Введение к работе
Актуальность. Нефть и газ являются стратегическими видами сырья, которые необходимы для развития современной промышленности Наличие значительных запасов органического топлива на арктическом шельфе и шельфе замерзающих морей России определяет повышенный интерес к их освоению Решение этой важной хозяйственной проблемы невозможно без ледокольного флота, оснащенного современными судами ледового плавания (СЛП) и ледоколами (ЛК) Кроме этого, ледокольный флот является основным транспортным средством для трассы Северный Морской путь, а также для обеспечения жизнедеятельности районов Крайнего Севера.
Обеспечение прочности пропульсивных комплексов судов ледового плавания и ледоколов является одной из главных проблем арктического судоходства и ледокольного судостроения Это определяется высоким уровнем ледовых нагрузок, воздействующих на их элементы при эксплуатации в ледовых условиях Безаварийная работа пропульсивного комплекса определяет экономическую эффективность и безопасность эксплуатации судна
До середины 90-х годов прошлого века СЛП и ЛК в основном оборудовались традиционной пропульсивной системой (ПС): открытый ледокольный гребной винт (ЛГВ) фиксированного шага -валопровод - электродвигатель - главный двигатель. В настоящее время для повышения эксплуатационной эффективности на СЛП и ЛК устанавливаются современные пропульсивные комплексы (ПК) - винторулевые колонки (ВРК) с винтами регулируемого и фиксированного шага (ВРШ, ВФШ) Указанные ПК соединяют в себе функции ПС и рулеюго устройства Проблема обеспечения прочности ПК обостряется для современных ледокольных судов, включая суда двойного действия (DAT) с ВРК. В ледовых условиях движение DAT осуществляется кормой вперед что приводит к снижению ледового сопротивления и повышению эксплуатационной эффективности. В этом случае ВРК работает как носовой ПК, что приводит к увеличению интенсивности воздействия эксплуатационных ледовых нагрузок на его элементы в сравнении с традиционной ПС
ЛГВ является одним из основных элементов ПС (ПК) Ледовые нагрузки на лопастях ЛГВ и их прочные размеры определяют эксплуатационную прочность всех других элементов ПС При эксплуатации во льдах ЛГВ взаимодействует со льдом. Переменные ледовые нагрузки от гребного винта передаются на элементы валопровода, что обуславливает их вынужденные крутильные и продольные колебания, на механизм изменения шага (МИШ) и тд Ледовые нагрузки в несколько раз превышают соответствующие гидродинамические при эксплуатации на чистой воде и являются определяющими для назначения прочных размеров ЛГВ и других основных элементов ПС.
Методы расчета прочности ЛГВ начали развиваться с середины 60-х годов прошлого века В эти годы М А Игнатьевым, В Я Ягодкиным, С В Яконовским, Ф М Кацманом были разработаны расчетные схемы и нормативные требования PC к прочности ЛГВ и других элементов ПС. Требования PC, разработанные Ф М. Кацманом для ЛГВ, до сих пор остаются действующими
Расчетная схема MA Игнатьева положена в основу действующих требований Норвежского классификационного общества (DNV) и Морской Администрации Финляндии. Указанные расчетные схемы и действующие требования Классификационных Обществ (КО), Морских Администраций (МА) к прочным размерам ЛГВ основаны на статической прочности Например, в действующих требованиях PC прочные размеры лопастей ЛГВ назначаются из условия обеспечения статической прочности от воздействия гидродинамического изгибающего момента. Учет ледовых нагрузок осуществляется в виде коэффициентов, полученных на основе анализа предшествующего опыта эксплуатации традиционных ПС В настоящее время автором и другими исследователями показано, что прочные размеры ЛГВ должны назначаться из условия совместного обеспечения усталостной и статической прочности от воздействия ледовых нагрузок Для стальных лопастей ЛГВ усталость является определяющим фактором при решении этой проблемы Недооценка усталостной прочности была основной причиной многочисленных поломок лопастей ЛГВ ледоколов типа "Арктика". Поэтому существующие требования не могут быть применены к ЛГВ современных судов, обеспечение безопасности которых выходит за рамки предыдущего опыта эксплуатации и проектирования, например к судам DAT, для которых характерно увеличение интенсивности воздействия льда на ЛГВ, и требуется его дополнительное подкрепление из условия обеспечения усталостной прочности.
Необходимость разработки новых требований к прочности ЛГВ и других элементов ПК (ПС) привела к интенсификации исследований ледовых нагрузок в России, Канаде, Финляндии, США и других странах. В середине 80-х годов прошлого века наибольшие успехи в этой области были достигнуты в России в ЦНИИ им акад. АН Крылова, ГМА им адм СО Макарова (В А Беляшов, ЮН Алексеев, ВС. Шпаков, В А Меркулов, ЕМ Пасуманский, ОН Беззубик и др) В А Беляшовым были исследованы основные механизмы разрушения льда при взаимодействии лопастей ЛГВ со льдом, разработана детерминированная расчетная схема определения средних ледовых давлений в зоне контакта лопасти со льдом и интегральных ледовых нагрузок на лопастях. Выполнены натурные измерения эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ и в ПС При участии автора и под его руководством (в период работы в ЦНИИ им акад. АН Крылова) разрабатывались методы прогнозирования ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний в ледовом огтытовом бассейне Аналогичные исследования выполняются в Канаде, Финляндии, США (В Vertch, N. Bose, Р Koskrnen, MJussiIa, Н Soirunen и др) Однако, в отношении прочности ЛГВ указанные исследования не были доведены до практических методик и разработки новьгх требований До решений, предложенных автором, оставался открытым вопрос о распределении ледового давления в зоне контакта лопасти со льдом в зависимости от формы ее профиля и параметров взаимодействия со льдом Решение этой задачи необходимо для расчета местной и общей прочности лопастей ЛГВ Дія обеспечения усталостной и статической прочности ЛГВ и других элементов ПС требуется определение интенсивности эксплуатационных ледовых нагрузок (частота
воздействия и вероятностное распределение значений) на ЛГВ в зависимости от ледовой категории судна, расположения ПК и основных характеристик ЛГВ Комплексное решение этой проблемы на базе как натурных, так и модельных испытаний с учетом результатов исследований ЦНИИ им акад А.Н Крылова (В А. Меркулов, Е М Пасуманский) и Научно-технического центра Финляндии VTT (Р Koskinen, М Jussila) было получено автором
При эксплуатации во льдах СЛП и ЛК должна быть обеспечена пирамидальная прочность ПК (ПС), те поломка лопасти ЛГВ не должна приводить к повреждению других элементов ПК (ПС) в потоке силовых линий (элементов МИШ ВРШ, гребного вала, упорного подшипника, элементов крепления лопасти ЛГВ к ступице и ВРК к корпусу и т д.) В этом случае аварийная ситуация может быть устранена в море путем замены лопасти. Расчетная нагрузка для обеспечения принципа пирамидальной прочности соответствует предельной силе поломки лопасти Однако, в действующих правилах PC требование к значению этой силы отсутствует Требования к пирамидальной прочности элементов МИШ ВРШ ограничены условием не превышения напряжений, обусловленных поломкой лопасти, пределом текучести Данный критерий, как показывает опыт эксплуатации, является недостаточным, так как согласно современным исследованиям пирамидальная прочность элементов ПК определяется упругопластической деформацией в зонах концентрации напряжений, что определяет необходимость разработки требований к соответствующим допустимым значениям Отсутствие научно обоснованных требований к пирамидальной прочности послужило одной из основных причин поломок МИШ ВРШ и ВРК на современных ледокольных танкерах и буксирах. При обеспечении надежности элементов ПК дополнительно к пирамидальной прочности необходимо учитывать усталость от циклических ледовых нагрузок.
Учитывая актуальность проблемы, Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) также ведутся интенсивные исследования по разработке Унифицированных требований (УТ) МАКО к механическим установкам полярных судов Однако, в настоящее время они не завершены по различным причинам В рамках УТ МАКО не решена основная задача - разработка требований к ЛГВ и другим элементам ПС из условия обеспечения усталостной прочности.
Принимая во внимание изложенное, можно констатировать, что существующие расчетные методы, действующие требования Классификационных Обществ и Морских Администраций к эксплуатационной прочности ЛГВ и других элементов ПК (ПС) ледокольных судов не удовлетворяют современным требованиям проектирования и эксплуатации Необходима разработка новых требований PC к прочности ПК (ПС) для ЛК, СЛП и, в первую очередь, к их основному элементу - ЛГВ
Учитывая изложенное, целью настоящей работы является решение крупной научной проблемы по обеспечению безопасной эксплуатации ПК современных ледокольных судов Ее решение сводится к разработке теории взаимодействия гребного винта со льдом, включающей теоретические и экспериментальные методы определения ледовых нагрузок на ЛГВ, и методов
обеспечения на ее основе эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса Решение поставленной проблемы требует рассмотрения следующих задач исследования, сформулированных на основе анализа опыта эксплуатации и существующих методов обеспечения прочности ПК (ПС) ледокольных судов:
- анализа опыта эксплуатации J11В в ледовых условиях анализа повреждений и разработки
основных подходов к обеспечению эксплуатационной прочности элементов ПК,
- исследования механизмов взаимодействия лопастей гребных винтов со льдом,
анализа результатов натурных испытаний по измерению ледовых нагрузок на ЛГВ и исследования их основных закономерностей,
разработки расчетных методов определения контактных давлений в зоне взаимодействия лопастей со льдом для расчетов местной прочности их кромок, назначения интегральных ледовых нагрузок наЛГВ и расчетов прочности элементов ПК,
разработки методов определения ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний в ледовом опытовом бассейне (ЛОБ) для отработки ПК и обеспечения эксплуатационной прочности его элементов на стадии проектирования,
разработки вероятноспкустатистической модели эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ для расчетов усталостной и статической прочности элементов ПК,
исследования напряженного состояния лопастей ЛГВ под действием ледовых нагрузок;
разработки методов обеспечения усталостной и статической прочности лопастей ЛГВ,
- разработки метода назначения предельной силы поломки лопасти для обеспечения
пирамидальной прочности элементов ПК СЛП и ЛК,
разработки критериев прочности элементов ПК (элементы МИШ ВРШ, креплений лопасти к ступице и ВРК к корпусу и тд) при упругогшастическом деформировании в зонах концентрации напряжений от воздействия предельной силы поломки лопасти,
разработки методов обеспечения усталостной и пирамидальной прочности элементов ПК.
Указанные задачи являются взаимосвязанными и при рассмотрении одной из них необходимо учитывать другие
Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования: методов математической статистики, теории вероятности и случайных процессов, регрессионного анализа, методов сопротивления материалов, а также правила линейного суммирования Майнера для оценки усталостной прочности Научная новизна и основные научные результаты работы Лично автором'
1 Выполнен комплексный анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации ледокольных ПК, включая натурные данные по ледовым нагрузкам на ЛГВ и ресурсу его лопастей Результаты анализа были использованы для разработки методов обеспечения прочности элементов ПК
2 Разработана теория взаимодействия ЛГВ со льдом, включающая теоретические и экспериментальные методы определения и исследования ледовых нагрузок с целью обеспечения прочности элементов ПК В рамках этой теории:
2.1 выявлены основные закономерности механизмов взаимодействия гребных винтов со льдом
Разработана уточненная схема взаимодействия лопастей ЛГВ со льдом, основанная на модели
вязкого ледового слоя Объяснен феномен независимости ледовых нагрузок на лопастях от
скорости их врезания в лед Предложены решения по определению контактного ледового
давления в зоне взаимодействия лопасти со льдом,
2.2 разработаны методики определения эксплуатационных ледовых нагрузок на ЛГВ по
результатам модельных испытаний ЛГВ на режимах фрезерования льда и самоходных моделей в
ледовом опытовом бассейне,
2.3 созданы вероятностно-статистические модели ледовых нагрузок на ЛГВ и методы назначения
их параметров для расчета усталостной и статической прочности элементов ПК
3. Разработаны новые методы обеспечения эксплуатационной прочности ЛГВ и других элементов ПК от воздействия ледовых нагрузок В рамках этой проблемы разработаны и получены'. 3.1 методики оценки напряженного состояния корневых сечений лопастей ЛГВ и назначения их прочных размеров от совместного воздействия изгибающего и скручивающего лопасть ледовых моментов Методы назначения прочных размеров периферийных сечений лопастей ЛГВ и их кромок;
методика определения допустимых напряжений для назначения прочных размеров лопастей ЛГВ из совместного обеспечения усталостной и статической прочности Усталость является определяющим фактором для назначения толщин стальных ЛГВ Прочные размеры ЛГВ из высококачественных бронзовых сплавов (типа NIAL) определяются статической прочностью Разработан метод учета дробеструйного упрочнения поверхности лопастей для улучшения их усталостной прочности. Разработанные методы позволяют снизить прочные размеры ЛГВ, что улучшает его к.пд, имеет положительный эффект для обеспечения пирамидальной прочности и снижения весогабаригных характеристик ПК Разработанные методики не имеют мировых аналогов и могут быть применены для назначения прочных размеров ЛГВ судов нового типа- DAT,
критерий для оценки критической деформации материала, соответствующей его разрушению, в зависимости от предела текучести, удлинения, ударной вязкости и характерной толщины лопасти, элемента ПК Критерий использован для назначения гцэедельной силы поломки лопасти и для обеспечения прочности элементов ПК (ПС) при упругопластическом деформировании в зонах концентрации нагфяжений,
3.4 вероятностнс-статисгические методы оценки максимальных и минимальных значений
прочностных характеристик материала отливок ЛГВ и элементов ПК для назначения предельной силы
поломки лопасти и обеспечения прочности элементов ПК при упругопластическом деформіфовании,
35 метод назначения предельной силы поломки лопасти ЛГВ от воздействия скручивающего и
изгибающего ледовых моментов для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК,
3.6 методы обеспечения усталостной и пирамидальной прочности элементов ПК (элементы МИШ ВРШ, элементы крепления лопасти к ступице и ВРК к корпусу и т д.)
Практическая ценность работы связана с внедрением новой комплексной методологии обеспечения ледовой прочности гребных винтов и других элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания (СЛП) и ледоколов (ЛК) \ Разработанная комплексная методология согласована с практикой проектирования и эксплуатации и позволяет на научной основе обеспечивать безопасность плаванияЛКи СЛПв тяжелых ледовых условиях. На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
1. Результаты анализа отечественного и зарубежного опыта эксплуатации ЛГВ как главного
элемента ПС и ПК Комплексный вероятасісгао-статистический анализ ресурса лопастей ЛГВ
2. Теория взаимодействия ЛГВ со льдом для обеспечения прочности элементов ПК, включающая
2.1 результаты исследования и анализа механизмов разрушения льда ЛГВ Разработанный на их
основе метод определения контактного ледового давления в зоне взаимодействия лопасти со льдом
для расчета прочности лопастей ЛГВ и других элементов ПК (ПС),
12 версотностнсчлатисгические модели ледовых нагрузок на ЛГВ и методы назначения их параметров
для обеспечения усталостной и статической прочности ЛГВ и других элементов ПК (ПС);
23 Методики определения ледовых нагрузок на ЛГВ по результатам модельных испытаний на
режимах фрезерования льда и самоходных моделей в ледовом опытовом бассейне
3 Методы обеспечения прочности элементов ПК ЛК и СЛП:
3.1 Методы назначения прочных размеров лопастей ЛГВ из условия усталостной и статической
прочности, включая'
аналитические методы оценки напряженного состояния корневых и периферийных сечений лопастей ЛГВ от совместного воздействия изгибающего и скручивающего лопасть ледовых моментов,
метод назначения допустимых напряжений из условия усталостной и статической прочности.
Разработанные методы назначения прочных размеров лопастей распространяются на все ледокольные ПК, включая носовые ВРК для современных судов ледового плавания типа DAT;
3.2 метод (критерий) определения критической деформации материала, соответствующей его
разрушению, для назначения предельной силы поломки лопасти и обеспечения прочности
элементов ПК в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании,
3.3 методы вегхипностно-статистического анализа максимальных и минимальных значений
прочностных характеристик материала винтовых отливок и элементов пропульсивного комплекса
для назначения предельной силы поломки лопасти и обеспечения прочности элементов ПК при
упругопластическом деформировании в зонах концентрации напряжений,
метод назначения предельной силы поломки лопасти ЛГВ от совместного воздействия изгибающего и скручивающего моментов для обеспечения пирамидальной прочности элементов ПК (ПС),
методы обеспечения усталостной и пирамидальной прочности элементов ПК (элементов МИШ, элементов крепления лопастей ЛГВ к ступице и ВРК к корпусу и тл)
Внедрение результатов работы.
На основании полученных результатов подготовлены проекты новых требований Правил классификации и постройки морских судов PC: к лопастям гребных винтов СЛП категорий ЛУ4-ЛУ9 и ЛК категорий ЛЛ6-ЛЛ9; к ступице и деталям крепления лопастей; к механизму изменения шага для гребных винтов судов с ледовыми усилениями и ледоколов; к прочности основных элементов главных ВРК с учетом характерного размера элемента (детали), вязкопластических характеристик материала, а также концентрации напряжений
Проекты представлены в книгах 12 и 13 Нормативно-методических материалов PC, выпуск 2004г. Проекты использованы для формирования позиции PC на международном уровне в рамках:
проекта "ARCOP"- "Исследование в рамках Европейской Комиссии морской транспортировки углеводородного сырья, добываемого в северных регионах России, в страны Западной Европы",
разработки унифицированных требований (УТ) МАКО к механическим установкам полярных судов
В настоящее время результаты работы и проект требований использовались и используются при проектировании и одобрении технической документации на современные ПК, предназначенные для:
Портового ледокола ARC 0455 с ледовыми усилениями категории ЛЛ6 Мощность 2 * (3000 КВт). Проект и производство концерна "Rolls-Royce". ВРК ледокола оборудована ВРШ;
Портового буксира "Приморск" с ледовыми усилениями категории ЛУ5 Мощность 2 *(1980 КВт) Проект и производство фирмы "Shottel" ВРК буксира оборудована ВРШ;
3 Арктического судна двойного действия с ледовыми усилениями категории ЛУ7 Мощность
1 * (13300 КВт) Проект концерна "ABB". ВРК судна оборудована ВФШ;
4 Арктического крупнотоннажного танкера с ледовыми усилениями категории ЛУ6,
предназначенного для вывоза нефти с терминала "Варандей" "Печорского" моря Мощность
2 * (8500 КВт) Проект и производство концерна "ABB". ВРК ледокола оборудована ВФШ;
5 Балтийского ледокола категории ЛЛ6 Мощность 2*(8000.Кйя) Проект компании
"Steerpprop". ВРК оборудована ВФШ
Апробация работы. Результаты и основные части работы докладывались и обсуждались: - нароссийских и международных научно-технических конференциях:
конференции "Крыловские чтения" (1989, 1991, 1993, 1997, 1999, 2003, 2006 гг); "Проблемы продления навигации", 1991 г, Нижний Новгород; РОАС-93, 1993 г, Гамбург; "Освоение шельфа арктических морей России", 1993 г, Санкт-Петербург (РАО'93); "Lavrenuev Lectures", 2001 г., Санкт-Петербург; 'Гидрометеорологическое обеспечение хозяйственной деятельности в Арктике и замерзающих морях", 2002 г, ААНИИ, Санкт-Петербург; вторая и третья международные конференции по судостроению ISC (1998 и 2002гт, Санкт-Петербург, ЦНИИ им акад. АН Крылова); международные конференции "Нева" (2003 и 2005 гг, Санкт-Петербург);
- на совещаниях между PC и фирмами - производителями пропульеивных систем и комплексов ("ABB", "RollsRoyce", "Shottel");
на рабочей группе МАКО по разработке УТ к механическим установкам полярных судов;
на рабочих группах международного проекта Европейской Комиссии GRD2/2000/30112S07/16174 "ARCOP " (Arctic Operational Platform) в 2004 и 2005 гг.
Разработанные в рамках диссертации проекты требований к прочности ЛГВ и других элементов ПК получили положительную оценку концерна "Rolls-Royce" в 2004 г.
Публикации. Содержание работы отражено в:
- 49 научно-технических работах автора, из них статей - 29, параграф в монографии -1, тезисов докладов-14,
сборников нормативно-методических материалов Российского морского регистра судоходства -3, патентов
РФ-2 В соавторстве 33 работы (авторский вклад 80%) и два патента В ведущих рецензируемых изданиях
Российской Федерации, входящих в Перечень ВАК, -5 работ(в соавторстве -1, авторский вклад 80%),
Дополнительно:
- 21-м техническом документе (отчете) PC, подготовленных в рамках разработки унифицированных
требований МАКО к механическим установкам полярных судов (автор -90%);
2-х отчетах PC для проекта Европейской Комиссии GRD2/2000/30112-S07/16174 "ARCOP" по исследованию морской транспортировки углеводородного сырья, добываемого в северных регионах России, в страны Западной Европы, 2003-2004 гг (автор - 80% и 90%);
техническом отчете PC по контракту 323/2005 с «НарьянМарнефтегаз» по отработке ледокольного танкера двойного действия для вывоза нефти с терминала "Варандей", 2005 г. (автор -90%);;
-21-м научно-техническом отчете ЦНИИ им акад АН Крылова (в период работы автора в ЦНИИ им акад А Н. Крылова)
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 254 страниц текста (с 51 таблицами и 122 рисунками) Список литературы состоит из 145 наименований
