Совершенствование конструкции гребного винта на судах лесосплавного флота

Актуальность темы

Лесозаготовительная отрасль переживает сложный период, обусловленный социально-экономическими, технологическими и экологическими проблемами. Сокращаются объемы заготовок ценных пород древесины из-за истощения лесосырьевой базы, особенно в европейской части России [99]. Древесное сырье завозится сюда из районов Сибири и Урала. В некоторых случаях транспортные расходы на транспортировку лесоматериалов близки к стоимости перевозимого сырья и даже превышают их. Значительные запасы лесоматериалов в виде поваленных деревьев, находящихся на акватории малых рек России и на прилегающим к ним территориях, а также невостребованная древесина сформировалась здесь, вследствие естественного отпада, ветровала и подмыва берегов во время весенних паводков. В настоящее время это богатство никем не используется [39]. Таким образом, в лесозаготовтиельной отрасли сложилась проблема по транспортировке лесоматериалов от мест заготовки до потребителя Это требует поиска новых подходов к ее решению [9].

Наметился один из выходов создавшегося положения — полное использование местных лесосырьевых ресурсов, которое позволит в дальнейшем постепенно отказаться от привозного древесного сырья.

По данным ВКНИИЛП объем мощностей лесоперерабатывающих комбинатов (ЛПК), примыкающих к водным путям, составляет 50 млн. м3 в год при тяготеющей к ним сырьевой базе около 2 млрд. м3 спелой древесины. Однако на сегодняшний день расчетная лесосека используется не более чем на 20% [99]. Ликвидация молевого сплава, уменьшение плотовых и судовых перевозок леса, сокращение объемов лесозаготовок привели к резкому снижению объемов водного транспорта леса (ВТЛ). Во многих регионах страны произошла переориентация на вывозку леса автотранспортом. Затраты на доставку лесоматериалов до мест потребления порой превышают 50% от общих затрат [39]. Особенно это заметно на фоне существенного повышения цен на горюче-смазочные материалы (ГСМ) и другие энергоносители. Данное обстоятельство заставляет предприятия ЛПК искать новые методы транспортировки лесоматериалов или возвращаться к самому дешевому способу — водному транспорту леса.

Рассмотрение по существу комплекса задач освоения невостребованных сегодня лесных ресурсов, поиск новых технологических и технических решений для их осуществления обеспечат, на наш взгляд, благоприятные санитарно-гигиенические условия рассматриваемых водных путей, сохранение и улучшение качества воды.

Развитие именно плотовых перевозок представляется наиболее перспективным направлением водного лесотранспорта. К такому же выводу пришли и многие видные ученые и практики, специализирующиеся на проблемах водного транспорта леса [39, 65, 66]. Увеличение объемов вывозки леса по водным путям способно существенно изменить ситуацию в этой отрасли.

Необходимо отметить, что гидравлические движители, такие как лопастные гребные винты, а также водометные движители широко распространены на судах отечественного лесосплавного флота. Наибольший интерес с точки зрения водного транспорта леса составляют буксирные суда.

Совершенство буксирных судов, а также их эффективное использование во многом определяется энергетической и движительной установкой, степенью их автоматизации, надежности и экономичности [88].

Технологии, основанные на эксплуатации лесосплавных судов с лопастными гребными винтами и водометами, используются на лесосплавных рейдах. Разработка эффективных технологий перемещения лесоматериалов по водным путям связана с созданием различных видов транспортных судов с широким диапазоном скоростей их движения. Работа лесосплавного судна во многом зависит от эффективности его судового движителя. Эффективность судовых движителей при изменении скорости может значительно отличаться от номинальных значений [28,29]. Поэтому решение задач водного транспорта вызывает необходимость создания новых типов движителей, имеющих оптимальные характеристики в различных диапазонах скоростей и улучшения их гидродинамических качеств.

Лопастные гребные винты обладают рядом преимуществ перед другими типами движителей лесосплавных судов. Для выполнения транспортных и переместительных операций на воде в условиях лесосплава широко используются гидравлические потокообразователи, основными элементами которых являются винтовые движители [18].

Кинематические характеристики потоков возбуждаемых винтовыми потокообразователями, отличаются большой пространственной неравномерностью. В месте расположения гребного винта происходят интенсивные процессы размыва русла, вызванные высокой концентрацией гидроэнергии [60,82]. Кроме того, в местах установки потокообразователей происходит движение лесоматериалов, способных повредить их рабочие элементы [27]. Все это, требует разработки новых типов гидродвижителей с комплексом требований, которым не отвечают традиционные гребные винты и водометы.

Конструкции движителей судов лесосплавного флота начиная с 50-х годов до настоящего времени практически не изменились [6,23,25,34,53]. Вопросы проектирования судовых движителей решали лишь некоторые из проблем их эффективности. Эффективность судовых движителей подразумевала увеличение обемов водного транспорта леса при минимальных энергетических затратах без учета их экологичности.

Несмотря на то, что традиционные движители лесосплавных судов, такие, как лопастные гребные винты и водометные движители в полной мере не удовлетворяют условиям эффективной эксплуатации лесосплавного судна, попыток внедрения конструктивно-улучшенного движителя было сделано недостаточно [79]. Между тем, исследование этих вопросов способствовало бы появлению новых высокоэффективных машин и механизмов для BTJ1, технология использования которых была бы научно обоснована.

Применение улучшенного движителя на лесосплавном судне в процессе лесосплава способно сократить время проведения отдельных операций и снизить себестоимость проводимых работ для повышения производительности труда и экономии ресурсов. В этой связи, совершенствование конструкции судовых движителей является актуальной задачей [9].

Цель работы: повышение технико-экономических показателей конструкций гребных винтов лесосплавных судов (увеличение эффективной тяги судовой движительной установки, увеличение производительности труда при буксировке лент, секций и плотов по во-де-плотовой лесосплав) на основе замены традиционных лопастей гребного винта мебиусными торо-поверхностями.

Объект исследования. Технологии выполнения лесосплавных операций (буксировка плотов) с использованием судов с гребными винтами на лесосплавных рейдах.

Предмет исследования. Параметры гребного винта тороидального типа с Мебиусным образованием лопастей для лесосплавных судов.

Методы исследования. В процессе исследования теоретических задач и обработки данных применялись методы информационных технологий на основе прикладных програмных пакетов Microsoft Excel 7.О., Statistica 5.0, Math Cad 7 Pro.

Определение эффективного упора гребных винтов выполнены посредством математического моделирования, теории подобия, статистической обработки данных.

Расчет гидродинамических характеристик сравниваемых объектов производился с использованием вихревой теории Н. Е. Жуковского. Программа лабораторных экспериментов по исследованию эффективного упора гребных винтов производилась в гидротехнической лаборатории МарГТУ.

Для обработки результатов лабораторных экспериментов и натурных испытаний использованы методы математической статистики.

Научная новизна. Спроектирована и изготовлена модель тороидального гребного винта лесосплавного судна для буксировки лент, секций и плотов по воде (плотовой лесосплав).

Разработана методика определения эффективного упора моделей гребных винтов на лабораторной установке в испытательном лотке МарГТУ и на открытой воде, отличающаяся от традиционных методик оригинальностью конструкции лабораторной установки, а также низкой стоимостью данного способа проведения опытов.

Разработана методика теоретического расчета эффективного упора тороидального гребного винта лесосплавного судна, не имеющая аналогов.

Разработаны мероприятия по использованию результатов работы на судостроительном заводе в виде рекомендаций по использованию тороидального гребного винта в технологическом процессе предпри ятия.

Практическая ценность работы заключается в повышении эф фективной тяги судовой движительной установки буксирного теплохода ЛС-56Б на 5. 15%, в диапазоне рабочих скоростей его хода при использовании тороидального гребного винта вместо существующего — лопастного. Результаты диссертационной работы позволяют внести в технику и технологию лесосплавных предприятий изменения (годовой экономический эффект на каждом буксирном теп.

5 1 лоходе ЛС-56Б в размере 7,2−10 мкм, что составляет рост производительности труда на 4,95%), направленные на улучшение их эксплуатационных показателей.

Степень обоснованности научных положений. Достоверность теоретических зависимостей подтверждена результатами экспериментальной проверки, проведенной в лабораторных условиях и на открытой воде.

На защиту выносятся:

1. Результаты численного эксперимента по определению эффективного упора модели тороидального гребного винта теоретическим путем;

2. Методика и результаты опытов по определению эффективного упора моделей гребных винтов на лабораторной установке;

3. Результаты численного эксперимента по определению эффективного упора моделей лопастных гребных винтов лесосплавных судов на открытой воде.

Личный вклад автора.

Обоснована необходимость совершенствования движителей лесосплавных судов.

Спроектирована и изготовлена модель тороидального гребного винта для лесосплавного судна.

Разработана и научно обоснована методика определения теоретическим путем эффективного упора тороидального гребного винта.

Разработана методика определения эффективного упора моделей гребных винтов лесосплавных судов на лабораторной установке в испытательном лотке МарГТУ.

Предложена конструкция лабораторной установки для определения упора моделей лопастных гребных винтов лесосплавных судов.

Доказано увеличение эффективного упора гребного винта тороидального типа, по сравнению с традиционными лопастными гребными винтами лесосплавных судов, что подтверждено результатами прямых физических экспериментов на открытой воде и теоретическими исследованиями.

Определена экономическая эффективность внедрения проектируемого варианта движителя.

Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные разделы были заслушаны и получили одобрение на:

— научно-технических конференциях профессорско — преподавательского состава и аспирантов МарГТУ в 2002, 2005 г;

— кафедре транспортных и технологических машин в 2004 г., водных ресурсов в 2006 г. — в рамках предварительной защиты работы.

Реализация работы.

Результаты работы опубликованы в 5 статьях по теме, получено 2 акта внедрения результатов работы.

Решением технического совета объединения «Судостроительно-судоремонтный завод им. С.Н. Бутякова» результаты диссертационной работы использованы в виде рекомендаций по вовлечению данного гидравлического средства перемещения лесоматериалов в технологический процесс предприятия.

На кафедре «Водных ресурсов» изготовлена и внедрена в учебный процесс лабораторная установка для определения эффективного упора моделей гребных винтов лесосплавных судов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 109 наименований, в том числе 3 на иностранном языке, 5 приложений на 12 страницах. Объем работы изложен на 156 страницах, количество рисунков 40, таблиц 21, формул 145.

Основные выводы и рекомендации.

1. Повышение пропульсивных качеств ДРК лесосплавных судов достигается за счет: у • повышения эффективного КПД винтов;

• согласования двигателя с движителем;

2. Повышение КПД и эффективного упора гребных винтов достигается за счет:

• проведения мероприятий по снижению или полному исключению кавитационных проявлений;

• увеличения площади диска винта Aj с одновременным уменьшением осадки судна;

• применения винтов—тандем, контрпропеллеров, профилированных поворотных насадок, обтекаемых поворотных рулей, полностью погруженных гребных винтов (ППВ), поворотных лопастей.

3. К настоящему времени достигнут предел совершенствования тяговых характеристик лопастных гребных винтов, при условии сохранения их конструкции на прежнем уровне.

4. Увеличение КПД лопастного гребного винта возможно за счет ^ замены профилированных лопастей Мебиусными поверхностями, характеризуемыми их односторонним действием.

5. Гребной винт тороидального типа с мебиусным образованием лопастей при своей работе имеет меньшие гидродинамические потери по сравнению с гребным винтом традиционной конструкции за счет отсутствия вихревого донышка с радиальными вихрями и вихрей, расположенных по оси вращения винта.

6. Результаты проведенного метрологически обеспеченного физи-[Ы> ческого эксперимента по определению эффективного упора гребного винта тороидального типа в условиях гидролаборатории и на открытой воде имеют сходимость с результатами численного эксперимента.

7. При проведении испытаний по определению эффективного упора в швартовном режиме на лабораторной установке в гидротехнической лаборатории, гребной винт тороидального типа показал лучшие результаты по упору Р, Н в сравнении со штатными лопастными гребными винтами л/м «Нептун» и «Вихрь» на 33,1% и 24,2%, при частоте вращения гребного вала п =25 с-1.

8. Результаты проведенного метрологически обеспеченного физического эксперимента по исследованию пропульсивных качеств совершенствуемого движителя на открытой воде говорят о том, что лучшие показатели эффективного упора Р, Н по сравнению с результатами, показанными всеми гребными винтами, имеет тороидальный гребной винт в диапазоне оборотов (п=6,3.29,8 с-1).

9. Эффективный упор движителя с усовершенствованнной конструкцией больше эффективного упора лопастных гребных винтов л/м «Нептун» и «Вихрь» на 13,4% и 18,1% соответственно в швартовном режиме и 9,8% и 4,4% на максимальной скорости буксировки V =.

1,92 м/с, согласно данным прямых физических экспериментов на открытой воде при прочих равных условиях.

10. Гребной винт тороидального типа отличается от своего прототипа (штатного гребного винта буксирного теплохода ЛС-56Б), с экономической точки зрения — способностью транспортировать большие объемы лесоматериалов при равных энергозатратах.

11. Применение гребного винта тороидального типа с мебиусным образованием лопастей на лесосплавном судне ЛС-56Б приведет к:

• росту производительности труда на 4,95%;

• росту годового объема работ на 4,77%, при равных капитальных вложениях и меньших удельных капитальных вложениях на 6,65%;

• меньшей удельной материалоемкости на 4,77%.

12. Гребной винт тороидального типа с мебиусным образованием лопастей рекомендовать к применению в производственном процессе лесозаготовительных предприятий на лесосплавных судах типа буксирного теплохода ЛС-56Б.