ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Одеська національна морська академія
Заічко Сергій Іванович
УДК 629.123.03
ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ КЕРУВАННЯ СУДНАМИ
З ВІТРОРУШІЯМИ
Спеціальність 05.22.16 – Судноводіння
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Одеса – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеській національній морській академії.
Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент
Алексейчук Михайло Степанович
завідувач кафедрою Одеської національної
морської академії
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Воробйов Юрій Леонідович,
Одеський національний морський університет
радник ректора, завідувач кафедрою
кандидат технічних наук
Олійник Тетяна Віталіївна,
АСК “Укррічфлот”, м. Київ,
капітан далекого плавання.
Провідна установа Національний університет кораблебудування ім. адм.
Макарова (м. Миколаїв), Міністерства освіти i науки
Захист відбудеться “10 червня” 2004 р. в 10 годин на засіданні
спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 Одеської національної морської академії за адресою м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії
Автореферат розісланий ______________
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
д. т. н., професор Голіков В.А.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Останні тридцять років з'явилася тенденція використовування альтернативних нафті джерел енергії, особливо екологічно чистої енергії вітру і сонця, що обумовлене обмеженістю запасів нафти, їх неухильним виснаженням і постійним зростанням витрат на здобич нафти. На флоті проблема збереження споживання палива може бути розв'язана шляхом використовування енергії вітру для руху суден, що вимагає розробки і установки на транспортних суднах вітрорушіїв різних типів.
Використовування вітрорушіїв на судні веде до зміни характеристик його керованості і поведінки в умовах хвилювання. Отже, для забезпечення безпеки мореплавання суден з вітрорушіями потрібно дослідити вплив вітрорушіїв на керованість судна в різних умовах, особливо за наявності хвилювання.
Потреба в розробці паливоощадних технологій з використанням екологічно чистих джерел енергії і необхідність створення методу врахування впливу вітрорушіїв на керованість судна визначають актуальність і перспективність теми дисертації.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з держбюджетною науково-дослідною роботою "Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання", N ДР 0103U006406, в якій автор дисертації самостійно виконав розділ.
Результати дисертаційної роботи містяться в науково-дослідних роботах “Розробка технічної пропозиції системи управління допоміжним вітрорушієм танкера проекту 16580”, N ДР 01890082652, а також “Розробка керівництва для плавскладу по керуванню головним двигуном теплохода "Ілля Сельвінський" з допоміжним вітрильним озброєнням”.
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методу урахування впливу вітрорушіїв на керованість судна.
В основу дослідження покладена гіпотеза про те, що наявність вітрорушіїв на судні в умовах хвилювання впливає на керованість судна і процес його хитання через додаткову взаємодію вітрорушіїв з повітряними масами.
Головною задачею дослідження є розробка алгоритму управління судном, оснащеного вітрорушіями. У дисертаційному дослідженні головна задача представлена трьома такими частковими задачами:
- формування процедури визначення параметрів хитання судна з урахуванням його вітрорушіїв;
- розробка способу зниження амплітуди бортового хитання судна шляхом керуванням вітрорушіями;
- створення методу модельної оцінки керованості судна з вітрорушіями.
Об'єктом дослідження є керованість суден, а предметом дослідження - вплив вітрорушіїв на керованість судна при дії постійного вітру в умовах регулярного хвилювання.
У дисертаційній роботі застосовані методи:
- дослідження операцій при декомпозиції головної задачі дисертації на складові;
- механіки, аналітичної геометрії, аеродинаміки, динаміки твердого тіла в частині складання і рішення диференціальних рівнянь руху об'єктів при описі динамічної моделі бортового хитання судна з вітрильним озброєнням;
- теорії корабля;
- оптимізації теорії математичного програмування для вирішення задачі вибору оптимального кута установки вітрорушія;
- моделювання для модельної оцінки характеристик керованості судна;
- чисельного інтегрування нелінійних диференціальних рівнянь Рунге-Кутта-Фельдберга четвертого порядку.
Наукова новизна отриманих результатів. Виконані наукові дослідження підтвердили гіпотезу про те, що наявність вітрорушіїв на судні в умовах хвилювання робить вплив на керованість судна і процес його хитання через додаткову взаємодію вітрорушіїв з повітряними масами.
Розроблено метод врахування впливу вітрорушіїв на керованість судна, який відрізняється тим, що залежно від характеристик вітрорушіїв дозволяє моделювати різні режими руху судна, обчислити параметри його хитання і мінімізувати бортове хитання.
У дисертаційній роботі одержані такі результати, що містять наукову новизну:
- вперше одержаний спосіб розрахунку оптимального кута установки вітрорушіїв, який мінімізує амплітуду бортового хитання судна з вітрорушіями за рахунок заданого зниження його сили тяги;
- вдосконалений спосіб розрахунку параметрів хитання судна з вітрорушіями для опису його поведінки при хвилюванні шляхом урахування додаткової взаємодії вітрорушіїв з повітряними масами;
- доповнений метод модельної оцінки керованості судна з вітрорушіями за наявності хитання шляхом врахування додаткових складових сил тяги і дрейфу вітрорушіїв.
Практичне значення одержаних результатів. Практична значимість проведеного дисертаційного дослідження полягає у тому, що запропонований в роботі метод врахування впливу вітрорушіїв на керованість судна може бути використаний не тільки для вітрильного озброєння, але і для інших типів вітрорушіїв, а також для різних типів суден з вітрорушіями.
Практична цінність роботи полягає у тому, що одержані в роботі алгоритми, програми і імітаційна модель можуть бути використані і упроваджені на суднах з вітрорушіями для врахування їх реальної керованості і мінімізації бортового хитання, при проектуванні суден з вітрорушіями, а також при розробці вітрорушіїв.
Особистий внесок здобувача. Результати і розробки, одержані в дисертаційній роботі, виконані здобувачем самостійно.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи були повідомлені і схвалені на VII Всесоюзній науково-технічній конференції м. Ленінград, 24-26 травня 1989 р., у 2001- 2004 роках на науково-технічних конференціях професорсько - викладацького складу ОНМА, а робота в цілому представлена на науково - технічній раді ОНМА.
Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, без додатків, повний обсяг роботи 161 стор., містить 40 рис. і 18 табл., список літератури 83 найменування.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
У першому розділі дисертації приведені результати аналізу літературних джерел по проблемі розробки і використовування суден з вітрорушіями і обгрунтовано вибір основних напрямів дослідження по темі дисертації.
Проблема використання енергії вітру на суднах найшла відображення в численних наукових дослідженнях, результати яких надруковані в роботах вітчизняних та закордонних вчених Ю.С. Крючкова, Г.А. Алчуджана, І.І. Кринецкого, М.В. Міюсова, Г.В. Васильєва, В.Б. Жінкина і багатьох інших.
Проведений в роботі аналіз показав, що принципово важливим при створенні суден-вітроходів є розробка ефективних і надійних вітрорушіїв, зручних і безпечних в експлуатації, конструкція яких дозволяє забезпечити механізоване і автоматизоване дистанційне керування ними.
Зараз як вітрорушії використовуються м'які і жорсткі вітрила, ротор Флеттнера, поворотні "вентильовані" об'ємні крила-ротори ("турбовітрила") і аеродинамічний рушійний комплекс (АРК) "ротор-вітрило".
Узагальнюючи аналіз літератури, в дисертаційній роботі показано, що розробка вітрорушіїв транспортних суден проводиться у області створення конструкцій вітрорушіїв і дослідження їх при експлуатації, практично не торкаючись питань дослідження поведінки суден з вітрорушіями в реальних умовах експлуатації, що дозволяє визначити основні напрямки дисертаційного дослідження, яке передбачає необхідність розгляду судноводійного аспекту проблеми розробки та використання вітрорушіїв з позицій вивчення керованості судна з допоміжним вітрильним озброєнням, для чого потрібно формалізувати його поведінку в умовах хвилювання і виявити залежність керованості судна від наявності вітрорушіїв.
Другий розділ дисертації присвячений викладу методологічного забезпечення дослідження по темі дисертаційної роботи. Обгрунтовано вибір напрямку дисертаційного дослідження, визначена мета роботи, розглянуті методи рішення головної задачі і розроблена технологічна карта дослідження, що містить структуру методологічного забезпечення дисертації, яка базується на системному підході до досліджуваної теми. Запропонована наукова гіпотеза і сформульована головна задача дослідження, яка представлена трьома частковими задачами, рішення яких дозволяє одержати три основні наукові результати. Одержані наукові результати спільно з результатами експерименту дозволили оцінити практичне значення роботи і сформулювати наукове положення. У заключному підрозділі розділу викладена загальна методика проведення дисертаційного дослідження, в якій проводиться обгрунтування застосування розглянутих методів на кожному з його етапів.
У третьому розділі дисертації зроблено аналіз сил вітрила з урахуванням бортового хитання судна. Для цього спочатку були одержані аналітичні вирази для подовжньої і поперечної складових сили вітрила, потім визначена залежність значень швидкості і кута набігаючого повітряного потоку від параметрів вимпельного вітру і на завершення розділу знайдено математичний вираз для опису кута крену судна в умовах бортового хитання.
Базові аналітичні вирази для подовжньої і поперечної складових сили вітрила одержані для випадку, коли на судні встановлене одне жорстке вітрило площею , яке розташоване на відстані від мидель-шпангоуту. Під дією набігаючого повітряного потоку на вітрило виникають подовжня (сила тяги) і поперечна (сила дрейфу) складові горизонтальної сили, які відповідно позначені і . В умовах бортового качання судна, викликаного регулярним хвилюванням складові і є функціями часу і містять гармонійні складові, які роблять додатковий вплив на керованість судна.
При бортовому хитанні судна виникає додатковий рух вітрила і змінюється його ефективна площа, що позначається на величині тільки поперечної проекції сили . Тому в роботі розглянутий вплив хитання тільки на цю складову.
Виникаючий через бортове хитання кут крену у першому наближенні носить гармонійний характер, як і лінійна швидкість переміщення вітрила, що з'являється. Її горизонтальна проекція cos складається із швидкістю вимпельного (уявного) вітру , що має горизонтальний напрям під кутом щодо діаметральної площини судна. У роботі одержана формула для сили дрейфу (t) у функції кутової швидкості бортових коливань , що має вигляд:
(t) = - [(cos) + (sin+ )]
[()) + () ],
де - масова щільність повітря;
- вертикальна відстань між центром вітрила і центром маси судна;
(t) – швидкість набігання повітряного потоку;
- кут набігання повітряного потоку на вітрило, причому = (t) -;
(t) - кут набігання повітряного потоку щодо ДП судна;
- кут установки вітрила, що задається;
() і () – коефіцієнти опору і підйомної сили вітрила.
Модуль і напрямок швидкості вимпельного вітру залежить від параметрів швидкості (модуля , курсового кута ) істинного вітру і швидкості судна , причому аналітичний вираз залежності загальновідомий.
У свою чергу, як показано в дисертації, розрахунок параметрів (t) і (t) набігаючого повітряного потоку в загальному випадку виконуються за такими формулами:
(t) = [(cos) + (sin+ cos )],
(t) ==, при /2,
(t) = - , при > /2,
які використовуються для розрахунку сили тяги і сили дрейфу вітрила.
Для аналізу впливу наявності вітрил на процес бортового качання судна і визначення аналітичного виразу кута крену судна в першому приближені застосовувалася лінійна модель бортового хитання, для якої використовувалося ізольоване рівняння поперечного хитання. У роботі спочатку був розглянутий аналітичний опис процесу хитання без вітрил, а потім при їх наявності, і проводився їх порівняльний аналіз.
У разі судна без вітрил для опису кута крену справедливе вихідне диференціальне лінійне рівняння:
()++ + = sin,
де - момент інерції судна відносно подовжньої осі Х-Х;
- узагальнені приєднані маси води відносно тієї ж осі Х-Х;
- коефіцієнт демпфування відносно осі Х-Х;
- водотоннажність судна (сила тяжіння);
- поперечна початкова метацентрична висота;
- редукційний коефіцієнт при бортовому хитанні;
- уявна частота хвилювання.
Початковому диференціальному рівнянню відповідає неоднорідне лінійне диференціальне рівняння з постійними коефіцієнтами:
+ + = sin,
де = /2() – коефіцієнт затухання;
= /() – власна частота судна при бортовому хитанні.
Часткове рішення цього рівняння має такий вигляд:
= sin(- ),
де = - амплітудне значення кута крену;
- початкова фаза, причому = .
У разі, коли судно обладнане вітрилами, виникає додатковий момент від поперечної сили (t), який в диференціальному рівнянні хитання судна враховується додатковим доданкам (t), тобто:
()+ + (t) + = sin,
де - апліката точки, в якій прикладається сила (t).
У роботі показано, що сила дрейфу має такий вираз:
(t) = G + ,
де G =A(++2++);
=A(2+ +);
A=; =(cos); =sin; =();
= () , = () .
Тому диференціальне рівняння приймає вигляд:
+ + = sin - ,
де =(++)/() - коефіцієнт затухання з урахуванням встановленого вітрила.
Часткове рішення має вигляд:
= sin(- ) - ,
де = - амплітудне значення кута крену;
= - початкова фаза.
За наявності вітрила збільшується значення коефіцієнта затухання , що зменшує амплітуду бортового хитання, а також виникає постійний кренуючий момент, що створює статичний кут крену судна.
Загальне рішення диференціального рівняння є сумою часткового рішення і рішення відповідного однорідного рівняння. При > загальне рішення приймає вигляд:
=t}[sint + cost ] + ,
де =(- ) - частота затухаючих коливань судна;
, - постійні інтегрування залежні від початкових умов.
У роботі одержані вирази для постійних інтегрування і :
= {+[+ + ] –
- },
= + + ,
де і - початкові значення кута крену і кутової швидкості.
Аналіз загального рішення показує, що власні затухаючі коливання судна доповнені гармонійними вимушеними коливаннями з частотою хитання.
Таким чином, використовування на судні вітрила збільшує початкову фазу , зменшує амплітудне значення кута крену і веде до виникнення постійного крену , причому знак “мінус” показує, що крен виникає на борт, протилежний борту напряму вітру (наприклад, при вітрі з правого борту виникає крен на лівий борт).
Одержаний вираз для кута крену дозволяє записати формули для подовжньої (t) і поперечної (t) сил вітрила в явному вигляді:
(t) = {(cos) + [sin+ cos(- )]}
[()) - ()].
(t)=- {(cos) + [sin+ cos(- )]}
[() + () ],
які можна обчислити в першому наближенні для розрахунку характеристик керованості судна за наявності вітрил.
З метою отримання точніших характеристик параметрів керованості судна в роботі також було розглянуте нелінійне рівняння бортового хитання судна, що має такий вигляд:
()+ + (t) + = sin,
яке відрізняється від відповідного лінійного рівняння другим нелінійним членом. Після елементарних перетворень приведене нелінійне рівняння для випадку установки на судні двох вітрил, виражається таким чином:
++ F() + {[(cos) + (sin+ cos)]
[()cos (t)+ () sin(t)] + [(cos) +
+(sin+cos)] [()cos (t)+ ()sin(t)]}/( ) =
= Msin,
де F() – відносний поновлюючий момент;
- відносний коефіцієнт демпферування;
і - піднесення центру вітрильності над центром тяжкості відповідно першого
і другого вітрил;
, - площі першого і другого вітрил;
і - кути набігання повітряного потоку на перше і друге вітрило.
Приведене нелінійне диференціальне рівняння інтегрується чисельно з використанням методу Рунге-Кутта-Фельдберга четвертого порядку.
За допомогою цього рівняння виявлялася оцінка впливу використовування двох вітрил на керованість суден типу “Олег Кошовий”.
Четвертий розділ присвячений вибору оптимального кута установки вітрила для зниження бортового хитання судна. Спочатку в розділі розглянуто розрахунок кутів установки вітрила, які відповідають максимальним значенням його подовжньої і поперечної сили, а потім викладений спосіб розрахунку оптимального кута установки вітрила.
У роботі показано, що амплітудне значення кута крену при бортовому хитанні залежить від коефіцієнта затухання :
= ,
який, у свою чергу, визначається виразом:
=(+)/(),
де - узагальнений параметр, що характеризує вітрорушій і залежить від параметрів вітрила, напряму вимпельного вітру, кута установки вітрила та інших змінних. Регульованим параметром, який впливає на величину , а, отже, і , є кут установки вітрила . При зміні також змінюватиметься величина кута , що веде до перерозподілу енергії вітру між силами тяги (t) і дрейфу (t). Узагальнений параметр пов'язаний з поперечною силою (t) і досягає максимуму в околицях максимального значення сили (t). Тому в роботі спочатку проведено аналіз співвідношення між кутами установки вітрила , при яких досягається максимальні значення сил (t) і (t) при різних напрямах набігання повітряного потоку .
Після цього проведено аналіз можливостей і умов вибору кута установки вітрила (), що забезпечує необхідну величину сили тяги (t) і максимальний параметр , можливий при заданому значенні (t), якому відповідає мінімальна амплітуда бортового хитання при заданій силі тяги.
У роботі одержані залежності сил (t) і (t) від кута установки вітрила при заданих кутах , вибраних рівними 30, 45, 60, 90, 120, 150 і 170 градусів. Для розрахункових значень () і () використані дані по суднах типу “Олег Кошовий”, причому залежності коефіцієнтів підйомної сили і опори від кута атаки представлені алгебраїчними поліномами:
() = , () = ,
де і - коефіцієнти апроксимуючих моделей, чисельні значення яких приведені в дисертації.
Результати виконаних розрахунків показали, що максимальна сила тяги вітри-ла і мінімальне бортове хитання судна досягаються на різних кутах установки вітрила .
У роботі позначені через і кути установки вітрила , на яких досягаються максимальні значення сил відповідно і , а для всіх напрямів повітряного потоку (від 0 до 180) були розраховані значення і .
У роботі показано, що для зниження амплітуди бортового хитання судна необхідно дещо зменшувати силу тяги , причому величина виграшу в зниженні бортового хитання буде пропорційна втратам в силі тяги .
Як обмеження у роботі вибрані завдані втрати в силі тяги , виражені у відсотковому відношенні, які позначені , і максимально можливе зниження амплітуди бортового хитання досягається таким чином.
При заданому значенні обчислюється величина =(1-) – мінімально допустима сила тяги з урахуванням вибраних відсоткових втрат, і визначається діапазон кутів установки вітрила , для яких дійсна умова () .
Межі діапазону позначені і . Потім для всіх значень [,] розраховується значення узагальненого параметра , і як оптимальний кут установки вітрила вибирається значення , при якому досягається максимум узагальненого параметра .
У роботі були визначені оптимальні кути установки вітрила залежно від напряму повітряного потоку () і заданих відсоткових втрат сили тяги суден типу “Олег Кошовий”. При розрахунках напрям повітряного потоку вибирався від 20 до 180, а процентні втрати приймали значення 3, 5, 10, 15, 20, 25 і 30%. У роботі результати розрахунку представлені у вигляді малюнків і таблиць. На мал. показана залежність оптимального кута установки вітрила від напрямку повітряного потоку при =10% (пунктирна крива, дві інші криві для заданого характеризують значення , при яких досягається максимум сил тяги та дрейфу).
Мал. Значення оптимальних кутів при = 10%
У п'ятому розділі досліджений вплив вітрорушіїв на керованість судна. Для дослідження був застосований метод математичного моделювання режимів руху судна, розроблений проф. Вагущенком Л.Л., а оцінка впливу вітрорушіїв на керованість судна розглядалася для суден типа “Віктор Кібенок” з жорсткими вітрилами типу “опускаючі жалюзі” ЛІСЕД за допомогою модифікованої математичної моделі.
Стан керованого об'єкту в програмі описується математичною моделлю, яка представлена системою п'яти диференціальних рівнянь першого порядку, що містять такі сили і моменти:
- - відцентрова сила;
- - позиційна гідродинамічна сила і її момент;
- - момент демпфуючої гідродинамічної сили;
- - упор гвинта, бічна сила гвинта і її момент;
- - сила на кермі і її момент;
- - аеродинамічна сила і її момент.
Математична модель має такий аналітичний вигляд:
,
де V - швидкість судна відносно води;
VL - подовжня складова швидкості судна відносно води;
VB - поперечна (бічна) складова швидкості судна відносно
води;
- кутова швидкість обертання корпусу щодо центру мас (ЦМ);
- швидкість перекладання керма;
n - частота обертання гвинта;
- швидкість зміни частоти обертання гвинта;
mL, mB, J - маси судна по подовжній і бічній осях і момент інерції з
урахуванням приєднаних мас;
Т, k - постійна часу і коефіцієнт передачі двигуна;
Т, k - постійна часу і коефіцієнт передачі кермового приводу;
- дискретний приріст кута кладки керма.
У приведеній системі індекси L, B позначають відповідно подовжню і бічну складові сили, діючі на судно.
Вхідними змінними цієї математичної моделі є кут перекладки керма і частота обертання гвинта n, а також значення факторів, що обурюють рух судна. До вихідних змінних моделі відносяться кінематичні параметри , які створюють вектор стану судна.
Для можливості дослідження руху судна з вітрильним озброєнням початкова математична модель Вагущенка Л.Л. була істотно доповнена. Це доповнення включало реалізацію можливості установки в ДП на заданій відстані від міделя будь-якого числа вітрил з урахуванням їх площі. Аеродинамічні сили тяги (t) і дрейфу (t) вітрил розраховувались за допомогою виразів, одержаних в дисертації, і включалися в математичну модель судна.
Така універсальна модифікована модель була використана для оцінки керованості суден типа “Віктор Кібенок” при наявності двох вітрил з площами по 198 м, причому відстань першого вітрила від міделя складає 41 м, а другого: -4 м.
Коефіцієнти приєднаних мас при моделюванні приймалися: k11=0,1, k22=1,0, k66=0,7. Площа лобової вітрильності судна у вантажі: 160 м. Параметри моделі визначалися за наявними даними про поворотність судна. Якість ідентифікації моделі була перевірена моделюванням контрольних маневрів курсом. Відмінність від наявних даних про поворотність судна не перевищила 10%. За допомогою моделювання для судна в повному вантажі і в баласті в роботі одержані циркуляції, елементи модельованого “зигзага 20/20”, маневру “пряма спіраль”, з яких виходить, що судно є нестійким. Граничний кут зворотної поворотності складає 2,30.
Дослідження впливу вітрорушіїв на керованість проводилося шляхом моделювання процесів стабілізації судна на курсі при русі різними ходами в різних вітрових умовах. Аналіз одержаних результатів показав, що при роботі вітрорушіїв в режимі максимальної тяги максимум їх сили дрейфу приходиться на курсові кути вітру в діапазоні 55-65. При небезпечному для судна курсовому куту 120 бічна сила від вітрил менше за максимальну приблизно в 6 разів. Тому бічна сила вітрорушіїв при курсових кутах 110-180 практично мало впливає на зсув керма і кут дрейфу. Сила ж тяга вітрорушіїв в цьому випадку близька до максимальної і приводить до істотного збільшення швидкості ходу, що спричиняє за собою зменшення зсуву керма і зменшення кута дрейфу при утриманні судна на одному курсі.
Найбільший вплив на кут дрейфу судна і зсув середнього положення керма при стабілізації курсу вітрорушії викликають при курсовому куті уявного вітру порядку 60. При такому курсовому куті вітру від роботи носового вітрорушія кут дрейфу зростає майже в два рази. Зсув середнього положення керма навпаки зменшується майже на третину і приводить до зменшення бічної сили керма, направленої в цьому випадку протилежно бічній аеродинамічній силі. Це пояснюється тим, що момент від бічної сили носового вітрорушія в цьому випадку протилежний по знаку моменту аеродинамічної сили, що розвивається на корпусі, і моменту позиційної гідродинамічної сили.
При роботі тільки другого вітрила при курсовому куті уявного вітру порядку 60 кут дрейфу судна збільшується приблизно в півтора рази, а зсув середнього положення керма – в 1,8 рази. Момент бічної сили другого вітрила в цьому випадку співпадає по знаку з моментом аеродинамічної сили, що розвивається на корпусі, і з моментом позиційної гідродинамічної сили. Робота другого вітрила приводить до збільшення зсуву середнього положення керма і до зростання його бічної сили, направленої на зменшення кута дрейфу.
Спільна робота двох вітрил при курсовому куті уявного вітру порядку 60 приводить до збільшення кута дрейфу судна в 2,3 рази і до збільшення зсуву середнього положення керма приблизно в 1,6 рази.
Питання впливу вітрорушіїв на маневри курсом було досліджене для ситуації, коли рушії працюють в режимі забезпечення максимальної тяги. Їх вплив на траєкторію повороту, виконуваного із заданою кутовою швидкістю, можна вважати невеликим (якщо запасу перекладань керма достатньо для забезпечення заданої кутової швидкості). Значніший вплив вони надають на поворот із заданим перекладанням керма, особливо при курсових кутах вітру, на яких вітрорушії істотно змінюють зсув середнього положення керма.
ВИСНОВОК
У дисертації одержане теоретичне узагальнення і нове рішення задачі впливу вітрорушіїв на керованість судна в умовах хвилювання. Це рішення полягає в розробці методу оцінки впливу вітрильного озброєння на керованість судна, який залежно від характеристик вітрил дозволяє моделювати різні режими руху судна, обчислювати параметри його качання і мінімізувати бортове качання.
В результаті проведеного дисертаційного дослідження одержані наступні основні наукові результати:
- процедура визначення параметрів хитання судна з урахуванням вітрильного озброєння;
- спосіб зниження бортового хитання судна шляхом керування кутом установки вітрил;
- метод модельної оцінки керованості судна з вітрильним озброєнням.
Практична значимість виконаного дисертаційного дослідження визначається тим, що одержаний в роботі метод урахування впливу вітрорушіїв на керованість судна може бути використаний не тільки для вітрильного озброєння, але і для інших типів вітрорушіїв, а також для різних типів суден з вітрорушіями.
Практична цінність роботи полягає у тому, що одержані в роботі алгоритми, програми та імітаційна модель, що забезпечує розрахунок параметрів хитання судна з урахуванням вітрильного озброєння, вибір оптимального кута установки вітрила для зниження бортового хитання, а також модельну оцінку керованості судна з вітрорушієм, можуть бути використані і упроваджені: на суднах з вітрорушіями для визначення їх реальної керованості і мінімізації бортового хитання; при проектуванні суден з вітрорушіями; при розробці вітрорушіїв.
Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в статтях:
1. Писклов В.Т., Заичко С.И. Оптимальное управление рулевым устройством судна-ветро-
хода // Автоматизация судовых технических средств. - 2000.-№ 5. – С. 57 – 69.
2. Писклов В.Т., Заичко С.И. Оценка эффективности применения ветроэнергетической уста-
новки // Судовые энергетические установки. - 1999. - № 3. - С. 12 – 19.
3. Писклов В.Т., Крылов О.Н., Заичко С.И., Варбанец Р.А. Методы оптимизации режимов
работы ветроэнергетической установки судна-ветрохода // Совершенствование судовых
энергетических установок и систем судов.– М.: Мортехинформреклама. - 1991.- С. 48-52.
4. Крылов О.Н., Заичко С.И., Писклов В.Т. Математическое моделирование поведения ветро-
хода в условиях комплексной автоматизации судовых технических средств. // Труды VII
Всесоюзной научно-технической конференции. - Л. - 1989.- С. 78.
5. Заичко С.И. Модельное исследование стабилизации судна, оснащенного жест ким парус-
ным вооружением, по заданному курсу. // Труды VII Всесоюзной научно-технической кон-
ференции. - Л. - 1989.- С. 75.
6. Заичко С.И. Моделирование стабилизации судна-ветрохода на курсе. // Труды Всесоюзн.
конф. “Физико-математическое моделирование при решении проблем гидромеханики и
динамики судов и технических средств освоения Мирового океана”. XXXIV Крыловские
чтения. - Л.- 1989. - С. 59-60.
7. Заичко С.И., Миюсов М.В. Моделирование аэродинамических характеристик ветродвижи-
телей в условиях качки судна.//Судовые энергетические установки.- 1999.- № 4.– С. 32-36.
8. Вагущенко Л. Л., Суязов Ю. Н., Заичко С. И. Оценка параметров нелинейной математичес-
кой модели движения судна по данным дискретних наблюдений // Реф. ж. Водный транс-
порт. - М., 1985. - 7 с. Деп. в Мортехинформреклама ММФ, № 389 от 8.01.85 г.
У першій публікації міститься методика автора по розрахунку характеристик коливальності в замкнутій системи для розробки адаптивного регулятора стабілізації судна з вітрорушієм на курсі.
У другій статті автором одержані аналітичні вирази для швидкості та напрямку вимпельного вітру в умовах бортової хитавиці.
У третій публікації авторові належить процедура розрахунку залежності тяглової сили та сили дрейфу вітрила від кута його установки для випадку, коли мінімізується бортова хитавиця судна.
Загальний підхід до моделювання поведінки судна-вітрохода автором запропонований в четвертій публікації.
У сьомій публікації автору належить дослідження аеродинамічних характери-тик т/х “Володимир Правік” при наявності бортової хитавиці в умовах вітру.
Оцінка параметрів моделі руху судна по дискретним спостереженням становить внесок автора в восьму публікацію.
АННОТАЦИЯ
Заичко С.И. Совершенствование методов управления судами с ветродвижителями. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.16 – Судовождение. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2004 г.
В диссертационной работе рассмотрена актуальная проблема обеспечения безопасности мореплавания судов с ветродвижителями, с учетом их влияния на управляемость судна в различных условиях, особенно при наличии волнения.
Основные направления диссертационного исследования, его актуальность и перспективность обоснованы в результате обзора и анализа литературных источников по проблеме разработки и безопасной эксплуатации судов с ветродвижителями. Для обоснованности основных научных положений, результатов и выводов и их достоверности произведено методологическое обеспечение диссертационного исследования. Определены цель, главная задача, научная гипотеза диссертационной работы, и методы, использование которых обеспечивает достижение поставленной цели.
Так как конечной целью диссертационного исследования является разработка метода учета влияния ветродвижителя на судно, которое подвержено воздействию постоянного ветра и волнения, то вначале были получены выражения для возмущающих сил ветродвижителя, влияющих на управляемость судна. С помощью методов механики и аналитической геометрии найдены выражения для продольной и поперечной составляющих силы ветродвижителя (сил тяги и дрейфа) в условиях бортовой регулярной качки, описанной детерминированным процессом. Указанные силы являются функциями значений скорости и угла набегающего воздушного потока, которые, в свою очередь, зависят от параметров вымпельного ветра. Данное обстоятельство потребовало поиска аналитического соотношения между параметрами вымпельного ветра и значениями скорости и угла набегающего воздушного потока, для чего были использованы методы аэродинамики. После этого, с помощью метода кинетостатики было получено дифференциальное уравнение движения судна по углу крена, как в линейной, так и в нелинейной форме, для решения которого использовались прямые и численные методы решения дифференциальных уравнений. Полученное решение однозначно определило аналитические выражения для продольной и поперечной сил ветродвижителя, которые необходимы при оценке управляемости судна, использующего ветродвижитель.
Анализ полученного уравнения угла качки судна с ветродвижителем показал, что амплитуда бортовой качки снижается пропорционально величине силы дрейфа. С помощью методов математического программирования и имитационного моделирования была сформулирована и решена оптимизационная задача выбора угла установки паруса, при котором достигается минимальная амплитуда бортовой качки судна при заданных значениях снижения силы тяги парусного вооружения. Предварительно, для решения поставленной задачи, были получены соотношение углов установки паруса, при которых достигаются максимальные значения его продольной и поперечной сил.
На заключительном этапе диссертационного исследования была произведена разработка модели оценки управляемости судна, использующего паруса, на которое воздействуют волнение. В качестве базовой была выбрана существующая математическая модель движения судна, позволяющая имитировать движение судна в различных условиях и производить оценку его управляемости. Для модернизации упомянутой математической модели в перечень сил, воздействующих на судно, были включены продольная сила тяги и поперечная сила дрейфа ветродвижителя. Настройка программы на конкретное судно реализовалась вводом в модель параметров судна и ветродвижителя. Модельная оценка управляемости выбранного судна с ветродвижителем в условиях воздействия на него волнения и постоянного ветра выявила особенности влияния ветродвижителя на качество стабилизации судна на заданном курсе и на его маневры курсом.
Ключевые слова: судно, ветродвижитель, оптимальность, бортовая качка, силы тяги и дрейфа, модельная оценка управляемости.
АНОТАЦІЯ
Заічко С.І. Вдосконалення методів керування суднами з вітрорушіями. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.16 – Судноводіння. Одеська національна морська академія, Одеса, 2004 р.
У дисертаційній роботі розглянута актуальна проблема забезпечення безпеки мореплавання суден з вітрорушіями, враховуючи їх вплив на керованість судна в різних умовах, особливо за наявності хвилювання.
У роботі одержане диференціальне рівняння руху судна з вітрорушіями по куту крену, як в лінійній, так і в нелінійній формі, аналіз рішення якого показав, що амплітуда бортового хитання знижується пропорційно величині сили дрейфу. Тому в роботі була сформульована і вирішена оптимізаційна задача вибору кута установки вітрила, при якому досягається мінімальна амплітуда бортового хитання судна при заданих значеннях зниження сили тяги вітрильного озброєння.
У роботі була запропонована модельна оцінка керованості судна, що використовує вітрила, в умовах хвилювання. Як базова була вибрана існуюча математична модель руху судна, яка була модернізована врахуванням сили тяги і сили дрейфу вітрорушія. За її допомогою були виявлені особливості впливу вітрорушія на якість стабілізації судна на заданому курсі і на його маневри курсом.
Ключові слова: судно, вітрорушій, оптимальність, бортове хитання, сили тяги і дрейфу, модельна оцінка керованості.
THE SUMMARY
Zaichko S.I. Improvement of the control methods for sailing vessels.- Manuscript. Ph.D. Dissertation. Specialization –05.22.16- Navigation. Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2003.
The problem concerning the provisions of safety of navigation of sail-driven vessels, including the influence of this propulsion type on steerability of the vessel in different conditions, especially in case of rough sea, was studied in this work.
The differential equation for determination of the vessel’s movement in dependence on the heeling angle was obtained in this work in linear and non-linear form. Analyzing which showed that the rolling amplitude decreases in linear proportion to the drift force. That’s why the problem of optimization of the sail’s set-up parameter calculation, in order to achieve the minimal roll amplitude in dependence on the given decrease of thrusting force of sail rigging, was set and successfully solved.
The model estimation of the steerability of the sailing vessel in rough sea conditions was proposed. Existing mathematical ship’s movement model was chosen as the basis, which was then modified with the consideration of thrusting and drifting forces of the sail. The special features of influence of the sail on the quality of ship’s heading stabilization, as well as their influence on ship’s maneuvering, were determined.
Keywords: Vessel, sail, optimization, rolling, thrusting forces, drifting forces, model estimation of steerability.
