Способ определения инерционных характеристик судна

 

Изобретение относится к судовождению и может быть использовано при определении инерционных характеристик судна с учетом конкретных условий плавания, загрузки судна и технического состояния его корпуса, винта и двигателя. Способ определения инерционных характеристик судна основан на том, что в конкретных условиях работы судна измеряют цикловую подачу топлива и частоту вращения вала двигателя. В функции от них определяют крутящий момент двигателя. С помощью этого момента решают дифференциальное уравнение работы двигателя совместно с дифференциальным уравнением движения судна. Технический результат от внедрения изобретения заключается в упрощении и повышении точности определения инерционных характеристик судна в конкретных условиях плавания. 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к судовождению и может быть использовано при определении инерционных характеристик судна к конкретных условиях плавания.

Основой определения инерционных характеристик является решение системы дифференциальных уравнений движения судна и работы двигателя где m - масса судна с учетом присоединенной массы воды, кг; v - скорость судна, м/с; P - сила упора винта, Н; R - сила сопротивления воды, Н; J - момент инерции вращающихся масс с учетом присоединенного момента инерции воды, кг·м²; ω - угловая скорость вала двигателя, рад/с; M_д - крутящий момент двигателя, Н·м;
M_в - момент сопротивления винта, Н·м.

В практике определения инерционных характеристик решается одно уравнение (1). При этом, как правило, считается, что судно находится в хорошем техническом состоянии и движется по глубокой спокойной воде с полным грузом или в балласте.

Недостатком данного способа является то, что не учитываются конкретные условия плавания (глубина и ширина судового хода, наличие и сила течения и ветра, движение под углом дрейфа), загрузка судна (осадка, наличие дифферента и крена), техническое состояние корпуса судна, винта и двигателя, изменение присоединенных массы и момента воды, взаимодействие винта с корпусом судна.

Имеются расчетные методы, позволяющие учитывать осадку и глубину судового хода.

Наиболее близким к предлагаемому являются экспериментально-расчетные способы определения инерционных характеристик судна и, в частности, способ С.И.Демина (С.И.Демин, Е.И.Жуков, Н.А.Кубачев и др. Управление судном: Учеб. для вузов. / Под ред. Снопкова В.И. - М.: Транспорт, 1991, 359 с.).

С. И. Демин предложил вариант экспериментально-расчетного метода определения элементов как пассивного, так и активного торможения с использованием переходных коэффициентов для пересчета результатов обработки двух натурных экспериментов на любые другие условия торможения.

Недостатком данного способа является, во-первых, проведение двух довольно-таки сложных натурных экспериментов, при выполнении которых приходится определять скорость судна и момент остановки его относительно воды. Во-вторых, после выполнения экспериментов приходится выполнять расчеты по определению инерционных характеристик, которые будут учитывать конкретные условия плавания, загрузку судна, техническое состояние корпуса судна, винта и двигателя и взаимодействие винта с корпусом судна только на момент проведения эксперимента. При изменении условий плавания или технического состояния судна данному способу будут присущи недостатки всех существующих способов определения инерционных характеристик.

Цель предлагаемого изобретения - определение инерционных характеристик судна с учетом конкретных условий плавания, загрузки судна и технического состояния корпуса судна, винта и двигателя.

В основе предлагаемого метода лежит расчет инерционных характеристик по уравнениям (1) и (2) в практически возможном диапазоне режимов работы главного двигателя и всего судового комплекса. Крутящий момент двигателя M_д при этом определяется как функция цикловой подачи топлива q_ц и частоты вращения n. Режим работы двигателя определяется взаимным расположением внешних и винтовых характеристик, которыми автоматически учитываются условия плавания, техническое состояние двигателя, параметры винта, взаимодействие винта с корпусом судна и т.д.

Возможные режимы работы двигателя находятся на поле (см. чертеж), ограниченном слева винтовой характеристикой 1 швартового режима, справа - винтовой характеристикой 3 при движении судна (состава) порожним с учетом попутного ветра, сверху - внешней характеристикой 4 заградительной по топливному насосу, снизу - частичной характеристикой 6, соответствующей минимально устойчивой частоте вращения.

Номинальный установившийся режим работы двигателя определяется точкой пересечения внешней характеристики 5 номинальной мощности N_ео и частоте вращения n_o. Для этого режима обычно и рассчитывают инерционные характеристики. Для грузовых теплоходов инерционные характеристики определяют также для установившегося режима, определяемого номинальной частотой вращения вала двигателя при ходе в балласте.

Установившихся режимов работы двигателя очень много (некоторые из них на чертеже показаны точками). Теоретически инерционные характеристики должны быть рассчитаны для всех установившихся режимов.

Чтобы охватить все поле возможных установившихся режимов, сократить объем вычислений и получить необходимую точность, расчеты надо вести с определенным интервалом Δn, Δq_ц и Δt в реальном диапазоне изменения указанных параметров.

Главная особенность предлагаемого метода в том, что в судовом комплексе двигатель - винт - корпус только двигатель находится в отрегулированном и известном нам техническом состоянии, потому что корпус обрастает, загрузка судна меняется, винт может иметь дефекты, о которых также судят по работе двигателя. Поэтому при расчете инерционных характеристик судна следует исходить из условий определения параметров двигателя.

Результаты расчета могут быть представлены в виде таблиц. Для определения инерционных характеристик судна при разгоне такая таблица имеет вид табл. 1.

Цифра "0" в таблице показывает, что разгон судна начинается из состояния полного покоя. Начальные значения скорости, пути и времени равны нулю. Винтовая характеристика соответствует работе двигателя на швартовом режиме. Частота вращения в шапке табл. 1 соответствует точке пересечения внешней характеристики (для заданного значения и винтовой характеристики швартовного режима (см. чертеж). По мере разгона судна значения t_i, υ_i, S_i, n_i будут возрастать.

Значения υ_i, S_i, t_i соответствуют максимально достижимой скорости порожнего судна при работе двигателя по внешней характеристике, соответствующей заданному значению Значения t_i и S_i показывают время, за которое будет достигнута максимальная скорость, и проходимый судном за это время путь.

Для определения инерционных характеристик судна при выбеге таблица будет иметь вид табл. 2.

Размер табл. 2 определяется достижением значения υ_i= 0,05υ_o. В левом столбце граф при t_i= 0 указана установившаяся скорость судна при заданных значениях цикловой подачи и частоты вращения вала двигателя (последняя косвенно характеризует загрузку судна и условия плавания).

Таблицы для инерционных характеристик судов при активном торможении аналогичны табл. 2.

Для определения инерционных характеристик судна по табл. 1 и 2 необходим небольшой эксперимент - на установившемся режиме работы определить цикловую подачу топлива и частоту вращения вала двигателя.

Специальные приборы позволяют считывать с цифровой шкалы значения q_ц и n непосредственно в штурманской рубке, что значительно упрощает эксперимент. Полученные параметры q_ц и n характеризуют режим работы двигателя, загрузку судна и условия плавания. Они являются аргументами (исходными данными) для определения инерционных характеристик судна по табл. 1 и 2.

В клетке табл. 1 на пересечении значений и считывают значение скорости, соответствующее заданному установившемуся режиму, путь, проходимый судном при разгоне из состояния покоя, и время прохождения этого пути. Изменение скорости и пути в зависимости от времени с начала разгона представлено в строке, соответствующей данным значениям и от нуля до значения параметров установившегося режима.

В каждой строке, соответствующей полученным из эксперимента данным q_ц и n, в табл. 2 приведены значения скорости и проходимого судном пути в текущий момент времени от начала маневра (остановки главных двигателей) до остановки судна (υ_i= 0,05υ_o).
В случае изменения условий плавания (волнение, ветер, глубина судового хода) эксперимент следует повторить и определить новые исходные данные для табл. 1 и 2, характеризующие изменившиеся инерционные характеристики.

Формула изобретения

Способ определения инерционных характеристик судна, основанный на решении дифференциального уравнения движения судна, отличающийся тем, что в конкретных условиях работы судна измеряют цикловую подачу топлива и частоту вращения вала двигателя, в функции от которых определяют крутящий момент двигателя, с помощью которого решают дифференциальное уравнение работы двигателя совместно с дифференциальным уравнением движения судна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3