Исследование физических процессов взаимодействия гребных винтов со льдом и разработка метода прогнозирования действующих на них ледовых нагрузок

• Автор: Беляшов, Валерий Адамович
• Шифр специальности: 05.08.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 158 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Экспериментальные исследования механики разрушения
льда лопастями гребного винта
1.1. Исследование напряжений в лопасти гребного винта атомного ледокола “Арктика“ в натурных ледовых условиях
1.2. Экспериментальные исследования разрушения натурного льда резанием
1.2.1 .Блокированное резание льда горизонтальными инденторами
1.2.2.Результаты измерения прочностных свойств исследуемого
льда
1.2.3.Механика разрушения льда при резании горизонтальными инденторами
1.2.4. Зависимость сил сопротивления льда резанию от его свойств, геометрических и кинематических условий взаимодействия
1.3. Экспериментальное исследование разрушения льда резанием
вертикальными инденторами
2. Разработка двухмерных математических схем взаимодействия режущих элементов простой формы со льдом
2.1. Взаимодействие со льдом острого режущего инструмента
2.2. Взаимодействие со льдом режущего элемента с площадкой затупления
2.3. Взаимодействие со льдом режущих элементов, расположенных
в области концевых сечений вертикальных инденторов
2.4. Режим прорезания льда
2.5. Феноменологическая модель взаимодействия лопасти гребного винта со льдом
3. Расчетно-экспериментальный метод определения ледовых нагрузок
на гребном винте при фрезеровании льда
3.1. Силовые параметры взаимодействия
3.2. Определение границ зон контакта лопасти со льдом
3.2.1. Зона контакта на засасывающей поверхности лопасти
3.2.2. Зона контакта на нагнетающей поверхности лопасти
3.3. Изменение зоны контакта при вращении лопасти относительно
льдины
3.3.1. Контрольные углы поворота лопасти
3.3.2. Изменение зоны дробления льда
3.3.3. Изменение зоны образования стружки отрыва
3.3.4. Изменение концевой зоны
3.4. Интегральные нагрузки на гребном винте в целом
3.5. Распределение давлений льда в зонах контакта
3.6. Учет взаимного влияния лопастей
3.7. Разработка рациональной формы профиля сечения лопасти гребного винта ледокола
3.8. Описание блок-схемы программы расчета ледовых нагрузок на движителе
4. Сравнительный анализ результатов расчетных и экспериментальных исследований влияния геометрических характеристик гребного винта и кинематических параметров его взаимодействия со льдом на уровень возникающих ледовых нагрузок
4.1. Результаты расчетного исследования влияния геометрических параметров гребных винтов и кинематики процесса взаимодействия на величину ледовых нагрузок
4.2. Экспериментальные исследования ледовых нагрузок на гребных винтах
4.3. Натурная проверка эффективности гребного винта ледокола
с оптимизированной формой профилей сечений лопасти
Выводы
Список использованной литературы
Введение.
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 ВЛ.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

неверна из-за подавляющего влияния боковых режущих кромок. В форме и структуре элементов стружки наблюдается определенная закономерность. В узкой зоне непосредственного контакта элемента стружки с передней гранью индентора происходит дробление льда до мелкодисперсного состояния - порошка белого цвета. На границе с металлической поверхностью индентора ледяной порошок начинает плавится - происходит фазовый переход. За этой зоной наблюдается область преимущественного сжатия льда, насыщенная трещинами сдвига, разрушающими кристаллы и вызывающими помутнение льда. Далее следует прозрачный не разрушенный лед, сохранивший свою структуру.
Это позволяет сделать вывод о том, что характер разрушения льда в зоне контакта с ножом и вне этой зоны разный - при нагружении льда по мере внедрения индентора в прилегающей к инструменту области происходит нарастание напряжений сжатия, локальное разрушение кристаллов льда и образование множества микротрещин; при достижении критического состояния у носика режущей кромки происходит прогрессирующее раскрытие и продвижение в сторону свободной поверхности льда генеральной трещины, приводящей к отделению главных элементов стружки силами отрыва или сдвига. На это указывает зеркальная поверхность отделившейся стружки. При практически мгновенном отделении накопленная в элементе стружки потенциальная энергия сжатия освобождается, приводя к разрыву его на части.
Затупление режущей кромки индентора в области непосредственного контакта приводит к существенному увеличению области сжатия льда. По всей площадке затупления образуется область локального дробления льда, имеющая ярко выраженный белый цвет. За слоем дробления находится область всесторонне сжатого льда, насыщенная внутренними трещинами. Объем этой области возрастает при увеличении размеров площадки затупления. Визуальные наблюдения за характером разрушения льда при резании ножами с закруглением кромки показали, что в зоне контакта по поверхности кромки, лежащей ниже центра закругления, лед интенсивно измельчается. Аналогичные явления происходят и в зоне контакта по передней грани вблизи режущей кромки. Но выше зоны контакта ножа возникают отдельные трещины, лед сохраняет целостность, остается прозрачным и отделяется от блока в виде сравнительно крупных элементов.
При достаточно больших глубинах резания раздробленный до мелкодисперсного состояния ледяной порошок выдавливается в тонком слое по мере продвижения индентора от некоторой критической точки на кромке как в сторону свободной поверхности, отрывая элементы стружки по аналогии с острыми резцами, так и под площадку затупления в сторону дна прорези. Выдавливание порошка под кромку индентора происходит не непрерывно, а периодически. Этот процесс наблюдается на участках, случайным образом распределенных вдоль тупой кромки. На это указывает случайное расположение по ширине и по длине дна прорези валиков выдавленного ледяного порошка. После прохождения индентора на дне прорези остаются глобальные трещины, распространяющиеся вглубь массива, и множество мелких трещин. На малых глуби-