром приложения этих сил считается середина длины врезания лопасти в льдину. Рассматриваются только две компоненты ледовой нагрузки — окружная и осевая. Окружная составляющая ледовой силы рассчитывается с помощью значения ледового момента сопротивления вращению, величина которого определяется из графика линейной зависимости ледового момента от диаметра винта. График был получен М. А. Игнатьевым с помощью анализа материалов натурных измерений электрических параметров электродвигателей ледоколов при фрезеровании льда движителями. Осевая составляющая ледовых сил определяется аналогично [2], из условия среза льда толщиной 5= ¥-/т нагнетающей стороной лопасти. Поэтому ее направление всегда совпадает с гидродинамическим упором. Поверхность среза предполагается перпендикулярной хорде эквивалентного сечения лопасти. Процессы смятия льда лопастью не учитываются. Эта модель до настоящего времени используется классификационными обществами, которые, вводя ряд допущений, применяют подход М. А. Игнатьева преобразования ледового момента, измеренного в натурных условиях, в тангенциальную составляющую ледовой нагрузки, приложенную к отдельной лопасти.
Второй подход к расчетному определению ледовых нагрузок при взаимодействии лопасти с льдиной базируется на философии ударного взаимодействия. Н. Н. Кабачинский и В. А. Беляев, определяя внешние силы при ударе лопасти гребного винта о твердое тело [16,17], основывались на допущении, что лопасть представляет собой прямолинейный однородный стержень и сложная форма лопасти при этом не учитывалась. Общую зависимость ударных сил и моментов от геометрических характеристик гребного винта исследовал С. Я. Яконовский [18]. В его модели рассматривается ударное взаимодействие лопасти гребного винта с материальной точкой, масса которой считается равной массе реальной льдины. Используется математический аппарат теории удара и допущение о малости локальных деформаций в зоне контакта соударяемых тел. Силовые параметры взаимодействия определяются только в интегральной форме в виде импульсов сил и моментов. Удар лопасти о льдину считается центральным и неупругим. К моменту окончания удара скорость льдины предполагается равной скорости лопасти в точке взаимодействия. При точечном взаимодействии возникает необходимость раздельного рассмотрения удара о лед кромкой и поверхностью лопасти. В рамках этой модели С. Я. Яконовским разработана также специальная форма контура лопасти, позволяющая получить минимальную величину импульса ледовых сил, действующих на лопасть[19,20]. Аналогичный подход использован в работе Дж. Винда [21], рассмотревшего задачу отбрасывания лопастью небольших льдин. На основании линейной теории количества движения в ней получены простые выражения для ледовой силы, действующей на лопасть, которая рассматривается как балка постоянного сечения. Время соударения назначается произвольно, исходя из опыта натурных испытаний. В. Ласков и Ц. Ревил [22] при решении задачи о единичном ударе лопасти о лед при нулевом шаге ВРШ практически повторили метод Дж. Винда, но при этом учли длину хорды рассматриваемого сечения лопасти, определяющую время взаимодействия. Указанный подход, основанный на ударном представлении взаимодействия гребного винта со льдом, дальнейшего развития не получил. Большинство исследователей продолжили изучение процесса фрезерования льда.
Э.Энквист и Б. Йоханссон [23] уже в 1968 г. отметили, что методы М. А. Игнатьева и В. Я. Ягодкина не учитывают трехмерной картины взаимодействия, а также впервые опровергли линейность зависимости ледового момента от величины диаметра винта. Они впервые ввели квадратичную зависимость ледового момента от диаметра винта, которая впоследствии была использована в Финско-Шведских правилах.
В.СШпаков в работе [24] при анализе влияния условий эксплуатации судов на уровни нестационарных нагрузок в системе гребной винт-валопровод указал на необоснованность введения В. Я. Ягодкиным в выражении для составляющей ледового момента, обусловленный смятием льда, знака абсолютной величины. Он впервые отметил возможность появления «турбинного эффекта» при фрезеровании льда движителем на очень малых скоростях вращения, возникающих при глубоком торможении валопровода. Впоследствии это заключение было подтверждено экспериментально [25]. На базе метода [2] В. С. Шпаковым были получены аналитические зависимости для изгибающих ледовых моментов, действующих на гребной вал судна. В работах зарубежных авторов [26−27] отмечены незначительные математические неточности методов В. Я. Ягодкина и М. А. Игнатьева.
Общей особенностью перечисленных работ является то, что все они ввиду большой сложности и разнообразия скоростного взаимодействия лопасти со льдом включают множество серьезных упрощений и допущений. Это приводило к тому, что даже для стандартных гребных винтов ледоколов они не давали правильного прогноза сил не только количественно, но даже качественно, вплоть до неправильного определения направления вектора ледовых сил. На практике такое положение привело к неверному прогнозу величины и направления действия осевых ледовых нагрузок на атомоходе «Арктика», вследствие чего в 1975;76 гг. потребовалось срочно переделывать главные упорные подшипники судна. Автор принимал участие в этих работах. Ошибка в прогнозе ледовых нагрузок на механизме изменения шага (МИШ) ВРШ самых мощных американских ледоколов «Полар Стар» и «Полар Си» привела к разрушению элементов механизма изменения шага лопастей (МИШ) [28] и, несмотря на его модернизацию с использованием наиболее прочных материалов, до сих пор не позволяет эксплуатировать эти уникальные суда в тяжелых ледовых условиях Арктики.
Попытки использовать методы физического моделирования при изучении ледовых нагрузок на винтах, осуществленные К. Айраксиненом, Х. Сегеркрантцем, В. Костилайненом, Э. Эдвардсом [25,26,29,30] и др., не принесли успеха из-за отсутствия теоретических основ моделирования процессов разрушения льда гребным винтом и методов пересчета результатов модельного эксперимента на натуру.
Указанные выше работы создали базу, на которой до последнего времени осуществлялось проектирование пропульсивных комплексов ледокольных судов. Однако модели М. А. Игнатьева и В. Я. Ягодкина были разработаны достаточно давно, основаны на имевшихся в то время ограниченных знаниях механики разрушения льда и в ряде случаев их использование приводит к неправильным выводам и рекомендациям. Об этом свидетельствует большое количество повреждений лопастей винтов, спроектированных на их основе. Эти модели не позволяют определить все необходимые составляющие ледовых сил и моментов, действующих на движитель. Они не дают возможности оценить влияние всех геометрических параметров лопастей на величину ледовых нагрузок, так как учитывают только диаметр винта, длину хорды эквивалентного сечения лопасти, его максимальную толщину и шаговый угол.
Для более глубокого изучения особенностей работы движителей в эксплуатационных ледовых условиях, создания новой феноменологической модели, правильно описывающей реальные процессы, происходящие при взаимодействии лопастей гребных винтов со льдом и разработки научно-обоснованного метода расчета всех компонент ледовых сил и моментов потребовалось выполнение широкого комплекса научных исследований на современном уровне.
Такие исследования были начаты автором в 1977 году, когда во время первого похода атомохода «Арктика» к Северному полюсу впервые в практике мирового судостроения были выполнены натурные измерения напряжений в лопасти гребного винта [12−14]. Аналогичные исследования были выполнены также на атомном ледоколе «Россия», на лопастях и элементах МИШ ВРШ атомного лихтеровоза «Севморпуть». Результаты исследований показали, что все предшествующие модели взаимодействия гребных винтов со льдом вследствие их недостаточного физического обоснования дают не вполне правильное представление о происходящих процессах и позволили обоснованно выбрать расчетный режим взаимодействия, при котором возникают максимальные ледовые нагрузки на лопастях движителя. Было показано, что экстремальные ледовые нагрузки характеризуют процессы скоростного резания льда на режимах фрезерования, приложены в районе входящей кромки лопасти и изменяются во времени. Позже эти результаты были подтверждены зарубежными исследователями [28, 31−35].
В 1980;83 гг. были опубликованы работы автора, содержащие результаты исследования разрушения льда резанием [36−40]. В 1984;93 гг. они были опубликованы за рубежом [41−43]. Позже в более ограниченном объеме аналогичные материалы были получены М. Юссила [44] и Б. Вейчем [45,46].
В 1983;85 гг. автором была разработана новая математическая модель взаимодействия лопасти и гребного винта со льдом [39,47−50]. В 1984 г. первые материалы с её описанием были переведены и опубликованы в США [41]. Автором новая модель взаимодействия была опубликована за рубежом в 1992;93 гг. [51,52]. Позже были опубликованы аналогичные зарубежные работы [53,54] в которых, однако, не учтен ряд важных особенностей процессов разрушения льда лопастью. В них не рассмотрены также вопросы выбора оптимальных геометрических параметров лопастей.
На основе полученных материалов был решен ряд важных задач, связанных с разработкой методов пересчета результатов измерений ледовых нагрузок на движителях, полученных в модельных экспериментах, на натуру [55,56], методов расчета параметров торможения пропульсивного комплекса при фрезеровании винтом льдин [57,58,59] и др.
В связи с изложенным задача разработки феноменологической модели взаимодействия лопастей гребного винта со льдом и методов определения возникающих ледовых нагрузок, включающих разработку способов оптимизации элементов движителя, является актуальной.
Постановка задачи.
Задача практического определения вектора сил, действующих на лопасть гребного винта в процессе ее взаимодействия с ледовыми блоками, в общем случае сводится к пространственной задаче механики скоростного разрушения гакой сложной и пока мало изученной среды, как лед. Решение трехмерной задачи оказывается невозможным не только из-за сложностей численной реализации, но и из-за отсутствия данных о фундаментальных физико-механических свойствах льда.
Экспериментальные исследования показали [60,61], что при взаимодействии твердых тел со льдом происходит их внедрение в менее прочную ледяную среду. Внедрение сопровождается различными формами разрушения льда.
Взаимодействие лопасти движителя со льдом также должно сопровождаться разрушениями, в результате чего лопасть будет находиться в контакте со льдом по некоторой поверхности На этой поверхности реализуются силы сопротивления льда разрушению. Отсюда следует, что для определения силовых параметров воздействия льда на каждую лопасть и на гребной винт в целом при любом угле поворота движителя относительно льдины необходимо решить задачу нахождения значения вектора поверхностных ледовых сил р^ в любой точке зоны контакта лопасти, а также границ этой зоны и на основе общих выражений для результирующей силы К и момента М ледовых сил, действующих на лопасть.
Я=\рк (18 (1) и.
Як. йк проинтегрировать эти распределенные силы по зоне контакта и определить все составляющие ледовой нагрузки.
Следуя методологии теории гребных винтов, решение задачи определения ледовых нагрузок на лопасти движителя представляется целесообразным искать в рамках допущений, принятых в теории элемента лопасти гребного винта [62,63].
Поэтому при построении модели взаимодействия гребного винта со льдом приняты следующие допущения:
— ледовые силы, возникающие на элементе лопасти, равны соответствующим силам, которые действуют на сечение крыла того же профиля при взаимодействии со льдом с постоянной скоростью под некоторым углом атаки;
— ледовая сила, действующая на лопасть в целом, равна сумме сил, действующих на все ее элементы;
— скорость элемента лопасти относительно льда представляет собой результирующую осевой и окружной составляющих скорости элемента лопасти на данном радиусе;
— масса льдины велика, начальная скорость движения льдины задается, перемещением льдины в процессе взаимодействия пренебрегается;
— лопасти гребного винта считаются абсолютно жесткими, их деформирование под действием ледовых нагрузок не учитывается;
— на всех радиусах, расположенных в характерных зонах лопасти, взаимным влиянием элементов, расположенных на близких цилиндрических сечениях, можно пренебречь (в работе этот вопрос исследован отдельно).
Практическое решение поставленной задачи представляется возможным лишь с широким использованием результатов специальных экспериментальных исследований, с помощью которых необходимо определить расчетный режим наиболее опасного взаимодействия и получить исходную информацию об особенностях механики разрушения льда на этом режиме. Необходимо также знание математического описания поверхности лопасти.
В диссертационной работе рассматриваются экстремальные нагрузки только на рабочих режимах движения судна, когда направление вращения винта соответствует вектору скорости судна. Режимы реверса винтов, когда направление их вращения не соответствует вектору скорости судна, не рассматриваются. По аналогии с описанными выше предшествующими методами задача ставится в детерминированной постановке. Отмечается, что проблема прочности лопасти в данной работе не рассматривается.
Цель диссертационной работы состоит в следующем:
— создание новой феноменологической модели взаимодействия лопасти гребного винта со льдом, адекватно отражающей реальные физические процессы, и разработка расчетно-экспериментального метода определения ледовых нагрузок на движитель;
— разработка на базе этой модели предложений по выбору рациональных геометрических параметров лопастей, обеспечивающих за счет снижения уровней экстремальных ледовых нагрузок уменьшение повреждаемости лопастей и повышение эффективности движителей ледокольных судов;
— разработка экспериментальных средств и методов модельных и натурных исследований ледовых нагрузок на лопастях гребных винтов.
Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
— выполнены натурные исследования нагрузок на лопасти гребного винта а/л «Арктика», определены основные физические особенности взаимодействия лопасти со льдом и обоснованно выбран расчетный режим при разработке математической модели;
— создана новая феноменологическая модель взаимодействия лопастей гребного со льдомразработан научно-обоснованный расчетно-экспериментальный метод определения ледовых нагрузок на движителях на режиме фрезерования;
— решена задача о рациональной форме профиля лопасти гребных винтов ледоколов;
— разработаны методы, созданы экспериментальные установки и выполнены исследования ледовых нагрузок на гребных винтах в ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, а также на крупномасштабных моделях лопастей винтов при фрезеровании натурного льда;
— выполнено систематическое исследование механики разрушения натурного льда инденторами (резцами) — выявлены характерные зоны контакта.
15 лопасти со льдом, осуществлены оценки силовых параметров воздействия льда на лопасть в зонах дробления, сколов и на концевых сечениях;
— численно исследовано влияние геометрических параметров лопасти и кинематических характеристик процесса взаимодействия гребного винта со льдом на уровень ледовых нагрузок, воздействующих на отдельную лопасть и на движитель в целом.
Краткое содержание глав, построение диссертации и особенности разделов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
ВЫВОДЫ.
В ходе выполнения представленного в данной работе исследования бы-и получены следующие основные результаты.
1. В результате выполненных под руководством автора впервые в практике [ирового судостроения натурных исследований нагрузок на лопасти атомного едокола «Арктика» в экстремальных ледовых условиях установлено, что наиболее значительные нагрузки возникают на режимах фрезерования, характери-ующих скоростное резание льдин большой массы лопастями движителя. Ука-анный режим принят в данной работе в качестве расчетного.
2. Выявлены особенности физических процессов разрушения льда резани-:м и механики разрушения льда со стороны засасывающей и нагнетающей по-юрхностей, а также в концевой зоне. Получены численные значения дейст-$ующих контактных нагрузок. Показано определяющее влияние степени затуп-юния входящей кромки и формы засасывающей поверхности лопасти на вели-шну ледовых нагрузок.
3. Разработаны математические схемы взаимодействия со льдом элементов юпастей, расположенных на рабочих радиусах и в концевой области лопасти.
4. Создана новая феноменологическая модель взаимодействия гребного зинта со льдом, дающая современное представление о механизмах разрушения пьда в характерных зонах контакта лопасти со льдом.
5. Разработан расчетно-экспериментальный метод определения ледовых нагрузок, возникающих на лопасти и гребном винте в целом в процессе фрезерования льда. На базе этого метода составлен алгоритм расчета, реализованный в виде компьютерной программы.
6. Выполнены систематические расчеты ледовых нагрузок на лопастях движителей. Сравнение их результатов с данными натурных и модельных испытаний показало их хорошее согласование. Представленные материалы позволяют оценить влияние геометрических характеристик гребного винта и кинематики взаимодействия на уровень ледовых нагрузок как на отдельной лопасти, так и на движителе в целом.
7. Разработан численный метод построения профилей лопастей гребных винтов ледоколов, имеющих рациональную форму засасывающей поверхности и заострённую входящую кромку. Такие профили позволяют снизить ледовые нагрузки и повысить эффективность движителя. Практическое применение новых профилей реализовано на гребных винтах а/л «Арктика», «Сибирь», «Россия», «Советский Союз». Натурные испытания винтов с новой геометрией показали, что ледовые нагрузки на них снижены по сравнению со штатными винтами, имевшими закругленные кромки, на 20%. Одновременно на 20−25% уменьшена вибрация кормовой оконечности судна.
8. Разработанный метод прогнозирования ледовых сил на движителях дает исходную информацию для решения ряда важных для судостроения задач, связанных с обеспечением прочности лопастей и других элементов пропуль-сивного комплекса, воспринимающих ледовые нагрузки от движителя, разработкой систем автоматического изменения шага ледовых ВРШ, выбором типа.
151 авных двигателей и инерционных параметров элементов валовой линии, юспечивающих эффективность пропульсивной установки в ледовых услови-к.
Полученные в данной работе результаты внесли свой вклад в развитие эоблемы внешних ледовых нагрузок на гребных винтах, позволили более глу-жо понимать механизмы разрушения льда при его фрезеровании лопастями и Зоснованно подходить к выбору технических решений при проектировании вижителей ледокольных судов. Они расширили также возможности натурных спытаний судов и модельных экспериментов в ледовом опытовом бассейне, озданный крупномасштабный стенд позволяет решать ряд новых задач в по-унатурном масштабе.
Тем не менее, все это не дает оснований сделать вывод о полном реше-ии проблем, возникающих при проектировании и эксплуатации гребных вин-ов ледокольных судов. Так, в настоящей работе в очень малой степени затро-ут такой важный вопрос, как влияние реальных ледовых условий на уровень едовых нагрузок. В первую очередь это относится к влиянию солености и се-онной разрушенности морского льда.
Представленный в работе метод позволяет определять экстремальные юдовые нагрузки, возникающие на режимах фрезерования гребным винтом юльших льдин. Однако при решении задач нормирования прочных размеров юпастей необходимо учитывать также случайный характер ледовых нагрузок. 1зучение этого вопроса требует продолжения теоретических и экспериментальных работ. Этот список можно было бы продолжить. Дальнейшее развитие I доработка описанного в данной работе метода, который не является консер-$ативным, а допускает совершенствование различных его составных частей, тозволит приступить к их решению.
