Писклов В. Т. Вспомогательная ветроэнергетическая установка морского судна. Ми Транспорт, 1993.  —144 с.
Изложены результаты исследований, связанных с возрождением паруса на флоте, созданием отечественной автоматической системы управления судна-ветрохода с вспомогательной парусной ветроэнергетической установкой. Рассмотрена аэро- и гидродинамика моторно-парусного судна при различных ветроволновых условиях и принципах управления вспомогательным парусным вооружением.
Для судоводителей и судомехаников, может быть полезна читателям, интересующимся морской техникой.
Ил. 40, табл. 6, библиогр. 100 назв.
Рецензент В. Ф. Сыромятников Заведующий редакцией И. В. Макаров
Редактор И.В.Ридная
Производственное издание
ПИСКЛОВ Виктор Тимофеевич
ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТЯЧВСЖАЯ
УСТАНОВКА МОРСКОГО СУДНА
Обложка художника Е. Н. Волкова
Технический редактор Л Л Дягилева
Корректор-вычитчик С. М. Лобова
Корректор И. А. Попова
ИБ4ДО
Подписано в печать 68.64.93. Формат 60x88 1/1$. Бум. тип. № 2. Офсетная печать.
Гарнитура Пресс Роман. Усл. печ. л. 8,82. Усл. кр.-отт. 9,31. Уч.-изд. л. 9,9.
Тираж 1000 экз. Заказ 1137 С 130. Изд. № 1-3-1/10 № 6176
Текст набран на наборно-печатающих автоматах Ордена “Знак Почета" издательство "Транспорт", 103064, Москва, Басманный туп., 6а________________________
Московская типография № 9 НПО Министерства печати и информации РФ
109033, Москва, Волочаевская ул., 40
„ 3205030000-130 , „ П	— 107-93 (КБ-3-661-93)	© В. Т. Писклов, 1993
049(01>93	© Издательство "Транспорт"-
	иллюстрации, оформление,
ISBN 5-277-01596-5	1993
ПРЕДИСЛОВИЕ
Защита природы, сохранение окружающей среды, поддержание экологического равновесия на Земле — важнейшая социальная задача, стоящая перед человечеством. Из всех природных источников энергии, которые могут использоваться для движения судов без химических или физических преобразований (ветра, морских волн, солнечной энергии, теплоты океана), ветер является первостепенным. Уже сейчас не следует отказываться от энергии ветра для транспортных целей [15, 50].
Ветер и парус - экологически чистые энергетические средства. Развитие судов-ветроходов, движущихся с помощью парусного вооружения, обусловлено жизненной потребностью проведения во всех сферах народного хозяйства целенаправленной энергосберегающей политики.
Исследования показывают, что энергия ветра может быть успешно применена в качестве главного или вспомогательного источника для различных групп судов: транспортных, круизных, смешанного плавания, исследовательских, рыбопромысловых, учебных и других [4, 31, 34,36].
Первый опыт эксплуатации современных судов с дополнительным ветродвижением указывает на необходимость обоснованного оборудования их комплексом технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию движения судна. В такой комплекс входит система автоматического или дистанционного автоматизированного управления вспомогательным парусным вооружением.
Книга посвящена проблеме возрождения вовлечения в энергетический баланс морского судна неиссякаемой силы ветра на качественно новом техническом уровне, что связано со стремлением к сокращению расходов на топливо, естественным процессом истощения мировых запасов нефти и усложнением ее добычи, а также с решением экологических вопросов. Парус (или ветродвижитель) и сейчас остается в качестве вспомогательного судового движителя простым и удобным средством для использования энергии ветра на флоте. Одним из центральных вопросов при проектировании, строительстве и эксплуатации судов с вспомогательным ветродвижением является разработка и создание эффективных конструкций ветродвижителей. Основной отличительной чертой таких ВД является приспособленность к автома
тизации управлением (постановка, уборка, поворот) при совместном использовании их с главной СЭУ.
Автором сделан анализ современного состояния вопросов, связанных с разработкой, созданием, опытом и практикой эксплуатации судов с вспомогательным ветродвижением. Подбор и расположение материала, а также включение большого числа примеров по применению на морских судах ветродвижителей наиболее распространенных конструкций придают материалу практическую направленность. Приведен также сравнительный анализ аэродинамических характеристик ВД различных типов и показана эффективность их применения на морских судах.
Предлагаемая книга - первый опыт обобщения результатов современных исследований и анализа перспектив развития транспортных судов с вспомогательным ветродвижением. Работая над ней, автор в значительной мере опирался на собственные исследования, а также на анализ и результаты эксплуатации отдельных судов с вспомогательным парусным вооружением.
КРАТКИЙ ТОЛКОВЫЙ СЛОВАРЬ ПРИМЕНЯЕМЫХ ТЕРМИНОВ И ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АДК
АДХ АИИС
АР
АСУ
АТР
АЧХ Бакштаг
Бейдевинд
ВВЭУ
ВД
ВПВ
ВИЦ
ВФШ
ВЭУ
Галс
Галфвинд
ГД ГДК
Гик
ГК
—	аэродинамический движитвльный комплекс (комбинация ротора с крылом)
—	аэродинамические характеристики
—	автоматическая информационно-измерительная система
—	авторулевой — электронавигационный прибор для автоматического удержания судна на заданном курсе
—	автоматизированная система управления
—	автоматический типизированный ряд
—	амплитудно-частотная характеристика
—	курс парусного судна, при котором его продольная ось образует е направлением ветра угол более 90° (при ветре с кормы сзади) и менее 180° (при ветре сбоку)
—	курс парусного судна при встречно-боковом ветре, когда угол между продольной осью судна и направлением ветра менее 90°
«• вспомогательная ветроэнергетическая установка, расположенная на судне и применяемая как вспомогательная для движения судна, т. е. дополняющая главную судовую энергетическую установку
—	ветродвижитель-устройство, входящее в состав ветроэнергетической установки, непосредственно воспринимающее кинетическую энергию ветра и преобразующее ее для движения судна
—	вспомогательное парусное вооружение, используемое как вспомогательный движитель судна
—	винт регулируемого шага — гребной винт, лопасти которого могут поворачиваться относительно осей, перпендикулярных оси гребного вала — винт фиксированного шага — цельный винт с лопастями, отлитыми вместе со ступицей
—	ветроэнергетическая установка — комплекс технических устройств и механизмов для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию движения судна
—	положение судна относительно ветра. Различают левый галс (ветер дует с левой стороны) и правый галс (ветер справа)
—	курс парусного судна, при котором его продольная ось составляет с направлением ветра угол 90°. О судне, идущем в галфвинде, говорят, что оио идет в "полветра”
—	главный двигатель
—	гидродинамический коэффициент
—	горизонтальное рангоутное дерево, опирающееся одним концом (пяткой), снабженным вертлюгом, в мачту и служащее для растягивания нижией шкаторины (кромки) косого паруса-грота, фока или бизани
—	гирокомпас — гироскопический навигационный прибор, обладающий направляющим моментом и предназначенный для выработки курса судна и определения направлений на земные ориентиры. Действие гирокомпаса основано на стремлении осн гироскопа, центр тяжести которого расположен ниже точки подвеса, совместиться с плоскостью меридиана под влиянием суточного вращения Земли
дп	— диаметральная плоскость — воображаемая вертикальная плоскость, делящая судно в продольном направлении иа две равные и симметричные части
ИУ	— интегрирующее устройство, интегратор — вычислительное устройство для определения интегралов некоторых видов; по способу представления величин деляг на аналоговые и цифровые
кос	— коэффициент обратной связи (обратная связь — воздействие результатов функционирования системы иа характер дальнейшего функционирования этой же системы или управляемого процесса на управляющий орган)
кхк	— кинематические характеристики качки
ЛБ	— левый борт
Моторно-парусное- судно, иа котором используют энергию ветра для движения с по
судно Оверштаг	мощью вспомогательного парусного вооружения — поворот парусного судна иа новый галс против ветра, при котором нос судна пересекает направление (линию) ветра
ПБ ПВ	— правый борт — парусное вооружение — вид ветродвижителя (совокупность парусов, рангоута, такелажа, палубных механизмов и дельных вещей) для Преобразования энергии ветра в энергию движения судна; может
ПИД	быть как основным, так и вспомогательным движителем — пропорциоиальио-интегральио-дифференциальный (закон управления)
Подъемная сила Поляра	— сила, перпендикулярная вектору набегающего воздушного потока — кривая, выражающая зависимость между аэродинамическими коэффициентами подъемной силы и лобового сопротивления паруса при различных углах атаки
псвв ПЭВМ Рангоут	—	преобразователь составляющих вектора ветра —	персональная электронно-вычислительная машина —	совокупность надпалубных деревянных и металлических частей судового оборудования; иа парусных судах предназначен для постановки и растягивания парусов
РМ PC Судио-вегроход	— рулевая машина — рыболовное судно — судно, иа котором для движения используется энергия ветра с помощью парусного вооружения
СЭУ Такелаж	— судовая энергетическая установка — совокупность судовых снастей, для поддержания рангоута, подъема сигналов, спуска шлюпок, грузоподъемных работ; на парусных су-
ТЭО Угол атаки	дах служит также для подъема рангоута и парусов и управления ими — технико-экономическое обоснование — угол между хордой крыла и вектором скорости набегающего воз-
Фал	душного потока — судовая снасть для подъема реев, гафелей, парусов, флажных сиг-
Фордевинд	налов — курс парусного судна, совпадающий с направлением ветра; поворот
ЦТ чэ	судна, при котором оно пересекает направление ветра кормой — центр тяжести — чувствительный элемент
Глава I
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ НА СУДАХ
М. ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА СУДАХ
Необратимость процесса истощения мировых запасов невозобновляемых источников энергии и повышение затрат на их добычу приводят к необходимости комплексного использования всех энергетических ресурсов и всемерной их экономии. Большое внимание при этом, как правило, уделяется широкому использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (солнечной, геотермальной, приливной, ветровой) с целью внедрения в народном хозяйстве топливосберегающих технологий [60,61].
Энергосберегаемость на морском флоте в составе более общей проблемы ресурсосберегаемости становится актуальной задачей по мере исчерпания запасов топлива и в сипу его дороговизны. До настоящего времени проблема энергосберегаемости на флоте традиционно решалась в основном по двум направлениям:
максимальная экономия топлива на судах путем совершенствования главных энергетических установок и движителей, оптимизация скоростей и принятие других мер, ведущих к снижению энергонасыщенности судов;
переключение СЭУ на виды топлива, запасы которого более значительны, чем запасы нефти.
Анализ современного состояния данных направлений показывает следующее. Первое направление частично совпадает с стремлением судостроителей повысить эффективность работы двигателей и пропульсивные свойства судов, частично - с мерами по оптимизации скоростей, соответствующих складывающемуся уровню как фактических, так и перспективных цен на топливо.
Несмотря на важность исследований по первому направлению, следует отметить ограниченные возможности в области дальнейшей оптимизации обводов и движителей, так как в данной области сделано почти все, что можно было сделать. Дальнейшие сравнительно небольшие усовершенствования обводов и движителей в принципе возможны, но будут требовать таких затрат (в том числе на экспериментальную базу), которые мало уступят достигаемому экономическому эффекту. Оптимизация скоростей на практике означает возвращение судов к более умеренным скоростям, что приводит к снижению их конкурентоспособности в общем комплексе транспортных средств.
Второе направление — по переходу на новые виды топлива — носит поисковый характер, но будет становиться более интенсивным по мере исчерпания запасов нефти.
Из данных рассуждений следует, что энергосберегаемость на флоте связана в первую очередь с необходимостью сбережения топлива. Поэтому частично энергосберегающими можно считать такие суда, у которых топливо расходуется меньше по сравнению с какими-либо другими судами, имеющими те же скорость и полезную нагрузку. Полностью энергосберегающими можно считать суда, которые совершенно не требуют топлива, либо требуют его в минимальных количествах для вспомогательных целей.
В связи с этим в последнее время возникло третье направление энергосберегаемости на флоте - широкое использование традиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь энергии ветра для движения судов [31]. Данное направление позволило обосновать создание современных судов с комплексом технических устройств, называемых ветроэнергетической установкой.
Такие суда-ветроходы являются современной версией парусных судов, которые до середины XIX в. являлись основным типом судов в судоходстве и судостроении.
Парус как движитель, использующий энергию ветра, применяется на флоте давно.
Основные причины упадка парусного флота с середины XIX в.: развитие научно-технического прогресса на морском флоте;
на парусниках прошлого ветер являлся единственным источником энергии для движения судна, поэтому не было гарантий выполнения графика перевозок груза;
обслуживание парусников требовало значительного экипажа; необходимости высокого мастерства при работе с парусами; труд был тяжелым и опасным;
значительная площадь парусов приводила к недостаточной остойчивости судна, существовала проблема безопасности при штормовых условиях;
сложность палубного оборудования затрудняла перегрузочные работы.
Факторы, способствующие внедрению на судах ветроэнергетических установок:
достижения в области аэродинамики, позволяющие повысить тяговые характеристики как парусного вооружения, так и ветродви-жителей различных конструкций;
накопление обширной информации о вероятностных характеристиках ветроволновых режимов Мирового океана и достоверность текущих прогнозов, обеспечивающие возможность выбора оптимальных маршрутов судов с учетом практической обстановки (должны способствовать повышению регулярности движения и безопасности плавания судов с ВЭУ, в состав которых входят различные типы ветродвижителей);
развитие приборной и вычислительной техники, позволяющее оптимизировать параметры установки парусов и других ветродвижите-лей на судах по отношению к ветровому потоку, что повысит эффективность использования ВЭУ в целом;
создание легких и прочных тканей, других конструкционных материалов, а также малогабаритного комплектующего оборудования, что обеспечивает возможность создания легких автоматизированных конструкций парусного вооружения и других ветродвижителей, эксплуатация которых возможна без увеличения численности экипажа.
Вместе с тем для возвращения парусного вооружения (или применения иных ветродвижителей) на современный флот должны быть учтены требования, предъявляемые к морскому судну:
обеспечение безопасности пассажиров, экипажа и перевозимого груза, а также требуемой скорости доставки груза;
установка ветродвижителей не должна затруднять перегрузочные операции, а система ветродвижителей должна обладать высокими аэродинамическими характеристиками при широком использовании диапазона скоростей и направлений ветрового потока;
управление ветроэнергетической установкой не должно влиять на численность экипажа; установка должна работать при минимальной затрате энергии и обладать высокой ремонтопригодностью.
В связи с перспективами возрождения судов, использующих для движения энергию ветра, начинает формироваться новая наука -судовая ветротехника (как дополнительный раздел общего судостроения). Разработки морских судов с парусным вооружением или иным способом использования ветровой энергии интенсивно ведутся в Японии, США, Германии, Великобритании, Франции и других странах, причем проводятся теоретические и экспериментальные исследования гидро- и аэродинамики судов - ветроходов.
В нашей стране в последние годы выполнены работы, показавшие явную целесообразность экономии топлива на отечественных транспортных судах благодаря использованию ветровой энергии, а сама ВЭУ морского судна не только является средством экономии топлива, но и способствует сохранению окружающей среды. Однако установка ВЭУ на современном транспортном судне и эксплуатация ее в качестве дополнения к ГД требуют дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
U. ПРИМЕНЕНИЕ НА СУДАХ
КЛАССИЧЕСКОГО И МЯГКОГО ПАРУСНОГО ВООРУЖЕНИЯ
Анализ возможностей использования энергии ветра на морских судах позволяет выделить два направления в ветродвижении:
применение ветроэнергетических установок с традиционными Схемами парусного вооружения (или другими ветродвижителями) в качестве основного или вспомогательного средства движения;
разработка и применение ветродвижителей новых типов на судах-ветроходах.
Данные направления использования энергии ветра на флоте определили две основные группы судов-ветроходов.
К первой группе относятся большие парусные суда, сохраняющие традиционные или незначительно измененные характеристики классических парусников конца XIX - начала XX вв. при максимально возможной степени механизации работы с парусами. Такие суда-ветро-ходы применяют, как правило, в качестве учебно-производственных и исследовательских судов.
Сторонники этой группы судов-ветроходов утверждают, что ’’экзотические” паруса, а также отсутствие шума машин привлекут внимание пассажиров. У таких судов-ветроходов парусное вооружение является основным средством движения, а энергетическая установка - вспомогательным движителем.
Первые опыты показали, что в современных условиях на морских судах имеет смысл использовать ветродвижитель как вспомогательный двигатель. Это диктуется необходимостью преодолевать штилевые зоны и не терять время на лавирование (из-за низкого бокового гидродинамического качества современных транспортных морских судов) при встречных ветрах, а также требованиями прохода по каналам, проливам и оживленным линиям. Кроме того, современные суда не могут терять время на вход в порт и выход из него, на швартовные операции, а также нарушать график перевозки грузов, т. е. зависеть от погодных условий подобно судам-ветроходам, на которых ПВ является основным движителем судна.
О таких моторно-парусных судах, приводимых в движение одновременно энергетической установкой и вспомогательным ветродвижи-телем. и будет идти дальше речь. Суда с ВВЭУ относятся ко второй группе судов-ветроходов, использующих энергию ветра.
Рассмотрим отдельные примеры судов-ветроходов, на которых в состав ВВЭУ входит мягкое парусное вооружение.
Мягкие вспомогательные паруса применяют на грузовых судах прибрежного плавания. На сухогрузном судне ’’Атлантик Коаст” дедвейтом 3085 т была поставлена с помощью якорной лебедки мачта с прямоугольным парусом площадью 120 м2. Ветер силой 6-8 баллов увеличивает скорость судна на 1,5 уз, что снижает на 1000 л/сут расход топлива у дизеля Нохаб-Полар мощностью 1210 кВт. Стоимость парусного вооружения 2500 долл. [84].
Кроме разработок мягкого прямого ПВ, имеются также суда с мягким косым ПВ (используются паруса разных типов: гафельные, бермудские, стаксельные, ’’вингсейл”, ’’уишбон” и др.). Данный вид ПВ применяют на океанских, морских и каботажных судах, а также патрульных и рыболовных судах и плавсредствах для добычи полезных ископаемых. Примером могут служить [68-70] бермудская шхуна ’’Вестерн Флайер” фирмы ”Оушн Кэрриере Корпорейшн”, стаксельная шхуна для Австралии фирмы ’’Уорнер Пацифик Лайн”, бермудское
вспомогательное ПВ, устанавливаемое на грузовых устройствах фирмы ’’Винд Шип Девелопмент Корпорейшн”, вспомогательное стаксельное вооружение для грузовых судов Ливерпульской судоходной компании, шхуна с парусами ’’вингсейл” Пристонского университета. В 1975 г. на буксире ’’Стил Ребел” (США) длиной 14 м были установлены две мачты с гафельным ПВ, обеспечившим среднее увеличение скорости на 1,6 уз и снижение расхода топлива на 30 %. Прирост скорости зависел от загрузки буксира [71]. В 1979 г. той же фирмой был введен в эксплуатацию портовый буксир ’’Норфолк Ребел” с энергетической установкой мощностью 240 кВт (размерения: 14,6x4,65x1,69 м). Мачты, несущие косые паруса, могут заваливаться, обеспечивая проход под мостами. Суммарная площадь парусов 79 м2, предусмотрен съемный бушприт, на котором могут быть поставлены дополнительные паруса, увеличивающие общую площадь парусности до 128 м2. Скорость без загрузки буксира под парусами 7- 8 уз, а при использовании главного двигателя 10 уз.
Фирма-проектант ’’Меррит Н. Вальтер” считает, что применение ПВ при буксировках позволит экономить 50-60 % топлива. Имеются разработки по созданию буксирных судов с ПВ для линий большой протяженности [72, 73], постановке мягких косых парусов, управляемых с помощью ЭВМ, на крупнотоннажные суда.
С августа 1981 г. в Карибском море эксплуатируется сухогрузное судно ’’Мини Лейс” дедвейтом 3000 т, оборудованное мачтой и треугольным парусом американской фирмы ’’Винд Шип Девелопмент Корпорейшн” (рис. 1.1) [74]. Парус площадью 278 м2, изготовленный из дакрона, при необходимости может наматываться на вращающуюся мачту с гидроприводом. Управление парусным вооружением, которое обошлось судовладельцу в 250 тыс. долл., осуществляется из ходовой рубки, причем постановка паруса занимает около 2 мин.
За первые 14 мес эксплуатации среднесуточный расход топлива главным двигателем составил 2,13 т, что на 24 % меньше, чем у однотипных судов без ПВ. Скорость при этом возросла с 5,5 до 5,7 уз, т. е. на 4,6 %. Экономия на топливе составляет 50-100 тыс. долл, в год. Если ориентироваться на меньшее значение, то при проектном сроке службы ПВ около 5 лет оно окупится примерно только за 4,4 года.
Во Франции по заказу американской компании ’’Виндстар Сэйл Круизес” построены два круизных лайнера ’’Винд Стар” и ’’Винд Зонт” пассажировместимостью по 200 чел. (главные размерения судов: длина 134 м, ширина 15,8, осадка 3,9 м) [75]. Управление мягкими парусами бермудского типа, размещенными на четырех мачтах высотой 45 м, осуществляется автоматически. Паруса площадью 1860 м2 убираются за 2 мин. Предусмотрена антикреновая система с использованием балластных танков, обеспечивающая предотвращение углов крена более 6°.
При создании круизных судов-ветроходов за основу был принят проект финского круизного судна ’’Виндкруизер”. Однако если в финском проекте ПВ было основным движителем, то в рассматриваемом случае оно является вспомогательным движителем. Так, дизель-
Рис. 1.1. Сухогрузное судно "Мини Лейс"
электрическая энергетическая установка фирмы ’’Липе”, работающая на ВРШ, обеспечивает судну при ходе без парусов скорость 12 уз^Суда-ветроходы были поставлены заказчику в 1986 и 1987 гг.
Особое место среди моторно-парусных судов японской постройки занимает универсальное судно ’’Тропикал Марина”, вступившее в эксплуатацию в начале 1984 г. На грузовых стрелах Т-образных мачт устанавливают мягкие треугольные паруса площадью по 190 м2, а перед носовой мачтой - небольшой стаксель [76].
Анализируя применение вспомогательного ПВ на рыбопромысловых судах, следует отметить, что в последние годы экономическим показателем для PC является отношение расхода топлива к массе (и соответственно - стоимости) улова. По французским данным, уже к 1982 г. для получения 1 кг рыбы, разгружаемой во Франции, был необходим 1 л топлива. Очевидно, одним из путей снижения эксплуатационных расходов является снижение потребления топлива путем применения паруса для движения судна. Применение вспомогательного ПВ на рыбопромысловых судах рассматривается двояко: с одной стороны - возможность сократить время перехода до района промысла и обратно, с другой - для увеличения скорости на промысле (тяги). Парус может быть также в качестве пассивного средства, стабилизирующего судно в определенном положении. Разнообразие в подходе к 12
этим вопросам оказывает влияние и на различие в соотношении между водоизмещением и площадью парусов.
Во Франции, США, Японии, Норвегии ведутся исследования, проектирование и строительство PC с современным парусным вооружением. Во Франции ведется работа как с однокорпусными судами, так и с двухкорпусными (катамаранами). Заслуживает внимания серия тунцелоЕ-. ь для лова ярусом и для других видов лова с малым потреблением топлива, эксплуатирующихся с 1981 г. Примером может служить моторно-парусный гунцелов ”Эол”: длина наибольшая 19,3 м, ширина 6, осадка 3,2 м, объем трюма 50 м3; двигатель мощностью ЮЗ кВт обеспечивает скорость 9 уз; экипаж 5-6 чел; две мачты несут паруса общей площадью 202 м2; площадь спинакера 104 м2, высота мачт 15 м. Рифление парусов осуществляется накручиванием на штаг при помощи гидравлического привода с дистанционным управлением. Скорость под парусами 9-10 уз, при выставленных 16 ярусах судно может двигаться со скоростью 4- 5 уз. Парусное вооружение обеспечивает почти 80 % снижения расхода топлива. Кроме тунцелова ”Эол”, были спроектированы для несения парусного вооружения однотипные рыболовные суда ’’Кадудал” и ’’Эриспо”. Общая стоимость трех судов 225 тыс. ф. ст. Расчеты показали, что годовая экономия топлива для региона составит 200 т стоимостью 25 тыс. ф. ст., в то время как стоимость ПВ составляет 20 тыс. ф. ст. Таким образом, усовершенствование окупится менее чем за год [77,78].
Характерной чертой проектов рыбопромысловых судов США является использование яхтенных корпусов либо корпусов традиционных ’’народных” типов.
В Японии парус, кроме использования на небольших лодках, применяют как стабилизатор на судах с пассивным орудием лова -дрифтерными сетями, ярусами. Подобные устройства устанавливают на норвежских судах. Благодаря этому удалось ограничиться только одним подруливающим устройством, уменьшилась длительность работ» главного двигателя, снизился уровень шума.
В целом подсчитано, что экономия топлива от применения паруса составляет не менее 10-15 %.
Имеются разработанные проекты двухкорпусных рыбопромысловых судов с мягким ПВ. Площадь парусов таких катамаранов может быть 60- 90 м2, экономия топлива в отличие от аналогичного однокорпусного PC 15-20 % [79].
Приведенные примеры не исчерпывают перечня зарубежных проектов и эксплуатирующихся судов-ветроходов, оборудованных мягким прямым и косым ПВ. Автор и не ставил перед собой такую цель. Задача была - проанализировать возможность и готовность современных судов для использования на них классических образцов мягкого ПВ (в качестве основного или вспомогательного движителя), а также рассмотреть проблемы, решение которых неотрывно связано с созданием современных судов-ветроходов.
1Д ПРИМЕНЕНИЕ НА СУДАХ ВВЭУ
Интерес к судам с ВВЭУ в последнее время возрастает в связи с созданием новых эффективных высокомеханизированных ветродвижителей практически вне зависимости от конъюнктуры цен на топливо.
Планомерная работа с 1979 г. японских фирм НКК и ’’Джамда” на экспериментальном судне ”Дайо” (крупномасштабной модели танкера дедвейтом 480 тыс. т, выполненной в масштабе 1:15) привела к выводу, что наиболее целесообразно применение ПВ на судах дедвейтом 10-35 тыс. т [80].
Модель, построенная в мае 1979 г., размерениями 25,0x4,5x2,3 и осадкой 1,5 м, водоизмещением около 148 т оборудована тремя мачтами высотой по 8,8 м, на каждой из которых установлен один парус (рис. 1.2,а). Все мачты поворотные. Фок- и грот-мачты - прямоуголь-
Рис. 1 Л. Японский танкер "Син Аитоку Мару" с жестким парусным вооружением
ные равных размеров (7x4 м). В плане оба паруса характеризуются Постоянной по высоте кривизной (10-14 %) каркаса, на котором закреплена парусящая поверхность. Фок-мачта (рис. 1.2, б) образована продольно-поперечным металлическим набором (состоящая из боковых и горизонтальных шкаторин), на котором закреплена обшивка из синтетического жесткого пластика. Грот-мачта (рис. 1.2, в) состоит из единого мягкого полотнища, растянутого на трех металлических реях заданной кривизны, боковые шкаторины свободны. Мягкая бермудская бизань (парус комбинированный, материал полотнища, что и у грот-мачты, высота 6,45 м и длина основания 4,65 м) крепится к профилированной мачте размерами 7x1,5 и к гику (рис. 1.2, г).
Установка парусов под заданным углом к ветру (поворотом мачт) осуществляется от электродвигателя, управляемого из ходовой рубки. На модели установлен двигатель мощностью 7,4 кВт, позволяющий развить скорость 4,2 уз.
Фок ”Дайо” послужил прототипом парусного вооружения японского экспериментального танкера ”Син Аитоку Мару”, эксплуатируемого с осени 1980 г. (рис. 1.3). Главные размерения танкера 66x10,6x5,2 м, осадка 4,4 м, дедвейт 1600 т; мощность главного двигателя 1180 кВт при частоте вращения 250 мин-1 с передачей на ВРШ, скорость 12 уз, численность экипажа 10 чел. [81, 82].
На испытаниях судно развило скорость 13 уз только при работе двигателя (при мощности 965 кВт и убранных парусах). После поста-
Рис. 1.4. Расположение японского парусного вооружения на судне (а), положение жесткого парусного вооружения рабочее (б) и нерабочее (в)
новки парусов при скорости ветра 15 м/с та же скорость судна поддерживалась при мощности двигателя 735 кВт, т. е. экономия мощности в этом случае составила 23 %. Считается, что в среднем 15 % мощности будет обеспечиваться с помощью ПВ и 85 % - с помощью ГД. Стоимость судна 530 млн. йен, что на 15 % превышает стоимость обычного танкера того же дедвейта, однако компания НКК считает, что эта разница быстро окупится. Стоимость ПВ составляет 60 млн. йен [82].
Цель применения ПВ - обеспечение судну заданной скорости совместно с двигателем. Парусное вооружение (рис. 1.4) состоит из двух поворотных мачт (поворачивается лишь надпалубная часть мачты со скоростью 2 мин"1 при помощи гидравлического привода). Каждый парус состоит из трех вертикальных секций (центральной и двух бортовых) и в рабочем состоянии характеризуется постоянством радиуса кривизны в плане по всей высоте. Неподвижная относительно поворотной части 6 мачты центральная секция 2 паруса (рис. 1.5) выполнена полностью из металла.
Эта секция является опорой, к которой шарнирно прикреплены подвижные бортовые секции 3. Каждая из них представляет собой стальную раму с продольным и поперечным стальным набором, на котором в качестве несущей поверхности закреплен синтетический пластик. С помощью гидроцилиндра 5 и системы тяг 4 бортовые секции 1б
паруса могут поворачиваться, складываясь вокруг мачты и образуя вместе с центральной секцией относительно обтекаемый контур, либо устанавливаться в рабочее положение (1 - датчик скорости и направления ветра; 7 - гидропривод; 8 - неподвижная часть мачты). Размеры установленного паруса: высота 12, ширина 8 м, площадь около 100 м1, использование его - при скорости ветра до 20 м/с и углах атаки 60-180482].
В состав ВВЭУ ”Син Аитоку Мару”, кроме жесткого ПВ, также входят: система автоматического управления парусами и двигателем; гидропривод для установки ПВ под определенным углом к направлению ветрового потока; гидропривод и система тяг, позволяющая занять парусам рабочее или нерабочее положение.
Микрокомпьютер, получая сигнал о скорости и направлении ветра, определяет оптимальный угол атаки паруса и выдает команду на гидропривод об установке паруса под этим углом или его уборке. Одновременно регулятор нагрузки изменяет частоту вращения двигателя и угол установки ВРШ, обеспечивая заданную постоянную ско-
рость судна.
Выше отмечалось, что благодаря использованию парусов ожидается 10-15 %-ная экономия топлива. В целом же компания ’’Аитоку Шип-пинг Компани Лтд”, которой принадлежит судно, ожидает 50 % выигрыша в расходе энергии в связи с улучшениями, предусмотренными при проектировании комплекса корпус - гребной винт - двигатель и системы утилизации газовыпускного тракта! двигателя.
Принципы, алгоритмы и технические характеристики систем управления, обоснованные при разработке и прошедшие апробацию в эксплуатационных условиях танкера ”Син Аитоку Мару”, получили дальнейшее развитие при создании последующих мало- и среднетоннажных судов с ВВЭУ.
Под японским флагом эксплуатируется более 15 судов, на 13 из которых установлены паруса фирмы ”НКК - Джамда”. Основной тип судов с ПВ - танкеры, химовозы, для навалочных грузов, типа ро-ро, научно-исследовательские. Их водоизмещение колеблется от 620 т (’’Наитоку Мару”) до 41 тыс. т (”Акуа Сити”). Однако судов с водоизмещением более lOjrbic. т всего два: ”Акуа Сити” и ’’Узуки Пайонир” (рис. 1.6) [84], а в 1985 г. в Японии построен рудовоз ’’Онга Мару” с вспомогательным ПВ дедвейтом около 200 тыс. т [85].
Балкер ”Акуа Сити” дедвейтом около 31 тыс. т является первым в мире грузовым
Рис. 1.5. Японское парусное вооружение
Рис. 1.6. Японское судно "Узуки Пайонир"
судном дальнего плавания с ВВЭУ. Судно строилось на японской верфи корпорации ”НКК - Тзуруми” для судоходной компании ”Акуа Сити Марине” (Либерия) и будет работать на перевозках между японскими портами и портами Канады и США.
Основные технические характеристики парусного балкера следующие: судовая установка - малооборотный дизель фирмы ’’Зульцер 6RTA58”, длина наибольшая 179,9 м, ширина на миделе 26 м, высота борта на миделе 14,5 м, осадка 10,38 м, дедвейт 30,9 тыс. т; мощность главных двигателей 6108 кВт при частоте вращения 99 мин-1, скорость в эксплуатации 14 уз, общая площадь парусов 2x176 м2, скорость ветра, необходимая судну, 20 м/с и менее.
Судно оборудовано двумя парусами прямоугольной формы на стальных каркасах размерами 16x11 м, установленными в носовой части. Парусное вооружение управляется с помощью компьютера и устанавливается ”по ветру” автоматически.
Отмечают, что при благоприятных погодных условиях (горизонтальном ветре со скоростью 20 м/с) возможная максимальная экономия топлива составит 30 %.
Балкер ”Акуа Сити” является традиционным судном, оборудованным парусйми уже после постройки и предназначенным (в сообщении корпорации НКК) главным образом для испытаний парусного вооружения. В том объеме, в котором разработано ПВ для теплохода ’’Узуки Пайонир”, оно не предусматривает наличия системы связи между парусами и главными двигателями или другой специализированной системы для повышения эффективности использования парусов.
Балкер-лесовоз ’’Узуки Пайонир” дедвейтом 26 тыс. т оборудован ВВЭУ, в состав которой входит ПВ общей площадью 640 м2, изготовленное из морозоустойчивой ткани. Два главных двигателя мощностью по 2430 кВт работают на тяжелом топливе через редуктор на один гребной винт. Снижение нагрузки на СЭУ (при совместной работе главных двигателей и вспомогательного ПВ) составляет до 20 % номинальной мощности [86].
Судно-ветроход ’’Узуки Пайонир” является не просто традиционным судном, дооборудованным ВВЭУ, а с самого начала было спроектировано для работы с использованием ВПВ. Это, в свою очередь, означает, что ВПВ является частью системы, подключенной посредством компьютера к главным двигателям, мощность которых автоматически регулируется (снижается) в случаях, когда энергия для движения судна поступает от парусов. Итак, теплоход не является экспериментальным судном для проверки возможностей коммерческого использования теплоходов под парусами, а с самого начала проектировался с намерением обеспечить его использование на перевозках грузов.
На теплоходе ’’Узуки Пайонир” ВПВ отличается от парусного вооружения танкера ”Син Аитоку Мару” тем, что трехсекционные по ширине паруса разделены на две секции по высоте (верхнюю и нижнюю) и каждая независимо от другой может открываться и закрываться [87]. Так, при скорости 20 м/с складывается нижняя секция паруса, а верхняя раскрыта вплоть до скорости ветра 26 м/с.
В отдельных конструкциях японского ПВ встречаются незначительные отличия. Так, на судне-ветроходе с ВВЭУ ’’Ниттаку Мару” ПВ состоит не из трех, а из двух секций, а мачта при необходимости может заваливаться [89].
Фирма ’’Хигаки Шипбилдинг Компани” построила в 1987 г. первое в мире судно для каботажных перевозок типа ро-ро с ВПВ ”Рейо Мару”, длиной 83,3 м, валовой вместимостью 2500 per, т, дедвейтом 1560 т. Управление парусом высотой 14 м и шириной 12 м осуществляется ЭВМ и связано с работой ГД [90].
В японской ассоциации по развитию судовых механизмов (”Джам-да”), субсидирующей с 1978 г. работы по созданию судов-ветроходов с ВВЭУ для торгового флота страны, ожидают, что в ближайшее время в Японии будут созданы парусно-дизельные суда-роботы [91]. Управление караваном из нескольких таких ’’безлюдных” судов будет осуществляться с базового судна с экипажем всего 20 чел.
Как известно, одним из центральных вопросов при проектировании, строительстве и дооборудовании судов парусным вооружением является .разработка эффективных современных конструкций ветро-движителей.
В Великобритании фирмой ’’Вокер Вингсейл Системе Лтд” (образована в 1981 г. для исследований и выполнения разработок по использованию энергии ветра на флоте) был разработан оригинальный ветро-движитель. Фирма придерживалась принципиально нового подхода к проектированию судов с ВВЭУ. Так, японскими специалистами исполь-
Рис. 1.7. Парусное вооружение английского проекта:
1 — парус; 2 — парусный профиль; 3 — рама
зованы решения, основанные на применении прямого ПВ, которое требует создания больших крутящих моментов для приведения его в действие, что заставляет расходовать значительную долю сэкономленной энергии для обеспечения контроля за работой парусного вооружения. Английские специалисты считают, что для улучшения аэродинамики подпорка стальной мачты может быть вмонтирована в крыло (рис. 1.7, a) [92].
Ветродвижители, устанавливаемые вдоль ДП судна-ветрохода и состоящие из профилированных вертикальных крыльев, являются основой английского проекта парусного оснащения (рис. 1.7, б). Каждый ветродвижитель фирмы ’’Вокер Вингсейл Системе Лтд” состоит из трех крыльев секций. Передняя секция представляет собой профилированное крыло, внутри которого размещена несущая мачта. Оно расположено точно напротив второго крыла (задняя крыльевая секция действует аналогично закрылку авиационного крыла). Между ними установлено небольшое по размерам устройство, позволяющее управлять направлением воздушного потока (устройство соединено с передним крылом). Это, в свою очередь, позволяет повысить эффективность использования зазора между двумя крыльями и обеспечить использование то одной стороны парусного оснащения, то другой, исходя из необходимости поворотов на другой галс.
Натурные испытания оборудования ветродвижителя были произведены фирмой на яхте-тримаране ’’Флайер”, оснащенном одним парусом конструкции "Вингсейл”. Испытания показали, что такой парус не требует затрат энергии на установку его по ветру, так как в 20
этих целях применяется крыло, расположенное за главным крылом. Его вращение обеспечивается с помощью гидравлики и ветрового потока, который способствует установке ПВ в надлежащее положение. Указатель параметров ветрового потока размещен впереди крыла и передает информацию на контролирующий компьютер.
Для контроля за положением ПВ на яхте внутри мачты имеется электрогидравлическое устройство мощностью 1,9 кВт. Такая схема, в которой предусмотрена возможность использования ветрового потока и электрогидравлического устройства, позволяет быстро отслеживать направление ветрового потока даже в случае небольших изменений в углах направления ветра. Это является дополнительным преимуществом перед парусным оснащением японских специалистов. Преимущество заключается также и в обеспечении лучшей установки паруса в сильный ветер.
Оснастка яхты ’’Флайер” характеризует начальный этап разработок ПВ для судов компании ’’Вокер” известный под названием модуль-1.
В последнем варианте парусное оснащение модуль-2 состоит из трех крыльев, закрепленных на одной общей оси. Позади парусного вооружения расположены единый контролирующий штерт, спереди -противовес, на котором установлена измерительная аппаратура. Ориентация крыльев такова, что сводится к минимуму плечо момента комбинированных подъемных сил. Центр приложения сил в этой конструкции, представляющей комбинацию крыла и закрылка, располагается позади наиболее тонкой части крыла, через которую проходит мачта. Для нейтрализации момента нагрузки, который возникает вследствие такого расположения, впереди установлены два забортных крыла со ступенчатым расположением.
Экономию топлива более 15 % в год предсказывают владельцы грузового судна ’’Эшингтон” (дедвейт 6570 т) после того, как в 1986 г. на нем был поставлен данный парус ’’вингсейль” фирмы ’’Вокер Вингсейл Системе Лтд”, помогающий работе СЭУ [92].
Парусное оснащение (рис. 1.7, в) состоит из профилей (высота 14 м, хорда 12 м), изготовленных из стекловолокна и посаженных на раму из алюминиевого сплава, масса каждого профиля 7 т. Профили смонтированы на мачте и управляются с помощью ЭВМ, которая помогает использовать ветер в качестве дополнительной движущей силы.
Сообщая о результатах первых 8 мес экспериментальных рейсов, владельцы судна (компания ’’Стефенсон Кларк Шип.”) отметили, что была зарегистрирована экономия топлива на 7,5 % при силе ветра 4 балла (7 м/с) по регистру Ллойда и более 20 % при силе ветра 7 баллов (16 м/с).
В отдельных случаях парус использовали в качестве подруливающего устройства при маневрировании у причала. Это позволяло отказаться от буксиров и давало экономию 1 тыс. англ. ф. ст. за один раз. Не было проблем в отношении стабильности и управления даже при самых неблагоприятных погодных условиях; ПВ не вызывало проблем, связанных с обледенением.
Ряс. 1.8. Проекты английских танкеров с ветродвижителем, состоящим из жестких симметричных профилей дедвейтом 1560 т (а) и 3 тыс. т (б)
Как видно из рис. 1.8, нефтеналивные суда оснащены двумя мачтами, однако фирма указывает, что с увеличением дедвейта судна число мачт будет возрастать с увеличением размеров парусов. Например, судно дедвейтом 24 тыс. т (это пока крупнейшее, как полагает компания, судно, которое может эксплуатироваться с новым ПВ) должно иметь 8 мачт.
Анализ показывает, что парус - не единственный судовой движитель, использующий для движения судна энергию ветра. Оригинальным судовым ветродвижителем является ротор А. Флеттнера, действие которого основано на использовании известного с 1853 г. явления, которое называется эффектом Магнуса. Эффект Магнуса состоит в 22
возникновении силы, перпендикулярной направлению движения потока воздуха (или жидкости), например ветра, при действии его на вращающиеся тела.
Немецкий инженер А. Флеттнер использовал эффект Магнуса при разработке нового судового руля оригинальной конструкции, а затем - при разработке нового типа ветродвижителя, который получил в дальнейшем название ротора Флеттнера. Ротор Флеттнера представляет собой вертикальный цилиндр, устанавливаемый на палубе судна и приводимый во вращение вспомогательным приводным двигателем. При вращении ротора (трение о воздух) вокруг него образуется циркуляционный поток. Вследствие этого нарушается симметрия обтекания ротора воздушным потоком: с одной стороны ротора скорости оказываются увеличенными (там, где направления скорости потока и частоты вращения совпадают), а с другой (где направления скоростей противоположны) - уменьшенными. Изменение скоростей в соответствии с законом Бернулли сопровождается изменением давлений с обеих сторон ротора, что приводит к появлению боковой силы [93].
Первые экспериментальные данные и результаты расчетов по использованию роторов Флеттнера в 1924 г. на бригантине ’’Буккау” водоизмещением 980 т (рис. 1.9, а), на которой были установлены два ротора диаметром 2,8 м и высотой 15,6 м, подтвердили возможность эффективного использования ветродвижителей такого типа. Второе роторное судно ’’Барбара” (размерами 85x13,2x5,4 м) грузоподъемностью 2830 т (рис. 1.9, б), на котором были установлены три ротора диаметром 4 м и высотой 17 м, прошло испытания в 1925 г. [5]. Испытания показали, что при скорости поперечного курсу ветра 12-15 м/с судно под действием только роторов Флеттнера, потребляющих мощность не более 50 кВт, развило скорость 9 уз. В тех же условиях эта скорость была достигнута только при работе главных двигателей мощностью 2x390 кВт, а при работе одного совместно с роторным ПВ скорость составила 10,5 уз. Выигрыш мощности, следовательно, был 16-и 8-кратным соответственно (в последнем случае без учета приращения скорости на 1,5 уз). Было установлено, что основным преимуществом роторов Флеттнера является возникновение значительных аэродинамических сил при малой площади парусности в широком диапазоне углов ветра.
Расчеты, которые иллюстрируют возможности ротора Флеттнера, были выполнены С. Бэроном. В 1977 г. им было предложено установить три ротора высотой 53,5 м и диаметром 12,5 м на судне для навалочных грузов дедвейтом 64 тыс. т с номинальной мощностью главного двигателя 8900 кВт. Предполагалось, что роторы будут использовать энергию судовой электростанции мощностью 550 кВт. Ожидалось, что при скорости ветра 8 м/с и частоте вращения ротора 42,5 мин-1 аэродинамическая сила на каждом роторе составит около 36 т.
При благоприятных условиях роторы должны были обеспечить скорость судна 16 уз и уменьшение мощности главного двигателя в 16 раз. Было рассчитано, что при использовании одних только роторов в
23
L
Рис. 1.9. Роторные суда
Рис. 1.10. Схема аэродинамических сил, возникающих при нахождении ’турбопаруса* в воздушном потоке
течение 30 % общего ходового времени годовая экономия топлива может составить 400 тыс. долл. Эта цифра возрастет при совместной работе роторов и главного двигателя. Как отмечалось, для эффективного использования ветродвижителя типа ’’ротор Флеттнера” необходима затрата дополнительной энергии для его вращения. С целью устранения этого недостатка французский исследовательский центр ’’Костей Фоундейшн” создал проект ветродвижителя ’’турбопарус” (’’продуваемый цилиндр”).
Ученый-океанолог Ж. И. Кусто в сотрудничестве с профессором, членом французской академии наук Л. Малявардом разработали новый тип ветродвижителя, получившего название турбопаруса Кусто [94]. Ветродвижитель представляет собой невращающийся цилиндр эллиптического сечения, который может быть установлен в любом положении относительно ветра (рис. 1.10, а, б). По высоте цилиндра в его суживающейся части предусмотрены прорези. Внутри цилиндра перемещается жалюзи, которое может перекрывать определенные прорези либо их некоторую часть. В верхней части цилиндра располагается вентилятор, который засасывает воздух, находящийся внутри цилиндра, и выталкивает через открытые прорези. При нахождении цилиндра в воздушном потоке возникает подъемная сила, как на обычном крыле, которая в значительной мере усиливается вследствие циркуляции воздуха вокруг цилиндра, создаваемой вентилятором. Таким образом, вокруг цилиндра моделируется поле сил F, Р, R, аналогичное полю, образующемуся при вращении ротора Флеттнера. Турбопарус Кусто является серьезным конкурентом мягкого и жесткого ПВ и проходит всесторонние испытания.
Первые испытания нового ветродвижителя прошли на модели судна ”Уинд-майлл”, затем на судне ’’Алкиона” (длина 32, ширина 9 м) были установлены два ветродвижителя типа турбопаруса Кусто с площадью боковой поверхности по 21 м2 (рис. 1.11) [53].
В 1986 г. на танкере дедвейтом 5 тыс. т также были установлены Два турбопаруса с площадью боковой поверхности по 100 м2. Данная вспомогательная ВЭУ позволяет сэкономить мощность СЭУ 15-35 % в зависимости от параметров ветрового потока [95].
Рие. 1.11. Судно * Алкиона’ с двумя вегродвижителями типа турбопаруса Кусте
В ближайшее время проектируется установка турбопаруса г качестве вспомогательного ветродвижителя на судах: круизном (дедвейтом 500 т), танкере (7 тыс. т) и балккэриере (64 тыс. т).
На всех проектирующихся и эксплуатирующихся судах-ветроходах с турбопарусом Кусто были применены различные способы автомат» ческого управления ветродвижителем. Автоматические система управления были разработаны французской фирмой ’’Костей Пичини”.
Известны случаи, когда применяются комбинации из отдельных ветродвижителей. Так, американскими авторами предложено исполы зование на судах комбинации роторов Флеттнера и прямого парусного вооружения. Данная комбинация позволяет ожидать достаточной экономической эффективности даже при перевозках высокотарифици руемых грузов в то время, как современное ПВ экономически целе сообразно только при транспортировании массовых низкотарифици руемых грузов.
В 1984 г. в Германии на транспортном судне ’’Нура” (длина 111м ширина 17 м, мощность энергетической установки 4270 кВт, дедвейт 6700 т) была установлена разработанная фирмой ’’Винд Шип Девелоп мент Корпорейшн” система, состоящая из двух роторных ветродвижителей высотой 20 м с ветряными турбинами (рис. 1.9, в).
На начало 1985 г. в Великобритании планировалась сдача моторнопарусного танкера-спиртовоза ’’Ойлмэн” (длина 62 м, ширина 11,2, осадка 4 м, дедвейт 1560 т), оборудованного дизелем мощностью 1250 кВт и двумя ветродвижителями, состоящими из жестких симметричных профилей (см. рис. 1.8, а): часть электроэнергии предполагалось получать от воздушной турбины, установленной на крыше надстройки. Ветродвижители, разработанные Дж. Уолкером (высотой 12,5 м, массой 3 т) и изготовленные из синтетических материалов и алюминия, установлены на поворотных мачтах и управляются по командам от мини-ЭВМ, которая при увеличении силы тяги на ветродвижителях уменьшает мощность главного двигателя. Ожидаемое снижение расхода топлива не менее 40 % [96]. Ветровая турбина может преобразовывать энергию воздушного потока в механическую энергию, затрачиваемую на вращение гребного винта, а также в аэродинамическую тягу. При встречном ветре создается наибольшая движущая сила, однако для обеспечения достаточной скорости судна требуется механический двигатель.
Английская фирма ’’Аткинс Рисерч Девелопмент” [69] разработала турбину с вертикальными лопастями, вращающимися вокруг мачты (в отличие от традиционных турбин с горизонтальной осью), причем шаг лопастей регулируется в зависимости от силы и направления ветра. Вращающий момент передается на гребной винт, а при благоприятных ветрах ветровая турбина преобразует энергию ветрового потока непосредственно в силу тяги. Расчетная оценка предполагаемой эксплуатации грузопассажирского судна дедвейтом 4 тыс. т со средней скоростью 12 уз в 2-месячном рейсе выявила 40-тонную экономию топлива.
Имеются разработки О. Кампанелли (Италия) по оборудованию судна дедвейтом 6 тыс. т (140x17x11,5 м) четырьмя шведскими ветродвигателями фирмы ’’Дарриен” с тремя лопастями, аналогичными чашкам анемометра. Горизонтальный диаметр двигателя 30,48 м, высота вертикального вала 45,72 м. При различных скоростях ветра поддерживается прстоянство частоты вращения вертикального вала, связанного с валом синхронного генератора мощностью 750 кВт, с последующей передачей электроэнергии на гребной электродвигатель с ВРШ. При скорости 10 м/с суммарная мощность на ВРШ составляет 2850 кВт, что обеспечивает скорость судна около 13 уз. Стоимость такой энергетической установки около 2 млн. долл.
Стремление увеличить силу тяги заставляет разрабатывать новые, более эффективные ветродвижители. Так, за рубежом к 1982 г. в Разработке конструкций ПВ участвовало 40 организаций, среди которых 6 государственных и 34 коммерческих фирм, что говорит об интересе к проблеме использования энергии ветра для движения сУдов.
Анализ патентов из США, Японии, Великобритании. Германии, °публикованных за 7 лет (1980-1987 гг.), а также патентов из Италии,
Швеции, Германии, Болгарии, Польши (1986-1987 гг.) показал, что вс& патенты можно разделить на следующие группы [22,24, 25, 97]:
патенты, защищающие полужесткое или мягкое парусное вооружение. Основная часть патентов относится к способам и устройствам, повышающим подъемную силу паруса, несколько патентов охраняет способы уборки и постановки парусов, причем большая часть конструкций основана на традиционном сматывании паруса на гик, мачту и т. д.; несколько патентов, в том числе японских фирм ”НКК - Джамда” и ’’Митзуи Цозен”, защищают парусное вооружение, использующее грузовые стрелы; несколько патентов посвящено системам безопасности для мягких парусов;
патенты, защищающие жесткое крыльевое парусное вооружение. Данную группу патентных документов условно подразделяют на две части по типу охраняемого технического решения - ветродвижители традиционного типа (мачта и закрепленный на ней жесткий парус) и ветродвижитель в виде одного или нескольких жестких несущих крыльев. Подавляющее большинство патентов защищает общие принципиальные схемы ветррдвижителей, исключение составляют патенты, полученные фирмами НКК, ’’Митзуи Цозен”, ’’Вокер Вингсейл Системе Лтд” на подъемные и поворотные механизмы, системы управления и пр.;
патенты на парусное вооружение с активной механизацией -роторные движители, турбопаруса и комбинации роторного движителя с крыльевым вооружением. Наибольший интерес представляют патенты Франции (принадлежащие исследовательскому центру ’’Костей Фоундейшн”) и американской фирмы ’’Хопленд Кор”, защищающие комбинацию роторного и крыльевого движителей;
патенты, защищающие надувное парусное вооружение, в том числе традиционного типа с надувными элементами, и патенты на прочие ’’экзотические” типы ветродвижителей (воздушные змеи, шары, привязанные паруса и пр.).
Динамика патентования (национальные патенты без учета патентов-аналогов) представлена на рис. 1.12. Рост числа патентов, защищающих принципиальные схемы (кривая 1), в 1981-1982 гг. связан с положительным опытом эксплуатации первых судов с парусным вооружением [56]. Количество патентов на полужесткое ПВ (кривая 2) имеет тенденцию к уменьшению, однако их абсолютное число больше, чем жесткого вооружения (кривая 3). Это связано с относительной дешевизной мягкого ПВ. Анализ также показывает, что ветродвижи-телями с активной механизацией (кривая 5) занимаются крайне мало.
С технической точки зрения, выделяются следующие заявители:
’’Ниппон Кокан Кайса - НКК” (Япония) - уделяет внимание принципиальным конструктивным схемам ветродвижителей типа ’’жесткий парус на мачте”, а также схемам управления парусами и приводным механизмам, параллельно занимается мягкими парусами;
’’Митзуи Цозен” (Япония) - уделяет внимание принципиальным схемам ПВ, аналогичным типу ветродвижителя НКК, мягкому парус-
Рис. 1.11 Динамика патентования парусного вооружения
ному вооружению (с использованием грузоподъемных стрел), ’’экзотическим” типам ПВ (кривая 4);
’’Вокер Вингсейл Системе Лтд” (Великобритания) - фирма последовательна в разработке парусного вооружения; уделяет внимание разработкам жесткого ПВ типа ’’несущее крыло”, способам измерения давления на жестком крыле.
Кроме перечисленных патентовладельцев, представляют интерес конструкции ПВ (принципиальные схемы), принадлежащие следующим заявителям: ’’Вейнрайт Берри” (Великобритания), ’’Бергенсон Ллойд”, ’’Норт Сейл Виндсерфинг” (США), ’’Политехника Варшавска” (Польша), ’Троуп Финот”, ’’Рекьюла Гвай”, ’’Дебарже Ф” (Франция). Компании Германии ’’Влом + Восс АГ” ’’MAN - B&W”, ’’Пауль Ланденнау” разработали несколько проектов, а одно судно эксплуатируется с 1984 г.
В случае жесткого паруса с целью безопасности применяются флюгирование всей системы, складывание и последующее флюгиро-вание, опускание всей системы на палубу.
В марте 1981 г. в США был выполнен итоговый отчет по поисковой теме ’’Ветровая силовая судовая установка для американских транспортных судов”. Отчет содержит технические и коммерческие соображения по утилизации ветровой энергии для судов США. Исследования были выполнены компанией ’’Винд Шип Девелопмент” по заданию морской администрации США [26].
В отчете сопоставлены варианты парусов, в том числе ’’динамического крыла”, движители Флеттнера и винтовой турбины, с точки зрения их технического совершенства, стоимости и реальности осуществления.
Кратко описана компьютерная модель для параметрического анализа моторно-парусных судов в сопоставлении с моторными. Учитываются океанологические параметры, влияющие на эффективность применения парусов. Делается вывод об эффективности капиталовложений в новые суда с применением прямоугольных поворотных
парусов в виде динамического крыла. Подчеркивается важность выбора маршрутов движения моторно-парусных судов.
Следует отметить, что проекты парусных судов разрабатываются в основном для национальных судовладельцев, однако существуют и международные программы - ’’Индосейл” (Германия для Индонезии), а также работа норвежских фирм по заказу комиссии ООН по разработке парусных судов для Азии и стран, прилегающих к Тихому океану.
1.4. ПРИМЕНЕНИЕ ВЕТРОДВИЖИТЕЛЕЙ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ СУДАХ. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВВЭУ
Проектирование, постройка и эксплуатация судов с ВВЭУ представляют собой новое перспективное направление в отечественном судостроении и эксплуатации морского флота, поэтому в нашей стране проблеме использования энергии ветра на флоте уделяется определенное внимание. Значительный вклад в разработку проблемы ветродви-жения судов вносит лаборатория по исследованию экологически чистых движителей и двигателей (ЛИСЭД) Николаевского кораблестроительного института, возглавляемая д-ром техн, наук, проф. Ю. С. Крючковым, многочисленные работы которого посвящены разработке общей теории движения парусных судов, созданию новых конструкций ВД, разработке классификации и терминологии судов-ветроходов и судовой ветротехники [27,29-32].
Большой объем работ по обоснованию экономической эффективности оснащения отечественных транспортных судов вспомогательными ветроэнергетическими установками с различными ВД, разработке технико-эксплуатационных требований к оборудованию судов выполняется отделом исследования новых типов судов ЦНИИ морского флота [1-5]. Проведенные ЦНИИМФом исследования указывают на необходимость разработки стратегии решения важной народнохозяйственной задачи по переводу определенной части навалочного и наливного флота на вспомогательное, а частично - на основное ветроэнергетическое вооружение.
Работы по вопросам создания эффективных конструкций ВД и дооборудования судов ВВЭУ ведутся также ЦНИИ имени акад. А. Н. Крылова, Гипрорыбфлотом и другими организациями.
Работниками ЦНИИМФ, ЦНИИ имени акад. А. Н. Крылова и Ленинградского ЦПКБ в 1982 г. был подготовлен проект решения по проведению опытных работ с применением вспомогательного ветроэнергетического вооружения на морских транспортных судах. Для создания первого отечественного транспортного судна с ВВЭУ было признано целесообразным переоборудовать танкер типа ’’Дрогобыч” дедвейтом 5 тыс. т с целью отработки в судовых условиях рациональных и надежных конструкций ВД, накопления практического опыта использования зо
Рис. 1.11 Парусное вооружение теплохода •Илья Сельвинский*
ВВЭУ, а также выявления необходимых последующих разработок в этом направлении [1].
В 1987 г. с целью создания первых опытных судов с вспомогательным ветродвижением, их опытной эксплуатации и получения информации, необходимой для решения вопроса о дальнейшем внедрении ветродвижения транспортных судов, был составлен межотраслевой Координационный план научно-исследовательских и опытно-конструк-торских работ до 2000 г. по созданию установок для использования ветровой энергии на морских транспортных судах. Данный план содержал три раздела, выполнение которых связано со следующими работами: разработкой технико-экономического обоснования к нескольким типам судов с ВВЭУ; привязкой ВД к корпусу и ГД, их взаимодействием; созданием расчетной базы; получением экспериментальных данных: исследованием вопросов эксплуатационного взаимодействия ВВЭУ с устройствами и комплексами судна, а также вопросов автоматизации ветродвижения.
Мягкое парусное вооружение, выполненное из брезента (площадь 150 м2), в качестве вспомогательного движителя было применено на балкере ’’Горловка” дедвейтом 35 тыс. т Балтийского морского пароходства. Эксперимент был проведен в рейсе Хьюстон -Ленинград. Переход от американского порта занял 15 сут. Судно Двигалось все время, используя главный двигатель и под парусом, поднятым на судовом кране. За переход экономия топлива составила 9 т [21].
Для теплохода ’’Илья Сельвинский” (типа ’’Кишинев”) Дунайского пароходства были сделаны расчеты по постановке вспомогательного мягкого бермудского парусного вооружения (рис. 1.13). Четыре треугольных паруса 1 на штагах планировалось установить с помощью стрел судовых электрогидравлических кранов 2 (грузоподъемностью 8 т). Нижние концы штагов, изготовленные из стального троса диаметром 22,5 мм, должны были крепиться за рым-болты на палубе в носовой и кормовой частях у комингсов трюмов № 1 и 3, верхние концы -

Рис. 1.14. Модель сухогрузного судна типа ’Саатлы* с парусным вооружением ЛИСЭД НКИ
на гаках кранов. Планировалось, что на штагах кольцами будут набраны передние шкаторины парусов, а фалы парусов будут идти через навесные блоки на ноках стрел. Для подъема парусов хотели использовать разобщенный механизм открытия трюмов. Для компенсации крутящего момента (на стационарном штаге фок-мачты) должен быть установлен кливер на баке судна. Фок-мачта и краны подкреплялись вантами. Общая площадь парусов составляла 239 м2, а со взятыми рифами на стакселях 211м2.
Как показали расчеты, среднее приращение скорости в 1,3 уз давало возможность осуществлять переход морем под одним ГД без потери эксплуатационной скорости, снижая вдвое расход топлива и экономя моторесурс главных двигателей на 26,6 % ходового времени. Экономия горючесмазочных материалов за весенне-осенний период могла составить 80 т топлива и 2 т масла.
Внедрение парусных систем на отечественных PC идет слабо по разным причинам: неотрегулированные цены на топливо, отсутствие необходимых тканей, насыщенность судов палубными механизмами, неприспособленность архитектуры судов, сложность мачтового устройства.
Первые опыты по внедрению парусного сооружения на отечественных PC позволили установить, что ПВ снижает нагрузку на двигатель на 20 %. Наиболее надежным и простым является такое вооружение, которое можно применить на PC практически всех типов.
Центральным научно-исследовательским институтом имени акад. А. Н. Крылова и ЛИСЭД НКИ разработано, исследовано и внедрено совместно с Каспийским ЦПКБ жесткое парусное вооружение для сухогрузного судна типа ’’Саатлы” пр. 570 (рис. 1.14), водоизмещение судна 5742 т, размерения 120x15x6,5 м [32].
Парусное вооружение (рис. 1.15) представляет собой жесткие разрезные по вертикали и горизонтали паруса, опускаемые к палубе и формируемые вблизи ее в виде компактного пакета. На рисунке верхний ярус 1 парусов показан в рабочем положении, средний ярус 2 поднят и полуповернут, нижний ярус 3 - в нерабочем флюгерном положении (4 - люковое закрытие; 5 - выгородка; 6 - переборка; 7 -трюм).
Такое парусное вооружение имеет условное наименование "опускаемые жалюзи”. Аэродинамические характеристики были исследованы в лаборатории ЦНИИ имени акад. А. Н. Крылова. Основные технические характеристики мачты с парусом следующие.
Высота мачты над верхней палубой, ...................... •. •	%
Число парусов на мачте........................................... 2
Размеры паруса (ширина и высота), м.........................   12x8
Общая площадь парусности, м2.................................   192
Скорость подъема (опускания) парусов, м/с................... ,. 0,2
* разворота мачты, мин"1................................... 0,2
Установленная мощность механизма подъема парусов/разво-рота мачты, кВт...........................................  2x16/10
Допустимая относительная скорость ветра средняя/при порывах, м/с................................................      20/28
Рис. 1.15. Жесткое парусное вооружение
Управление механизма - дистанционное из ходовой рубки.
Мачта 12 (рис. 1.15, б) - коробчатого сечения; на боковых плоское-' тях установлены рельсы 13 для подъема (опускания) парусов. В подшипник 15 встроен упорный шарикоподшипник на статическую нагрузку 2,7 МН. В разъем соединения мачты с баллером установлено зубчатое колесо привода разворота мачты. Паруса 9 и 10 имеют одинаковую конструкцию, представляющую собой стальной каркас из двух секций (левой и правой), соединенных вверху и внизу поперечными балками так, что мачта размещается в щели между секциями; поперечные балки не препятствуют развороту паруса при опускании и укладке его в положение по-походному (как показано штриховыми линиями на рис. 1.15, б). Обшивка паруса выполнена из гофрированного стеклопластика толщиной 1 мм.
Паруса свободно подвешены на каретках 8 и 11, которые перемещаются вдоль мачты по рельсам 13 на четырех катках с каждой стороны каретки. Мачта оборудована стандартными судовыми грузовыми лебедками 14 типа ЛЭ-69. В процессе подъема (опускания) паруса удерживаются от разворота с помощью роликов, установленных по четыре на каждом парусе.
Устройство для разворота парусов представляет собой направляющие, сопряженные с направляющими кромками переднего и заднего листов мачты. Ролики при развороте паруса проходят над головками рельсов.
Прочность и надежность всех элементов мачты и парусной оснастки обеспечивают безотказную работу при относительной скорости ветра 20 м/с и качке судна с амплитудой 15°. Несущая скорость всех конструкций обеспечивает отсутствие разрушений при шквальном ветре (скоростью до 35 м/с). Мачту на судне устанавливают с помощью цилиндрического барабана диаметром 1,6 м.
Расчет экономии топлива выполнен для двух вариантов [51] использования ПВ: с целью повышения среднегодовой эксплуатационной скорости; для сохранения среднегодовой эксплуатационной скорости.
В первом варианте экономия мощности составила 6,1 %, что дает экономию топлива 75 т в год. Во втором варианте экономия мощности на линии Астрахань - Баку - Красноводск - Астрахань составила 46,6 %, а на линии Бекдаш - Махачкала - Бекдаш - 33,4 %, что дает экономию топлива 577 т в год.
Выше отмечалось преимущество косого ПВ (как мягкого, так и жесткого). В первую очередь косое ПВ имеет фиксированную входящую кромку, поэтому есть возможность применять для него эффективные профили с высоким аэродинамическим качеством. Это обусловливает лучшие тяговые характеристики косого ПВ на острых углах.
В ЦНИИ имени акад. А. Н. Крылова была разработана и испытана модель жесткого косого ПВ с пассивной механизацией. Парус представляет собой симметричный крыловой профиль NACA 0027 (рис. 1.16). Ветродвижитель снабжен закрылком 3 большой площади 34
Рис* 1.16. Схема действия косого жесткого парусного вооружения;
*вскорость ветра, м/с; б 3 — угол отклонения
(55 %) и разветвляющимся каналом 2 внутри профиля для обдува закрылка со стороны всасывающей поверхности. Вход в канал 1 на этой стороне поверхности крыла закрыт. При установке паруса во флюги-рующее положение канал 1 полностью закрыт, а закрылок не переложен. Схема механизации была модифицирована с целью применения для симметричного крылового профиля.
Выше отмечалась целесообразность ветродвижителя в виде роторов Флеттнера как альтернативы ПВ морских грузовых судов. Целесообразность роторов обусловлена высокими аэродинамическими характеристиками и, как следствие, уменьшением высоты и числа роторов по сравнению с парусными мачтами, что наряду с меньшей массой минимизирует потерю грузоподъемности из-за балластировки, обеспечивающей остойчивость. Судно с таким ветродвижителем легко управляется изменением частоты вращения и направления вращения ротора. Ротор Флеттнера легко автоматизировать, что необходимо для любого типа ПВ современного грузового судна.
Центральным научно-исследовательским институтом морского флота были проведены оценочные (в связи с вынужденными допущениями) расчеты потребной мощности главного двигателя танкера дедвейтом 27 тыс. т, номинальной скоростью 15,2 уз, номинальной мощностью 8 тыс. кВт при совместной работе ГД и трех роторов Флеттнера высотой 34,5 м и диаметром 7,6 м [5]. Аэродинамическим воздействием роторов пренебрегалось. Предполагалось, что судно следует под воздействием ГД и роторов, выдерживая ту же скорость, которую оно имело бы при ходе только под ГД при ветре той же интенсивности и направления, а также соответствующем волнении. Влияние качки судна на средние за период качки аэродинамические силы не учитывалось. С целью избежания излишнего увеличения мощности роторов Флеттнера относительная окружная скорость роторов ограничивалась кажущейся скоростью ветра.
Результаты расчетов показали, что при умеренной скорости истинного ветра Ю м/с экономия мощности ГД в зависимости от направления ветра составила 15-35 %, а при усилении ветра до 15 м/с она возрастает до 25- 62 % (за исключением курса фордевинд, где экономия мощности снижается до 10 %). В случае движения того же судна при работе роторов (с учетом свободного вращения винта, определяемого по данным натурных испытаний судов) и скорости истинного ветра 10 м/с достигается скорость судна 5-8,6 уз с затратами мощности не более 320 кВт. При ходе под ГД со скоростью 8,6 уз в тех же ветровых условиях (бакштаг) требуется мощность около 1300 кВт вместо ПО кВт при наличии роторов Флеттнера, т. е. почти в 12 раз больше. Если скорость ветра возрастает до 15 м/с, скорость судна при ходе только под роторами достигает 8-10 уз, а потребная мощность не превышает 240 кВт. Используя режимы плавания только при работе роторов, можно дополнительно снизить расход топлива за рейс.
Приведенные предварительные данные свидетельствуют о целесообразности дальнейшего исследования возможностей применения роторов Флеттнера на морских транспортных судах.
В работах [16, 17] исследуется вариант роторного движителя с лопатками, закрепленными вдоль образующих цилиндра с целью получения "самовращающегося” роторного движителя - двигателя. Данный вариант движителя позволяет использовать энергию ветра для создания силы тяги на вращающемся цилиндре, а избыток механической энергии - для получения дополнительной энергии, например, путем передачи ее на гребной винт или накопления в аккумуляторах. Принудительное вращение такого ротора от приводного двигателя по направлению естественного вращения (подкрутка) и против (торможение) позволяет изменять значение и направление создаваемой силы тяги, что улучшает маневренные качества судна.
К серьезным теоретическим и экспериментальным работам можно также отнести работы по исследованию поперечного обтекания вращающегося и неподвижного кругового цилиндров при различных условиях [28]. В данной работе рассмотрены физические явления, возникающие при обтекании вращающегося цилиндра поперечным потоком. Дан численный анализ полей скоростей и давлений, проведено сопоставление теоретических исследований с экспериментом. Результаты исследований пополняют знания в области фундаментальных проблем аэрогидродинамики, в частности для судов с роторными движителями.
Как указывалось, существенным недостатком как роторов Флеттнера, так и французских турбопарусов Кусто, несмотря на высокие коэффициенты тяги, является снижение силы тяги на попутных курсах относительно ветра, т. е. в тот момент, когда тяга паруса наиболее эффективна, так как позволяет получить максимальное увеличений скорости судна. Снижение силы тяги на попутных курсовых углах судна и ветрового потока объясняется тем, что тягой при этом становится не подъемная сила ветродвижителя, а его сопротивление, в 36
Рис. 1.17. Конструктивные схемы аэродинамического движительного комплекса
создании которого основную роль играет рабочая площадь ветродви-жителя. Этот недостаток, а также невозможность уменьшения размеров такого жесткого ПВ в случае увеличения диаметров заставляют ограничивать его применение.
В связи с вышеизложенным внимания заслуживает АДК, разработанный инициативной группой специалистов ЛЦПКБ (рис. 1.17, а). АДК был испытан в аэродинамической трубе Ленинградского института инженеров водного транспорта. В процессе испытаний модель АДК в виде ротора 1, соединенного с жестким крылом 2, была подвергнута круговой обдувке, в результате оказалось возможным установить наиболее эффективные секторы работы такого комплекса. В дальнейшем на основе данного АДК была разработана экспериментальная установка вспомогательного движительного комплекса для танкера ’’Алтай” (рис. 1.18), а впоследствии для газовоза ’’Кегумс” [33, 38]. Разработка экспериментальной установки проводилась с целью оценки целесообразности использования таких комплексов в качестве средства снижения расхода топлива.
Движитель (рис. 1.17, б) представляет собой аэродинамический комплекс ротор - парус, выполненный по схеме прямого парусного вооружения, т. е. с прямоугольным парусом 4, имеющим вертикальную ось симметрии, совпадающую с осью опорной колонны 5. По боковым кромкам паруса установлены роторы I, приводимые во вращение от
реверсивных электродвигателей 8, размещенных внутри роторов. Крутящий момент передается на валы роторов через зубчатый редуктор 7. Конструктивная схема движителя обладает тем преимуществом, что роторы могут быть включены в работу выборочно, т. е. ротор, ' расположенный либо на входящей кромке паруса, либо на выходящей.
Это позволяет иметь в работе тот ротор, который создает тягу на данном галсе, а при необходимости включать оба ротора, создавая в то же время большие возможности для углубленного исследования их эффективности в натурных условиях.
Наружная обшивка роторов выполнена из легкого сплава или пластика толщиной 1,5-2 мм с внутренним набором. Парус, устанавливаемый между роторами, выполнен из синтетической или растительной ткани с обшивкой по верхней и нижней шкаторинам ликтросом. Его площадь около 100 м2. При уборке парус наматывают на один из вертикальных барабанов 6, расположенных внутри обтекателей 9 роторов.
Роторы, как и барабаны для намотки паруса, устанавливают между двумя стальными реями 3, служащими для них опорами и составляющими вместе с обтекателями роторов сплошную жесткую раму, опирающуюся на колонну 5. По лик-пазу реи движутся верхняя и нижняя шкаторины паруса при его уборке.
Для танкера ’’Алтай” (размерения 106,14x15,4x7,9 м) было принято двухмачтовое вооружение. Каждую мачту обслуживает пять электродвигателей: два - для вращения роторов, два - для вращения барабанов намотки паруса и один - для вращения всего движительного комплекса. Общая площадь рабочих поверхностей движителей около 300 м2. Планировалось, что система управления движителями на первом этапе экспериментальной эксплуатации (до выявления оптимальных их режимов работы) должна быть ручной, осуществляемой 38
дистанционно из штурманской рубки. В разработке было указано, что для установки АДК в нужное положение относительно ветра и соответствующего направления вращения роторов в рубке должен быть оборудован пульт дистанционного управления, осуществляемого по показаниям ветроуказателя, фиксирующего направление и скорость вымпельного ветра.
Выполненная расчетная оценка такого комплекса применительно к танкеру ’’Алтай” показала, что при совместной работе движителей с главным двигателем (типа 5 ДКРН 55/110 мощностью 2134 кВт) и скорости судна 18 уз, мощность ГД может быть уменьшена примерно на 552 кВт, что составляет около 26 % его номинальной мощности. Это позволяет получить экономию топлива около 126 кг/ч (3 т/сут). Затраты мощности на вращение роторов, составляющие около 8 кВт на ротор, являются незначительными и в данной ориентировочной оценке не учитывались. Масса одного АДК 15 т (с учетом весовых данных по роторам судна ’’Буккау”). С использованием АДК (комбинация ротора с крылом) был выполнен рабочий проект ВВЭУ для газовоза ’’Кегумс”.
Центральное проектно-конструкторское бюро в Петербурге разработало технические предложения по быстроходному судну - ветрохо-ду, ’’Пассат” дедвейтом 5 тыс. т с прогнозируемой рейсовой скоростью 18 уз, а также быстроходному рефрижератору типа ’’Пассат” [23].
Заслуживают внимания разработка и внедрение экспериментального ветродвижителя на научно-исследовательском судне ’’Академик Иоффе” (рис. 1.19,а) с участием ЦНИИМФ, ЦНИИ имени акад. А. Н. Крылова, Института океанологии АН и A/О ’’Холлминг” (Финляндия) [54, 55,63].
Судно спроектировано и построено на класс Регистра для исследовательского судна с неограниченным районом плавания и удовлетворяет основным международным и отечественным требованиям и правилам. Основные характеристики судна следующие.
Длина наибольшая, м.................................... 117,1
” между перпендикулярами (при осадке 5,6 м), м.......... 110,5
Ширина по шпангоутам максимальная, м.....................  Ю,2
Высота борта до главной палубы, м.......................... 10
Осадка по летнюю грузовую марку, м......................   5,9
Водоизмещение при осадке 5,9 м, ........................  6600
Скорость при осадке 5,9 м, уз.............................. 15
Установка парусов на судне ’’Академик Иоффе” была вызвана необходимостью решения двух основных задач, возникающих при проведении гидроакустических исследований. Первая заключается в обеспечении бесшумного хода судна, работающего с буксируемыми акустическими системами, а вторая - возможности раздрейфовки работающих в паре однотипных судов (изменение расстояния между судами, лежащими в дрейфе), одно из которых является излучателем активных акустических сигналов, а второе - их приемником. Эти задачи предполагалось реализовать практически без существенных
Рис. 1.19. Научно-исследовательское судно "Академик Иоффе” с ветродвижителями (а) и ветродвижитель, управляемый с мостика (б)
изменений проекта в ходе строительства судна в жестких временных и финансовых рамках.
Так как вопрос об установке парусов на судне возник в процессе его постройки по конструктивным соображениям, паруса могли быть установлены только на надстройке при сохранении размеров мачт и расположения ;антенн, что ограничило площадь парусов. При боковой и миделевой площадях надводной части судна соответственно 1250 м2 и 290 м2 площадь парусов не могла превышать 200 м2. Это ограничение, а также специфика использования парусов на судне определили направление поиска их конфигурации, которая должна обеспечивать высокие удельные тяговые характеристики на попутных курсах судна к ветру.
Основой для разработки реального проекта ветродвижителя для судна ’’Академик Иоффе” (рис. 1.19, б) послужила совместная исследовательская работа ЦНИИ имени акад. А. Н. Крылова и ЦНИИМФ по изучению возможности использования жестких крыльевых устройств в качестве ветродвижителей транспортных судов. Все другие альтернативные проработки (мягкий тканевый неповоротный прямой парус площадью около 300 м2, растянутый между двумя установленными по бортам заваливающимися мачтами; жесткий вогнутый парус симметричного профиля по типу японских парусов фирмы НКК, с одинаковой формой передней и задней кромок, с различными вариантами уборки и складывания; надувной крыловидный парус) с учетом сравнительно невысоких аэродинамических характеристик, ограничений при привязке к строящемуся судну и невозможностью срочной реализации были отклонены.
Учитывая стадию строительства судна и дефицит времени, пришлось также отказаться от реализации более сложных обратимых схем ветродвижителей, обеспечивающих возможность установки при смене галса входящей кромкой и вогнутой стороной паруса на ветер. С учетом этого, а также габаритных и прочностных ограничений окончательный выбор был остановлен на компромиссном варианте: ветродвижитель состоит из двух необратимых парусов, установленных побортно симметрично ДП передними кромками, повернутыми в сторону бортов (рис. 1.20).
При отработке геометрических характеристик и размеров парусов варьировались конфигурация, удлинение, число и взаимное расположение аэродинамических элементов, а также форма концевых шайб с учетом жестких конструктивных ограничений. В результате исследований за основу было выбрано крыло, профиль которого состоит из нескольких телесных крыльевых элементов, располагающихся на образующей большой кривизны и обеспечивающих (вследствие наличия щелей) безотрывное обтекание до больших углов атаки. Затягивание отрыва потока позволяет получить большое значение подъемной силы набегающего воздушного потока и, как следствие, повышенные тяговые характеристики (аналогично высокомеханизированным крыльям, используемым в авиации).
Была разработана принципиальная технология изготовления ветродвижителя из композитных материалов с предварительным изготовлением оснастки (матриц) для формирования оболочек крыльевых элементов. Основной материал многоэлементного жесткого ВД -композитные стеклопластиковые панели трехслойной конструкции с внутренним слоем из пенопласта, отличающиеся высокими прочностными характеристиками. .
При отработке парусного вооружения большое внимание было также уделено безопасности эксплуатации ветродвижителя при резких порывах ветра (превышающих 20 м/с). С этой целью четные крыльевые элементы выполнены поворотными. Как показали модельные испыта ния в аэродинамической трубе, такая конструкция в критической ситуации позволяет уменьшить действующие нагрузки на парус более чем в 3 раза.
Парусное вооружение на судне ’’Академик Иоффе” установлено на палубе ходового мостика за рулевой рубкой в корму. Палуба в районе 42
установки поворотного основания 10 (см. рис. 1.20) имеет соответствующие подкрепления без изменения расположения нижележащих помещений.
Парусное вооружение представляет собой два многоэлементных крыла малого удлинения (к = 1,25) и большой кривизны (около 35 %). Пять одинаковых по форме отдельных крыльевых элементов объединены торцовыми концевыми (нижней 9 и верхней 4) и средней 6 шайбами в единую коробчатую конструкцию высотой 10 м и шириной 8 м. Площадь каждого паруса около 80 м2 и соответственно общая площадь парусности 160 м2.
Крайние первый и пятый, а также средний третий крыльевые элементы 1 связаны с концевыми шайбами и образуют совместно с трубчатой стойкой 5 и вантами 8 жесткий каркас паруса, а установленные между ними второй и четвертый крыльевые элементы 2 являются поворотными. Поворотные элементы на уровне средней шайбы разделены по высоте на две секции и подключены к пневматической аварийной системе, которая с помощью предохранительных клапанов срабатывает при силе ветра, превышающей заданное предельное значение. При этом весь парус из-за сбоя щелевого эффекта ’’обезветривается”, и существенно снижается суммарное силовое воздействие на конструкцию.
Оба паруса установлены побортно в плоскости шпангоута № 83 на отдельные круговые фундаменты 11, имеющие возможность с помощью соответствующих гидроприводов осуществлять независимый поворот парусов вокруг вертикальной оси на оба борта в пределах 250° и наклон в корму от-0° до 83° вплоть до полного заваливания на опоры для раскрепления по-походному. Устройство заваливания 7 имеет возможность фиксации любого из крыльев в промежуточном положении 20° от вертикали для частичного выхода подветренного паруса из ’’ветровой тени” наветренного.
Поворот парусов производится дистанционно с расположенной в рулевой рубке панели управления или с расположенного на палубе ходового мостика местного поста управления непосредственно у защитного ограждения каждого паруса. Подъем, наклонение и заваливание паруса на опоры осуществляются только с местных постов управления.
Паруса предназначены для использования при скорости ветра 6—16 м/с и рассчитаны с точки зрения прочности на порывы ветра до 20 м/с.
Для измерения направления и скорости ветра на верхних концевых шайбах парусов установлены измерительные приборы 3 направления и скорости ветра, данные которых выводятся на панели управления в рулевой рубке. В системе измерительной аппаратуры для измерения параметров ветра предусмотрена возможность их подключения к судовой информационной системе.
В перспективе не представляет проблемы на научно-исследовательском судне автоматизировать процесс управления парусами в
Рис. 1.21. Зависимость скорости судна скорости кажущегося ветра при курсот угле к ветру ук = 170°
рабочем положении для разных режимов работы судна с использованием бортовых компьютерных средств.
С 25 февраля по И июля 1989 г. в первом испытательном рейсе в Атлантическом океане на судне ’’Академик Иоффе” проводились испытания гидроакустической аппаратуры судовых систем и устройств, в том числе ветродвижителей. Цель натурных испытаний парусов: определение аэродинамических характеристик и сравнение их с результатами модельных испытаний; отработка оптимальных законов управления гидроаэродинамическими элементами судна в реальных ветроволновых условиях; получение материалов, необходимых для проектирования системы автоматического управления, разработки новых типов ветродвижителей; оценка эффективности использования парусного вооружения в качестве вспомогательного движителя. Можно говорить только о предварительных результатах этих испытаний, так как окончательные и более детальные выводы могут быть сделаны только после математико-статистической обработки полученного в большом объеме материала.
В качестве предварительных, наиболее интересных результатов можно отметить следующее:
критический угол атаки паруса в натурных условиях равен 70°, что на 15° больше, чем при испытаниях модели в аэродинамической трубе;
паруса обеспечивают устойчивое и управляемое рулями движение судна при ветре ±15° (рис. 1.21) с кормы со скоростью (линия 2), несколько меньшей расчетной (линия 1), что связано с влиянием реального волнения и дополнительного сопротивления неротирующих на малых скоростях гребных винтов;
установка наветренного паруса на судне, дрейфующем бортом к ветру, приводит к появлению дополнительной скорости, направленной в нос, что обеспечивает раздрейфовку двух судов со скоростью, равной половине скорости дрейфа судна без парусов;
использование парусов в качестве вспомогательного движителя при движении под винтами приводит к увеличению скорости судна до 2-10 % в зависимости от направления попутного ветра и соотношения скоростей судна и ветра.
На основании этих результатов можно сделать вывод, что установленное на судне парусное вооружение нового типа, несмотря на отно-44	Л
сительно малые размеры, обладает высокой эффективностью и отвечает основным требованиям, поставленным при их создании.
Осуществленный на судне ’’Академик Иоффе” натурный эксперимент дал материал по аэродинамике жестких многоэлементных крыльев, показал соответствие модельных и натурных экспериментов, позволил отработать конструкцию и технологию изготовления жестких парусов из современных композитных материалов с высоким качеством поверхности и точностью геометрических характеристик. В дальнейшем следует получить информацию о надежности работы механизмов и систем управления, стойкости композитных материалов к реальным ветровым нагрузкам и внешним воздействиям среды и выявить недостатки, которые необходимо будет учесть при разработке новых конструкций.
1.5. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ВЕТРОДВИЖИТЕЛЯ
Одним из основных элементов ВВЭУ судна-ветрохода является ветродвижитель. Приведенный анализ исследований, связанных с использованием энергии ветра на флоте, показывает, что они направлены на разработку принципиально новых конструкций ВД, обладающих высокими аэродинамическими характеристиками, достаточной эксплуатационной надежностью, возможностью обеспечения дистанционного и автоматического управления.
Для выбора конкретного ветродвижителя (как традиционно мягкого ПВ, так и современных конструкций) необходимо иметь возможность сопоставления его аэродинамических характеристик. Удобным представлением аэродинамических характеристик ВД является поляра 1-го рода (или кривая Лилиенталя 1-го рода), т. е. зависимость коэффициента подъемной силы Су ветродвижителя от коэффициента сопротивления Сх. С ее помощью можно оценить коэффициенты силы тяги Ст и боковой силы создаваемые конкретным ВД при различных углах вымпельного (кажущегося) ветра.
Сила аэродинамического сопротивления крыльевого жесткого паруса и подъемная сила соответственно:
Х = СхР^з/2; Y = CyPv&2,
где Сх и Су — коэффициенты, определяемые по данным продувок моделей профилей в аэродинамической трубе (рис. 1.22); р — массовая плотность воздуха, т7м3; з — площадь паруса, м2; vк— скорость вымпельного ветра, м/с.
Скорость парусного судна зависит от тяги парусов, которая является проекцией на направление движения равнодействующей аэродинамических сил, возникающих на парусе. Считаем, что аэродинамические характеристики парусного вооружения, расположенного на
Рис. 1.22. Треугольник скоростей и определение коэффициентов аэродинамических сил по поляре паруса
мачтах, одинаковы. Тогда суммарная тяга ПВ определяется из выраж< ния
Т-С.Р^/2,
где 5с — суммарная площадь парусного вооружения, м2.
Коэффициент силы тяги ПВ
Ст = Су sin ук - Сх cos ук = к sin ук - cos ук,
где т>к - курсовой угол кажущегося ветра, грая к “ Су/Сх ~ аэродинамическое кач ветродвижителя.
Из приведенных выражений следует, что при ук < 90" для повышения коэффициента Ст необходимо увеличить к. Если ук > 90°, то подъемная сила и сила сопротивления работают на создание тяги.
Для получения аэродинамических характеристик спроецируем данную точку на поляре на направление движения судна-ветрохода и направление, перпендикулярное указанному (рис. 1.23, 1.24). Если величины Сх и Су отложены по осям в одинаковом масштабе, то отрезки, соединяющие проекции этой точки с началом координат, дадут значения коэффициента силы тяги Ст и дрейфа CD в том же масштабе. ^Варьируя выбранные точки на поляре, можно получить для данного направления движения коэффициент максимальной силы тяги и соответствующий ему коэффициент силы дрейфа (боковой силы) [29]: CD = су cos ^к + схsin ^к-
Из изложенного следует, что коэффициенты Сх и Су для конкретного ВД (в частности, для паруса) зависят от угла атаки его к направ-46	4
Рис. 1.23. Поляры косого (относительное удлинение X » 3, кривая 1; в индексе обозначен буквой ’к") и прямого (X = 1/3, кривая 2; в индексе обозначен буквой ”п”) парусов
пению вымпельного ветра и, как следствие, определяются программой управления углом установки паруса в зависимости от направления ветра.
Если управление ПВ осуществляется с целью обеспечения максимальной движущей силы, то на курсах от крутого бейдевинда до бакштага должен поддерживаться постоянный угол атаки паруса к
Рис. 1.24, Поляры Лилиенталя первого рода для жесткого паруса крыла (1), мягкого бермудского (II) и мягкого прямого (Ш) парусов при угле атаки 10°:
1 — равнодействующие аэродинамических сил на парусах; 2 — сила тяги парусов по направлению движения судна
Таблица 1.1
Парус	Стпри Vk, град	
	60	160
Прямой	0,5	1,4
Косой	0,82	1,15
направлению вымпельного ветра, соответствующий максимальной подъемной силе. Тогда для коэффициента максимальной силы тяги можно записать (см. рис. 1.22 и табл. 1.1):
~ ^ттах (VK ~
где Стих ~ (Сушах + сх1) 1/2> здесь Сушах— максимальный коэффициент подъемной силы паруса; Сх; - коэффициент силы сопротивления, соответствующий Сушах-
Угол аэродинамического сопротивления
6А = arcctg ,'с,
где к = Cymax/Cxl - аэродинамическое качество паруса при угле атаки, соответствующем максимальной подъемной силе.
На курсах полный бакштаг и фордевинд закон управления парусом изменится.
Эффективность ПВ в первом приближении может характеризоваться также величиной Сушах» которая, как правило, определяет вид функции Ст(ук).
Из треугольника скоростей (см. рис. 1.22) находим выражение для скорости и курсового угла вымпельного ветра:
Ъ = + + 2vA cos ун)1/2; '
VK = arccos[(vs + v„ cos yH)/vK],
где is — скорость судна, м/с; — соответственно скорость, м/с, и курсовой угол, град, истинного ветра.
Из условий безопасности судна, прочности и надежности ВД устанавливают предельную скорость ветра, допустимую для использования ВВЭУ. Причем ограничение на диапазон используемых скоростей ветра должно быть установлено как для кажущегося, так и для истинного ветра. Это обусловлено тем, что возможен случай, когда скорость кажущегося ветра еще не превышает предельного значения, а скорость истинного ветра превышает его. И тогда отдельные маневры судна могут привести к аварийной ситуации вследствие резкого возрастания скорости кажущегося ветра.
Поэтому возникает необходимость установления такой минимальной скорости кажущегося (вымпельного) ветра, начиная с которого следует приводить ВД в рабочее состояние. Для любого ветродвижителя существует зона курсовых углов кажущегося ветра, при которых 48
ВД не сможет создать положительной движущей силы. В таком случае эффективное использование ВВЭУ может осуществляться лишь при ветровых условиях, определяемых системой неравенств:
htmax ’
- vKtnin vk(Vh; Ьр vs) vKmax’
Vk(Vh» vh’ vs) > ^Kmin’
где v ипах>v «max ~ максимальные скорости соответственно истинного и кажущегося ветра, определяемые из условий прочности и надежности ВД, а также остойчивости судна, м/с v xmin — минимальная скорость кажущегося ветра, соответствующая началу работы ВВЭУ, м/с, ^кпйп - минимальный курсовой угол кажущегося ветра, при котором ВД еще создает движущую силу, град.
В случае невыполнения этой системы неравенств ВВЭУ приводится в нерабочее состояние.
Известно, что традиционное мягкое парусное вооружение характеризуется низкими аэродинамическими качествами. Так, коэффициент подъемной силы Су * 0,7-Н),8. На рис. 1-23,1.24 приведены аэродинамические характеристики различного ПВ. Из рисунков видно преимущество парусов-крыльев и бермудских парусов на острых углах атаки и прямых парусов - на полных курсах.
1.6. ТИПЫ ВЕТРОДВИЖИТЕЛЕЙ И ИХ СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Выше отмечалось, что для повышения эффективности применения ПВ японские судостроители при выборе типа ветродвижителя для установки на танкере ”Син Аитоку Мару” ограничились сравнением аэродинамических характеристик различных парусов по полярным кривым вида Ст(ук) (рис. 1.25). Учитывая, что жесткий прямоугольный парус имеет сравнительно высокие значения Ст на всех (рис. 1.26) углах ветра, а также удобство конструкции, позволяющее механизировать и автоматизировать все операции с парусами, было решено установить его на судне.
Одним из преимуществ японского жесткого складывающегося вспомогательного ПВ является то, что на 1 т дедвейта приходится 0,05-0,15 м2 парусов. Тем не менее даже такое вспомогательное вооружение относительно небольшой площади дает ощутимый выигрыш в экономии топлива (до 20 % за рейс). Однако зарубежные специалисты отмечают, что ПВ танкера ”Син Аитоку Мару” (а также его модификации) не лишено недостатков:
в парусном оснащении использованы решения, основанные на применении прямого ПВ. Это требует создания больших движущих моментов для его управления, так как к плечу, равному около 1/3
49
Рис. 1.25.
Рис. 1.26. Зависимость коэффициента движущей силы от курсового угла кажущегося ветра для паруса типа НКК
Рис. 1.25. Полярные зависимости коэффициента силы тяги от направления вымпельного ветра для парусов жесткого (1), мягкого прямого (2), треугольного комбинированного (3), установленных на экспериментальном танкере ”Дайо”
хорды паруса, будет постоянно приложена значительная подъемная сила (даже для судов-ветроходов, эксплуатирующихся на направлениях с небольшими скоростями ветрового потока), создающая определенный крутящий момент, поэтому для удержания ПВ в надлежащем положении аэродинамическому крутящему моменту должно быть оказано противодействие, сопровождающееся дополнительным расходом энергии (причем расход энергии будет значителен в период пиковых нагрузок); сделано предположение о том, что значительная доля сэкономленной (в результате применения парусов) энергии может быть израсходована на контроль за работой парусного оснащения;
поскольку тяжелая мачта и система тяг находятся в воздушном потоке, огибающем данные элементы как надстройку, а сам парус является тонким крылом, делается предположение, что тонкая секция более подходит для малоскоростной аэродинамической структуры;
паруса в сложенном состоянии имеют достаточно большую парусность, что снижает безопасность плавания (большие инерционные усилия при качке и порывах ветра) судна, вызывает дополнительно аэродинамическое сопротивление и затрудняет обслуживание судна в порту;
при отсутствии возможности уменьшения площади работающего ПВ и снижения его центра парусности приходится ограничивать диапазон скоростей ветрового потока (до 20 м/с).
Итак, принципиальным недостатком прямого ПВ является симметричное профилирование паруса с невыгодным распределением толщин в сечении вследствие требования взаимозаменяемости кромок. При повороте оверштаг в определенный момент времени паруса должны быть установлены перпендикулярно к набегающему потоку, что, в свою очередь, приводит к существенному снижению скорости судна при выполнении маневра. В случае применения несимметричных 50
парусов приходится прибегать к использованию сложных механизмов поворота паруса, обратимости профиля или эффективность паруса будет неодинакова на различных галсах относительно ветра.
Из рис. 1.23, 1.24 видно, какими аэродинамическими характеристиками обладает косое ПВ. Оно имеет фиксированную входящую кромку, поэтому есть возможность применять для него эффективные профили с высоким аэродинамическим качеством, что обусловливает лучшие тяговые характеристики косого ПВ на острых углах. При этом острые косые углы будут доминирующими.
Примером современного косого высокоэффективного ПВ является ветродвижитель Уолкера, установленный на грузовом судне ’’Эшинг-тон” (см. ранее).
Парусное вооружение английского проекта (типа ’’Вингсейл” или парус Уолкера - по имени президента компании ’’Вокер Вингсейл Системе”) имеет следующие преимущества:
испытания в аэродинамической трубе ПВ, установленного на танкере грузоподъемностью 3 тыс. т (см. рис. 1.8), а затем на грузовом судне ’’Эшингтон”, выявили хорошие аэродинамические характеристики (первые модели имели коэффициент подъемной силы, равный 2, а последние усовершенствованные модели повысили его до 3,2);
почти вдвое большее отношение подъемной силы к площади, чем у ветродвижителя японского проекта;
обеспечивает точную установку ПВ относительно ветрового п^пока с меньшими затратами мощности, чем у других конструкций;
испытаниями в направлении движения воздушного потока (по ветру) установлено, что коэффициенты сопротивления равны 1,2 - 1,3 при силе ветра, приводящего к потере скорости, что характерно и сопоставимо с характеристиками японских парусов;
натурные испытания не показали неблагоприятного воздействия паруса на судно в отношении стабильности и управления даже при неблагоприятных погодных условиях; парус также не вызывает проблем, связанных с обледенением;
в отдельных случаях ПВ использовалось в качестве подруливающего устройства при маневрировании у причала.
К недостаткам косого ПВ можно отнести следующее:
на полных курсовых углах косые паруса уступают прямым;
крылья большого удлинения с симметричным профилем не являются оптимальными, так как обладают малыми значениями максимальной подъемной силы
Выше рассматривалось применение на судах-ветроходах ветродвижителя типа ’’ротора Флеттнера”. Его преимущества по сравнению с классическим мягким, а также с проектом современного ПВ типа ’’Динаринг” заключаются в следующем:
простота управления - не требуется расходов (отсутствие команды), связанных с управлением роторного ПВ или наблюдением за ним; работы выполняют судовые механики и мотористы, д управляет роторами вахтенный штурман из ходовой рубки;
Рис. 1.27. Схемы парусного вооружения (I) традиционного четырехмачтового барка (а) парусного судна (б) и соответствующие им поляры (II), цифры на кривых указаны градусах
боковая площадь роторов при равной силе тяги в несколько раз меньше, чем парусов (рис. 1.27, а), что связано с высоким коэффициентом аэродинамической силы тяги реальных роторов (составляет 2,5-10 против 1-1,5 у прямых парусов барка серии ”Р”); отсюда вытекает возможность уменьшения в 2- 3 раза высоты роторов по сравнению с парусными мачтами и соответственно улучшение остойчивости судна, а также увеличение грузоподъемности;
уменьшение массы роторной установки по сравнению с вооруженной мачтой барка серии ”Р” и тем более с мачтой типа ’’Динаринг” (рис. 1.27,6);
возможность изменять частоту вращения и, что важно, изменение направления вращения роторов обеспечивает хорошую маневренность, в том числе разворот почти на месте.
К недостаткам роторного ПВ относятся:
необходимость затрат мощности на вращение роторов, что заставляет при проектировании внимательно относиться к вопросам рациональности превышения полученной энергии над затраченной;
невозможность регулирования направления тяги без изменения курсового угла относительно ветра;	1
снижение силы тяги в крутой бакштаг и фордевинд, когда она создается в основном за счет силы аэродинамического сопротивления работающих роторов;
возникновение большого аэродинамического сопротивления
остановленных роторов при встречных ветрах, которое, однако, соиз-
меримо с сопротивлением, возникающим на рангоуте и такелаже парусника с убранными парусами;
невозможность уменьшения площади парусности роторов при чрезмерном усилении ветра, что вызывает опасения за прочность роторов и безопасность судна;
появление кренящего момента, связанного с возникновением значительной поперечной силы на роторах при попутных ветрах (однако при шквале момент в отличие от обычного парусника существенно не возрастает из-за уменьшения относительной окружной скорости ротора, от которой зависит сила тяги).
Альтернативным проектом роторному ПВ, как отмечалось, является проект турбопаруса (продуваемый цилиндр), созданный французским исследовательским центром ’’Костей-Пичини”. Из рис. 1.28 видно преимущество турбопаруса.
Выше было рассмотрено жесткое ПВ с условным названием ’’опускаемое жалюзи”, разработанное ЛИСЭД НКИ и ЦНИИ имени акад. А. Н. Крылова и внедренное совместно с Каспийским ЦПКБ на судне типа ’’Саатлы”, Из рис. 1.29 видно, что по своим характеристикам ПВ не уступает японскому парусному вооружению фирмы НКК.
Ранее был подробно рассмотрен экспериментальный АДК применительно к танкеру ’’Алтай” (рис. 1.30, 1.31). Расчетная оценка показала высокую эффективность такого комплекса (кривые 1) по сравнению с японскими парусами (кривая 2 на рис. 1.30), изолированными роторами
Флеттнера (четыре ротора - кривая 2 и два ротора - кривая 4 (см. рис. 1.31), а также с разработанным в ФРГ в конце 60-х годов вооружением типа ’’Динаринг” (кривая 3). На рис. 1.31 нанесены кривые силы тяги движителей в зависимости от курсовых углов вымпельного ветра (размеры роторов 2x10 м; u/v = 3). Средняя полезная сила тяги движителей, предлагаемых для установки на танкере ’’Алтай”, полученная по пяти основным курсам относительно ветра при его скорости 10 м/с, составляет около 42 кН.
Известно, что общая площадь поверхности парусности японского танкера ”Син
Рис. 1.28. Аэродинамические характеристики турбопаруса (1) японского (2) и мягкого (3) парусов при одинаковой площади поверхности
Рис. 1.29. Аэродинамические характеристики в результате продувки жесткого парусного вооружения, выполненного для судна типа “Саатлы":
v — скорость вымпельного ветра, м/с; р — плотность воды, т/м9; R * X или У; Мг — аэродинамический момент, Н-м
Рис. 1.30. Аэродинамические характеристики сравниваемых ветродвижителей типов АДК (кривые 1) и НКК (кривая 2)
Рис. 1.31. Характеристики эффективности аэродинамического комплекса с изолированными роторами и парусами типа "Динаринг”
Аитоку Мару” водоизмещением в грузу 2100 т равна 194 м2, т. е. отношение D/sc составляет 10,8 т/м2 (где О - водоизмещение, т; sc - суммарная площадь парусности, м2). На наиболее выгодном курсе японского судна с ВВЭУ относительно ветра (при скорости вымпельного ветра 15 м/с) ожидаемый выигрыш в мощности составляет 442 кВт, или 38 % мощности главного двигателя.
Для танкера ’’Алтай” в случае установки на нем двух АДК (работают два ротора) общей площадью 300 м2 отношение D/sc = 24,1 т/м2 (см. Кривую 1), т. е. при тех же условиях, что и для японского танкера, ожидаемый выигрыш в мощности составляет около 1140 кВт, или около 54 % номинальной мощности ГД. Итак, при тех же ветровых условиях, неработающем ГД и свободно вращающемся гребном винте танкер типа ’’Алтай” сможет развивать скорость около И уз. Для получения того же результата на танкере ’’Алтай” при японской схеме ПВ (или схеме ПВ типа ’’Динаринг”) необходимо увеличить полезную площадь парусности более чем в 2 раза.
При полезной силе тяги движителей АДК Ре = 42 кН и скорости судна 13 уз, полученной при совместной работе АДК и ГД, мощность Ne главного двигателя может быть уменьшена примерно на 552 кВт (рис. 1.32), что составляет около 26 % его номинальной мощности.
С использованием АДК был выполнен рабочий проект ВВЭУ для газовоза ’’Кегумс”. Кроме того, в ЛЦПКБ был разработан проект ветродвижителя типа ’’вентилируемый парус-крыло”, где использован принцип управления пограничным слоем, а также разработаны паруса, допускающие применение крыльев практически любого несимметричного профиля с обеспечением их полного выведения из ветра. Конструктивная схема, а также кинематика уборки - постановки такого ПВ и перемена галса полностью отработаны на действующей модели. По всем перечисленным движителям изготовлены действующие модели и выполнены их обдувки в аэротрубе.
Из рис. 1,33, а видно, что многосекционное ПВ, установленное на научно-исследовательском судне "Академик Иоффе”, по своим аэродинамическим качествам и эксплуатационным характеристикам превосходит зарубежные аналоги.
Кроме больших значений коэффициента подъемной силы Су, обращает внимание область постоянного ее значения в районе максимума (рис. 1.33, б, в). В связи с тем что в реальных ветроволновых условиях отклонение вымпельного ветра от исходного положения за один период качки может достигнуть ±20®, отмеченное свойство существенно улучшает эксплуатационные характеристики разработанного ветродвижителя.
Испытания моделей в аэродинамической трубе двух вертикально поставленных парусов показали, что сила тяги такой компоновки ниже, чем сумма сил тяг двух парусов, работающих изолированно. Очевидно, что это уменьшение связано с неблагоприятным взаимным аэродинамическим воздействием. Как показали последующие испытания авторов проекта, уменьшение взаимного влияния парусов можно 55

Таблица 1.2
Тип ветродвижителя	Максимальный . коэффициент подъемной силы	Аэродинамическое качество ВД	Максимальный коэффициент сопротивления
ПВтипаНКК	1,72	2,6	1,56
Бермудское ПВ	1,25-1,5	1,7	1,5
Ротор Флепиера	2,2-9	1,8-2,2	-
АДК ротор - крыло	2,3—2,35	1,16-1,43	2,08
ПВ типа “Дина”	1,43	3,5	1,2
Парус-крыло с предкрылком и	1,9-2,4	4-4,75	—
закрылком Тонкий аэродинамический профиль	1,55	4,34	—
типа изогнутой пластины Авиационный профиль NACA-0012	1,55	8,9	—
ПВ типа “Вингсейл”	2,5	4,15	1,6
' Вентилируемый ротор (турбопарус)	6,7	3,7	1,8
получить выведением подветренного паруса (путем его наклона) из аэродинамической тени наветренного паруса. При этом оптимальным для рассматриваемой компоновки является угол наклона 20°.
Из табл. 1.2 видно, что на практике любой тип ВД отличается тем или иным положительным свойством и имеет различные, по сравнению с другими, аэродинамические параметры. Для эффективного использования ветродвижителей необходимо, чтобы они были приспособлены к работе на любых курсах судна, направлению ветрового потока и обладали высоким аэродинамическим качеством.
1.7. СВОЙСТВА ВЕТРОДВИЖИТЕЛЕЙ (ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ)
Анализ применения на судах-ветроходах ветровых турбин (в качестве как основного, так и вспомогательного ветродвижителей) позволяет сделать следующие выводы. Преимущество ветровых турбин в общем случае состоит в возможности движения прямо против ветра, их недостатками являются недопустимо большие габариты ветроколеса при использовании на судах большого водоизмещения, невозможность рифления высокой башни ветродвижителя в шторм, а также при нахождении судна ветрохода в порту, низкий КПД при передаче энергии от ветроколеса к гребному винту судна, высокая стоимость.
На основании приведенного анализа характеристик наиболее перспективных типов вспомогательных ветродвижителей, входящих в состав ВВЭУ, можно выделить их достоинства (1) и недостатки (2).
Мягкие прямые паруса типа ’’Динаринг”:	И
1	- возможность автоматизации процессов установки угла атаки относительно ветрового потока, постановки и уборки парусов; высо-кий коэффициент силы тяги изолированной панели парусов, получав-мый практически на всех курсах судна; возможность унификации размеров мачт и панелей парусов;
2	- постановка и уборка парусов связаны с возможностью выхода из строя системы, так как она требует значительного количества механизмов и элементов автоматики, а следовательно, и большого числа исполнительных органов, соответственно получается низкая надежность; конструкция мачт, представляющих собой открытый профиль с овальным сечением, неудачно ориентированный по отношению к действующим силам, неблагоприятна с позиции прочности и устойчивости; сложность системы постановки и уборки парусов приводит к отказу работы системы в зимнее время в связи с обледенением отдельных узлов; сплошная панель парусов экранирует подветренные паруса, что снижает общую силу тяги ПВ на попутных курсах, близких к фордевинду.
Мягкие косые паруса:
1	- относительная легкость постановки и уборки парусов (всего один фал при наматывании паруса на гик); высокие аэродинамические качества, особенно у бермудского и стаксельного вооружения, при лавировании на острых курсовых углах; простота автоматизации процессов управления установкой угла атаки, постановки и уборки ПВ в связи с минимальным числом исполнительных механизмов; возможность унификации парусного вооружения; возможность увеличения общей силы тяги ПВ на попутных курсах при установке парусов на разные борта;
2	- более низкий, чем у ПВ ’’Динаринг”, коэффициент заполнения площади парусного габарита.
Жесткие паруса-крылья:
1	- высокие аэродинамические качества при движении острыми курсовыми углами к ветровому потоку, эффективность управления углом атаки ПВ и его аэродинамическими характеристиками при использовании авиационной системы предкрылков и закрылков, возможность надежной автоматизации процессов управления углом установки ПВ и его аэродинамическими характеристиками, возможность унификации парусов-крыльев на всех мачтах;
2	- невозможность уборки паруса-крыла в' штормовых условиях в море и у причала; низкие значения сил тяги у симметричных парусов-крыльев на попутных курсах; большие силы инерции при качке, обусловленные значительной массой ПВ.
Ротор Флеттнера (рис. 1.34, а):
1	- высокие (по сравнению с другими ВД) аэродинамические характеристики; простота привода и управления, что способствует возможности автоматизации процесса управления ветродвижителей; хорошие массогабаритные показатели; незначительное снижение силы Л
Рис. 1.34. Ветродвигатели и ветродвижители
тяги ротора при уменьшении скорости ветра; возможность создания высокой маневренности судна, в том числе разворота на месте и заднего хода; возможность быстрого уменьшения кренящего момента судна; простота обслуживания;
2	- необходимость дополнительных затрат энергии на привод (вращение) ротора; невозможность уменьшения площади парусности при увеличении скорости ветра; техническая сложность изготовления опорно-приводного механизма для поддержания высокой частоты вращения ротора в условиях качки судна; значительное снижение тяги и возникновение явления раскачивания ВД при попутных курсах ветра; необходимость лавирования судна при движении против ветра и по ветру.
Турбопарус Кусто:
1	- высокие аэродинамические качества; возможность полной автоматизаций процесса управления; хорошие массогабаритные показатели;
2	- необходимость дополнительных затрат энергии на привод вентиляторов; невозможность уменьшения площади парусности при сильном ветре; незначительный стабилизирующий момент при качке судна.
Аэродинамический комплекс:
1	- высокие аэродинамические характеристики, в том числе при попутных курсовых углах ветра; возможность полной автоматизации управления; возможность частичного уменьшения площади парусности при опасном усилении ветра;
2	- сложность конструкции; необходимость затрат энергии на вращение роторов.
Итак, ветродвижители обладают следующими основными свойствами:
I	- непосредственная передача энергии судну без дополнительных
потерь; сравнительная простота конструкции; дополнительный стабилизирующий момент при качке судна;
2	- относительная сложность механизации и автоматизации процесса управления; большие габариты, что влияет на массовые показатели и, соответственно, на возникновение значительных сил инерции при качке судна.
Анализ основных свойств перспективных типов ветродвигателей, которые могут использоваться в качестве как основного, так и вспомогательного ветродвигателя, выявил их следующие преимущества и недостатки.
Ветродвигатели (движители) с горизонтальной осью вращения (рис. 1.34,6):
1	- высокая эффективность использования энергии ветрового потока; возможность уменьшения площади парусности;
2	- большой опрокидывающий момент; сложность трансмиссии; необходимость устройства для ориентации на ветер; большие габариты.
Ветродвигатели (движители) с наклонной осью вращения:
1	- незначительное аэродинамическое сопротивление; возможность создания дополнительной подъемной силы, что способствует увеличению скорости судна;
2	- сложность конструкции и процесса управления; сложные условия работы лопастей (по аэродинамическим нагрузкам).
Ротор Савониуса:
1	- простота конструкции; возможность автоматизации процесса управления;
2	- невозможность уменьшения площади парусности при сильном ветре; недостаточная изученность аэродинамики двигателя (движителя).
Ротор Дарье (рис. 1.34, в):
1	- относительно высокая эффективность использования энергии ветрового потока; простота и возможность автоматизации процесса управления;
2	- технические сложности обеспечения достаточной прочности крыльев (лопастей); необходимость дополнительного привода для пуска; недостаточная изученность аэродинамики.
Ветродвигатели (движители) с вертикальной осью вращения (рис. 1.34, г):
1	- независимость работоспособности от направления ветра; относительная простота трансмиссии; компактность;
2	- малая эффективность использования энергии ветрового потока (кроме ротора Дарье); техническая сложность исполнения опорноприводного механизма.
Итак, ветродвигатели (движители) обладают следующими основными свойствами:
1	- возможность движения под острыми углами и против ветра; возможность аккумулирования энергии на стоянке; высокая эффективность при движении по ветру;	J
60	Я
2	- сложность конструкции и трансмиссии; дополнительные потери механической энергии при передаче ее на гребной винт судна или энергетический преобразователь (аккумулятор); возникновение больших сил инерции в условиях качки судна.
1	.8. МОЩНОСТЬ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ВЕТРОДВИЖИТЕЛЯ
На основании приведенных выражений можно рассчитать силу тйги и мощность паруса, развиваемую ВВЭУ при заданной скорости судна:
Т = 0>5crmax sin (0 - 6x)pi£s;
Nn “ Tvs « 0,56^ sin (0 - 6л)Р$ф5.
Для качественного анализа силы тяги и мощности паруса в зависимости от скорости судна выполняют следующие преобразования:
Нс= Hc^Hi j vs ~	> Q = OjS^nnax	•
тогда Т/С1=/1(^ТИ);	=/2fe Ти).
В работах [30, 31] было получено выражение относительной скорости vs = к sin ?и - cos Уи для наибольшей скорости гидродинамически идеального парусного судна.
Из треугольника скоростей (см. рис. 1.22) получаем:
.	уи .
staTK------sinfrf
VK 
Vs + VhCOSTh cojTk"-------------
VK
Тогда
_ . »и . Vj + VhCOSTh	1 „	.
С,-к-----sin ти -------------- = -^кУиsin vи- 1S - v^cos Ти) -
he	Ik	vk
= »й*[»и(& s» VH- cos ?и) - »,] “ »£1уйа[fc sin V„-cos у J - »,].
Из последнего выражения видно, что ВД может создать положительные мощность и силу тяги лишь в случае, когда относительная скорость судна vg < к sin Уи - cos Уи.
Момент, затрачиваемый на вращение ротора, зависит от его частоты вращения, а также от многих физических параметров - шероховатости поверхности, соотношения геометрических параметров и др. Крутящий момент, необходимый для вращения ротора в воздухе,
Мкр =cpn2/d4,
где с — коэффициент момента, определяемый в зависимости от числа Рейнольдса (обычно равен 0,04); Р — плотность воздуха, кг/мэ; п = u/(nd) — частота вращения роторов движителей, определяемая из соответствия скоростей иЛк < 3 (где и - окружная скорость ротора, г к—скорость воздушного потока); I, d — соответственно высота и диаметр ротора, м.
Момент сил трения М* в редукторе и подшипниках ротора учитывается повышающим коэффициентом кп - 1,5.
Мощность, затрачиваемая на вращение ротора (мощность привода ротора), =Мп (где М^ = Мкр +М*- суммарный момент привода).
Тогда развиваемая роторной установкой полезная мощность N = = А - N.	п
т
Для более корректного определения суммарного крутящего момента привода ротора необходимо учитывать моменты сил инерции массы ветродвижителя, возникающие в условиях качки судна, на преодоление которых также будет затрачена энергия.
Для определения полезной мощности, развиваемой турбопарусом, следует учитывать расход энергии, затрачиваемой на работу вентиляторов.
С целью проведения анализа эффективности ветродвижителей с учетом собственной скорости судна и ветрообеспеченности района плавания в ЛЦПКБ были выполнены расчеты силы тяги для различных ВД сопоставимых размеров при скорости вымпельного ветра vK = = 10 м/с и пяти его основных курсовых углов (60°, 90, 120, 150, 180”). В качестве исходных позиций для расчета было принято следующее: все ВД, выполненные в виде паруса-крыла или в том или ином виде содержащие парус, имеют суммарную площадь 100 М2; все роторы имеют размеры 2x10 м; турбопарус Кусто исходя из примерного равенства энергозатрат с роторами, имеет высоту, равную 10 м и удлинение 4 м. Учитываемые энергозатраты на привод ротора или вентилятора приняты равными 11 кВт.
Ветродвйжители сравнивали как по развиваемой тяге, так и по мощности, которая может быть снята с главного двигателя с помощью каждого иэ ВД, условно используемых на одном и том же судне со скоростью 12 уз, например на японском танкере ”Син Аитоку Мару”.
Согласно полученным расчетным данным, значительные преимущества над другими имеют: жесткие паруса обратимого профиля (350 кВт), четыре ротора Флеттнера (295 кВт) и АДК (272 кВт). Однако необходимо учесть, что два АДК содержат лишь два ротора и имеют преимущество по силе тяги над четырьмя роторами Флеттнера на курсовых углах вымпельного ветра 150” и 180”, а также требуют меньших энергозатрат, что приводит к уменьшению массы роторов и в меньшей степени ухудшает визуальный и радиолокационный обзор с поста управления судном. Кроме того, при АДК имеется возможность уменьшать рабочую площадь парусности до 20 % имеющейся полной.
Проведенные расчеты различных вариантов показали, что для судна-ветрохода (с принятыми допущениями) наиболее пригодным ВД является жесткий парус несимметричного обратимого профиля, не 62	Л
Рис. 1.35. Зависимость мощности анергетической установки судна от направления ветра относительно курса:
1,2 _ судно с парусным вооружением соответственно в рабочем и сложенном состояниях; 3 — судно ба парусного вооружения
требующий средств механизации, на котором могут быть получены весьма высокие характеристики, обеспечивающие необходимые рейсовые скорости при умеренных площадях парусности.
Снижение потребной мощности ГД от применения ВПВ для теплохода "Узуки Пайонир” (скорость 11-14 уз) подтверждается графиками на рис. 1.35, а [88]. На рис. 1.35, б представлены кривые относительной мощности энергетической установки танкера "Аитоку Мару” (площадь парусов 85 м2), необходимой для достижения заданной скорости хода в зависимости от направления ве.ра относительно курса судна при скорости кажущегося ветра 7-12 м/с.
Некоторые результаты (средние параметры судна при раскрытых и сложенных парусах, основные характеристики ГД и параметры движения судна в штормовых условиях), полученные в процессе эксплуатации танкера "Син Аитоку Мару”, приведены соответственно в табл. 1.3 и 1.4.
Как видно из табл. 1.3, характеристики работы энергетической установки для танкера получены при угле ветра 70е с левого борта, скорости ветра 15 м/с и высоте волны 1 м. Установка парусов приводит к снижению потребной мощности ГД приблизительно на 130 кВт и
Таблица 1.3
Положение парусов 1—	- -	Мощность ГД, кВт	Частота вращения ГД, мин"1	Скорость судна, уз	Ветер		Высота волн, м
				Угол на левый борт, град	Скорость, м/с	
Раскрыты	590	200	12,6	70	15	1.0
Закрыты	660	202	ИД	70	15	1>о
Таблица 1.
Время	Мощность развивав-	Час-	Мощ-	Ветер		Высо-	Угол	Ско-
ч	мая ГД, кВт	тога	поста	Угол,	Ско-	та	крена,	роста
	об- в том числе пе-щая редаваемая на гене- на ратор винт	вращения вала ГД, , мин А	гене- ратора, кВт	град	роста, м/с	волны, м	град	судна, УЗ
20 апреля										
16.00	630	65	564	220	43	0	25	5	0	8,0
18.00	625	58	567	218	38	0	20	5	0,5 ПБ	4,3 1
20.00	630	74	556	220	49	15 ЛБ	24	5	0,5 ЛБ	4,551
22.00	535	71	464	205	47	15 ЛБ	22	5	2ЛБ	4,251
24.00	585	65	519	210	43	15 ПБ	20	5	2ЛБ	3,45
				21 апреля						
02.00	621	61	560	222	40	20 ПБ	20	5	1 ЛБ	3,5 1
04.00	636	61	575	220	40	15 ПБ	20	5	1 ЛБ	4,0 1
06.00	555	68	486	220	45	15 ПБ	17	4	1ЛБ	5,051
08.00	545	65	480	220	43	10 ПБ	14	4	1 ЛБ	6,25
10.00	683	58	625	197	38	20 ПБ	11	1,5	2ЛБ	8,85
1X00	683	61	622	197	40	15 ЛБ	13	2	1ЛБ	8,7
14.00	658	53	606	195	35	1ЛЛБ	13	2	2ПБ	10,0
16.00	643	64	579	196	42	5ЛБ	13	1.5	1ПБ	10,55
18.00	643	64	579	196	42	5ЛБ	13	1,5	1 ПБ	11,1
20.00	607	61	546	196	40	10 ЛБ	12	1	1 ПБ	10,0
повышению скорости судна на 1,4 уз. Для раскрытия и складывания паруса используется гидравлическая система с насосом переменной подачи, потребляющим на холостом ходу 4,1 кВт.
Для сравнительной оценки эффективности использования ВД различных конструкций на конкретном судне могут быть выполнены, как уже было показано, расчеты суммарной экономии топлива, обеспечиваемой сравнительными типами ВВЭУ при одинаковых условиях Так, при выполнении таких расчетов вначале определяют скорость судна и расход топлива ГД при различных заданных ветроволновых условиях, затем рассчитывают среднерейсовую скорость судна и суммарный расход топлива за рейс с учетом повторяемости каждого ветроволнового режима. Такие расчеты дают наиболее достоверные данные об эффективности использования различных ВД на конкретном судне. Однако использование этого расчетного метода связано с большим объемом вычислительной работы и требует значительного 64	J
количества исходных данных по конкретному проекту судна. К тому же для определения закономерностей зависимости эффективности использования ВВЭУ от скорости судна расчеты должны быть выполнены для значительного числа типов судов.
В работе [35] для оценки эффективности ВВЭУ, состоящей из одного или нескольких ВД, предложено рассчитывать математическое ожидание мощности ВВЭУ в функции скорости судна:
W J1V, (?H, vH, у5)Лун, vH)dydvH ,
где N(vJ — математическое ожидание мощности ВВЭУ; N/y№ v„, »s) — мощность ВВЭУ, функция скорости судна и двух случайных величин уи и	vj — двухмерная плот-
ность распределения вероятностей направления и скорости ветра.
Закон распределения скорости истинного ветра аппроксимируется законом Вейбула (диапазоны измерения параметров распределения Вейбула vo)5 и у для различных океанов в зависимости от сезона года приведены в таблицах Регистра).
Положительными факторами, связанными с установкой парусного вооружения, также являются уменьшение на 15-25 % бортовой качки судна и увеличение (вследствие улучшения мореходных качеств) скорости моторно-парусного судна.
В табл. 1.4 представлены результаты измерений в период, когда судно попало в штормовые условия. Они показывают, что при ветре 20- 25 м/с и высоте волн 5 м судно со сложенными парусами (на курсе от 0 до 15° по отношению к ветру) имело крен, не превышающий 2°. Следует учитывать, что эффективность судов с ПВ прежде всего связана с эксплуатационной скоростью судна и при ее уменьшении увеличивается.
Топливосбережение, обеспечиваемое при поддержании эксплуатационной скорости судна с ПВ, позволит быстро окупить капиталовложения в случае высоких цен на топливо. В случае низких цен на топливо для оценки эффективности на первый план выходит возможность увеличения (благодаря аэродинамической тяге) среднерейсовой скорости судна, что может значительно увеличить провозоспособность, скорость траления, буксирования и т. д. Очевидно, что эффективность ВВЭУ будет зависеть и от конструкции ПВ.
Как показывает анализ, практически во всех ’’судостроительных” странах ведутся разработки применения мягкого ПВ (как основного, так и вспомогательного ветродвижители) на судах-ветроходах, причем предусматриваются паруса как традиционного типа, так и созданного в последние годы.
Так, бельгийская верфь ’’Коккерилл Ярде Хобокен Н. В.” сделала в 1980 г. технико-экономическое обоснование и проектные проработки балккэриера дедвейтом 29840 г с пятимачтовым парусным вооружением типа ’’Динаринг” [66]. Характеристики судна: максимальная
4 -"1
Рис. 1.36. Схема размещения ПВ типа "Динаринг*
длина 168,2, длина между перпендикулярами 162, ширина 27, осадка 14 м; площадь парусов 12160 м1; мощность СЭУ 2x785 кВт (рис. 1.36); скорость под парусами 24 уз, а под вспомогательными электродвигателями 7,5 уз.
В технико-экономическом обосновании были сравнены следующие варианты (с учетом всех реальных затрат по строительству и эксплуатации за год):
парусно-моторные суда со скоростью под парусами, в соответствии с диаграммой скоростей и при работе двигателей, обеспечивающих скорость судна №1-6 уз, судна № 2 - 7,5 уз; моторные суда со скоростью 14 и 10 уз.
Основные выводы ТЭО:
капиталовложения в парусно-моторное судно на 1 т перевозимого груза выше, чем в моторное судно;
парусно-моторное судно может быть конкурентоспособным с моторным судном только при малой скорости их движения;
парусное оборудование и гидравлические устройства управления значительно дороже (на 35 %) традиционных энергетических установок моторных судов; парусное оборудование требует большего времени обслуживания, чем дизельная установка;
предположения о высокой эффективности парусных судов были слишком оптимистичными;
экономическую эффективность парусно-моторных судов можно повысить путем усовершенствования парусного оборудования и снижения его стоимости, поиска оптимальной работы вспомогательных двигателей на винт в сочетании с парусами, а также увеличением скорости не менее чем на 2 уз.
Строительство парусно-моторных судов коммерческого назначения реально в ближайшие годы.
Негативной стороной и мягкого, и жесткого ПВ является высокая стоимость. Однако если мягкое парусное вооружение стоит 3-4 тыс. долл., то стоимость существующего жесткого ПВ составляет 100- 250 тыс. долл., ПВ английского проекта 150 тыс. ф. ст.,японского 60 млн. йен, стоимость оборудования ПВ типа ЛИСЕД НКИ грузового судна типа ’’Саатлы” составляет 250 тыс. руб.; затраты на копирование ПВ, которое установлено на научно-исследовательском судне ’’Академик Иоффе”, 200 тыс. руб. (цены по состоянию на 1987 г.).
15.	выводы
1.	Анализ современных перспектив использования на морском флоте нетрадиционных возобновляемых источников энергии показал, что наиболее актуальным, с точки зрения энергосберегаемости и решения экологических вопросов, и вероятным является использование на судах энергии ветра.
2.	Существующие научные концепции по использованию ветра на морских судах сводятся к тому, чтобы с наименьшими затратами преобразовать кинетическую энергию ветрового потока в дополнительную механическую энергию движения судна посредством ветроэнергетической установки судна - комплекса технических устройств.
Данное направление обосновало и позволило создать проекты и отдельные суда-ветроходы с ВЭУ, которые можно условно разделить на следующие группы:
небольшие парусные судна, сохраняющие традиционные или незначительно измененные характеристики классического парусного флота, на которых мягкое парусное вооружение является основным движителем, а энергетическая установка - вспомогательным;
суда-ветроходы, в состав ВЭУ которых входят как традиционное мягкое ПВ, так и современные ветродвижители (полужесткие и жесткие паруса, роторы, турбопаруса), лопастные устройства и аэродинамические комплексы, являющиеся дополнением к главной СЭУ.
Имеются также отдельные проекты использования передачи мощности ветроустройства для аккумулирования ветровой энергии путем присоединения к ВЭУ электрогенераторов, аккумуляторных батарей и электродвигателей, а также отдельные попытки передачи
вращающего момента от ВЭУ на движитель через систему валов, редукторов и вариаторов частоты вращения.
3.	В современных условиях имеет смысл использовать ветроэнергетическое устройство как вспомогательный двигатель, т. е. о таком моторно-парусном судне с ВВЭУ, приводимом в движение одновременно парусным вооружением и главной СЭУ и будет идти речь, а также рассматриваться научная проблема.
4.	С целью обоснования оптимального использования системы судно-ВВЭУ возникает необходимость в комплексном сравнительном анализе элементов, входящих в состав ВВЭУ, для определения характера и особенностей их аэродинамических и энергетических характеристик, возможности автоматизации процесса управления данными элементами, характера влияния ВВЭУ на поведение судна, а также на работу его устройств и механизмов в различных эксплуатационных условиях.
В связи с возрождением использования на современном флоте энергии ветра начинает формироваться новая наука - судовая ветротехника (как раздел судостроения и эксплуатации). Эта отрасль знаний еще мало разработана и требует дальнейших научных теоретических и экспериментальных исследований.
Глава 2
УПРАВЛЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ПАРУСНЫМ
ВООРУЖЕНИЕМ
2.1. АЭРО- И ГИДРОДИНАМИКА СУДНА С ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ
ПАРУСНЫМ ВООРУЖЕНИЕМ
Состояние вопроса. Вопросы оценки динамики современных морских транспортных судов, оснащенных ВПВ, в условиях реальных ветроволновых воздействий недостаточно освещены. Авторы отдельных исследований рассматривают, как правило, проблемы оценки аэродинамических характеристик ветродвижителей при различных вариантах их компоновки [54]. Имеются попытки оценить ходкость и управляемость судна с ВПВ.
К основным недостаткам указанных работ можно отнести отсутствие учета динамики судна с ВПВ в условиях реального морского волнения и ветра. Однако, по данным статистики, в течение примерно 70 % ходового времени морские суда подвержены воздействию волнения и ветра [11, 12]. Недостаточно также изучены вопросы остойчивости судов с вспомогательным ПВ, отсутствуют соответствующие нормативы Регистра и других классификационных обществ. В случае дооборудования транспортного судна парусным вооружением, основные элементы которого определялись без учета данного ПВ, следует согласиться с предложением [99] нормировать остойчивость моторно-парус-
него судна по самым жестким критериям аналогично пассажирским судам.
Учет динамики моторно-парусного судна может оказать определяющее влияние на выбор расчетных условий работы судовых устройств и механизмов. Решение задач динамики представляет наибольший интерес с точки зрения создания АСУ ПВ, в том числе оптимизации работ пропульсивного комплекса и рулевого устройства.
В случае, когда тип ВПВ и его аэродинамические характеристики известны, возникает задача назначения адекватного запаса мощности привода ВПВ и достижения наилучших экономических показателей, ходовых характеристик. Решение последней задачи позволит впоследствии перейти к обоснованному выбору оптимальных характеристик ВПВ и элементов рулевого устройства. В любом случае оценка кинематических характеристик моторно-парусного судна в реальных условиях представляет значительный самостоятельный интерес.
Особенности качки судна. Использование ВПВ приводит к необходимости эксплуатации судна с некоторым небольшим (по условиям безопасности мореплавания) начальным креном. Это обстоятельство исходя из теоретических соображений приводит к появлению в уравнениях качки ненулевых коэффициентов связи по ускорениям и скоростям между продольными и поперечными видами колебаний. Система уравнений качки на регулярном волнении при этом сохраняет традиционный вид:
j=i ...6,	(2.1)
т-1
где	Bjm, Cjm — обобщенные матрицы соответственно масс, присоединенных
масс, демпфирования и восстанавливающих сил; г]у — обобщенное перемещение; j = I...6 — соответствует продольно-горизонтальной, поперечно-горизонтальной, вертикальной, бортовой, килевой качке и рысканию судна; Fye'Uef — комплексная амплитуда возмущающих сил и моментов, действительная часть которой определяет правую часть в данной формуле.
Поскольку уравнение (2.1) не распадается на две системы, описывающие раздельно продольные (/’ = 1,3,5) и поперечные (/ = 2, 4, 6) виды качки, то для определения параметров качки на каждом шаге по частотному параметру необходимо решать систему 12 линейных алгебраических уравнений. Этот факт существенно усложняётсамо решение и значительно увеличивает время соответствующих расчетов.
Следующей особенностью динамики моторно-парусного судна является необходимость оценки степени влияния ВПВ на характеристики качки. Этот вопрос требует тщательного изучения, так как из практики известно, что постановка ПВ на чисто парусных и спортивных судах существенно изменяет качку. В то же время исследования свидетельствуют о весьма малом влиянии ВПВ на параметры качки. Очевидно, что степень такого влияния определяется соотношением площадей ВПВ и смоченной поверхности судна, типов ВПВ, углом
установки паруса, амплитудой динамического центра парусности и некоторыми другими факторами [48,99].
Анализ работы судовых механизмов, в том числе приводов поворотных устройств ВПВ, требует изучения поля скоростей и ускорений различных характерных точек парусного вооружения на волнении. В теории качки судов величинами второго порядка малости пренебрегают, в то время как некоторые из отбрасываемых составляющих представляют интерес для изучения особенностей динамики механизмов приводов. Таким образом, оценка влияния членов второго порядка на поля скоростей и ускорений является еще одной особенностью рассматриваемой задачи.
Из практики судовождения хорошо известно, что угол перекладки руля существенно влияет на характеристики поперечных видов качки, в частности бортовой. К сожалению, в теории вопросы качки и управляемости до сих пор рассматриваются раздельно. Специалисты в этих областях не пришли к единому мнению относительно структуры соответствующих уравнений. Вместе с тем проблема эта представляет большой интерес, и ее изучение в той или иной постановке позволит решить весьма важные в практическом смысле задачи динамики моторно-парусных судов. Следует особо отметить значение этой проблемы, так как результаты теоретических и экспериментальных исследований, опубликованные в соответствующих научных изданиях, весьма ограничены.
Следует также отметить, что в нормальных условиях эксплуатации судоводители, следуя правилам хорошей морской практики, не допускают значительного начального крена. Следствием этого является тот факт, что данные теоретических и экспериментальных исследований относятся главным образом к динамике поврежденного судна.
В настоящей работе рассматриваются условия нормальной эксплуатации и считается, что угол начального крена не превышает 7е, поэтому дальнейший анализ основан на теоретических исследованиях Я. М. Элиса [64]. Результаты массовых расчетов, как видно из работы, свидетельствуют о существенном влиянии угла начального крена и утла входа палубы в воду во всем частотном диапазоне и на все виды ГДК. Вместе с тем в диапазоне углов начального крена, представляющих интерес с точки зрения настоящих исследований, изменения основных гидродинамических коэффициентов по сравнению с нена-крененным контуром составляют 3-8 %, что соответствует точности теоретических и экспериментальных данных.
Совершенно иначе обстоит дело с коэффициентами связи между продольными и горизонтальными видами качки. Аналогичное сопоставление не представляется возможным вследствие равенства последних нулю для ненакрененного контура.
Очевидно, что судить о влиянии начального крена можно, лишь сопоставляя параметры качки судна, накрененного соответствующим образом и сидящего на ровный киль. Для этой цели снова воспользуемся результатами работы [64]. Поскольку ГДК основных видов 70
кячки мало изменяются при вариациях угла начального крена в пределах 5-7°, то и параметры качки будут изменяться в тех же пределах, что и ГДК, при условии соответствующего влияния коэффициентов связи между продольными и поперечными видами качки. Отличие от нуля коэффициентов связи приводит к тому, что судно, имеющее начальный крен, на встречном или попутном волнении будет, кроме вертикальной и килевой качки, испытывать также поперечно-горизонтальную, бортовую качки и рыскание.
Таким образом, степень взаимного влияния поперечных и продольных видов качки можно оценить, сравнивая амплитуды бортовой качки с начальным креном на встречном волнении с значениями на волнении лагом для судна, сидящего на ровный киль, а также соответствующие амплитуды вертикальной качки. Для цилиндрического судна, имеющего начальный крен 15* и без крена, амплитуды вертикальной качки различаются незначительно и только в зоне резонанса на волнах большой длины.
При частотах, близких к собственным частотам бортовой качки, на встречном волнении ее амплитуды примерно в 5 раз меньше, чем при расположении лагом к волне. Вероятно, что такие же соотношения будут и у реальных судов. При иных частотах накрененное судно практически не испытывает на встречном волнении бортовой качки.
Заметим, что приведенные результаты относятся к начальному крену 15*. В интересующем нас диапазоне углов начального крена его влияние будет еще меньше. В связи с этим отличие амплитуд всех видов качки судна с начальным креном в пределах 5-7* от соответствующих амплитуд ненакрененного судна на нерегулярном волнении, очевидно, будет незначительно. Этот вывод имеет весьма важное практическое значение и позволяет применить существующее программное обеспечение для целей настоящего исследования, не прибегая к использованию результатов решения гидродинамической задачи о качке судна с начальным креном. Последнее обстоятельство существенно уменьшает объем необходимых исследований и их трудоемкость.
Учет влияния ВПВ и характеристик управляемого движения на параметры качки судна с ВВЭУ. Очевидно, что наибольшее влияние ВПВ будет оказывать на бортовую качку вследствие дополнительного демпфирования бортовых колебаний. Для оценки дополнительного демпфирующего момента воспользуемся результатами работы [48].
Считаем, что на моторно-парусное судно, движущееся со скоростью v под заданным углом ц по отношению к набегающему волнению, действует ветер, вектор истинной скорости которого vH составляет угол ун с ДП судна (рис. 2.1). ВПВ состоит из N парусов, имеющих площадь snn (n = 1..JV), расположенных на расстоянии хт от начала системы координат. Поперечная сила, действующая на n-й элемент ВПВ, может быть представлена в виде
^2п =—2” Psnn (^(«(УЛ cos + Gent “(Уп 1 sin 2(2ппП4)2> (2.2) 71

Рис. 2.1. Схема движения судна с ВВЭУ:
R — полное сопротивление судна, Н; 8 р — угол отклонения руля; б д — угол дрейфа
где р — плотность воздуха; Суп> ^хп ~~ коэффициенты силы лобового сопротивления и подъемной силы п-го элемента ВПВ; a(t)n = 8дп ~ 9sn - уг^ набегания воздушного потока на п-й парус (здесь 0ДП — утоп вымпельного ветра п-го паруса; 6$п “ заданный угол установки паруса); — скорость колебаний динамического центра парусности, обусловленная бортовой качкой для п-го элемента ВПВуг^, - аппликата центра парусности п-го элемента ВПВ.
Отличие выражения (2.2) от приведенного в работе [48] состоит в учете скорости динамического центра парусности. В формуле эта скорость принимается равной скорости перемещений ВПВ относительно набегающего воздушного потока.
Таким образом, демпфирующий момент от ВПВ в первом приближении может бьггь представлен в виде
М = - sig n (znn цд) Z znnF2n.	(2.3)
Л=1
Использование зависимости (2.3) при решении системы (2.1) возможно лишь после соответствующей линеаризации. При этом решать систему (2.1) следует методом последовательных приближений с контролем сходимости. Возникает также проблема обоснования возможности использования полученных подобным способом результатов в расчетах на нерегулярном волнении.
Более предпочтительно непосредственное использование (2.3) в уравнениях нелинейной нерегулярной качки. 72
Как отмечалось, рыскание судов на волнении рассматривается в исследованиях управляемости [52,57] и качки судов с использованием различных подходов: с учетом и без учета влияния средств управления на судно. Специалистами отмечается целесообразность объединения двух указанных подходов.
Аналогично [12] ограничимся рассмотрением малых углов дрейфа 6д и угловой скорости со, полагая зависимость боковой силы на руле от угла его перекладки линейной вплоть до критического значения. В этом случае можно считать, что sin 6Д = a cos 6Д = 1.
Для оценки дополнительных сил и моментов в горизонтальной плоскости используем кинематические условия связи угловых и линейных перемещений: 6д=Пб-П2/у; u = ^6-
В’ этом случае дополнительные составляющие сил и моментов имеют вид:
^2 = ^д(п>-п6) + Угп6 + Убрбр;	(2.4)
F4 = -^-d/2);	(2.5)
F6 = д(Й2/г - П6) + МГТ|6 + М8 Д,	(2.6)
где Yc , Mt — позиционные производные поперечной силы и момента рыскания; Y„ М. — и д и д
вращательные производные поперечной силы н момента рыскания; Yt , М* — произвол-р р
ные поперечной силы и момента рыскания, обусловленные наличием органов управления
движением.
Выражения (2.4) - (2.6) совпадают в части учета вязкостных составляющих сил и моментов на корпусе с данными работы [100]. Материалы свидетельствуют о хорошем согласовании теоретических расчетов и результатов модельного эксперимента. Использование этих формул позволяет учесть основные особенности управляемого движения на параметры поперечной качки, не пренебрегая их взаимным влиянием.
Основной трудностью в решении системы (2.1) является необходимость задания закона управляющего воздействия органов управления.
Большинство трудностей теоретического и методологического характера можно преодолеть, используя модель нелинейной нерегулярной качки, которая позволит исследовать влияние всех перечисленных особенностей настоящей постановки задачи без нарушения общности. Однако это повлечет за собой некоторое увеличение объема вычислений, связанное с численным решением уравнений движения. Последнее затруднение не является сдерживающим фактором при использовании современной вычислительной техники.
Нелинейные кинематические характеристики качки моторнопарусного судна. Под кинематическими характеристиками качки понимают перемещения, скорости и ускорения произвольных точек, жестко связанных с корпусом судна при качке с шестью степенями свободы. Для изучения КХК рассмотрим их в правой системе координат GXYZ, жестко связанной с судном. Будем считать, что параметры 73
X
Рис. IX вякала координат, положительные направления линейных и угловых перемещений
качки в неподвижной (также правой) системе координат G£n? известны. Системы координат, положительные направления линейных и угловых перемещений представлены на рис. 2.2.
Независимые корабельные углы, согласно рис. 2.2, определяют следующим образом: угол крена 0 равен углу между осью Y и линией узлов GN, угол рыскания <р - углу между осью П и линией узлов GN; угол дифферента ф - углу между осью и плоскостью ZGY, при этом угол между осями ? и X равен л/2 + ф; линия узлов GN - линия пересечения плоскостей |Gn и ZGY.
Соотношения между перемещениями в системах координат GXYZ и Gin? хорошо известны и, согласно [10], имеют вид:
Г х = |cos ф созф - П cos 0 sin <р + g cos Ф sin Ф;
/ у = | cos ф sin ф + n cos 0 cos ф - | cos Ф sin 0;
I z « - g sin ф + П cos ф sin 0 + £ cos ф cos 0;
I excos ф cos Ф +y cos ф sin Ф- zsin ф ;
. n--xcos6 sin ф + у cos 0 cos Ф + zcos Ф sin 0;
I? = x cos Ф sin ф - у cos ф sin 0 + z cos Ф cos 0 .
Известно также, что ускорения любой точки твердого тела могут быть представлены как векторная сумма ускорения поступательного движения полюса «о, тангенциального Зт и центростремительного ар ускорений вращательного движения вокруг полюса: а = 0$ + ах + ор.
Каждая из составляющих, в свою очередь, равна:
«0 = <*£ + ®Т)	~ ®т0 + ®тф + ®Гф’ ®р ~ ®р0 + °рф + ®р<р ’
где индексы отличаются от принятых ранее и имеют следующий смысл:
? = ni; п=П2; ? = пз;е = 04; ф=П5;ф = П6-
Амплитуды центростремительных составляющих равны произведению амплитуд соответствующих тангенциальных составляющих и 74
видов качки. Поэтому, учитывая малость амплитуд килевой качки и рыскания, сразу отбросим соответствующие им центростремительные ускорения. В результате имеем
а = Oj + on + Oj + от0 + оТф + оТ(р + «рв.
Для отыскания ускорений в системе координат GXYZ, связанной с судном, спроектируем вектор а на оси координат:
ах = flj cos (|, X) + «,] cos (n, Л) + «s cos (?, A) + cos (aT0, X) +
_ a _	_ a _	_a _
+ «тф COS (<4ф> ®тф СО® (®T(p> ^0 ®p0 cos (flp0>
_Л_	Л	_Л_
Оу = <% cos (i, У) + Oj) cos (П, Y) + Of cos (?, Y) + cos (<49, Y) +
+ <4ф cos («гф, Y) + ar, cos (ar,, Y) + flpe cos (ар6, Y);
az = cosji, Z) + «q cos (n, Z) + aj cos (?, Z) + <49 cos (<40,2!) +
+ <4ф cos (<4ф, Z) + <4? cos (<4?, Z) + «p0 cos (ap0, X).
Для определения соответствующих направляющих косинусов зададимся произвольной точкой А с координатами (%о> уд, z0). Введем в ней систему координат АХ Y' Z*, оси которой параллельны осям системы GXYZ. Отложим_единичные векторы вдоль каждой из составляющих ускорений aXQ, «Тф, аТ(р, «р0 и спроецируем их на оси X, Y', X. Эта проекции будут равны искомым направляющим косинусам:
°т0(®х»	С<4ф(Фх» Фу Ф«)
<4ф(Фх*	Фг)? (^«ро(Гх* > Гг)-
Для их определения воспользуемся следующими условиями:
t«T0GA = 0;	«ТфСА - 0; a^GA » 0;
?тфС№0;	Ъх ф? = 0;	мХ-0;	(18)
орвх=0; Koh1; |<4ф1=1; |вт<р|=1-
Система (2.8) распадается на изолированные системы, позволяющие определить искомые величины. Опуская промежуточные результаты, окончательно получаем:
<6х = 0;	*0у=-го/^ + ^1/х,	%=‘У9/Ы + 2^1/21
Фх ~ (zocos 0 + Уоsin ty/D1!2;	Фу=-*оsin 0/D1^
I ^z=-xqcos0/D1/2; Vx = -(yocos6 cos ф + г0 cosq> sin OJ/B1/* Я
< Фу = (x0 cos Ф cos 0 - z0 cos ф sin ф)/В */*	Я
Ф2= cos ф (xq sin 0 + yo sin ф)/Вх/*
j-x = 0; ry = -yg/(yg+z^1P; r^-zg/iyg + zg)1/2;	(2.9)
В = COS2 ф(хо COS 0 - Zg COS ф tg Ф)2 + COS2 0 (yo COS ф +
+ zg cos ф tg 0)2 + cos2 ф(хо sin 0 + yo sin ф)2;	I
D = xfi + (yo sin 0 + zqcos 0)2.	.1
Используя выражение (2.9) с учетом (2.7), а также принимая вол внимание, что = I; = Л; = t; ат0 =	г§;	а,ф	= гф; а1(₽ = г<₽; ар0 «1
“ ®2/ге; rg = (yS + z©1/3; Гф = D1/2; Г(р = В1/2, получаем:	|
( ах = | cos ф со5ф + Л cos ф sin ф - £ sin ф + ф(з^ cos 0 +
+ уд sin 0) - <p(yj cos 0 cos ф + zg cos ф sin 0);
ау = -1 cos0 5шф + л cos0 со5ф + £ созф sin0 - 0zo -
- фх0 sin 0 + ф(х0 cos 0 cos ф - zg cos ф sin ф) - 02 y0;
az= £ cos ф sin ф-л sin 0 cos ф +1 cos ф cos 0 + 0 y0 - фх0 cos0 +• + ф COS Ф (x0 sin 0 + Уд sin Ф) - 02zo.
Возвращаясь к принятым обозначениям, окончательно имеем:
ох = Л1СО5т]^cosЛб~ Лэ*™т]5 + Т]2cosт]5sinл6 + л5(20с°8Л4+ j
+ yj sin Л4) - Лб(у0 cos Л4 cos Л5 + Zg sin Л4 COS Лб);	1
ay - - Л1 cos Л4 sin Лб + Ла cos Л4 cos л« + Лз cos Л5 sin Л4 ~	гол4 -
✓ - Х0Л5 sin Л4 + Лб(хо cos Л4 cos Л5 - Zg cos Лб Sin Л5) - УоЛ|;	(2.10)
az rii cos Лб sin Л5 + Лз cos Л4 cos Л5 “ Л2 sin Л4 cos Лб + У0Л4 -
- XqT|5 cos л4 + Лб(х0 sin Л4 + Уд sin Л5) ~ ^0Л| •	1
Из выражений (2.10), как частный случай, определяют хорошо известные зависимости, полученные в линейной теории качки. Для этого полагаем cos т]; = 1, sin Л/ = Ч,, а слагаемые, содержащие взаимные произведения амплитуд, отбрасываем ввиду их малости:
ах = Л1 + z0Tj5 - уол6;
"у ” Л12 + хоЛб-2Ол4;
аг = Лз+УоЛ4“М5-
Существенным недостатком формулы (2.10) является невозможность вычисления их АЧХ ввиду нелинейной зависимости от амплитуд волнения. Оценка влияния нелинейных составляющих на работу судовых механизмов, в частности механизма поворота комплекса мачта - парус, должным образом не изучена. Поэтому для дальнейших исследований целесообразно их сохранить в приведенном виде. Последнее обстоятельство (вместе с выводами предыдущих разделов) приводит к необходимости изучения параметров качки моторно-парусного судна на нерегулярном волнении в нелинейной постановке.
Математическая модель нелинейной нерегулярной качки судна с ВВЭУ. С учетом необходимости изучения влияния различных нелинейностей на параметры и КХК целесообразно перейти к их изучению во временной области, а не в частотной. При этом численное решение удобнее всего получать в виде реализации случайного процесса, соответствующего заданным условиям плавания и интенсивности волнения.
В качестве основного ограничения примем предположение о линейном характере зависимости инерционных и демпфирующих сил потенциального характера от амплитуды волнения.
Система (2.1) может быть представлена в виде двух систем, описывающих продольную и поперечную качку:
f	[АцМ + M]iii + Вп(1)л i + А13 (1)л3 + B13(l)f|3 + (415(1) + Mzg]T]5 +
i + 815(1)115 = F^t);
j	А1з(1)Л1 + В13(1)т) 1 + [A33(t) + М]Пз + 833(1)1)3 + С33Л3 + A 35(1)1)5 +
\ + 835(1)1)5 + С35Л5 = F3(l);	(2.11)
(A5i(1) +	+ В51(1)Л1 + 45з(1)Лз + В5з(1)л'з + С53Л3 +
+ [^55(1)	+ 855(1)1)5 + С55Л5 = F5(l).
r	[A^ft)+м]п2 + Вгабйг + PWtf - м^]п4+^(^4+
I +	+ в2б(79п б + F^t) = F2(th	j
[A42(t) - Mzf]n2 + B42/W + М + /фЗп'д + B44(t)ri4 +
+ В&Й + B44 (^+С44П4 + [А46^-/46]т|6+В46^П6 + М/0 = F4(t);
^62^т12 + Вб2(0П2 + [^64^“,441т14 + В64(0П4 + В66(()П6+	(2.12)
|j-[A66(t) + /6]n6 + M/t)=F6(t).
Коэффициенты Ajk(t), B:k(t), F}(t) имеют тот же смысл, что и в формуле (2.1), и представляют собой зависимости инерционно-демпфирующих, восстанавливающих и возмущающих сил от времени, в то время как в выражении (2.1) эти коэффициенты частотно-зависимы, Fy(t), Mx(t), M/f) соответствуют выражениям (2.4) - (2.6) во временной области.
Рассмотрим способ перехода из частотной области во временную. Он основан на известном положении о том, что стационарный случайный процесс t(t) с заданным энергетическим спектром 5^(ы) может быть представлен в виде суммы бесконечного числа гармоник с амплитудами АДсо) и случайной фазой е(ы), равномерно распределенной на интервале от 0 до л:
t(t) 2 At cos (cof t - ef);	Af/2 = 5^((о()Д co .
Аналогичным образом представим и временные зависимости коэффициентов в уравнениях (2.11) и (2.12):
Г л „л))	N
№к;\ -и™ е
N-х» щ-1
N
°^=O	C0S - e/(“m) - и,
где/;(мт), e/um) - амплитудно- и фазочастотные характеристики/то вида возмущают» сил; e/fc, bjfc, fj - имеют смысл амплитуд соответствующих процессов, определяются « формуле
cos(comt-em);
m
(2|Ф,(Ш„)|“^(И„)ДИ]‘Л, 6 /
модуль передаточной функции соответствующего случайного iqx
Л (4 где Ф/ищ) -&
(индексы;, к для простоты опущены).
78
Рис. ХЗ. Блок-схема расчета качки судна с ВВЭУ:
/ — начало цикла расчетов по курсовым углам, скоростям хода и частотам волнения; II — амплитудночастотные характеристики; III — конец цикла расчетов по курсовым углам и скоростям хода; 1 — ввод исходных данных (скорости и курса судна, волнения, параметров ветра); 2 — расчет гидродинамических коэффициентов; 3 — матрица масс; 4 — демпфирование корпуса и скуловых килей; 5 — демпфирование ВПВ; 6 — возмущающие силы; 7 — коэффициенты уравнений качки; 8 — спектр волнения; 9 — формирование коэффициентов и уравнений качки во временной области; Ю — решение уравнений качки методом Рунге — Кутта; П — вывод результатов; 12 — определение необходимой длины стационарных участков временных рядов; 13 — расчет кинематических характеристик и динамических усилий; 14 — расчет статистических характеристик временных рядов; 15 — построение законов распределения исследуемых величин; 16 — вывод результатов; БД—банк данных
Решение систем (2.11) и (2.12) мер, методом Рунге-Кутта.
( Конец ~)
возможно лишь численно, напри-
Для численной реализации предлагаемого способа целесообразно использовать блок» разработанных комплексов программ расчета качки, например [18, 20]. Программа расчета (рис. 2.3) написана на алгоритмическом языке Microsoft FORTRAN и реализована на ПЭВМ типа IBM PC/AT.
Соответствуюгцие расчеты, выполненные для теплохода ’’Инженер Белов”, с целью определения влияния трех- и двухмерного волнения на характеристики качки и кинематики фиксированной точки судна в зависимости от расположения на ПВ данной точки и на различных
щее:
при определении характеристик качки и характеристик кинематики фиксированной точки за расчетные следует принимать данные, полученные для двухмерного волнения, так как они являются максимальными по абсолютному значению;
за расчетные курсовые углы следует принимать для бортовой, вертикальной качки и поперечно-горизонтальных перемещений 90е, для продольно-горизонтальных перемещений 0° (попутное волнение), для рыскания 30-60”, для килевой качки 120-180”, для расчета вертикальных ускорений точки, лежащей не в ДП судна, 270” (распространение волнения с противоположного от расположения фиксированной точки борта).
Х2. ВЛИЯНИЕ ВЫШНИХ УСЛОВИЙ НА УПРАВЛЕНИЕ
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМ ПАРУСНЫМ ВООРУЖЕНИЕМ
Ветродвижители - мягкие и жесткие паруса, аэродинамические профили (крылья) с постоянной или изменяемой формой поперечного сечения, аэродинамические профили с закрылками и предкрылками, устройства с регулируемым пограничным слоем - объединяет один принцип: на ветродвижителе при обтекании его потоком воздуха возникает сила реакции, направленная под углом к потоку воздуха. Для движения судна используют проекцию этой силы на направление движения, поэтому принципиально невозможно движение парусного судна с ветродвижителем против ветра.
80	i
Эффективность ВВЭУ зависит от скорости судна. Из изложенного следует, что характер этой зависимости определяется аэродинамическими характеристиками парусного вооружения и ветровыми условиями.
Из табл. 2.1 видно, что скорость современных транспортных судов соизмерима со скоростью умеренных ветров, обладающих наибольшей повторяемостью на морских и океанских путях. Очевидно, что использование попутных ветров будет малоэффективным. ’’Рабочими” ветрами будут ветры боковых направлений.
Принимаем, что ВВЭУ судна-ветрохода состоит из двух ветродвижителей, расположенных на двух мачтах. Рассматриваются курсовые углы кажущегося ветра от крутого бейдевинда до 130”. На этих курсовых углах ветра взаимным влиянием ветродвижителей можно пренебречь.
Из теории движения парусных судов, в которой вместо судна и ПВ рассматривается комплекс, состоящий из аэродинамического и гидродинамического профилей, следует, что крутизна хода парусного судна зависит от совершенства ПВ и подводной части паруса. Мерой совершенства профилей является их аэродинамическое качество, характеризуемое отношением подъемной силы Y к лобовому сопротивлению X. Оба качества (аэродинамическое парусов и гидродинамическое корпуса) в равной степени влияют на крутизну хода судна.
Анализ исследований показывает, что при расчете эффективности использования судов с парусным вооружением следует учитывать
Таблица 2.1
Океан	Месяцы	Диапазон изменения			Океан	Месяцы	Диапазон изменения	
		скорости ветра, м/с	направле-ния ветра, град				скорости ветра, м/с	направления ветра, град
Атлантический (северная часть)	хп-п III-V VI—VIII IX-XI	5—13 7-10 5-7,5 6-10,5	2-2,6 2-2,4 2-2,6 1,8-2,3		Атлантический (южная часть)	ХП-П Ш-V VI-VIII 1Х-Х1	6—10 5-11 6-12 4,5-11,5	2-3 2-3,2 2-3 1,4-3,4
Тихий (северная часть)	хп-п in-v VI-VHI IX-XI	4-12 7-10 4,5-7 5-10	2-3 2-3 1,8-3 1,8-3		Тихий (южная часть)	ХП-П in-v vi-vni IX-XI	5-10 6-11,5 5-12 5,5-11,5	1,3-2,6 2-3 2-3,2 2-3
Индийский	хп-п ш-v vi-vin IX-XI	3-10 3-11 3-12 3-11,5	1,8-2,6 2-2,3 2-3,2 2-3,2					
большую неоднородность метеорологических условий по длине рейса. В целях безопасности управление раскрытым парусом обычно осуществляется в том случае, когда средняя скорость как кажущегося, так и истинного ветра не превышает 20 м/с. Учитывая это, а также используя Я данные наблюдений [6, 14], можно выделить в основном три группы Я районов Мирового океана (см. табл. 2.1): благоприятный, удовлетво- Ц рительный и неудовлетворительный.	Ц
К районам, благоприятным по использованию ПВ транспортных Ц судов, можно отнести моря Японское, Желтое, Восточно-китайское, Ц Южно-китайское, Северное, район Северной Атлантики и субтропиче- И скую зону Южной Атлантики. Эти районы относятся к районам с высо- Ц кой повторяемостью ветра одного направления со скоростями 6- Я 14 м/с, а также высокой средней скоростью. К районам, удовлетвори- Ц тельным для использования ветродвижителей, следует отнести: зону  Индийского океана, расположенную северо-западнее и западнее Авс-тралии, умеренную зону Южной Атлантики, Австралийский залив (районы, имеющие большую повторяемость штормов), Норвежское, Гренландское, Баренцево и Средиземное море, Бискайский залив, (умеренная и тропические зоны северной Атлантики), район юго-западнее Индонезии, северную (Бенгальский залив) и тропическую части Индийского океана, район Тихого океана восточнее Японии, район Маршалловых островов (районы, имеющие невысокие скорости ветра в одно из времен года). Остальные районы имеют менее стабиль- ч ные характеристики, хотя неудовлетворительных по ветрообеспечен-ности районов практически нет и можно говорить лишь о существенном (в 1,5-2 раза) снижении эффективности парусного вооружения. Из табл. 2.1 следует, что установка парусного вооружения эффективна на
судах любого пароходства СНГ.
Ветер как носитель энергии, используемой для движения судна, обладает некоторыми особенностями. Плотность ветровой энергии на единицу площади потока мала: давление ветра на неподвижный объект равно61,5ув, МПа (где vB - скорость ветра, м/с). Скорость ветра и его направление - величины непостоянные. Осредненные за 1 или 3 мес, они представлены в справочной литературе в виде ”роз ветров” для отдельных участков акватории. Графики повторяемости ветров, построенные по ’’розам ветров”, свидетельствуют о преобладании даже в самых судоходных районах Мирового океана ветров средней силы. В связи с турбулентностью ветер может в очень короткие промежутки времени изменить скорость вдвое, а направление - в пределах 40е. Скорость ветра зависит от высоты потока над уровнем воды:
’в/ц	In hi/0,04
—-----= ----------->
vBh2	In h2/0,04
где b i, h2— высоты точек замера скоростей ветра, и.
Учет этих особенностей заставляет при создании судов-ветроходов ориентироваться на применение высокоэффективных типов парусного 82
Рис. 2Л. Схемы б) возникновения вымпельного ветра vB при движении судна со скоростью ^диаграммы скорости (в, г) вымпельного ветра в зависимости от курсового угла судна
вооружения. В качестве расчетной скорости ветра принимают скорость, имеющую наибольшую вероятность в заданном районе плавания. Непостоянство направления ветра необходимо учитывать при выборе типа и параметров поворотного устройства для установки паруса под оптимальным углом атаки.
При разработке математической модели учитывалось, что на движущиеся суда действует вымпельный (кажущийся) ветер, скорость которого равна сумме векторов скоростей истинного ветра v„ и ветра, вызванного движением судна. Отличие вымпельного ветра от истинного невелико (рис. 2.5, о, б). Если скорости ветра и судна близки по величине или, как в примере на рис. 2.5, в, равны, диаграмма скоростей ветра в зависимости от курсового угла существенно изменяется. Для судна, имеющего скорость, равную скорости ветра, существуют курсы только бейдевинд различной полноты.
Вопрос о выборе площади вспомогательного ПВ решается неоднозначно. Увеличение площади приводит к большей экономии топлива, но усложняет конструкцию, так как, чтобы сохранить безопасность судна при усилении ветра, надо автоматически уменьшать площадь паруса. С другой стороны, если принимать площадь как максимально. Допустимую по условию безопасности судна в диапазоне ветров с Достаточной повторяемостью (например, при ветре 20 м/с), то вся конструкция и операции по управлению будут просты, но при скорости ветра менее 20 м/с энергия ветра будет использоваться частично.
Площадь парусов определяется условиями обеспечения остойчивости судна в обычных и штормовых условиях. Практика применения 83
вспомогательного ПВ на судах, а также проектные оценки показывают, что площадь не может быть очень большой.
С целью получения наибольшей эффективности ПВ на судне, как отмечалось, должно работать в режиме автоматического слежения за ветром. Такое слежение предусматривает установку ПВ в каждый период под оптимальным углом атаки к усредненному направлению ветра за это время. Выбор оптимального угла атаки ПВ позволяет решать следующие задачи: поддержание максимальной силы тяги в направлении курса судна; обеспечение судну при прочих равных условиях максимальной скорости в направлении курса; минимизация расхода топлива на главный двигатель.
Наиболее предпочтителен второй вариант, т. е. такая ориентировка ПВ, при которой без изменения расхода топлива на главный двигатель обеспечивается максимальная скорость судна в направлении курса. При составлении алгоритмов функционирования автоматической системы управления вспомогательным парусным вооружением необходимо учитывать аэродинамические характеристики конкретного парусного вооружения в условиях качки судна.
С целью оценки влияния внешних условий на управление вспомогательным ПВ были проведены численные расчеты для судна ’’Инж енер Белов” (пр. 570) во всем диапазоне волнового спектра при трех значениях скорости судна и различных вариациях скорости и направления истинного ветра [48]. Рассматривалось судно, снабженное двумя жесткими парусами типа ЛИСЕД НКИ площадью по 192 м2, установленными на расстоянии 26,5 и 10,5 м соответственно в нос и корму от миделя.
Для нахождения закона изменения угла установки ПВ вследствие изменения ветроволновых условий использовались следующие математические модели: модель, предусматривающая установку паруса так, чтобы значения сил Fx и Fy были максимальными в условиях тихой воды (статическая постановка без учета качки судна); модель, позволяющая в каждый момент времени определять угол установки парусов, соответствующий максимальной силе тяги, т. е. парус как бы отслеживает качку, обеспечивая максимальную эффективность его работы. Как показали расчеты, средней за период качки угол установки паруса отличается от аналогичного значения, определенного по первой модели, и обеспечивает большую (в среднем на 10 %) эффективность работы парусов.
2Л. ВЫВОДЫ
Анализ показал, что аэро- и гидродинамика судов с ветродвижением оказывает определяющее влияние на выбор алгоритмов управления вспомогательным ПВ, расчетных условий работы судовых усг ройств, механизмов и их характеристик. В связи с этим была разработана программа расчета качки судна с ВПВ и рассмотрены алгоритмы управления парусным вооружением с учетом внешних условий.
Глава 3
АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
3.1.	УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ КОМПЛЕКСА СУДНО - ВВЭУ
Анализ вопросов эффективной эксплуатации современных судов с ВВЭУ показывает, что сделать конкурентоспособными суда с вспомогательным жестким (полужестким) парусным вооружением (следовательно, ускорить практическое осуществление идей использования энергии ветра на флоте) возможно на основе высокой степени автоматизации и механизации трудоемких работ с ПВ и нового класса судов.
Для комплекса судно — ВВЭУ можно выделить следующую общую группу задач, которые должна решать АСУ: эффективная работа ВВЭУ с минимальными затратами энергии; повышение экономической эффективности судна-ветрохода путем экономии топлива на ГД; увеличение скорости судна (при прочих равных условиях) в направлении курса; безопасность мореплавания судов с ВВЭУ.
Применительно к вспомогательному жесткому (полужесткому) ПВ можно выделить группу задач, которые необходимо решать АСУ судна:
обеспечение постановки (уборки) и аэродинамической настройки ВПВ;
стабилизация курса относительно ветра и (или) заданного компасного направления (продольный баланс гидро- и аэродинамических сил - обеспечение продольного баланса равнодействующих сил в центре бокового сопротивления и в центре парусности);
противодействие крену с углами более допустимых как для статических, так и для динамических (шквальных) составляющих ветровых нагрузок благодаря применению противокреновых систем и систем рифления и (или) обезветривания части элементов ВПВ (поперечный баланс);
обеспечение оптимального режима работы ВВЭУ (совместно с главной установкой и без нее), что для крыльевых разновидностей представляет собой выбор оптимальных курса на цель (что важно при лавировке), угла атаки элементов ПВ на заданном курсе, режима работы средств противодействия дрейфу, управления парусностью, т. е. ограничения тяги парусов путем уменьшения их площади (в случае применения специальных конструкций ПВ);
выполнение поворотов относительно ветра.
Второстепенными задачами управления комплексом судно - ВВЭУ могут быть: дрейф судна с торможением при работе ВВЭУ, демпфирование качки вследствие периодического изменения положения элементов ВВЭУ, удержание судна под заданным углом к волне в шторм.
Формулировка указанных задач пригодна для любых комплексов судно - ВВЭУ. Некоторые задачи имеют взаимопротиворечивые решения, что требует компромиссов.
1
С целью наиболее эффективного и достоверного решения задач по созданию АСУ парусно-моторного судна предлагается разбить АСУ комплекса судно - ВВЭУ на следующие локальные системы: АСУ ПВ (парусным вооружением); АСУ ПВ-авторулевой-рулевая машина (движение по заданному курсу), АСУ ПВ-ГД (совместной работой вспомогательного парусного вооружения и главного двигателя).
При такой постановке исследования научной проблемы возможно рассмотрение вопросов эффективной работы как между элементами, входящими в состав ВВЭУ, так и в их взаимосвязи с устройствами и механизмами судна-ветрохода. К тому же выводы и научные результаты, полученные по каждой из отдельно взятой задачи, будут являться исходными данными для решения последующей задачи.	ш
ЗД УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА	
КОМПЛЕКСА МАЧТА - ПАРУС	М
В процессе создания судна с вспомогательным ПВ появляются научные и инженерные задачи, решение которых должно обеспечить эффективность эксплуатации таких судов-ветроходов, причем с минимальными затратами энергии на работу ВВЭУ. В первую очередь, как отмечалось, это относится к созданию АСУ комплекса судно - ВВЭУ.
Следует отметить, что существуют общие задачи, которые должны решаться на любом этапе автоматизации ВВЭУ: обеспечение автоматического управления в системе управления вспомогательным ПВ, т. е. создание локальной АСУ ПВ; оборудование ВВЭУ информационноизмерительной системой о состоянии комплекса судно - ВВЭУ и соответственно локальных АСУ как объекта управления.	
Рассмотрим алгоритм управления парусным вооружением в соот- В ветствии с функциями АСУ ПВ.	В
1.	Постановка и уборка парусов. Использование ПВ целесообразно ™ только при соответствующей ветровой обстановке: когда скорость ветра меньше некоторого критического значения, а направление ветра обеспечивает определенную силу тяги, создаваемую Пв, по курсу судна. Исследования показали, что критическая скорость ветра лежит в пределах 20- 25 м/с, а угол между курсом судна и направлением вымпельного ветра ±(30+180’).
Паруса должны автоматически убираться (даже складываться на палубу) при увеличении скорости ветра и появлении опасности потери судном остойчивости. Если паруса не убираются на палубу, то, складываясь вокруг мачты, они должны создавать профиль с минимальным аэродинамическим сопротивлением. Убираться паруса должны за достаточно короткий промежуток времени (1-2 мин).
2.	Поворот раскрытого паруса на оптимальный угол в соответствии с изменением направления ветра для получения максимальной силы тяги (управление раскрытым парусом). Управление раскрытым парусом осуществляется в том случае, когда средняя скорость как кажу-щегося, так и истинного ветра не превышает допустимого значения (с И 86	jfl
позиций безопасности). Причем направление ветра, как правило, не должно попадать в диапазон ±(20-30’) от встречного (диапазон может меняться в связи с характеристиками ПВ), так как в этом диапазоне использование ПВ будет не эффективным. Следовательно, при благоприятном направлении и скорости ветра паруса должны автоматически или с помощью дистанционного (ручного) управления силовым приводом устанавливаться на оптимальный угол, обеспечивающий максимальную силу тяги по курсу судна.
Функция управления раскрытым парусом подразумевается как определение оптимального угла атаки паруса по направлению ветра и установка паруса автоматически под оптимальным углом к направлению ветрового потока.
Итак, оптимальный угол обеспечивает максимум подъемной силы на ПВ при боковом ветре, максимум сопротивления ПВ при попутном ветре и минимум сопротивления - при встречном. Направление вымпельного (кажущегося) ветра на судне, являющееся относительным направлением ветра, зависит от направления истинного ветра, скорости ветра и судна. Поэтому затруднительно для оператора постоянно поддерживать оптимальный угол атаки. Оптимальные углы установки ПВ относительно ДП судна (см. рис. 1.22), соответствующие^ различным курсовым углам, можно определить, имея результаты продувки в аэродинамической трубе данного типа ПВ: ₽ = ук - а, где ук - угол кажущегося ветра; а - угол атаки.
Производя аналогичные построения для различных курсовых углов судна 7K(t), можно определить наивыгоднейшие углы атаки a(t) и соответствующие им углы установки паруса ₽/(), т. е. получить таблицу значений функции 3(0 = AVK(t)). Аппроксимированная зависимость может быть использована в качестве программы для управления парусным вооружением.
Необходимо также учесть, что ПВ подвержено перемещениям вследствие бортовой и килевой качки судна. Исследования влияния качки судна-ветрохода на процесс взаимодействия ветра и ПВ позволяют обобщить и уточнить математическую модель программы управления ПВ.
3.	Установка сложенного парусного вооружения в положение, при котором оно будет оказывать минимально возможное аэродинамическое сопротивление по ходу судна (управление сложенным парусом).
При встречном ветре традиционные парусники используют лавирование для движения против ветра. Такой метод приводит к увеличению протяженности трассы движения судна и существенно осложняет обеспечение необходимого времени выполнения рейса. Поэтому суда с ПВ оснащаются главными двигателями мощностью, достаточной для поддержания желаемой скорости судна. В таких условиях паруса должны автоматически складываться и затем поворачиваться в положение, в котором оказывают наименьшее лобовое сопротивление.
4.	Автоматическое складывание парусов при штормовом ветре. При скорости кажущегося или истинного ветра выше допустимой
паруса автоматически складываются. Если при этом ветер боковой, паруса поворачиваются таким же образом, как и при встречном ветре.
Учитывая, что сильный попутный ветер не столь существенно влияет на безопасность судна, как боковой, при попутном ветре сложенный парус поворачивают и фиксируют в положение 90’ левого или правого борта для дополнительного использования ветра при движении судна-ветрохода.
Когда скорость ветра превышает 30 м/с, нет уверенности в том, что не произойдет поломки даже при управлении сложенным парусом. В этом случае автоматическое управление должно отключаться, а управление парусами осуществляться вручную. Паруса в сложенном виде, как правило, рассчитывают так, чтобы выдержать скорость ветра до 50 м/с.
В дополнение к автоматическому складыванию ПВ при указанных условиях команда на складывание паруса (с целью повышения безопасности) должна поступать на релейную схему непосредственно от датчика скорости ветра. Всё перечисленные функции могут быть реализованы с помощью устройства управления на базе управляющей микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ на основании текущей информации о скорости и направлении кажущегося ветра вырабатывает управляющие сигналы на раскрытие и на управление раскрытым ПВ, а также на складывание и управление сложенным ПВ.
Для реализации указанного алгоритма управления и использования его в качестве программы управления метод обработки входных сигналов в АСУ и интервал выходного сигнала управления должны быть соизмеримы. Направление и скорость ветра изменяются очень часто, поэтому прямая подача этих сигналов в АСУ не обеспечивает хорошей управляемости. Они должны быть обработаны до некоторой степени, однако при чрезмерной обработке могут быть потеряны их истинные характеристики и будет осуществляться также неэффективное управление.
При коротком выходном интервале качество управления (управляемость) лучше, но увеличивается расход энергии на повороты паруса. По этим причинам метод обработки входных данных и интервал выходного сигнала управления должны быть оптимизированы.
В качестве метода обработки входных данных должно быть принято усреднение, а для определения выходного интервала должен использоваться нелинейный элемент типа зоны нечувствительности. Период (время) усреднения и ширина зоны чувствительности должны быть оптимизированы путем моделирования с использованием реальных характеристик ветра.
Следует также заметить, что различия в средствах механизации и использования разных критериев оптимальности будут вызывать и различия в частностях алгоритмов управления ВВЭУ.
Результаты анализа алгоритмов управления вспомогательным ПВ являются исходными Данными по исследованию режимов работы механизма поворота комплекса мачта - парус, входящего в состав ВВЭУ.
ЗД ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АНИС
Постановка задачи исследований. Ранее указывалось на то, что задача эффективного использования ВПВ на современном морском судне неразрывно связана с проблемой автоматизации процесса управления парусным вооружением. Необходимость автоматического управления парусами связана со случайным характером возмущающих воздействий на них, необходимостью точного поддержания угла установки ВПВ относительно ветрового потока, а также для предотвращения аварийных ситуаций и своевременного вывода парусного вооружения из эксплуатации при неблагоприятных погодных условиях.
Реальная возможность появления отечественных судов с ВПВ ставит задачу научного обоснования и создания системы управления парусным вооружением.
На рис. 3.1 в качестве примера взят парус японской фирмы НКК. Информация от датчика ветрового потока I о скорости xIV и направлении х10 кажущегося ветра вводится в управляющую ЭВМ II. В блок памяти управляющей ЭВМ II предварительно заносятся данные по оптимальным углам набегания ветрового потока на вспомогательное ПВ (угол обеспечивает максимум подъемной силы на ПВ при боковом ветре, максимум сопротивления ПВ при попутном ветре и минимум сопротивления при встречном ветре). Такие данные обычно получают при аэродинамических испытаниях конкретного ВПВ. По ним и на основании указанной дискретной информации о направлении и скорости вымпельного ветра управляющей ЭВМ определяется оптимальный угол ₽3 установки паруса.
Рис. 3.1. Схема управления жестким вспомогательным парусным вооружением
После определения управляющей ЭВМ оптимального угла З3, соответствующего погодным условиям, контроллер 1 командой сигнала Ку, посылаемого от управляющей ЭВМ, приводит в движение (открытие/закрытие) секции А и Б вспомогательного ПВ V с помощью совмещенных подъемных устройств (гидроиилиндров) 4. Таким образом, контроллер 1 выполняет функцию первичного двигателя совмещенных гидроцилиндров (секция В- неподвижная). Конечный выключатель 2 установленный на мачте IV, выполняет функцию посылки сигнала \ к управляющей ЭВМ до момента полного раскрытия секций А и Б паруса. Другой конечный выключатель 3 выполняет функцию посылки сигнала 4 закрывающейся секции паруса к управляющей ЭВМ до тех пор, когда секции А и Б паруса полностью закроются (М -гидродвигатель).
Одновременно с командой Ку, выполнение которой связано с приведением вспомогательного ПВ в рабочее положение, управляющая ЭВМ Л передает значение утла З3 в устройство 7. В функции устройства 7 входят: нахождение отклонения значений действительного угла определяемого указателем 5 угла поворота мачты относительно горизонтальной базовой линии судна, от значений оптимального заданного угла Ру посылка команды в виде сигнала контроллеру 6, управляющему работой механизма поворота комплекса мачта - парус (гидропривод III). Посылка команд идет до тех пор, пока отклонение значений между действительным и заданным Р3 углами установки паруса не будет равно нулю.
На рис. 3.1 представлены состав элементов ВВЭУ и их принципиальные связи между собой, однако данная схема предусматривает также связь указанных элементов с устройствами и механизмами судна: главным двигателем, рулевой машиной, пропульсивным комплексам, лагом, гирокомпасом, авторулевым и др. Такая связь преследует цели объективного определения управляющей ЭВМ оптимального угла установки паруса. При этом должны учитываться как характеристики ветрового потока, так и аэродинамические характеристики ВПВ, а также закон его управления.
Итак, эффективность применения ВПВ неразрывно связана с его оптимальным управлением. Ранее отмечалось, что управление ВПВ может осуществляться как дистанционно оператором, так и автоматической системой управления, однако в обоих случаях важное место отводится АИИС.
Важным источником информации для подобной системы являются сведения о параметрах ветрового потока. Следовательно, цель исследований заключается в создании в первую очередь научно обоснованной информационно-измерительной системы, в задачи которой входят определение параметров ветрового потока и расчет по ним оптимального угла установки ВПВ.
Научное обоснование и разработка АИИС ВПВ связаны с синтезом научных результатов, полученных при решении следующих вспомога-90
тельных задач: исследование динамических характеристик возмущающего воздействия на ВПВ, обоснование выбора элементов АИИС, исследование алгоритмов управления ВПВ при эксплуатации судна.
Исследование динамических характеристик возмущающего воздействия на ВПВ позволит обосновать требования к характеристикам АИИС (точность определения параметров, время осреднения, быстродействие системы) и выбор элементов, входящих в состав системы.
Алгоритмы управления ВПВ, используемые в качестве базовых в АИИС,-научно обосновывают путем анализа аэродинамических характеристик различных конкретных типов ВПВ и корректируют с учетом поведения судна на морском волнении [43, 45, 46, 48]. Управление парусом предполагается таким образом, что при любом изменении кажущегося ветра парус устанавливается под оптимальным (с учетом выбранного критерия) углом. Следовательно, алгоритм управления ВПВ определяет режим работы механизма поворота комплекса мачта - парус, влияет на расход энергии приводного механизма и его износ. Синтез полученных результатов исследований позволил обосновать структуру и алгоритм функционирования локальной АСУ ВПВ.
Исследование характеристик входных и выходных сигналов АИИС. Исходными данными для выработки необходимого управляющего воздействия на ВПВ являются сигналы о скорости и курсе судна, а также данные о параметрах ветрового потока и аэродинамические характеристики профилей ВПВ. Сигналы о скорости v/t) судна и его курсе В/t) вырабатываются штатными приборами. Мгновенные значения этих сигналов можно без дополнительной обработки использовать для выработки управляющего сигнала. Параметры ветрового потока: скорость кажущегося ветра vK(t), его направление ук(у, ускорение в порывах dvK(t)/dt и скорость изменения направления dyK(t)/dt должны определяться в рамках создаваемой системы управления ВПВ.
Следовательно, у созданной АИИС входными параметрами являются сигналы от датчика ветрового потока, а выходными - сигналы Vf на разрешение или запрет работы ВПВ и функция оптимального угла установки ВПВ pf().
Для обоснования основных технических характеристик АИИС был проведен комплексный анализ характеристик входных сигналов. Единичная функция V(t) - разрешение или запрет работы ВПВ -вырабатывается на основе данных о скорости судна и параметров ветрового потока. Использование ВПВ возможно в определенном диапазоне курсовых углов и скоростей истинного ветра. Эти диапазоны определяются прочностными характеристиками парусов и требованиями безопасности мореплавания. Для большинства ВПВ диапазоны находятся в пределах более 30* правого и левого бортов по направлению кажущегося ветра и 4-20 м/с - по скорости истинного ветра:
fl при | у к {> 3 0*; 4 < vH < 20 м/с;
(0при|ук|<30*; 4>vm>20m/c.
1
В случае неблагоприятных для работы ВПВ ветроволновых уело- ” вий, т. е. V(t) = 0, паруса должны автоматически выводиться из рабочего состояния: складываться на палубу или принимать форму с мини-
мальным аэродинамическим сопротивлением и управляться во флюгерном режиме. Анализ работ, связанных с эксплуатацией ВПВ, показал, что убираться паруса должны за время не более 2 мин.
ЗА обоснование выбора ЭЛЕМЕНТОВ анис1
На основании исследований, связанных с созданием экспериментального образца АИИС, можно остановиться на двух элементах: датчике 1 ветрового потока и персональном компьютере 2 с дисплеем (рис. 3.2) [43,45,46].
При выборе датчика 1 ветрового потока были опробованы три типа стандартных датчиков морских метеостанций: датчик скорости ветра (анемометр) и датчик направления ветра типа ’’флюгарка”; анемометр и датчик направления типа ’’виндроза”; векторный датчик, входящий в состав корабельной метеостанции КМС-3.
Исследования характеристик переходных процессов датчиков направления ветрового потока при нанесении ступенчатого возмущающего воздействия показали следующее. Датчики типа ’’флюгарка” и ’’виндроза” имеют ярко выраженные колебательные свойства. У датчика типа ’’флюгарка” период стабилизации составляет 10 с, а амплитуды заброса и перерегулирования могут составлять до 90° при различных скоростях ветра. Время заброса и перерегулирования может составлять несколько секунд. Датчик направления ветра типа ’’виндроза” также является звеном колебательным: период стабилизации 3-5 с в зависимости от скорости ветра, а время и амплитуда полуволны заброса и перерегулирования существенно меньше, чем у датчика типа ’’флюгарка”.
В рассмотренных метеостанциях информация от датчиков поступает в виде аналогов электрического сигнала. В случае использования их информации в цифровой обрабатывающей системе возникает необходимость применения сглаживающих фильтров и аналогово-цифрового преобразования.
При создании АИИС за основу взят был векторный датчик (рис. 3.3, а) корабельной метеостанции - преобразователь измерительный составляющих вектора ветра [49, 58], являющийся звеном апериодическим с малым (до 0,5 с) временем переходного процесса.
Векторный датчик состоит из первичного и промежуточного измерительных преобразователей. Первичный измерительный преобразователь, состоящий из двух анемометров 1, расположенных под углом 90° друг к другу и формирователя, воспринимает воздушный поток и формирует выходные сигналы в виде электрических импульсов,
1 Материал подготовлен совместно с инж. Р. А. Варбанцем.
Рис. 3.2. Автоматическая информационно-измерительная система
Рис. 33. Векторный датчик и схемы определения вектора скорости и направления ветрового потока
частота которых (Ui и Mj) от каждого из анемометров соответствует составляющей вектора ветра в данном направлении.
Анемометр состоит из воздушного приемника 2 (винт постоянного шага из четырех профилированных лопастей и ступицы, жестко закрепленной на оси), корпуса, оси и фотопреобразователя. Ось анемометра закреплена в корпусе, на одном конце ее расположен воздушный приемник, а на другом - обтюратор фотопреобразователя. Фотопреобразователь анемометра, преобразующий частоту вращения оси в частоту следования электрических импульсов, состоит из обтюратора (рис. 3.3, б) и кронштейна с двумя парами фото- и светодиодов 3. При вращении обтюратора периодически прерывается и возобновляется световой поток от светодиода на фотодиод, тем самым формируются электрические импульсы, частота которых зависит от частоты вращения воздушного приемника.
Обтюратор представляет собой полый цилиндр с двумя рядами отверстий. Первый ряд I - восемь равномерно расположенных отверстий - основной канал. Второй ряд II - четыре отверстия, расположенных определенным образом, для установления направления вращения оси анемометра - вспомогательный канал.
Как видно из рис. 3.3, б, г, при вращении обтюратора против (и по) часовой стрелки появляются моменты совпадения импульсов, а также моменты возникновения отдельных импульсов первого и второго рядов, чередующиеся в строгой последовательности.
Анемометры соединены с формирователем, предназначенным для формирования импульсов от анемометров с целью их передачи по линии связи к промежуточному преобразователю. Различие в количестве импульсов первого ряда обтюратора, пришедших от совпадения до появления импульсов его второго ряда, позволяет с помощью схем в промежуточном преобразователе определить направление вращения анемометра.
Промежуточный измерительный преобразователь - устройство, вносящее исправления в показания анемометров для повышения точности векторного датчика и определяющее знаки составляющих вектора ветра. В промежуточном преобразователе, работающем по определенному алгоритму, определяются с заданной точностью частота каждого анемометра, угол между вектором ветра и осью анемометра и направление вращения анемометра.
Принцип действия датчика заключается в преобразовании значений ортогональных составляющих вектора ветра (рис. 3.3, в) в выходные сигналы в виде двух последовательных импульсов напряжения (информативный параметр - частота следования), каждый из которых соответствует модулю составляющей, и кодированных сигналов для импульсов (логический ”0” или логическая ”1”), соответствующих знаку составляющей. Измерение одной из составляющих вектора осуществляется параллельно ДП судна. Диапазон составляющих вектора ветра 50 м/с при таком же входном сигнале.
Конструктивные особенности и принцип работы векторного датчика были взяты за основу при создании АИИС.
С целью упрощения схемы и получения наиболее корректных данных по направлению и скорости набегания ветрового потока на ВПВ судна-ветрохода было выполнено следующее.
Аппаратное обеспечение датчика было заменено на программное, что позволило восемь отверстий первого ряда обтюратора фотопреобразователя анемометра заменить на три отверстия с угловыми промежутками: 180’, 135’ и 45’. Принимается, что во время одного оборота угловая частота вращения обтюратора постоянна. Следовательно, программно анализируя длительность между импульсами, можно определить направление вращения воздушного приемника анемометра и соответственно направление проекции вектора скорости вымпельного ветра.
Анализ функций спектральных плотностей процессов v&(t) и yK(t) показал, что 90 % всей дисперсии скорости потока заключено в частотном диапазоне 0-0,2 Гц и 90 % дисперсии направления потока заключено в частотном диапазоне 0- 0,9 Гц. Эти данные позволяют сформулировать минимально необходимые требования к динамическим характеристикам датчика ветрового потока: способность воспринимать частоты по направлению до 0,9 Гц и по скорости до 0,2 Гц. Выбранный для АИИС датчик удовлетворяет этим требованиям.
Принимая в качестве частоты Найквиста N наибольшую интересующую нас частоту 0,9 Гц получаем значение минимального интервала дискретизации Af = 1/(2А7).
При интервале дискретности менее At будут получены хорошо коррелируемые между собой избыточные данные о процессе, что автоматически влечет за собой усложнение процедуры обработки этих данных. Случайный процесс, записанный с интервалом дискретности более At, не будет отражать истинный частотный состав исходного процесса. Таким образом можно рассчитать минимальные интервалы дискретизации при записи процессов vK(t) и yK(t):
A tv = l/(22Vv) = 1/(2-0,2 с'1) = 2,5 с; At, = 1/(2N,) = 1/(2-0,9 с'1) = 0,5 с.
Достаточно жесткие требования к периоду дискретизации при замере направления ветра (0,5 с) - еще одно доказательство целесообразности использования датчика ПСВВ, который позволяет получить информацию о направлении потока косвенным методом - через скорость в ортогональных направлениях. Необходимый интервал дискретизации процесса увеличивается в этом случае до 2,5 с. Поскольку принцип набора информации о скорости в ПСВВ заключается в подсчете числа импульсов за указанное время, то такое увеличение периода дискретизации является существенным для обеспечения необходимой точности.
ЗЛ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АИИС	
Разработка и отладка алгоритмов функционирования АИИС провО" дались на базе ПЭВМ IDM РС-ХТ.
Для обработки сигналов, поступающих в ПЭВМ от векторного датчика ветра метеостанции КМС-3 через промежуточный блок формирования импульсов в формате TTL (по канапу LPT-2, порт 379Н), используют следующие модули программы на языке ’’Паскаль”:
1.	Главный модуль АИИС позволяет определить направление и скорость кажущегося ветрового потока путем обработки сигналов, поступающих в виде импульсов, от векторного датчика ветра ПСВВ. С этой целью программно производится опрос портов канала LPT-2 ПЭВМ. Затем программа, работающая в реальном времени и анализирующая состояние портов 379 Н и 37АН, с помощью машинного таймера использует информацию о длительности импульсов и времени между предыдущим и последующим импульсами с целью дальнейшего определения направления вращения воздушных приемников (крылаток) анемометров чувствительных элементов датчика ветра ПСВВ. После каждых трех импульсов производят инкриментирование или декри-ментирование определенной ячейки памяти ПЭВМ в зависимости от направления вращения каждой из крылаток анемометров. Следовательно, за время осреднения набираются суммы со знаком числа импульсов от воздушного приемника анемометра каждого из ЧЭ. Знаки полученных сумм однозначно характеризуют направление кажущегося вектора ветра по одному из четырех квадрантов (см. рис. 3.3, б). Комбинации же длительностей импульсов, не входящие в таблицу, исключают.
Затем, сравнивая значения сумм числа импульсов каждой из крылаток анемометров ,ЧЭ датчика ветра с тарировочными их значениями соответствующих крылаток анемометров, полученными на основании данных продувок датчика ветра ПСВВ, при различных параметрах (скорости и направления) воздушного потока в аэродинамической трубе, определяют значения составляющих вектора кажущегося ветра в ортогональных плоскостях: = ЛМ1) = уку = Оз) ~ = V2 (см. рис. 3.3, в).
Итак, с помощью данного модуля программно определяют: одно из пяти основных направлений курса моторно-парусного судна относительно ветра; составляющие вектора скорости кажущегося ветра.
2.	Модуль расчета скорости и направления истинного ветрового потока. На основании информации о направлении и составляющих вектора кажущегося ветра, полученной от предыдущего модуля, а также информации, полученной от судового лага и гирокомпаса, определяют параметры (скорость и направление) истинного ветра, после чего в зависимости от конкретного типа вспомогательного ПВ (аэродинамических характеристик, полученных при продувке паруса в аэродинамической трубе, конструктивных особенностей, степени автоматизации процесса управления парусным вооружением) по полученным значениям 96
параметров ветрового потока формируется сигнал на следящее устройство привода комплекса мачта - парус с целью выработки команды на разрешение или запрет эксплуатации ВПВ (раскрытие или закрытие паруса). В зависимости от принятого решения определяется оптимальный угол атаки вспомогательного ПВ ветровому потоку или принимается решение (вырабатывается сигнал) на управление ВПВ во флюгерном режиме либо складывание в форму с минимальным лобовым сопротивлением. В зависимости от принятого решения и на основании значений угла вымпельного ветра и угла атаки ВПВ ветровому потоку определяется угол установки парусного вооружения относительно ДП судна, а также вырабатывается сигнал-команда на следящую систему установки ВПВ (см. рис. 1.22 и 3.1).
3.	Модуль расчета вспомогательных штурманских задач предусматривает расчет задач судовождения, связанных с необходимостью определения параметров ветрового потока (как кажущегося, так и истинного).
4.	Графический модуль визуального отображения - программа позволяет на экране дисплея ПЭВМ графически отображать результаты всех расчетных параметров: характеристики судна, ветровую обстановку, информацию о возможности использования конкретного вспомогательного ПВ с рекомендуемым углом установки паруса относительно ДП судна. С целью формирования данного расчетного модуля использовали библиотеку графических подпрограмм.
Все расчетные параметры автоматически пересчитываются при корректировке исходных данных. Процесс пересчета происходит не в реальном времени и длится 0,7 с. На это время прерывается процедура опроса датчика ветрового потока.
3.6.	ВЫБОР ХАРАКТЕРИСТИК МЕХАНИЗМА ПОВОРОТА
КОМПЛЕКСА МАЧТА - ПАРУС
Методика обоснования типсразмера механизма поворота. Ответственным механизмом ВВЭУ, входящим в систему управления парусом, является механизм поворота мачты. Он предназначен для поворота баллера мачты с целью установки раскрытого или закрытого паруса под заданным углом к ветровому потоку. Таким образом, основной режим работы привода - следящий. Эффективность и надежность работы силового привода связаны с безопасностью мореплавания и экономическими показателями работы судна-ветрохода. При обосновании типоразмера и эксплуатации таких механизмов необходимо предъявлять к ним определенные требования. Так, выбор типоразмера силового привода должен осуществляться с учетом следующих основных факторов: назначения, режима работы в экстремальных условиях (при динамических нагрузках на привод, обусловленных порывами ветра и массой комплекса мачта - парус в условиях качки судна), потребляемой мощности.
V
Нагрузки на привод определяются моментами сопротивления от аэродинамических сил, возникающих при определенных скоростях ветра, сил трения в узлах привода, сил тяжести ПВ и сил инерции массы комплекса мачта - парус в условиях качки судна-ветрохода. Внешняя динамическая нагрузка определяется изменением суммарного момента сопротивления во времени. В общем случае суммарный момент сопротивления
с св си Ср Т ’
м св>м си>м ср~ моменты сопротивления соответственно от ветровой нагрузки, сил инерции комплекса мачта — парус в условиях качки судна-ветрохода на реальном морском волнении, силы тяжести этого комплекса; М момент от сил трения комплекса мачта — парус.
Следовательно, необходимо определять пространственно-временные характеристики ветра, аэродинамические моментные характерис- ; тики ПВ, моментные характеристики от сил инерции и сил тяжести ’ парусного вооружения.
Первая задача может быть решена с учетом структуры ветрового : поля над уровнем моря и качки судна-ветрохода на реальном морском волнении. Решение второй задачи возможно с помощью математического моделирования в аэродинамической трубе, третьей задачи - с помощью моделирования с последующей проверкой в натурных условиях.
Типоразмер силового привода выбирают на основании следующих характеристик: крутящего момента ^кр> угловой скорости вала ы, углов Р поворота парусного вооружения относительно диаметральной плоскости судна.
Максимальный крутящий момент привода, приведенный к валу, ^кр = ^с’р^ ’
где Мс — максимальный момент сопротивления комплекса мачта — парус; ip = п^пп — передаточное число силового редуктора от баллера мачты к валу привода (здесь пм — частота вращения мачты; пп — номинальная частота вращения вала привода); и — КПД механической передачи.
Мощность привода является функцией следующих аргументов: ^(^кр> Пп> к)> где к - коэффициент перегрузки по мощности.
Следовательно, мощность привода определяется максимальным моментом сопротивления комплекса мачта - парус и угловой скоростью вала.
Фирмы, занимающиеся проектированием судов с ПВ, как показал анализ, придерживаются принципиально разных подходов. Так, в парусном оснащении всех построенных в Японии судов использованы решения, основанные на применении прямого ПВ, которое требует 98
значительных вращающих моментов для приведения его в действие. Соответственно значительны затраты энергии на довороты парусов при изменении ветровых условий. Японская система электрогидравличе-ского управления обеспечивает угловую скорость мачты не более 1,2 град/с.
Основой английского проекта является использование в качестве ПВ крыльевого модуля, состоящего из трех секций. Крылья расположены так, чтобы свести к минимуму плечо момента аэродинамических сил. Для изменения угла атаки парусного модуля используется специальное управляющее крыло. Приведение парусов на оптимальный угол к ветру осуществляется со скоростью 30 град/с.
Скорость разворота мачты с вспомогательным ПВ типа ЛИСЕД НКИ на теплоходе ’’Инженер Белов” равна 1,2 град/с. Угол поворота ПВ Р = +100° - для жестких прямоугольных и крыльевых парусов.
Анализ показывает, что для поворота баллера мачты необходимо применять высокомоментные приводы. С этой целью целесообразно использовать гидравлический привод, которому присущи, кроме возможности создания больших крутящих моментов, преимущества по сравнению с другими видами привода: наличие малооборотных гидродвигателей, бесступенчатое регулирование скорости, простота дистанционного и автоматического управления гидрофицированными механизмами, малая инерционность вращающихся частей, обеспечивающая быструю смену режимов работы (пуск, разгон, реверс, остановка), малая удельная масса, т. е. масса гидропривода, отнесенная к передаваемой мощности (0,2-0,3 кг/кВт), возможность простого и надежного предохранения приводящего двигателя от перегрузок, смазывание рабочей жидкостью всех узлов, высокие надежность и экономичность.
Тип гидравлического привода выбирают в зависимости от конструктивного исполнения насоса и гидродвигателя (радиально- и аксиально-поршневые, пластинчатые, шестеренные и т. д.), момента на валу гидродвигателя (низко- и высокомоментные) с учетом крутящего момента Мкр, угловой скорости вала (о и угла поворота ₽.
Необходимо также считаться с недостатками гидропривода: условия его эксплуатации (температура) влияют на характеристики, КПД несколько снижается по мере выработки его ресурса (падение объемного КПД), большая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости.
В отличие от других типов приводов гидропривод (в частности лопастного типа, который устанавливают непосредственно на голову баллера мачты) имеет две важные особенности: демпфирование внешних динамических нагрузок на привод, обусловленных порывами ветра, массой паруса в условиях качки судна (это предохраняет лопастной привод от разрушения); ’’сползание” ротора лопастного привода под действием внешних динамических нагрузок с заднего положения, что сказывается на точности управления поворотом мачты.
Возникает необходимость разработки методики расчета углов "сползания” в зависимости от ветровой нагрузки.на парус (скорости и направления ветра), а также требований к системе управления пово-99
рогом мачты. Для этого необходимо знать: характеристики самого привода и системы питания (насоса и обратной связи); закон изменения во времени внешней динамической нагрузки, определяемый изменением суммарного момента сопротивления Ме во времени.
Для поворота баллера мачты может быть применен гидродвигатель (использующий энергию потока жидкости и сообщающий выходному валу неограниченное вращательное движение) с понижающим редуктором. Основные преимущества гидродвигателя - компактность и простота управления. Не исключается также применение электропривода.
Математическая модель режимов работы механизма поворота комплекса мачта - парус. Создание судна с ВВЭУ ставит научные и инженерные задачи, решение которых обеспечит эффективность и безопасность эксплуатации судов. Одной из таких задач является исследование режимов работы механизма поворота комплекса мачта - парус в условиях морского волнения.
Судовые устройства испытывают дополнительные нагрузки при их работе в условиях качки судна на морском волнении. Ранее для исследования основных показателей режимов работы судовой рулевой машины в условиях морского волнения с помощью уравнения Лагранжа II рода была научно обоснована и разработана математическая модель. Она позволила получить инженерный метод расчета максимальных значений суммы динамических и статических составляющих нагрузок на электрогидравлическую рулевую машину при качке судна. Натурный эксперимент подтвердил результаты теоретических исследований [39-42, 47].
Учитывая изложенное, рассмотрим расчетную схему (рис. 3.4).
Примем следующие допущения: поворотный механизм, устанавливаемый в нижней части мачты, передает вращающий момент через зубчатую передачу (возможны другие варианты); поворот паруса осуществляется в диапазоне от -ПО до +110’; на систему наложены только геометрические (голономные) связи; упругая деформация звеньев системы судно - мачта - парус не учитывается; считаем парус пластиной любой формы, масса которого сосредоточена в его 1IT; соотношение массы паруса (с учетом присоединенной массы воздуха) с массой судна мало; исключается из рассмотрения наличие зазоров и трения в кинематических парах; размеры ПВ могут варьироваться в большом диапазоне; минимальным следует считать такой парус, который не убирается при усилении ветра до значений, характерных для заданного района плавания;
парусное вооружение применяется в одно-, двух- (и более) мачтовом исполнении; мачты могут располагаться как в диаметральной плоскости, так и по левому и правому бортам судна (см. рис. 3.4); одномачтовое ПВ целесообразно устанавливать вблизи центра бокового сопротивления^ носовой четверти длины судна, и в этом случае требования к переделке рулевого управления будут минимальными (в случае переоборудования судна);
Рис. 3.4. Расчетная схема математической модели режимов работы механизма поворота комплекса мачта—парус
подводная часть корпуса остается без изменений, так как высокая скорость движения судна с ВВЭУ обеспечивает необходимую боковую силу при малых углах дрейфа;
система управления для основного диапазона соотношений скорости, направлений ветра и судна должна обеспечивать работу паруса под постоянным углом атаки, дающим наибольшее значение аэродинамического качества.
Положение в пространстве качающегося с парусом судна определяется координатами его ЦТ (точка G) в следующей системе координатных осей [44]:
GXYZ - неразрывно связанные с судном;
О£ I] £	- неподвижные в пространстве;
-связанные с центром тяжести судна и остающиеся во время движения параллельными осям
&g “соответственно продольное, поперечное и вертикальное перемещения;
Ф, ф, 9 ' -соответственно рыскание, дифферент и крен судна.
Мачты с парусами расположены следующим образом: их оси ОЩ параллельны оси GZ; координаты осей в системе GXYZ соответственно будут х„, Мт
С мачтой жестко закреплен парус; центр тяжести паруса находится в точке т (аппликата ЦТ паруса а ордината уп).
В результате действия привода механической системы парус может вращаться вокруг оси мачты на угол 0. Положение паруса относительно судна в любой момент времени, учитывая принятые допущения, определяется координатами ЦТ паруса и координатой 0.
Итак, положение механической системы судно - мачта - парус
определяется семью независимыми параметрами, которые примем за обобщенные координаты этой системы и обозначим: qi = 0; Qj = qj = и 4g,” Qs = ф; q6 = i|);q7 = 0.
С целью получения обобщенной математической модели режимов работы поворотного устройства мачта - парус в условиях морского волнения как системы дифференциальных уравнений движения рассматриваемой динамической системы используем уравнение Лагранжа II рода:	।
0ч/;/=1’2,-’р’	-
dt dtjj oqj	)
где t — время; T — кинетическая энергия системы; fly — обобщенные координаты; 0^ — обобщенные силы, соответствующие обобщенным координатам fly; р — число обобщенных5 координат.	j
Известно, что левая часть уравнения Лагранжа II рода представляет собой выражения д’Аламберовых сил инерции, поэтому в уравнении, записанном для координаты, соответствующей направлению действия механизма (например, паруса), левая часть - инерционные силы сопротивления движению или инерционные нагрузки на данный механизм.
Правая часть уравнения Лагранжа II рода - выражения для обобщенных сил сопротивлений. Из правой части можно получить выражения сил сопротивлений приводу системы мачта - парус от всех учтенных внешних сил. Полученные уравнения, которые описывают движение системы судно - мачта - парус в направлении данной координаты, учитывают совмещенные движения системы.
Продифференцировав кинетическую энергию и подставив найденные выражения левых и правых частей уравнения Лагранжа П рода, получаем дифференциальное уравнение, описывающее движение паруса относительно судна при наличии трех линейных и трех угловых видов качки судна:
7	7	7.
ДвЛ+Д Д Ма+сж£/- 
J 1 J * °	I
Таким образом, в общем случае математическая модель системы судно - мачта - парус есть система семи обыкновенных нелинейных неоднородных дифференциальных уравнений II порядка относительно обобщенных координат. Первое уравнение описывает движение 102
паруса на качающемся судне. Остальные шесть уравнений являются уравнениями движения судна с учетом влияния на качку относительных перемещений паруса.
Ранее принято, что масса движущегося паруса по отношению к массе судна мала, влияние движения паруса на качку судна считаем незначительным. Принимая качку происходящей независимо от перемещений паруса, можно описывать ее в виде задаваемых функций времени.
На основании уравнения математической модели, составленного по координате отклонения паруса, уравнение сил сопротивлений в общем виде запишется в виде момента сил сопротивлений относитель-
7	7	7
но оси мачты: -Д offi -	bjscjjcjs _ Cj где инерционные динами-
ческие силы сопротивления описываются коэффициентами aj, bjS при qj и qjs, а от сил внешних - с.
Анализ данного выражения с учетом содержащихся в нем коэффициентов Oj, bjg, с, показывает, что значение N в общем случае при учете только массы паруса зависит: от 29 параметров, в том числе 18 параметров качки; одной обобщенной координаты, первых и вторых производных по времени; трех координат, определяющих место положения ЦТ паруса; хорды паруса,массы паруса и мачты. Из выражения можно выделить характерные группы, объединенные по физической сущности сил сопротивления, в том числе силы сопротивления:
создаваемые инерцией массы паруса в условиях качки судна при
7 7  £ £ j'=2 л=2
ции массы паруса при наличии нормальных, тангенциальных и корео-лисовых ускорений ЦТ судна во время качки;
от силы тяжести мачты и паруса, вызванных креном и дифферентом судна в условиях качки, аэродинамических сил и сил трения Nj = = -с. Уравнение суммы сил сопротивления в общем виде запишется N^Ni+Nz.
Такой подход позволяет исследовать численными методами отдельные группы слагаемых, обладающих значительно меньшим числом переменных. Получив экстремальные значения каждого из двух видов сил сопротивления, можно определить положение системы судно - мачта - парус, при котором суммарное значение будет экстремальным.
Выражение силы сопротивления приводу механизма поворота комплекса мачта - парус, создаваемой инерцией массы паруса в условиях качки судна при повороте паруса, имеет вид
М = ~агЧ2 ~ a3Q3 ~ а4$4 ~ asQs ~ абЯб ~ с7*77 “ Ь22<& “
- ЬззЧз ” Ъ44<й ~ ^24^2^4 “ b34W4 "
hjsW? гДе учитываются силы инер-
повороте паруса Ny = цсц
Рис. 3.5. Схема аэродинамических сил, действующих на парусное вооружение
ч
Выражение силы сопротивле- ~ ния приводу механизма поворота комплекса мачта - парус, создаваемой силой тяжести комплекса в условиях качки судна при повороте паруса, имеет вид [44]: N% = mgkbycos ql sin q7 --sinQ1sinq6).
Существенными нагрузками на привод механизма для поворота комплекса мачта - парус будут нагрузки от аэродинамических сил, возникающие при больших скоростях ветра. Расчет нагрузок целесообразно провести для жестких прямоугольных парусов, установленных на японских
m	судах-ветроходах и для парусов
типа ЛИСЕД НКИ, признанных наиболее перспективным типом парусного вооружения.
На рис. 3.5 представлена схема приложенных к парусу (форма -изогнутая пластина) сил: PN - нормальная (перпендикулярная к хорде паруса) составляющая силы ветра; Р* Ру - проекции результирующей силы Р на направления действия ветра; 7 - плечо силы PN: а - угол атаки.
С достаточной степенью точности сила сопротивления от ветровой нагрузки определится как = p(y^/2)sl(Cx sin а + Су cos а); I ~ Ь/6. Следовательно, М№ определяется аэродинамическими характеристиками паруса (геометрическими размерами, формой), а также характеристиками ветра (скоростью и направлением).
3.7.	выводы
КМС-3 применительно к использованию указанного аппаратного состава АИИС.
Датчики векторного типа обладают достаточной точностью при определении параметров ветрового потока, простой формой выходного сигнала, минимизирующей требования к линии связи с расчетным устройством, а также хорошей ремонтопригодностью.
Их можно использовать также с целью набора статистических данных о ветре на любых рейсовых линиях. При этом вся информация может быть записана на жесткий диск персональной ЭВМ, а затем обработана стандартными программами.
Программное обеспечение функционирования АИИС представляет собой комплекс программ расчетных модулей, обеспечивающих работу системы на персональных ЭВМ типа IDM РС-ХТ/АТ. При разработке и отладке данных расчетных модулей были использованы как стандартные, так и специально разработанные программы на языке ’’Паскаль”.
Алгоритм работы АИИС позволяет в различных эксплуатационных условиях визуально отображать на дисплее в реальном времени информацию о текущей ветровой обстановке, характеристиках судна, оптимальном варианте работы ВПВ, результатах расчетов штурманских задач.
Результаты научных исследований, на основании которых был создан экспериментальный образец АИИС, могут быть использованы при обосновании технико-эксплуатационных требований по оптимальному взаимодействию элементов, входящих в состав ВВЭУ, с судовыми комплексами, устройствами и механизмами, а также при обосновании требований к средствам и системам автоматизации рабочих процессов комплекса судно - ВВЭУ.
Разработанный образец АИИС может быть использован при работе ВПВ по прямому назначению, а также для решения различных штурманских задач.
2. В результате рассмотрения работы АИИС, аэро- и гидродинамики судна с ВПВ был разработан метод обоснования выбора характеристик механизма поворота комплекса мачта - парус.
1. Эффективность эксплуатации судов с ВПВ зависит от степени 
автоматизации и механизации работ, связанных с управлением парус- И Глава 4
ным вооружением, и от степени автоматизации судов нового класса. И
Были рассмотрены вопросы по обоснованию и разработке АИИС судна с	 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ
вспомогательным ПВ, которые позволили выработать требования к	 ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С УСТРОЙСТВАМИ СУДНА
работе как отдельных элементов, входящих в состав АИИС, так и  системы в целом.		выбор рабочей площади паруса и характеристик рулевой машины
В результате исследований был обоснован следующий аппаратный И
состав АИИС: персональная ЭВМ типа IDM РС-ХТ/АТ; измерительный  Основной задачей судовождения является точное и безопасное ПСВВ; дисплей и электронный блок формирования сигналов, обеспе-		управление движением судна в соответствии с заданным курсом при
чивающий непрерывную регистрацию параметров ветрового потока.		минимальных эксплуатационных затратах. К важным мореходным
Исследования позволили изменить и упростить канал вывода		Качествам современного судна относится его управляе-
информации от датчика ветра векторного типа ПСВВ метеостанции	И	мость. Управляемость объединяет два противоположных по
104		105
1
своему характеру свойства: устойчивость движения на курсе (способ-  ность судна удерживать заданное прямолинейное направление движения) и поворотливость (способность изменять нужным образом направление движения при повороте руля).
Рулевое устройство обеспечивает поворотливость судна и устойчивость на курсе и состоит из руля, рулевого привода (силового устройства, обладающего возможностью создания больших крутящих моментов на баллере руля) и рулевой машины.
Взаимодействие корпуса судна, винта и руля обусловливает управляемость судна и соответственно режим работы (нагрузку) привода рулевой машины.
От эффективности и надежности рулевого привода зависят безопасность мореплавания и экономические показатели работы судна. Рулевое устройство длительно работает в тяжелых условиях эксплуатации, поэтому вопросы технической эксплуатации его строго регламентированы требованиями Регистра и Международной Конвенцией по охране человеческой жизни на море (СОЛАС - 74).
Основной рулевой привод по правилам Регистра, предъявляемым к РМ, должен иметь мощность, достаточную для перекладки руля с 35' одного борта до 30“ другого за время не более 28 с при полном переднем ходе в грузу. В существующих же наиболее известных методиках расчета нагрузок РМ, полученных на основе разработок различных направлений в теории крыла, в качестве расчетного принимают случаи прямолинейного движения судна в грузу с наибольшей эксплуатационной скоростью переднего хода. Руль перекладывается на максимальный угол. При этом условно считается, что скорость и направление движения судна не меняются.
Разница маневров, а следовательно, и нагрузок очевидна, что приводит при расчете нагрузок по методикам к ошибкам в ’’безопасную” сторону. Однако такой подход приводит к необоснованному завышению мощности приводов РМ. Названные методики не учитывают также влияние различных внешних ветроволновых условий на эксплуатационные режимы работы РМ. Результаты натурных же исследований нагрузок приводов РМ при различных ветроволновых режимах указывают на необходимость учета внешних условий [39-42,47].
В отдельных работах японских авторов, проводивших исследования управляемости судов с ВПВ, отмечается необходимость увеличения площади пера руля в 1,5-2 раза с целью повышения устойчивости на курсе и улучшения поворотливости судна. Следует, однако, заметить, что увеличение площади пера руля незамедлительно повысит крутящий момент на баллере РМ, а следовательно, увеличатся энергоемкость и металлоемкость рулевого устройства в целом.
Не исключается случай, когда подобранная рабочая площадь паруса (как мягкого, так и жесткого) будет удовлетворять мореход* ным качествам судна, кроме управляемости. Данный вариант может быть устранен путем изменения площади пера руля (во время построй* 106	**
ки моторно-парусного судна) или изменения рабочей площади ВПВ в меньшую сторону (во время дооборудования судна вспомогательным парусным вооружением). С практикой постройки судов или их дооборудования ВПВ будет выработано оптимальное соотношение между водоизмещением судна, площадью пера руля и рабочей площадью вспомогательного парусного вооружения. Однако во всех случаях такое оптимальное соотношение, связанное с изменением аэродинамических характеристик судна, должно быть исследовано в натурных условиях по следующим направлениям: испытания, связанные с определением крутящего момента на баллере руля РМ; испытания по каналу авторулевой - рулевая машина.
При проведении натурных исследований, связанных с определением крутящего момента на баллере руля, должен быть выбран режим движения судна с ВПВ, соответствующий максимальной эксплуатационной скорости, а маневр судна должен быть выбран таким, чтобы при перекладках руля на баллере возникал наибольший крутящий момент (это требование изложено в правилах Регистра). При таких условиях определяющими будут: маневр судна с ВПВ ’’зигзаг”, режим движения судна - ветровой разгон, предпочтительные курсы к ветровому потоку - бейдевинд, галфвинд и бакштаг.
В некоторых исследованиях нагрузок рулевого привода основной параметр действия РМ - момент на баллере руля - может быть определен двумя способами: с помощью торсиометров либо тензиметров и как момент, развиваемый приводом, через изменение давлений в рабочих и опоражниваемых полостях гидропривода.
Исследование нагрузок на рулевую машину с помощью торсиометра и тензостанции в любом случае является трудоемкой операцией. На большинстве судов установка торсиометра на баллере исключается полностью из-за отсутствия места, поэтому единственным инструментом исследования нагрузок может служить сама рулевая машина [40]. Результаты исследования показателей возможности использования РМ как измерительного инструмента позволяют сделать вывод о том, что рулевая машина любого типа является инструментом для исследований моментов на баллере руля [41].
Итак, при проведении исследований режимов работы РМ судна с ВПВ вид экспериментальной установки определяется типом рулевой машины, так как для каждого ее типа разным будет число неэлектрических параметров, которые необходимо измерить электрическими методами.
Нагрузки привода РМ определяют на основе анализа всех параметров действия рулевого устройства и маневра судна во времени: показаний тензостанции или торсиометров, давлений в рабочих и опоражниваемых полостях гидропривода, угла перекладки руля, курса и скорости судна, мощности, потребляемой рулевыми электродвигателями, частоты вращения валов электродвигателей, валов ГД и гребного винта, параметров продольной и поперечной качки. Фиксируются
навигационные характеристики - параметры вымпельного, а также истинного ветра и параметры морского волнения.
Параметры, характеризующие нагрузку рулевого привода (соответственно и режимы работы РМ) при эксплуатации судна с ВПВ в различных ветроволновых условиях, сравнивают с параметрами, полученными при исследовании нагрузок в условиях тихой воды (vB = 3 м/с) и при тех же ветроволновых условиях эксплуатации судна без ВПВ.
<2. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОРУЛЕВОЙ - ПАРУСНОЕ ВООРУЖЕНИЕ СУДНА-ВЕТРОХОДА
Современные суда оборудуют системами дистанционного управления рулевым приводом - устройством для передачи команд по требуемым перекладкам руля с ходового мостика на органы управления силовой установкой рулевого привода. Существуют системы управления простая, следящая, автоматическая.
В системах автоматического управления курс судна задается при помощи авторулевого, который включен в схему управления рулем. При отклонении судна от заданного курса авторулевой включает рулевой привод в направлении, обеспечивающем возврат судна на курс, т. е. осуществляет автоматическое управление рулевым электроприводом и поддерживает курс постоянным.
При автоматическом управлении число перекладок руля сокращается в 1,5 раза по сравнению с ручным. Кроме того, примерно в 2 раза уменьшается и средний угол поворота руля. Вследствие этого увеличивается скорость и сокращается путь судна до места назначения.
Авторулевые относятся к оборудованию, на которое распростри няются требования Международной Конвенции по охране человеческой жизни на море. К одному из основных требований относится то, что авторулевой должен удерживать судно на заданном курсе с точностью ±Г при скорости не менее 6 уз, амплитуде рыскания не более 1’ при состоянии моря до 3 баллов и 4“ - до 6 баллов;
На судах отечественной постройки применяют авторулевые, во всех модификациях которых управление, как правило, осуществляется по закону ПИД. При отклонении судна от курса блок автоматического управления вырабатывает сигнал, пропорциональный курсовой погрешности, скорости рыскания и интегралу от углов рыскания по времени [9,13, 57,59]:
8рС0'-Кк(ф + Тв-^- +-у Stpdt),
где 6	— угол перекладки руля, задаваемый авторулевым при рыскании судна; <р — уго®
рыскания судна; KR - коэффициент усиления; Тп — постоянная времени дифференцирования; Ти—постоянная времени интегрирования.
108
Автоматическая система управления является частью комплекса управления курсом судна, состоящего из гирокомпаса, авторулевого, рулевой машины и руля. Система позволяет автоматически удерживать судно на заданном курсе при любой погоде. Известно, что в процессе настройки АР важно знать влияние каждого параметра на поведение системы руль - корпус - ГК - АР - РМ.
Праведность настройки ручных регуляторов АР существенно влияет на экономическую эффективность судна в целом. При оптимальной настройке АР увеличивается скорость, спрямляется траектория движения, уменьшается удельный расход топлива главной СЭУ, сокращается время прохождения заданного пути. Однако при настройке АР не следует любой ценой стремиться к уменьшению рыскания судна, так как завышение чувствительности схемы приводит к возрастанию амплитуды и частоты перекладок руля, что вызывает снижение скорости судна вследствие тормозящего действия руля и повышения износа рулевого устройства. По мере увеличения утла перекладки руля возрастает также угол скоса потока, набегающего на гребной винт, который создает дополнительную нагрузку на ГД.
В то же время занижение чувствительности системы автоматической стабилизации курса судна вызывает увеличение не только средней курсовой погрешности, но и амплитуды рыскания, которая так же, как отклоненный руль, снижает скорость судна.
Авторулевые типизированного ряда, устанавливаемые на судах одной серии, настраивают (в пределах шкалы ручных регуляторов) индивидуально на конкретном судне в зависимости от ветроволновых режимов. Если на судно длительное время действуют односторонние силы, вызывающие непараллельный снос судна с курса, рыскание будет несимметричным относительно заданного курса. Для компенсации этого сноса требуется заложить руль на некоторый угол от ДП судна. Кладки руля для стабилизации судна в этом случае будут происходить относительно не ДП, а нового среднего положения руля.
При виде управления ’’Простое”, ’’Следящее” такое смещение руля от ДП судна подбирает рулевой. При виде управления ’’Автомат” напряжение, вызывающее смещение руля от ДП, вырабатывается интегрирующим устройством. В этом случае в схеме автоматического управления рулевым приводом используется закон управления, требующий поступления сигнала, пропорционального интегралу курсовой погрешности по времени. В системе автоматического управления, например АТР, применяется ИУ трехмашинного типа.
Особенностью всех ИУ авторулевых является их сравнительно большая, исчисляемая минутами, постоянная времени. При достижении установившегося значения выходного напряжения руль окажется длительно заложенным на угол, обеспечивающий компенсацию односторонних внешних возмущений, т. е. рыскания судна станут симметричными. Единичные рыскания практически не вызывают закладки руля из-за большой постоянной времени интегратора.
109
Особенностью работы ИУ также является то, что схемой предусмотрено отключение интегрирующего устройства в случае изменения курса больше чем на ±10”. Благодаря этому интегрирующее устройство может закладывать руль не более чем на ±10“, предотвращая тем самым его тормозящее действие.
Изложенные особенности работы системы управления курсом судна обосновывают проведение ее натурных испытаний:
согласно программам, характеризующим как внешние условия испытаний, так и эксплуатационные режимы работы судна и ВПВ;
по автоматическому следящему, простому (дистанционному), ручному (местному) видам управления;
как с ВПВ, так и без него, но обязательно при одинаковых ветроволновых режимах и по крайней мере при двух характерных загрузках судна (в балласте и грузу); результаты испытаний (при различных внешних условиях) сравнивают с результатами испытаний на тихой воде (при безветрии, когда vB 3 м/с).
Порядок проведения испытаний и запись измеряемых величин:
при движении судна без ВПВ по заданному курсу и при определенной настройке авторулевого в течение 10-15 мин фиксируют параметры ветрового потока (скорость и направление вымпельного и истинного ветра) в начале и конце эксперимента, состояние моря (балльность, высоту и длину волны), скорость судна, частоту вращения ГД (если на судне два ГД, то фиксируют частоту вращения ГД левого и правого бортов), частоту вращения гребного винта (если между ГД и гребным винтом установлен редуктор), угол перекладки руля, давление в рабочих и опоражниваемых полостях привода РМ, курс судна (амплитуда курсового угла), амплитуду и частоту килевой и бортовой качки судна, угол дрейфа, статические углы крена и дифферента;
при тех же ветроволновом и эксплуатационном режимах судна, настройке авторулевого и виде управления ставят парус (жесткой или мягкой конструкции) под углом атаки к ветровому потоку, соответствующим рабочему режиму переднего хода с максимальной аэродинамической силой тяги; делаются замер и фиксирование указанных величин;
то же самое, что в предыдущем пункте, но ставится второй парус с углом атаки, соответствующим рабочему режиму переднего хода с максимальной аэродинамической силой тяги при данном направлении ветра;
с целью получения предварительного вывода об устойчивости судна на курсе, а также несимметричности характеристик проводят испытания, связанные с получением результатов определения диаграммы управляемости судна с ВПВ в грузу и в балласте; результаты испытаний оформляются в табличной форме.
Для определения передаточных функций судна по каналу руль-курс (т. е. по управляющему воздействию) используют частотные методы исследований. С этой целью руль отклоняют поочередно на правый и левый борта судна по трапецеидальному закону с различны-по
Судно в Грузу; скорость
”ГД = “•> Трд + ВПВ ~ —>
*впва~»У3_________
Угол по- Угловая скорость
рекладки руля, П>«Д
Левый борт 5 10 15 20 25 30
Правый борт
5 10 15 20 25
Форме
Тд
судна, рад/с
ГД + ВПВ ВПВ
Ветро-волновой режим
Параметры вымпель-
ного ветра:
vB=..., м/с;
?в=»ъград
Характеристики волнения:
балльность длина волны высота волны
Судно в балласте; скорость
Угол перекладки руля. . град
Левый борт
5
10
15
20
25
30 Правый борт
5
10
15
20
25
' ..., Ггд + ВПВ —» Увпв ° •••> УЗ
Угловая скорость судна, рад/с
ГД ГД + ВПВ
ВПВ
ми частотами. Курс судна будет изменяться с такими же частотами, но по закону, близкому к синусоидальному. Это объясняется тем, что объект регулирования (судно) является фильтром, пропускающим только первую гармонику. Все высшие гармоники будут иметь малые амплитуды, которыми можно пренебречь [9].
По осциллограммам угла отклонения пера руля и курса определяют отношения амплитуд и фазовый сдвиг для каждой частоты. Итак, при стабилизации движения судна по углу курса требуется, чтобы авторулевой компенсировал низкочастотную составляющую рыскания и не реагировал на высокочастотные отклонения. Таким образом, при регулировании следует знать значения низкочастотной компоненты рыскания. Однако в процессе стабилизации доступно измерению лишь общее отклонение от курса, получаемое как разность гирокомпасного курса и заданного для стабилизации его значения. Только в тихую погоду, когда высокочастотные отклонения отсутствуют, известна низкочастотная компонента рыскания. В условиях же волнения требуется применять специальные методы, чтобы выделить из результатов измерений низкочастотную компоненту. Это выделение базируется на различиях в изменении составляющих рыскания и может быть проведено с помощью фильтра Калмана [59].
Ill
Предпочтительно испытания начинать в следующем порядке курсовых углов ветра к ВПВ: фордевинд, бакштаг, галфвинд, бейдевинд. Испытания проводят при получении основных результатов ветродвижения - топливосбережения и (или) увеличения скорости судна (ветрового разгона). Программа испытаний может быть выполнена и для других алгоритмов управления жестким ВПВ, например:
один парус поставлен под углом атаки, соответствующим рабочему режиму переднего хода с максимальной аэродинамической силой тяги при данном направлении ветра, а другой - так, чтобы максимально погасить амплитуду бортовой качки;
два паруса установлены так, чтобы максимально гасить амплитуды бортовой качки.
Цели испытаний по каналу авторулевой - рулевая машина:
выяснить, при каких характерных ветроволновых режимах и настройках авторулевого ВПВ неблагоприятно влияет на устойчивость судна на курсе, нагрузку рулевого привода, мореходные качества судна;
выяснить возможности других видов управления (следящее, простое, ручное) судном с ВПБ при различных внешних условиях;
полученные в результате натурных исследований передаточные функции по каналу руль - курс использовать при усовершенствовании существующих авторулевых для их применения на судах с ВПВ.
4А ВЫВОДЫ
Эффективность эксплуатации судов с дополнительным ветродви-жением в немалой степени зависит от оптимального взаимодействия ВВЭУ с устройствами, механизмами и комплексами судна. С практикой постройки (дооборудования) и эксплуатации судов с ВВЭУ будут выработаны приемлемые соотношения между характеристиками судна, его оборудования и характеристиками устройсгв, входящих в состав ВВЭУ, а это ускорит использование энергии ветра на флоте.
Глава 5	g|
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ	Н
5Д. ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ ИСПЫТАНИЙ СУДОВ С ВПВ
Испытания судна, оборудованного ВПВ (как мягкой, так и жесткой конструкции), проводят в два этапа: на ошвартованном у причала судне и в море.
Испытания у причала проводят для проверки (в первом приближв-нии) на неподвижном судне эксплуатационной безопасности, работоспособности и безотказности изготовленной конструкции мачт, пару* ш
сов, их привода и системы управления в реальных ветровых условиях, т. е. при несимметричной аэродинамической нагрузке в нестационарном ветровом потоке, в том числе предельно допустимой силе ветра, а также возможности ручной постановки мягкого ВПВ.
Одновременно проверяют возможности аварийной (в том числе ручной) уборки парусов или их аварийной установки в минимально опасное для судна положение.
Ввиду больших значений продольной и поперечной аэродинамических сил (соизмеримых с силой упора гребного винта) во избежание аварийных ситуаций возможность испытаний парусного вооружения на ошвартованном у причала судне должна быть рассчитана в отношении взаимодействия причала, судна, швартовов в первую очередь в связи с их прочностью.
Основные задачи испытаний судна с ВПВ в море, осуществляемые при нескольких характерных ветроволновых режимах и одной осадке судна, следующие:
проверка безопасности в работе, надежности и работоспособности мачт, парусов, привода и управления ВПВ в условиях хода, качки и ветрового крена судна; проверка курсового обзора из ходовой рубки в реальных условиях (для мягкого ВПВ проверяют возможности судовых устройств, на которых установлено парусное вооружение);
определение характеристик устойчивости судна на курсе и поворотливости при ходе под ГД и ВПВ и только под ГД с убранными парусами; оценка ветрового дрейфа, крена, дифферента, качки, рыскания в тех же условиях;
определение снижения расхода топлива и (или) увеличения скорости судна при действии аэродинамической силы тяги ВПВ при различных режимах работы ГД (переменная мощность, постоянная мощность или частота вращения ГД, работа одного или обоих дизелей);
проверка возможности хода только под ВПВ и определение указанных характеристик такого движения;
определение инерционно-реверсивных характеристик и поворотливости судна при работе ВПВ, характеристик мореходности судна при работе ВПВ и всех характерных ветроволновых режимах;
выработка штурманским составом навыков по управлению судном с ВПВ, а также навыков команды по установке и уборке парусов в ходовых условиях.
Основные результаты ветродвижения сводятся к следующим эксплуатационным работам и измерениям.
1.	Определение топливосбережения и (или) увеличения скорости судна: не менее чем на 2-3 характерных круговых линиях плавания судна (средних результатов по нескольким рейсам в каждом из годовых сезонов, при максимальной среднерейсовой скорости судна, максимальном топливосбережении при переменной и постоянной пониженной частоте вращения вала ГД);
не менее чем при 20-25 стационарных (или близких к ним) характерных ветровых режимах (4-5 скоростей ветра при 4-5 курсовых
углах ветра), т. е. в зависимости от силы и направления ветра во всем их реальном диапазоне;
при указанных условиях по крайней мере в 3-4 режимах эксплуатации (при наибольшей достижимой скорости судна, максимальном топливосбережении, промежуточных долевых режимах с постоянной пониженной частотой вращения вала ГД);
при указанных условиях с 50- и 100 %-ной площади парусов, вве- ЛЬ денной в работу, и комбинациях по длине судна;	Щ
при указанных условиях по крайней мере при двух осадках судна - в полном грузу и в балласте;	зМ
при нескольких ветровых режимах - под одним из ГД и под ВПВ, а {Н также только под ВПВ.	Щ
2.	Определение для всех указанных режимов оптимальных углов атаки (установки) парусов обеих мачт, проведение необходимых Щ аэродинамических исследований парусов (в частности, связанных с яИ визуализацией ветрового потока при кризисном обтекании), определе- Щ ние оптимальных углов ходового дифферента, связанного с работой 1И ВПВ, т. е. зависящих от характерных ветровых режимов, а также характеристик мореходности судна при работе ВПВ на всех ветровол- Щ новых режимах (заливаемости, слеминга, всхожести на волну, ампли-туда и частоты бортовой и килевой качки, рыскания, перекладки Щ руля, углов дрейфа).
3.	Получение результатов аэродинамических исследований работы парусов: отработка оптимальных углов атаки (установки) парусов при 50 %-ной и 100 %-ной рабочей площади с учетом взаимодействия мачт, выявление зон кризисного обтекания парусов в рабочем состоянии, § оценка коэффициента сопротивления паруса, сопоставление мощности 4 и частоты вращения валов ГД с ВПВ и без него.
4.	Во время опытной эксплуатации выявление влияния ВПВ на нВ режимы работы устройств, механизмов и систем судна, а также выра-ботка рекомендаций по их совместной эффективной эксплуатации.
5.	Отработка взаимосвязи механизмов и систем, обслуживающих ВПВ: связь ИИС ветровых параметров с механизмом поворота комплекса мачта - парус, уточнение программного обеспечения системы, а также параметров настройки и характеристик механизма поворота этого комплекса.	
б.	Накапливание материала, связанного с эффективностью приме- « В нения автоматической системы управления вспомогательным парус- |В ным вооружением (АСУ ВПВ).	|В
5Д ИСПЫТАНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ПОСТАНОВКОЙ ВПВ	|В
НА СУДНЕ У ПРИЧАЛА И В МОРЕ	*В
На основании основных задач испытаний судна с ВПВ у причала вытекает следующее условие. Испытания на ошвартованном судне должны проводиться при варианте загрузки судна, обеспечивающей
максимально возможную начальную остойчивость для предотвращения значительных углов крена с навалом на причал.
Характерные ветровые режимы: vB = 6+8; КН-12; 14+16; 18+20; 22+24 м/с; Ув = 30+50; 80+100; 130+150; 170+180°.
Программа испытаний судна у причала следующая.
Первоначально в безветрие, затем при 3-4 последовательно нарастающих средних значениях истинной скорости ветра в диапазоне 5-25 м/с при каждом из основных направлений ветра (бейдевинд, галфвинд, бакштаг с обоих галсов и фордевинд) проводят следующие операции:
подъем паруса (при мягком ВПВ);
поворот мачты паруса или перезаводку шкот (при мягком ВПВ);
поворот мачт (или шкот) с поставленными парусами из положения аварийного флюгирования в положение, соответствующее рабочему режиму переднего хода с максимальной аэродинамической силой тяги при данном направлении ветра (для проведения такой операции необходимо знать ориентировочные углы атаки и углы установки хорды паруса относительно плоскости шпангоута при различных курсовых углах ветра, полученные на основании модельной продувки парусов в аэродинамической трубе);
уборка парусов: перед уборкой паруса устанавливают под рабочим углом атаки, соответствующем максимальной аэродинамической силе тяги с целью проверки возможности систем или членов экипажа (при мягком ВПВ);
аварийную уборку парусов, которая имитируется отказом механизма уборки и установкой (поворотом) мачты с поставленными парусами из ходового положения с максимальной силой тяги в наименее опасное положение аварийного флюгирования, в случае мягкого ВПВ проверяют возможность удержания паруса стрелой крана или грузовой стрелой лебедки, а также действие аварийной разрывной стропы; кроме того, проверяют возможность доступа экипажа при сильном ветре к основным узлам конструкции ВПВ для срочного вывода парусов из аварийной ситуации вручную.
Измеряемые величины: силы аэродинамической тяги и дрейфа на парусах; крутящий момент, необходимый для поворота парусов (мачты с парусом) и соответствующие энергозатраты; угол крена судна. При мягком ВПВ хронометрируют время уборки и постановки паруса при различных скоростных режимах ветрового потока и его направлениях, а также определяют число членов экипажа, необходимое при аварийной уборке мягкого ВПВ. Хронометраж выполняют и для жесткого ВПВ с целью определения времени постановки паруса от режима минимальной до режима максимальной аэродинамической силы тяги, а также определяют время аварийной уборки паруса.
Испытания у причала проводят последовательно соответственно порядку их перечисления при каждом из принятых возрастающих средних значений скорости ветра (например 6-10, 12-16, 18-20, 20-24 м/с). В исходном режиме (безветрия) средняя истинная скорость
ветра - не более 2-3 м/с. Для мягкого ВПВ предельную скоростйИ испытаний рассчитывают.
Последовательность направлений ветра при испытаниях целесообразна следующая: фордевинд, бакштаг, галфвинд, бейдевинд. Это связано с первоначальной минимизацией силовых (в первую очередь кренящих) воздействий ветра на судно и постепенным их увеличением.
Все испытания по перечисленным операциям должны начинаться при одном парусе, установленном на мачте. После успешного предварительного выполнения не менее 3-5 раз указанных в этих пунктах операций с одним парусом испытания проводят с двумя парусами в полном объеме и указанном порядке.
Условия проведения испытаний судна с ВПВ в море следующие: испытания проводят в грузу. Загрузка судна должна обеспечивать наибольшую возможную остойчивость как на начальных, так и на конечных углах крена. Одной из первых задач испытаний в море должно быть повторение поворота мачт и уборки парусов на ходу при ветровом крене и качке судна на характерных ветровых режимах. Эти испытания целесообразно совмещать с испытаниями по удержанию судна на курсе под ВПВ и ГД, определением топливосбережения и увеличения скорости судна при характерных стационарных ветровых режимах.
Характерные ветровые режимы: сочетания вымпельной скорости ветра vB = 6*8,10*12; 14* 16; 18*20; 22*24 м/с с вымпельными курсовыми углами ветра ув = 30*60; 80*100; 130*150 и 170*180°. По реальной ветровой обстановке могут быть использованы другие близкие сочетания vB и ув.
Испытания проводят по следующей программе.
Исходный режим движения; судно с убранными парусами обеих мачт следует прямым курсом при указанных направлениях ветра поочередно с заданной эксплуатационной скоростью v3, близкой к номинальной при частоте вращения валов обоих ГД пэ.
Повороты мачт с парусами: без изменения vs и па и при удерживании судна на прямом курсе на фок-мачте ставят парус под углом атаки, близким к нулевому, после 2-3-минутной выдержки его устанавливают под рабочим углом атаки а0 и после аналогичной выдержки 1 возвращают в исходное положение. Этот цикл (а = 0° - а0 - 0°) повто- I ряют несколько раз, после чего при работе паруса фок-мачты, установ- ! ленного под углом атаки «о, аналогичным образом поочередно вводят в работу парус грот-мачты. После нескольких повторений цикла установки паруса грот-мачты (а = 0° - а0 - 0°) этот цикл проводят еще несколько раз для обеих мачт одновременно при синхронизации их поворотов.
Уборка парусов: без изменения v3 и п3 при удержании судна на прямом курсе одновременно убирают с укладкой на палубу паруса обеих мачт (при их исходном положении с углом атаки «о соответственно рабочему переднему ходу). Затем паруса обеих мачт ставятся . Пб
вновь и снова убирают. Эту операцию повторяют несколько раз за исключением режимов с вымпельной скоростью ветра более 20 м/с, когда ее выполняют 1-2 раза.
Испытания проводят первоначально в безветрие (скорость ветра не более 2- 3 м/с), затем при последовательно нарастающих значениях vv начиная с 6-8 м/с сначала на курсе фордевинд или бакштаг, затем при галфвинде и в последнюю очередь при бейдевинде.
Далее программа испытаний предусматривает следующее.
1.	Исходный режим движения. Судно с убранными парусами следует прямым курсом с заданной эксплуатационной скоростью близкой к номинальной, и поддерживает соответствующую частоту вращения валов главного двигателя пэ.
В течение 20-30 мин регистрируют во времени: скорость судна, частоту вращения валов обоих ГД; курс судна по гирокомпасу, амплитуду и частоту перекладки руля, рыскания, бортовой и килевой качки; расход топлива на каждом ГД; по возможности - текущую мощность каждого ГД.
2.	Режим ветрового разгона при постоянной эксплуатационной частоте вращения валов ГД судна. Без изменения пэ обоих ГД в работу вводят парус фок-мачты. После установки паруса под рабочим утлом атаки «о его регулируют до достижения судном максимально возможной скорости Vi, превышающей v3 (по лагу). Затем таким же образом вводят в работу парус грот-мачты. Во время движения поддерживают эксплуатационную частоту вращения валов ГД, равную таковой на исходном режиме движения.
После установления окончательной скорости судна vi проводят измерения, предусмотренные в п. 1, с дополнительным определением: утла установки парусов и среднего утла их атаки; среднего угла дрейфа судна; среднего угла статического ветрового крена судна; среднего ветрового утла перекладки руля; аэродинамических сил и моментов, действующих на мачту.
3.	Режим максимального топливосбережения (при переменной мощности) ГД судна. При парусах обеих мачт, работающих с углами атаки, достигнутыми при режиме ветрового разгона, частоту вращения валов обоих ГД снижают (в пределах стабильной работы двигателей) так, чтобы скорость разогнанного судна vj уменьшилась до его скорости на исходном режиме к. Затем повторяют измерения, указанные в п. 2.
4.	Ход только под ВПВ. При достаточной аэродинамической силе тяги ВПВ судно на соответствующих ветровых режимах следует только под ВПВ - работают паруса обеих мачт. В дополнение к измерениям, указанным в п. 2, в случае вращения гребных винтов в турбинном режиме регистрируют частоту вращения гребных валов.
Если по эксплуатационным или иным причинам полная остановка ГД окажется невозможной, испытания могут быть проведены при минимально допустимой устойчивости частоте вращения валов ГД. В этом случае до начала таких испытаний должен быть проведен исход-117
ный режим движения, аналогичный режиму п. 1, но со скоростью судна соответствующей данной частоте вращения валов ГД. При этом должны быть проведены все измерения, предусмотренные п. 1.
5.	Ход под ВПВ и одним ГД проводят при вымпельной скорости ветра до 15 м/с. Первоначально при убранных ВПВ обоим валам ГД задается частота вращения rijg соответствующая мощности, близкой к 50 % от характерной эксплуатационной мощности, и проводят измерения по п. 1. После последовательной установки всех парусов в рабочее положение и регулирования скорости судна проводят измерения по п. 2. Затем один ГД останавливают, а на втором поддерживают частоту вращения вала (расчетную), обеспечивающую при ходе без ВПВ характерную эксплуатационную мощность. Затем измерения по п. 2 повторяют.
6.	Испытания поворотливости судна без ВД и с ВД (проводят при отсутствии развитого волнения и средней истинной скорости около 5 м/с). При убранных парусах, исходной скорости судна v3 и начальном прямом курсе фордевинд выполняют циркуляции на оба борта с перекладкой руля на 10, 20“ и ”на борт”. Затем те же маневры повторяют с предварительно поставленными в рабочий режим на прямом курсе парусами обеих мачт - сначала при 50 % введенной в работу парусности, затем при 100 % парусности при тех же исходных скорости и курсе судна (при затруднениях выполнения полной циркуляции с работающими парусами возможно выполнение полуциркуляций).
При всех маневрах измеряют линейную и угловую скорости судна и частоту вращения вала обоих ГД, время поворота на каждые 90° и соответствующее пройденное расстояние (по судовому лагу) с целью оценки диаметра установившейся циркуляции и построения диаграммы управляемости судна.
7.	Инерционно-реверсивные испытания (при отсутствии развитого волнения). При убранных парусах и начальном прямом курсе 0“ к ветру, истинная скорость которого не превышает 5 м/с, проводят маневры: полный вперед - стоп: полный вперед - полный назад; средний вперед - стоп; средний вперед - полный назад.
Эти же маневры повторяют с теми же исходным курсом и скоростью судна, но с постановкой всех убранных до этого парусов обеих мачт под установочным углом хорды (нижней шкаторины) паруса относительно плоскости шпангоута ₽ = 90“ в процессе реверса. Команда на постановку парусов отдается одновременно с командой на реверс.
Те же маневры повторяют при следовании судна исходным курсом галфвинд к ветру (скоростью 6-10 м/с) под парусами, поставленными под ходовым углом атаки Одновременно с командой на реверс отдается команда на перестановку парусов с установочного угла (3 на угол, создающий обратную аэродинамическую силу тяги для торможения судна с помощью ВПВ.
При всех маневрах п. 7 измеряют во времени скорость судна и пройденное расстояние (по судовому лагу и сбрасывании поплавков) для определения пути и времени выбегов судна.
118
Испытания в море в первую очередь проводят по пп. 1-3 (связанные с подтверждением работоспособности и безопасности парусов на ходу при ветре и качке судна). Любые другие испытания в море могут начаться не ранее, чем будут завершены указанные испытания парусов при вымпельной средней скорости ветра не менее 12-16 м/с на всех четырех основных курсах судна относительно среднего направления, указанных в пунктах основных результатов ветродвижения.
После этого целесообразно провести важнейшую часть испытаний, связанную с оценкой удержания судна на курсе и с определением достигаемого топливосбережения и увеличения скорости судна, которые обусловлены работой ВПВ (пп. 1-7). Во избежание потери сопоставимости результатов между судном с убранным ВПВ (п. 1) и судном под ВПВ в различных эксплуатационных режимах (пп. 2 и 3) эти испытания должны, как правило, проводиться последовательно в кратчайшее время (в течение 1-2 ч) на одном и том же курсе относительно среднего стабильного направления ветра и при одной и той же средней стабильной силе ветра. От этого непосредственно зависят, например, топливосбережение - разность расхода топлива в режимах движения пп. 1 и 3, а также приращение скорости судна с ВПВ (соответствующая разность по режимам пп. 1 и 2).
При отсутствии необходимых ветровых условий вместо испытаний по пп. 1-3 могут быть проведены испытания либо по п. 4 (ход только под ВПВ), либо по п. 5 (ход под ВПВ и одним ГД), либо по пп. 6 и 7 (циркуляция и инерционно-реверсивные испытания).
При всех испытаниях непрерывно или в начале, середине и конце каждого режима испытаний определяют средние, вымпельные и истинные значения скорости и курсового угла ветра, а также характер, высоту, частоту и направление волнения.
5J. ОПЫТНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВ С ВПВ
Условия, программа испытаний и наблюдений в период опытной эксплуатации судна с ВПВ обосновываются результатами, ожидаемыми от ветродвижения. Испытания продолжаются, как минимум, 4 годовых сезона, т. е. не менее года. Все испытания можно разделить на три части.
1.	Определение статистических среднегодовых значений основных результатов ветродвижения - топливосбережения и (или) увеличения среднерейсовой скорости на 2-3 конкретных линиях эксплуатации судна. На всех линиях в каждом годовом сезоне должно быть выполнено несколько рейсов не менее чем при трех режимах использования ВПВ и ГД (максимальная среднерейсовая скорость судна и максимальное топливосбережение при переменной и постоянной пониженной частоте вращения валов ГД), причем в каждом из этих режимов (в грузу и балласте) и при двух значениях площади парусов, введенных в работу (например, 50 и 100 %). Очевидно, что для оценки искомого
топливосбережения и приращения скорости судна на тех же линиях эксплуатации в каждом годовом сезоне должно быть выполнено по меньшей мере 1-2 рейса с убранным ВПВ (или следует располагать вполне надежными посезонными данными по таким рейсам, проведенным до оборудования судна ВД при тех же ветроволновых условиях).
2.	Определение стабильных зависимостей основных результатов ветродвижения - топливосбережения и (или) увеличения скорости судна при ходе под ГД и ВПВ - от направления и силы стационарного (постоянного) ветра во всем их реальном диапазоне. Хотя отдельные данные по этим зависимостям должны быть получены при испытаниях, связанных с постановкой ВПВ в море, из-за потребного большого числа (не менее 20-25) ветровых режимов с повторением характерных контрольных измерений их полное определение возможно только в долгосрочном процессе опытной эксплуатации (vB = 6+8; 10+12; J4+16; 18+20 м/с; Ув = 30+50; 80+100; 130+150; 170+180“). Испытания по данному пункту должны быть выполнены по крайней мере при двух режимах эксплуатации судна (максимальная скорость и максимальное топливосбережение при переменной частоте вращения вала ГД), при двух осадках (в грузу и балласте) и двух значениях работающей площади парусов (50 и 100 %). Результаты испытаний обобщаются. К этим испытаниям примыкают аэродинамические исследования работы парусов, в том числе: отработка оптимального угла атаки взаимодействующих парусов; более подробное, чем на испытаниях, связанных с постановкой паруса; определение результатов ветродвижения только под ВПВ; определение оптимального угла ходового дифферата, связанного с работой ВПВ.
3.	Определение характеристик мореходности судна при работе ВПВ (проводят при интенсивности волнения более 3 баллов на характерных ветроволновых режимах); результаты сопоставляют с соответствующими данными судна с убранными ВПВ в тех же условиях.
При определении средних результатов ветродвижения судна на линиях эксплуатации (согласно пп. 1, 2) трассу плавания используют ту же, что и при рейсах судна без ВПВ, а само ВПВ вводят в работу при любой возможности. Фиксируют осадки носом, кормой и на миделе в начале и конце каждого рейса, а при любом заходе в порт - на момент прибытия и отбытия. Ежевахтенно фиксируют: число и угол атаки работающих парусов, время их работы, истинную и вымпельную скорость и направление ветра, высоту, частоту и направление волнения, скорость судна (по лагу и по прокладке), частоту вращения ГД, расход топлива, число регулировок углов атаки парусов, любые задержки и потери времени.
При рейсах в режиме максимальной среднерейсовой скорости, при всех режимах движения, в том числе и ветровом разгоне судна, поддерживают эксплуатационную частоту вращения обоих валов ГД, которая по расчетам обеспечивает использование эксплуатационной мощности при скорости судна в грузу на тихой воде (при чистом, свежеокрашенном корпусе, недеформированном гребном винте 120
т. д.). Расчетные ограничения частоты вращения при следовании на волнении с убранными парусами оформляют в виде таблицы. Эти данные должны быть откорректированы соответственно фактическому состоянию судна, двигателей и гребных винтов.
При рейсах в режиме максимального топливосбережения с переменной частотой вращения последнюю меняют соответственно аэродинамической тяге ВПВ исходя из сохранения скорости судна той же, какую оно имеет без использования ВПВ в тех же ветроволновых условиях. Соответствующие расчетные ориентировочные скорости оформляют в виде таблицы.
При рейсах в режиме максимального топливосбережения с постоянной (пониженной) частотой вращения валов ГД эту частоту вращения поддерживают в зависимости от годового сезона и линии эксплуатации, что по расчетам обеспечивает ту же среднерейсовую скорость на линии (трассе), что у судна без ВПВ (с неиспользованным ВПВ).
Определение результатов ветродвижения судна на конкретных ветровых режимах (испытания по п. 2) целесообразно проводить во время рейсов, выполняемых согласно п. 1 (с соответствующим вычетом времени нахождения на другом курсе, чем заданный для выполнения рейса). Основная цель испытаний та же, что при испытаниях, связанных с постановкой ВПВ в море: уточнение зависимостей топливосбережения и (или) достигаемой скорости от силы и направления ветра при 100 %-ной и 50 %-ной парусности. Порядок ветровых режимов - тот, что указан в условиях при проведении испытаний, связанных с постановкой ВПВ в море, а последовательность режимов движения судна и измерения - те же, что при испытаниях, связанных с постановкой ВПВ в море.
В дополнение к режимам пп. 1, 2 испытаний, связанных с постановкой ВПВ в море, определяют оптимальный угол ходового дифферента, поэтому после установления скорости разгона vj должен быть создан дифферент на корму (перекачкой водяного балласта или топлива в кормовые танки). В процессе изменения дифферента отмечают изменение скорости судна по судовому лагу и определяют оптимальный угол дифферента.
Ход под ВПВ и ГД проводят при вымпельной скорости ветра до 15 м/с. После завершения на каждом необходимом ветровом (и волновом) режиме испытаний при движении под обоими ГД и ВПВ (см. пп. 1,2 испытаний по постановке ВПВ в море) должны быть проведены сопоставительные измерения результатов хода под ВПВ и одним ГД и под ВПВ и двумя ГД при равной общей мощности двигателей. Поэтому на том же курсе относительно ветра той же силы на судне с первоначально убранными ВПВ обоим ГД задается п50 обеспечивая мощность, близкую к 50 % эксплуатационной, и проводят измерения, указанные в п. 1 (испытаний по постановке ВПВ в море). Затем ставят все паруса и проводят измерения, указанные в п. 2 по постановке ВПВ в море. После этого один ГД (наветренного или подветренного борта)
останавливают, а на втором поддерживают частоту вращения вала около пэ. После установления движения измерения повторяют.
Аэродинамические исследования работы парусов проводят при истинной скорости ветра всех направлений до 15 м/с. Отрабатывают оптимальные утлы атаки (установки) парусов при 50- и 100 %-ной рабочей площади с учетом взаимодействия мачт путем достижения наибольшей скорости судна при регулировании установки парусов. Выявляют зоны кризисного обтекания парусов как в рабочем, так и в убранном состоянии.
Оценивают коэффициент сопротивления паруса путем движения в безветрие с поставленным при ₽ = 180е парусом (угол атаки тот же, что при курсе фордевинд). Сопоставление мощности и частоты вращения валов ГД с таковыми при убранных парусах позвопяет оценить искомое значение.
Эти исследования проводят независимо от испытаний по данной программе опытной эксплуатации судна с ВПВ.
Характеристики мореходности определяют при волнении более 3 баллов, 5-6 курсовых углах к ветру и 4-5 вымпельных скоростях ветра соответственно условиям проведения испытаний по постановке ВПВ в море. Судно следует при каждом ветровом режиме сначала с убранными, а затем с поставленными парусами (50, затем 100 % рабочей площади). В течение 15-20 мин записывают процессы бортовой, килевой качки и рыскания, углов перекладки руля. Определяют статистические характеристики этих процессов, а также слеминг. По возможности определяют угол дрейфа и усилия, действующие на мачты с несомыми парусами.
Итак, главная практическая задача опытной эксплуатации грузового судна с ВПВ - использование преимуществ ветродвижения (топливосбережения и увеличения среднерейсовой скорости) при перевозке грузов и оценка достигнутых экономико-эксплуатационных результатов. Поскольку определяющая эти результаты среднестатистическая аэродинамическая сила тяги ВПВ (на каждой трассе плавания) существенно изменяется соответственно распределению ветровых характеристик по сезонам года, указанные результаты должны быть получены в каждом сезоне на каждой заданной линии эксплуатации судна для последующего обобщения за год в целом. Эти данные, т. е. среднесезонное и среднегодовое топливосбережение и (или) увеличение среднерейсовой скорости, должны быть определены при нескольких режимах работы ГД и ВПВ (в режимах максимально возможной скорости судна, максимально возможного топливосбережения) с переменной и постоянной пониженной частотой вращения вала ГД, при работе обоих или одного ГД и т. д. В результате по каждой заданной линии эксплуатации должна быть заполнена итоговая таблица.
Одновременно по мере набора опыта работы с ВПВ судоводителями должно происходить постепенное распространение применения ВПВ на таких продолжительных режимах плавания, как движение на мелководье, в каналах (при благоприятных ветрах) и т. д.
Вторая основная цель опытной эксплуатации судна с ВПВ - получение необходимых экспериментальных натурных данных не только для дальнейшей эксплуатации данного судна, но, что еще важнее, для последующего обоснования и проектирования новых судов с вспомогательным ветродвижением. Такой необходимый материал в принципе не может быть получен в процессе ограниченных по времени сдаточных испытаний судна. Это связано прежде всего с большими затратами времени, во-первых, на ожидание необходимых ветроволновых режимов во всем рабочем диапазоне силы и направления ветра и к тому же при плавании как в грузу, так и в балласте. Во-вторых, значительные затраты времени связаны с большим объемом измерений, т. е. большим числом сочетаний необходимых режимов ветра и работы ВПВ (100 и 50 % рабочей площади парусов) с режимом работы главных двигателей и эксплуатации судна в целом (режим максимальной скорости судна, режим максимального топливосбережения, постоянство частоты вращения обоих валов ГД, работа двух или одного ГД, подбор оптимальных углов атаки парусов с учетом их взаимодействия на всех характерных курсовых углах ветра). Следовательно, для объективного и полноценного представления о возможностях ВПВ потребуется стабильная повторяемость полученных результатов, т. е. опытная эксплуатация достаточно продолжительное время.
5А АППАРАТУРА И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
При испытаниях судна с ВПВ для определения параметров применяют следующие приборы и оборудование:
скорость судна - судовой лаг и бросаемые поплавки (метод голландского лага), секундомеры; при осциллографировании частоты вращения вала ГД скорость судна определяется из таблицы, полученной при ходовых испытаниях; используют также электронные системы, определяющие скорость судна по спутниковой связи:
навигационные характеристики (скорость и направление ветра, балльность моря) - анемометр, шкала Бофорта; скорость и направление ветра (как вымпельного, так и истинного), полученные штурманскими приемами, сравнивают с параметрами ветрового потока, полученными с помощью ИИС;
амплитуда и частота бортовой и килевой качки - гировертикаль (например, авиационный датчик ДК-бМ) с записью иа ленту осциллографа (или самописца);
амплитуда и частота рыскания - курсограф (датчик угловой скорости рыскания) с записью на ленту осциллографа, а при отсутствии курсографа - подача сигналов на осциллограф показаний репитора гирокомпаса;
амплитуда и частота перекладки руля - судовой аксиометр с подачей сигналов на ленту осциллографа;
частота вращения валов ГД (гребного винта) - датчик частоты
123
вращения (например, наушник телефонного аппарата) с записью сигнала на ленту осциллографа;
статический крен, дифферент - кренометр, дифферентометр;
угол дрейфа - пеленгование буксируемой вешки судовым пеленгатором (струи гребных винтов - судовым радаром);
ускорения перемещений кормы судна и ВПВ в условиях реального морского волнения - датчики ускорений (например, МП-95) с записью сигнала на ленту осциллографа;
аэродинамические силы и моменты на мачтах от нагрузки на парус (тензометрирование напряжений на мачте) - тензостанция и оборудование;
момент на баллере рулевой машины (в зависимости от типа РМ) -торсиометр, тензостанция, сама рулевая машина, давление в рабочих и опоражниваемых полостях гидроприводов (в случае использования РМ как измерительного инструмента момента на баллере) - датчик давления (например, ЭДМУ) с записью сигнала на ленту осциллографа;
момент, развиваемый приводом механизма поворота комплекса мачта - парус - датчики замера аэродинамических сил и моментов на мачтах от нагрузки на парус (или как в предыдущем случае);
заливаемость, забрызгиваемость - фотографирование;
уборка, постановка парусов, повороты мачт - киносъемка;
расход топлива - мерные бачки для каждого ГД;
В каждом исследовании при осциллографировании используют отметчики времени. Скорость протяжки фотобумаги варьируется в зависимости от продолжительности маневра судна.
Все неэлектрические величины посредством различных преобразователей измеряют через электрические величины и осциллографи-руют с помощью многовибраторных осциллографов на фотобумагу (например, осциллограф К12-22).
При продуманной организации эксперимента не исключается запись параметров по показаниям судовых приборов членами экипажа.
5.5. обработка измеряемых величин
Рассматривая процесс изменения параметров качки в условиях » реального морского волнения, скорость и направление ветрового потока, давление в гидроцилиндрах рулевой машины, углы перекладки руля для удержания судна на заданном курсе (при управлении судна авторулевым), а также процесс кинематики фиксированной точки судна в условиях нерегулярного морского волнения, имеем дело с недетерминированным, случайным характером процесса. Наблюдая за изменением такого процесса во времени или пространстве, невозможно точно предсказать его поведение, поэтому такой процесс обычно характеризуется лишь некоторыми осредненными статистическими зависимостями.
Методом исследования реализаций случайных процессов является спектральный анализ. Спектр сигнала - функция, показывающая зависимость интенсивности различных гармоник в составе сигнала от частоты этих гармоник. Спектр периодического сигнала - это зависимость коэффициентов ряда Фурье от частоты гармоник, которым эти коэффициенты соответствуют.
При статистическом подходе осциллограмма рассматривается как реализация случайного процесса K(t), известного на определенном отрезке времени, < t < + Т.
Корректность методов анализа реализации случайных процессов, а также интерпретация результатов анализа зависят от некоторых основных свойств анализируемого процесса. Принимается наиболее простой (в смысле математического описания), но вместе с тем типичный для многих реальных процессов - случайный процесс, обладающий свойствами стационарности, эргодичности, присутствием периодических составляющих и нормальности. Этапы оценивания статистических характеристик отдельных реализаций, полученных в результате исследований, представлены в работах [7,8].
В период натурных исследований при измерении некоторых величин приходится часто фиксировать результаты измерений через одинаковые временные промежутки. Если считать, что измерительный прибор отображает мгновенные значения исследуемого процесса, окажется, что вместо непрерывного реального сигнала получаем набор равностоящих по времени его мгновенных значений. Возникает необходимость полного восстановления исходного (основного) сигнала по этой совокупности его отдельных точек. Существуют различные методы восстановления исходного сигнала [19].
5.6. ВЫВОДЫ
На основании программы проведения натурных исследований морского судна с ВВЭУ возможно решение следующих задач:
проверка работоспособности, эксплуатационной безопасности, безотказности в работе как элементов, входящих в состав установки, так и всего комплекса судно - ВВЭУ в реальных условиях;
исследование и оценка в реальных условиях аэродинамических характеристик ветродвижителей при различных вариантах их установки на ошвартованном у причала судне, а также в море при различных параметрах (направление и скорость) кажущегося ветра и режимах движения судна, характеристик мореходности, управляемости, дрейфа и параметров качки моторно-парусного судна при различных ветроволновых условиях, влияния ВВЭУ на режимы работы и эксплуатационные характеристики устройств, механизмов и комплексов судна;
исследование возможности совместной работы ветродвижителей (при различных вариантах их постановки и параметрах ветрового потока) и главной энергетической установки (при различных вариан
тах ее режимов работы) судна с целью оценки основных результатами ветродвижения - топливосбережения и (или) увеличения скорости^И моторно-парусного судна;
проверка адекватности разработанных математических моделей, расчетных и технологических схем, а также обоснования оптимальных ; режимов эксплуатации комплекса судно - ВВЭУ:	и
выработка экипажем судна определенных навыков и опыта nqjflj эксплуатации ВВЭУ и управлению моторно-парусным судном.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	Н
Неиссякаемость, экономичность и экологическая чистота ветра определяют его ведущее положение среди природных источников энергии на море. Анализ возможностей использования энергии ветра показал, что в современных условиях на морских судах имеет смысл применять ветродвижители как дополнение к главной судовой энергетической установке. Это стало возможным при внедрении на судах вспомогательных ветроэнергетических установок.
Парусное вооружение (или иной ветродвижитель) является вспомогательным движителем и входит как важный элемент в состав ВВЭУ. Основной отличительной чертой современного ПВ является его приспособленность к автоматизированному управлению всеми операциями, связанными с постановкой, уборкой и поворотом к направлению ветрового потока. Учитывая это, предлагается обосновывать эффективность ВВЭУ по аэродинамическим характеристикам ее ветродвижителей и по мощности, которая может быть снята вспомогательным ПВ с главной СЭУ.
При исследовании вопроса автоматизации рабочих процессов использования ПВ был выполнен анализ задач, решаемых АСУ судна с дополнительным ветродвижением. Указанный анализ также преследовал цель определения возможных режимов работы комплекса судно -ВВЭУ, в результате чего предложено для эффективного и достоверного решения задач по созданию АСУ судна с дополнительным ветродвиже-нием разбить АСУ комплекса судно - ВВЭУ на несколько локальных систем. Такая постановка исследования названной научной проблемы позволяет решать вопросы эффективной работы как между элементами, входящими в состав ВВЭУ, так и их взаимосвязи с устройствами и механизмами судна. Кроме того, выводы и научные результаты, полученные при решении каждой из отдельно, взятой задачи, являются исходными данными для решения последующих задач. Так, анализ задач, решаемых локальной АСУ ПВ и рассмотрение алгоритмов управления ПВ в различных эксплуатационных условиях позволили обосновать и разработать образец АИИС, а также обосновать возможные режимы работы и определить характеристики механизма поворота комплекса мачта - парус. Указанные АИИС и механизм поворота входят, как и ПВ, в состав ВВЭУ. АИИС на основании текущей инфор-
нации о скорости и направлении ветрового потока вырабатывает управляющий сигнал для механизма поворота комплекса мачта -парус с целью корректирования положения ПВ с позиций эффективности и безопасности его использования.
С целью проверки адекватности разработанных математических моделей, расчетных и технологических схем, а также обоснования оптимальных режимов эксплуатации комплекса судно - ВВЭУ и для обобщения результатов опытной эксплуатации предложена методика проведения экспериментальных исследований судна с дополнительным ветродвижением. Методика предусматривает испытания судна как у причала, так и в море, с указанием применения возможной аппаратуры и оборудования для исследований, а также вариантов математической обработки измеряемых величин.
Итак, проведенные автором исследования и анализ задач по эксплуатации судов с вспомогательными ветродвижителями показывают, что их эффективность связана с обоснованием состава и режимов работы ВВЭУ, решением вопросов аэро- и гидродинамики и оптимального взаимодействия ВВЭУ с главной энергетической установкой и устройствами судна, а также с автоматизацией рабочих процессов управления вспомогательным ПВ и судном.
Автор уверен, что полученные результаты исследований помогут специалистам глубже изучить рассматриваемую проблему.
ПРИЛОЖЕНИЕ
НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
НА ТЕПЛОХОДЕ ИЛЬЯ СЕЛЬВИНСКИЙ-
Общие сведения о судне (рис. П.1). Судно Дунайского пароходства — однопалубное, двухвинтовое, четырехтрюмное, мелкосидящее, сухогрузное, с баком, ютом, наклонным форштевнем, кредсерской кормой, с жилой надстройкой и машинным отделением, расположенным в корме. Район плавания — ограниченный (в открытых морях с удалением от места убежища до 200 миль и с допустимым расстоянием между двумя местами убежища 400 миль, а также в закрытых морях). Главные характеристики судна следующие.
Длина габаритная, ........................................ 123,5
*	между перпендикулярами, м ......................... 117
Ширина наибольшая, ....................................... 15,03
Высота борта у миделя, .................................... 6,5
Осадка по полную грузовую марку, м......................... 4,5
*	в балласте, м........................................ 2
Водоизмещение в грузу, т................................. 6180
* в балласте, т.................................... 2083
Дедвейт,т................................................. 4100
Спецификационная дальность плавания (при полных запасах, мощности СЭУ1472 кВт и скорости 11,5 уз), мили....	5000
Тип двигателя (2 шт.).................................. 8ДР	30/50—4
Диаметр цилиндра, мм...................................... 300
Ход поршня, мм............................................ 500
Номинальная мощность двигателя, кВт....................... 736
Частота вращения коленчатого вала, мин"?.................. 340
Среднее эффективное давление в цилиндре, МПа.......	0,459
У дельный расход топлива, г/кВт-ч........................ 237+5	%
Тип рулевой машины Р-17 — электрогидравлическая, четырехцилиндровая, с двумя электроприводными масляными насосами, с электрической системой, дистанционного управления из внешних постов и ручным местным управлением насосами.
Номинальный крутящий момент на баллере руля, развиваемый рулевой машиной при рабочем давлении 10 МПа и угле поворота руля ±35°, равен 400 кН-м. Давление нагнетания масла в цилиндрах привода, соответствующее настройке предохранительных клапанов, 12,5 МПа.
Характеристики основных насосов: радиально-плунжерный типа МНП 0,14—6, переменной подачи, теоретическая подача при эксцентриситете ±17 мм и частоте вращения приводного вала 965 ми и-1 равна 133 п/мищ рабочая среда - масло турбинное 46 вязкостью 44—48 mVc при t = 50 °C.
Характеристики винторулевого комплекса винтов правого/левого вращения (рис. П.2) следующие.
Диаметр, ..........................  2/2
Число лопастей.....................  4/4
Шаг, ............................1,28/1,28
Шаговое отношение.............0,64/0,64
Дисковое отношение............ 0,63/0,63
Масса, кг..................... 1069/1047
Рис. П.1. Рудовоз “Илья Сельвинский*
Рис. ПД Винторулевой комплекс теплохода ’Илья Сельвинский”:
1 — руль; 2—винт
На теплоходе установлен авторулевой АТР2-11, во всех модификациях этих авторулевых управление осуществляется по закону ПИД [59].
Система АТР обеспечивает управление: автоматическое, следящее, простое (дистанционное), ручное (местное, аварийное).
Пределы 'изменения КОС 0,2+2; максимально допустимая скорость синхронной передачи курса 5 град/с; допустимое отклонение судна от заданного курса (без учета ошибки гирокомпаса) при управлении ’Автомат” не более ±0,2.
Среднее значение рыскания судна при оптимальной настройке авторулевого при скорости хода не менее б уз и состоянии моря: до 2 баллов ±0,5 град, 3—5 баллов ±3 град, более 5 баллов - надежная работа системы.
Мягкое ВПВ в способ его установки. Судно оборудовано мягким ВПВ — двумя парусами площадью по 100 м2. Для установки ВПВ используют стрелы судовых грузовых электрогидравлических кранов, которые наклонены под углом 70—75° к основной линии судна (рис. П.3, а, б). Для предотвращения смещения на борт стрелы кранов раскрепляют вантами, нижние концы которых прикрепляют к стойкам фальшборта. Мягкое ВПВ 9 (рис. П.3, в) имеет форму равнобедренного треугольника, длина нижней шкаторины 14 м, высота треугольника 14 м. Вдоль всех кромок паруса — шкаторин — пропущена лента, обе 130
продольные кромки которой пришиты к кромкам. Внутри образованного лентой кармана пропущены стальные тросы — булини. Огоны булиней прикреплены к кольцам 11 в нижних (шкотовых) углах паруса и к треугольной планке 6 в верхнем (фаловом) угле, а кольца и треугольная плавка — к углам паруса бутамсинтетическими лентами. По высоте паруса с шагом в 1 м нашиты стальные кольца 7, через которые проходит синтетический канат — гордень 8 для складывания паруса. Нижние концы горденей скреплены с нижней шкаториной паруса, верхние концы — с кольцом 2 на стреле 1 крана.
Треугольная планка 6 верхнего (фалового) угла соединена такелажной скобой 5 с разрывной стропкой 4, представляющей собой кусок стального троса с огонами по концам. Верхний огон стропки надевают на грузовой гак 3 крана. Нижние (шкотовые) углы паруса через шкоты 10 скреплены со стойками фальшборта. Изменяя положение точек крепления шкотов, парус можно устанавливать под различными углами к ветру.
Порядок установки следующий. Стрелу поднимают в вертикальное положение. Затем закрепляют и обтягивают ванты для предохранения от опрокидывания судового крана. На опущенный гак 3 надевают огон разрывной стропки 4 и поднимают парус. При необходимости корректируют натяжение шкотов.
Убирают парус в обратном порядке. При опускании гака 3 парус 9 скользит кольцами 7 по горденям 8, как по направлению и, собираясь в складки, образует компактный пакет. Процесс складывания был проверен на модели в масштабе 1:20.
Для изменения угла установки паруса по отношению к ветру в свежую погоду необходимо опустить парус, переэавести шкоты в нужное положение и снова поднять его.
Экстренная отдача паруса при превышении скорости и давления ветра предельно допустимых значений происходит вследствие разрушения разрывной стропки при усилии, соответствующем 70 % грузоподъемности крана.
Предельные усилия, передаваемые парусом на стрелу крана, рассчитывали для условного динамического давления ветра на парус 310 Па, что соответствует второму ограниченному району плавания.
Расчет паруса выполнен с помощью универсальной программы расчета гибких конструкций Г 204, разработанной в лаборатории судовых устройств Николаевского кораблестроительного института. Парус бып заменен стержневой системой с приведенной жесткостью, обеспечивающей моделирование характеристик ткани и тросов в различных направлениях [37]. Расчет напряженно деформированного состояния стержневой системы осуществляется таким образом, чтобы соблюдалось равновесие каждого узла пересечения стержней с заданной точностью.
Расчеты показали, что судно, несущее ВПВ, полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым Регистром к остойчивости судов второго ограниченного района плавания, т. е. остойчивость судна с ВПВ обеспечена при динамическом давлении ветра 310 Па, что соответствует его скорости 20 м/с.
Программа проведения эксперимента. Эксперимент проводился по следующим направлениям:
натурные испытания экспериментального образца автоматической системы управления вспомогательным парусным вооружением (АИИС ВПВ) как в аэродинамической трубе, так и на газотрубоходе Черноморского морского пароходства 'Владимир Васляев* и теплоходе 'Илья Сельвинский*;
исследования, связанные с определением влияния постановки ВПВ как на режимы работы судовых механизмов в различных эксплуатационных условиях, так и на возможности удержания судна на заданном курсе, а также с определением влияния ВПВ на мореходные качества судна.
Результаты натурных исследований зкспчмменппьнсго образца АИИС ВПВ. Исследования экспериментального образца АИИС ВПВ судна-ветрохода проводилась в несколько этапов: вначале в аэродинамической трубе Одесского института инженеров морского флоп (январь 1990 г.), затем в натурных условиях перехода судна Одесса — Иокогама (Япония) — Одесса (февраль — апрель 1990 г.), и затем на рудовозе 'Илья Сельвинекий' при переходе по Черному и Средиземному морям (ноябрь 1990 г. - февраль 1991 г.). На последнем этапе были проведены испытания, связанные с возможностью постановки двух вспомогательных мягких парусов рабочей площадью по 100 м2.
При проведении эксперимента использовались следующие приборы и оборудование, входящие в состав АИИС (см. рис. 3.2): персональная ЭВМ IDM РС-ХТ, центральный процессор № 79230, дисплей № М 00907С, клавиатура № КХО1167С, принтер EPSON-800 № М00010599, источник питания постоянного тока 06374, датчик ветрового потока КМСЗ ПСВВ. Векторный датчик ветрового потока метеостанции КМС-З-ПСВВ был установлен на топ-мачте судна, остальные элементы - в штурманской рубке.
За время натурных исследований были выявлены и устранены отдельные конструктивные недостатки векторного датчика: неточная установка осевых подшипников анемометра, большие технологические допуски в местах установок крепежных шайб, низкое качество самих крепежных шайб, на которые приходится осевая нагрузка вала анемометра.
Указанные недостатки привели к возникновению во время работы датчиков осевых люфтов вала анемометра и соответственно к смещению стакана с оптическими окнами относительно оптопар. Окна стаканов имеют в сечении круглую форму, что привело к значительному изменению площади засвечиваемого окна и соответственно длительности считываемого импульса.
В программе обработки сигналов от датчика, работающей в реальном времени, использована информация о длительности импульсов и промежутке времени между импульсами для определения направления вращения крылатки анемометра, поэтому даже незначительные изменения в длительности импульса приводят к ошибочному считыванию информации.
Для устранения этого эффекта была произведена модификация датчика, в частности изменена форма оптических окон. Они были выполнены в форме прямоугольного сечения по всей длине стакана. В этом случае даже при возникновении значительных люфтов системы длительность считываемых импульсов остается постоянной.
Следует отметить удачный принцип получения информации о ветре от датчика КМСЗ ПСВВ: разложение потока по ортогональным составляющим и измерение одних только проекций скорости с последующим вычислением генерального направления и модуля вектора скорости потока. Такой подход существенно уменьшил требования к аппаратной части системы.
Датчики обладают достаточной точностью при определении парзметров ветрового потока, простой формой выходного сигнала, минимизирующей требования к линии связи с обсчитывающим устройством и хорошей ремонтопригодностью.
В ходе эксперимента также быпа модифицирована схема обработки сигналов от датчиков ветра с целью исключения влияния помех от судовой радиостанции и приборов навигационного комплекса, в результате чего был отработан канал передачи информации на расстояние до 100 м без помех в различных эксплуатационных условиях.
Результаты эксперимента подтвердили целесообразность построения АИИС ВПВ на базе судовой штатной персональной ЭВМ. Сигналы от датчика ветра подаются в персональную 132
ЭВМ через промежуточный блок формирования импульсов в формате TTL по каналу LPT-2 Port 379Н, а в случае его отсутствия — по стандартному каналу С0М1. Отработанные в результате эксперимента алгоритмы процедуры опроса датчика в реальном времени могут быть применены при создании АИИС на базе однокристалльной микро-ЭВМ серии 1816.
В результате натурных исследований были отработаны и отлажены: электронные схемы приема сигналов от датчиков скорости и направления ветра; комплекс программ по обработке сигналов от датчика ветра с цепью определения параметров кажущегося и истинного ветра, а также оптимальных углов установки ВПВ; графический модуль визуального отображения ветровой обстановки, расчетных параметров установки ВПВ и характеристик судна.
В ходе эксперимента были определены статистические характеристики ветровых потоков над поверхностью моря, сделан анализ возможности оценки параметров бортовой и килевой качки судна в процессе работы АИИС для автоматического введения поправки при расчете утла установки ВПВ, исследована возможность заведения в АИИС сигналов от судового лага и гирокомпаса.
Теоретические и натурные исследования, связанные с созданием АИИС моторнопарусного судна, позволили установить данную систему на теплоходе ’Илья Сельвинский*. Система была создана на базе штатного судового компьютера CHELENGER (типа IBMPC/XT) и используется в период постановки на судне ВПВ, а также для решения различных штурманских задач.
На рабочем экране АИИС (рис. П.4) направление кажущегося ветра показано сплошной стрелкой, направление истинного ветра — пунктирной. Размеры стрелок пропорциональны абсолютным значениям скоростей. Визуально показаны угол и скорость судна, а также характеристики судна на момент испытаний. В двух нижних окнах показаны рабочие области для носового и кормового вспомогательных парусов. Вектор ветра отображается в обоих окнах, а когда ои попадает в светлый сектор, то можно устанавливать ВПВ. Угол установки парусов относительно ДП судна также выводится в информационное окно.
Согласно утвержденному рейсовому заданию целью натурных исследований было определение влияния ВПВ при характерных ветроволновых условиях и различных режимах движения судна (только под двумя ГД: два ГД + носовой парус, два ГД + кормовой парус, два ГД + два паруса; только под ГД правого борта; только под ГД + носовой парус, только под ГД + кормовой парус, только под ГД + два паруса; только под ГД левого борта: только под ГД + носовой парус, только под ГД + кормовой парус, только под ГД + два паруса; только с помощью носового паруса, только с помощью кормового паруса, только под двумя парусами) на характеристики: мореходности судна, управляемости судна (устойчивость на курсе и поворотливость), характеристики и режимы работы судовых устройств, механизмов и систем (главную энергетическую установку, рулевую машину, авторулевой при различных параметрах его настройки).
Исследования были проведены в условиях тихой воды (vB = 3 м/с) и различных негроволновых условиях (как с ВПВ, так и без него) при эксплуатации судна в грузу и балласте, движении на прямом курсе и выполнении стандартных маневров: маневра “зигзаг" и симметричных отклонений руля от ДП судна (при построении диаграммы управляемости судна). При этом варьировалась скорость судна и соответственно частота вращения гребных винтов.
Оцениваемые показатели. При определении влияния ВПВ на указанные характеристики замеряли и фиксировали следующие (в зависимости от условий плавания и режимов движения судна) показатели:
СКОРОСТЬ ВЕТРА, М/С.... НАПРАВЛЕНИЕ ВЕТРА, ГРАД
5 л 169
СКОРОСТЬ СУДНА, УЗ КУРС СУДНА, ГРАД . ОСАДКА НОСОМ, И .. ОСАДКА КОРМОЙ,М..
ВРЕМЯ, С........
ИЗ
3.50
А.«
МР
СКОРОСТЬ истинного ВША, И/С .
НАПРАВЛЕНИЕ'ИСТИННОГО ВЕТРА, ГРАД
УГОЛ ДРЕЙФА СУДНА, гмд
 330 1
СКОРОСТЬ ДРЕЙФА СУДНА, М3 ...
0.1
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ УГОЛ УСТАИООКН 1-ГО ПАРУСА,ГРАД
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ угол УСТАНОВКИ 2-F0 ПАРУСА,TPAR||Q
[“Т
90°
15'
90-°-
45'
135
«
135
45°
Пр
180°
-90-
135°
225
ЧР iM °” 1
L	j w
IWi и и и и я я и я я я я я bW I ii я п я »• и я а и " и и и и и и иТип	"  1	~
f: 315°
270
ш
Л
Рис. П.4. Рабочий экран АИИС:
I — рабочие области для носового и кормового парусов; П — экран характеристик ветрового потока, судна и рекомендуемых углов установки парусов; Ш — экран характеристик курсового угла судна и направления ветрового потока (на экране Ш сплошной стрелкой указано направление истинного ветра, пунктирной — кажущегося ветра)
при построении статической характеристики судна по каналу управления частота вращения ГД - скорость судна (положение топливной рукоятки на ходовом мостике, частота вращения гребных валов по тахометру на ходовом мостике и по ручному индикатору, показания отсечки топлива на регуляторах ГД левого и правого бортов, удельная плотность топлива, расход топлива иа ГД левого и правого бортов, расход топлива на единицу мощности, среднее эффективное давление, эффективная и индикаторная мощность каждого двигателя, скорость судна по показаниям судового лага и с учетом поправочного коэффициента). Характеристики были получены при движении судна под ГД левого и правого бортов, только под ГД левого и только под ГД правого борта на полном, среднем и малом передних ходах в грузу и балласте;
при построении диаграммы управляемости судна-угол перекладки руля, скорость судна в начале и конце перекладки руля, время до начала ухода судна с курса, угловая скорость судна, грал/с и рад/с. Диаграммы управляемости были построены при движении судна в случае совместной работы ГД левого и правого бортов, в грузу и балласте;
при определении влияния ВПВ на характеристики мореходности судна-скорость
судна, амплитуда и частота бортовой качки, углы статического крена судна и дре? ф судна перекладки руля, всхожесть на волну, заливаемость, слеминг;
при определении влияния ВПВ на качество функционирования канала авторулевой — рулевая машина при видах управления “автомат” и “следящий”- амплитуды углов перекладки руля, углы рыскания судна относительно курса, скорость судна, амплитуды углов крена судна, число перекладок руля, для сравнения эти параметры одновременно фиксировались при движении судна на прямом курсе в условиях "тихой воды” и различных ветроволновых условиях (как с парусним вооружением, так и без него), причем при различных ветроволновых условиях варьировались параметры настройки авторулевого, а также изменялись режимы движения судна.
Натурные исследования влияния ВПВ на режимы работы рулевой машины проводились при движении судна прямым курсом и виде управления "автомат”, влияние ВПВ на нагрузки привода рулевой машины — при выполнении маневра “зигзаг” с началом перекладки руля на левый и правый борта судна (вид управления "следящий”).
При указанных алгоритмах режимов движения, загрузки судна и внешних условиях одновременно замерялись и фиксировались следующие параметры: скорость судна, амплитуда углов перекладки руля, углы рыскания судна (прямой курс) и изменение курсового угла судна (маневр “зигзаг”), частота вращения гребных винтов левого и правого бортов, амплитудно-частотные характеристики бортовой качки судна, давление масла в опоражниваемых и заполняемых гидроцилиндрах привода рулевой машины.
Во всех случаях исследований ВПВ устанавливалось под таким углом атаки к направлению ветра (угол между нижней шкаториной каждого паруса и направлением ветрового потока), который соответствовал максимальной аэродинамической силе тяги каждого паруса, создающей наибольшее увеличение скорости судна. Под таким же углом атаки было установлено ВПВ к ветровому потоку в случае натурного исследования возможности движения судна без ГД левого и правого бортов, а только под ВПВ.
При исследованиях, связанных с движением судна только под ВПВ, рассматривалась возможность управления судном как рулевым, так и при автоматическом управлении. Визуально определялось поведение судна при режиме движения под парусами.
Во время натурных исследований, связанных с постановкой мягкого ВПВ и определением его влияния на статические и динамические характеристики судна, характеристики ветрового потока (скорость и направление) замеряли штурманскими приемами.
Условия проведения исследований. Согласно приведенной программе натурных исследований, а также перечню оцениваемых показателей условия проведения испытаний предусматривают эксплуатацию судна (в грузу и балласте) в условиях “тихой воды* и при различных ветроволновых режимах.
Исследования проводились с 29.11.90 по 10.01.91 гг. Пункты программы испытаний, связанные с исследованиями при эксплуатации судна в грузу и балласте в условиях "тихой воды”, были выполнены. Исследования же, связанные с постановкой парусного вооружения, были выполнены в узком диапазоне скоростей и направлений вымпельного ветра и эксплуатации судна в балласте. Причины узкополосного характера испытаний связаны с эксплуатационными режимами судна, а также конструктивными особенностями мягкого ВПВ и заключаются в следующем:
1.	Испытания в балласте обоснованы определением характерного влияния ВПВ на статические и динамические характеристики судна.
2.	По заключению проектантов парусного вооружения эффективными курсовыми углами вымпельного ветла являются углы бакштаг и крутой бакштаг (130—150°). На этих курсовых углах парусное вооружение создает максимальное тяговое усилие, дающее
увеличение скорости судна, поэтому испытания проводились в основном для указанных курсовых углов ветра с углами атаки к ВПВ, равными 90°.
3.	Рабочая площадь каждого из двух парусов 100 м2, что обосновано 70 %-ной нагрузкой на каждый судовой грузовой кран при усилии, создаваемом ветровым потоком со скоростью 12 м/с. Следовательно, испытания проводились не при любом ветроволновом режиме, а при скорости ветра 6—14 м/с и направлении 130—150°, т. е. кормовых курсовых углах.
Так, при эксплуатации судна в грузу и балласте в условиях "тихой воды”, т. е. без парусного вооружения, испытания проводились в следующей конкретной обстановке: состояние моря — зыбь, скорость вымпельного ветра 2,4 м/с.
Испытания, связанные с постановкой парусного вооружения, проводились в следующей конкретной обстановке и при эксплуатации судна в балласте: состояние моря 4 балла, скорость вымпельного ветра 6—9,5 м/с; состояние моря б баллов, скорость вымпельного ветра 12-14 м/с (в порывах до 25 м/с).
Лппедатура и техническое обеспечение испытаний. Для определения указанных параметров в период натурных исследований были использованы следующие приборы и аппаратура: анемометр, кренометр, репитер гирокомпаса и система ГК *Курс-4М", лаг ИЭЛ-2М, манометры давлений, штатные и ручной тахометры, мерные бачки расхода топлива, нониусная планка на станине рулевой маащны, определяющая истинное положение руля судна, секундомер.
С целью фиксирования измеряемых величин были разработаны специальные технологические таблицы, запись в которых производилась синхронно, через равные промежутки времени в течение 12 мин по общей команде с ходового мостика.
Результаты исследований. 1 Испытания, связанные с построением статической характеристики судна по каналу управления частота вращения ГД - скорость судна, показали следующее:
для создания равных частот вращения гребных винтов левого и правого бортов ГД правого борта должен работать с большей отсечкой топлива, чем ГД левого борта; правый винт судна — "тяжелый";
на основании предыдущего пункта замеры и расчеты показали разницу в расходах топлива на единицу мощности и различие в значениях мощности при одинаковой частоте вращения гребных винтов у ГД левого и правого бортов (как при совместной их работе, так и отдельной);
различие в показаниях тахометров, установленных на ходовом мостике, и ручного индикатора составляет 5—10 мин"1 в сторону увеличения или уменьшения у двигателей;
наиболее экономичным режимом (во время работы каждого двигателя в отдельности) является режим среднего переднего хода судна, при котором для каждого ГД (п = 230+ 240 мин"1) наблюдается наименьшее отклонение руля от ДП судна, чем при работе ГД левого или правого борта на малом переднем и полном переднем ходу; в условиях "тихой воды” при работе ГД только левого борта момент гидродинамических сил разворачивает судно по часовой стрелке, поэтому руль для удержания судна на курсе перекладывают на левый борт; при работе ГД правого борта по тем же причинам руль перекладывают на правый борт; чем больше угол перекладки руля на борт, тем сильнее его тормозящее действие и меньше скорость судна.
Итак, в условиях безветрия руль перекладывают на тот борт, на котором работает один из ГД. При воздействии ветрового потока на судно перекладка руля может остаться прежней или измениться.
Рассмотрим случай, когда судно движется при работе ГД левого борта и с этого борта воздействует ветровой поток. Результирующая аэродинамических сил воздействует на кормовую надстройку и создает момент Мюр, который разворачивает судно против часовой стрелки. В данном случае есть три варианта перекладки руля;
при Мгд > Ммр руль по-прежнему будет находиться на левом борту судна;
если Мгд < Мюр, то руль перейдет ДП судна и будет работать на противоположном борту, чтобы удержать судно на заданном курсе;
при МГд = маэр РУ316 в основном будет работать в ДП судна.
Для рулевой Минн,™ наиболее благоприятен последний режим, позволяющий судну развивать наибольшую скорость. Такой же вариант возможен и при движении судна только под ГД правоте борта.
Рассмотрение режимов работы каждого из ГД левого и правого бортов в отдельности вызвано следующим:
как показали натурные исследования, минимальная скорость вымпельного ветра, при которой можно использовать ВПВ, составляет 6 м/с, и в этом случае режим движения судна должен соответствовать малому переднему ходу (иначе судно будет обгонять ветер);
движение судна под ГД левого и правого бортов (совместная работа) является нецелесообразным из-за неэкономичной работы двигателей, а также по причинам, связанным с последствиями неполного сгорания топлива и увеличенной смазки цилиндро-поршневой группы при минимальной частоте вращения главных двигателей;
учитывая изложенное, а также изучив результаты испытаний работы двигателей в условиях "тихой воды* при движении судна как в грузу, так и балласте, можно сделать вывод, что при скорости ветра 6—8 м/с наиболее экономичными режимами отдельной работы главных двигателей (левого или правого борта) будет их работа при частоте вращения 190—220 мин"1 и до 240 мин-1 при постановке каждого паруса в отдельности или обоих парусов.
При данных скоростях ветра, варьируя частоту вращения одного двигателя (при другом не работающем) во время постановки парусов (как отдельной, так и совместной), можно добиться максимального приближения пера руля к ДП судна, т. е. максимально выравнить моменты М^д и При скорости ветра 8—14 м/с (направление ветра ’бакштаг” и ’крутой бакштаг’) целесообразно движение судна под двумя парусами и двумя ГД. Частоту вращения главных двигателей подбирают сообразно скорости и направлению ветра. Не исключен тот случай, когда для того, чтобы -Ч-д = Ммр (руль работает в ДП судна), работе ГД левого и правого бортов будет с разгпями частотами вращения.
2.	Испытания, связанные с построением диаграммы управляемости судна, показали, что в условиях ’тихой воды* судно (в грузу и балласте) управляемо, характеристики симметричны. Однако обращает на себя внимание тот факт, что при перекладках руля на левый и правый борта время до начала ухода судна с курса очень разнится при одних и тех же внешних условиях. Так, при перекладке руля на 5° левого борта время до начала ухода судна с курса было 12 с, а при перекладке руля на 5° правого борта — 20 с (судно в грузу). При эксплуатации судна в балласте время до начала ухода судна с курса также разное для левого и правого бортов. Таким образом, при ’тяжелом* правом винте наблюдается некоторая замедленная реакция судна на правый борт. Необходимо учитывать данную ситуацию при постановке ВПВ.
Диаграммы управляемости судна (в грузу и балласте) были построены при одновременной работе ГД левого и правого бортов. Была попытка построить такие диаграммы при работе каждого двигателя в отдельности, но от испытаний пришлось пока отказаться, так
137
как при работе одного двигателя руль судна на борту в районе 15—19°. Практически судно будет управляться при перекладке руля на 20—30° каждого борта, что соответствует тяжелому режиму работы рулевой машины.
3.	При определении влияния парусного вооружения на характеристики мореходности судна натурные испытания позволяют сделать следующие выводы:
постановка ВПВ создает динамическую стабильность движущегося судна;
сравнение амплитуд углов рыскания судна, а также его суммарного числа рысканий относительно ДП до и после постановки ВПВ показало, что при постановке ВПВ наблюдается увеличение амплитуды углов рыскания; при равном суммарном числе рысканий судна относительно ДП (как без ВПВ, так и с ним) число рысканий по бортам судна без ВПВ — равномерное, а у судна с ВПВ большее число рысканий приходится на подветренный борт, т. е. в сторону направления действия ветрового потока;
при постановке ВПВ уменьшаются углы крена судна, а период бортовой качки увеличивается (курсовые углы ветра 130—150°);
при постановке ВПВ (иа прямом курсе судна) амплитуды углов перекладок руля уменьшаются, руль работает более стабильно на углах, расположенных ближе к ДП судна (рассматривается вид управления ’автомат*);
в случае постановки ВПВ наблюдается увеличение скорости движения судна до 1 уз.
4.	Исследования, связанные с определением влияния ВПВ на качество функциони-. рования канала авторулевой — рулевая машина, показали следующее:
при постановке каждого паруса в отдельности, а также при совместной постановке обоих парусов судно управляется при видах управления ’автомат*, ’следящий* и ’простое* (курсовые углы ветра 130—150°);
при различных ветроволновых режимах в период движения на прямом курсе судна под ВПВ настройка авторулевого (путем изменения параметров КОС и ТГ) влияет на амплитуды углов перекладки руля, частоту и число перекладок, углы рыскания;
сравнение качества управления (при движении на прямом курсе) судна с ВПВ при видах управления ’автомат* и ’следящий* (с помощью рулевого) показало, что предпочтение следует отдавать виду управления ’автомат’;
при движении судна только под обоими парусами (без главной судовой установки) судно не управляемо при курсовых углах ветра 130—150°, т. е. основных рабочих курсовых углах ветрового потока.
5.	Исследования, связанные с определением влияния ВПВ иа режимы работы рулевой машины, показали следующее: 
при движении судна на прямом курсе и виде управления ’автомат* постановка ВПВ (как обоих парусов, так и каждого в отдельности) создает дополнительную устойчивость судна на курсе — руль длительное время работает в районе ДП судна, что создает облегченный режим работы рулевого привода;
при выполнении маневра ’зигзаг* (вид управления ’следящий’) в сторону, совпадающую с направлением распространения ветрового потока, нагрузка на привод рулевой машины уменьшается по сравнению с нагрузкой, когда судно было без ВПВ; при выполнении маневра в сторону, противоположную направлению ветра, нагрузка привода увеличивается в связи с увеличением времени выполнения маневра.
6.	Исследования, связанные с определением оптимального угла атаки ВПВ к направлению ветрового потока, подтвердили заключение проектантов парусного вооружения, что такой угол (между нижней шкаториной паруса и направлением ветрового потока) равен 90°, а рабочими курсовыми углами будут углы 130—150° (’крутой бакштаг* и ’бакштаг*)-
При таких курсовых углах и углах атаки ветрового потока наблюдается наибольший положительный эффект от применения ВПВ (максимальная аэродинамическая сила тяги).
Исследования, связанные с определением эффективности каждого паруса в отдельности, показали, что парусное вооружение, установленное на носовом (ближе к баку) грузовом кране, работает более эффективно, чем при установке на грузовом кране ближе к кормовой надстройке.
Рабочим диапазоном скоростей ветрового потока для данного ВПВ (при указанных курсовых углах и углах атаки) будет 6—16 м/с. Меньшее значение скорости вымпельного ветра определяется скоростью судна, которую оно может развить при движении под одним ГД (левого или правого борта), а большее - скоростью судна под двумя главными двигателями и при ограничении нагрузки паруса на судовой кран.
Во время испытаний была сделана попытка использования ВПВ при курсовом угле ветра 75—80° (»в= 8 м/с). При этом наблюдалось: увеличение углов крена, неравномерность углов крена (причем имели место случаи, когда угол крена судна на ветер был больше, чем в подветренную сторону), судно двигалось рывками с увеличением и уменьшением скорости на 1 уз, ушло с курса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алчуджан Г. А. Разработка технико-эксплуатационных требований к оснащению ветроэнергетическим вооружением танкера типа ’Дрогобыч* И Перспективные типы судов, мореходные и ледовые качества: Сб. науч. тр. Ли Транспорт, 1985. С. 17—28.
X Алчуджан Г. А. Снижение расхода топлива при использовании парусов на малотоннажном танкере// Судостроение. 1985. № 3. С. 14—17.
3.	Алчуджан Г. А., Жинкии В. Б. и др. Экспериментальные аэродинамические характеристики систем жестких крыльев парусов морских транспортных судов // Перспективные типы морских транспортных судов: Сб. науч. тр. Л.: Транспорт. 1986. С. 138-148.
4.	Алчуджан Г. А., Фомина Е. В. Применение на морских грузовых судах, вспомогательного парусного вооружения (современное состояние и перспективы) // Экспресс-информация ЦНТБ ММФ В/О Мортехинформреклама. Сер. Морской транспорт за рубежом. 1984. Выл. 1 (223). С. 1—15.
5.	Алчуджан Г. А., Фомеико ГО. И. и др. Перспективы применения роторного вооружения на морских грузовых судах И Исследование, проектирование и постройка парусных судов: Сб. науч. тр. НКИ, 1982. С. 49—51.
6.	Атлас океанов. Атлантический и Индийский океаны. Ми 1977.35 с.
7.	Бендат Дж., Пирсон А. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. Ми Мир, 1989.547 с.
8.	Бендат Дж., Пирсоп А. Приложения корреляционного и спектрального анализа: Пер. с англ. Ми Мир, 1982.312 с.
9.	Березин С. Я., Тетюев Б. А. Системы автоматического управления движением судна по курсу. Ли Судостроение, 1974.264 с.
10.	Благовещенский С. Н. Качка корабля. Судпромиз. Л.: 1954.520 с.
11.	Бородай И. К., Нецветаев Ю. М. Качка судов на морском волнении. Ли Судостроение, 1969.432 с.
IX	Бородай И. К., Нецветаев Ю. А. Мореходность судов. Ли Судостроение, 1982.288 с.
13.	Васильев В. Н., Горин А. А., Мирошниченко И. С. Справочник судового механика по рулевым приводам. Одесса: Маяк, 1982. 199 с.
14.	Ветер и волны Мирового океана. Справочные данные: Регистр СССР. Ли Транспорт, 1974.395 с.
15.	Ветроэнергетика / Под ред. Д. де Рензо: Пер. с англ. Под ред. Л. И. Шефтера. Ми Энергоатомиздат, 198Х 272 с.
16.	Генов А. Г. Экспериментальное исследование характеристик роторного движителя — двигателя // Исследование, проектирование и постройка парусных судов: Сб. науч, тр. Николаев: НКИ. 1986. С. 59—64.
17.	Генов А. Г., Генова В. Г. Применение ветроэнергетических установок на судах. Хабаровск: Хабар, политех, ин-т, 1989. 62 с.
18.	Гулиев Ю. М., Давыдов И. Ф., Элис X. М. Система программ для • определения характеристик мореходности судов и плавучих сооружений И 13-й научно-методологический семинар по гидродинамике судна: Конференция по вычислительной технике и научному приборостроению в гидродинамике судна. Варна, 1984. Т. 1, доклад 33. С. 210-213.
19.	Гу.'i ikob В. С. Фильтрация измерительных сигналов. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 188 с.
20.	Допуск № 4-6—84 на Комплекс программ “Качка*, Регистр СССР, 1984. 10 с.
21.	Елисеев В. Теплоход идет под парусом. Известия, 1988, 25 июля.
22.	Зарубежное судостроение // Экспресс-информация. Л.: ЦНИИ ’Румб”, 1980. № И. 7 с.
23.	Захаров Б. Н., Кудреватый Т. М. Клипер ’Пассат*. Человек, море, техника // Судостроение. 1987, № 4. С. 195—215.
24.	Изобретения стран мира: Официальный бюллетень Госкомизобретений, 1980— 1987 гг. 15 с.
25.	Информационный обзор “Транспортные суда со вспомогательным парусным вооружением" 1981-1985, 1985-1986 гг. ЛЦПКБ 006-Ш.803.
26.	Использование энергии ветра для движения судов американского транспортного флота (Bergeson L., Clemmer G. L. and others ВЦП-1РГ-42278. 493 c. Wind Ship Development Corporaition. Report NO. MA-RD-940-81034-Norwell, USA, March, 1981, 264 p.).
27.	Исследование, проектирование и постройка парусных судов / Под ред. Ю. С. Крючкова И Сб. науч. тр. ННКИ. Николаев: 1976. Вып. 107, 57 с; 1978. Вып. 145. 58 с; 1980. Вып. 171.49 с.
28.	Коваленко В. М., Бычков Н. М., Дидковская Н. Д. Экспериментальное исследование роторов в поперечном потоке воздуха // Сб. науч. тр. Николаев: 1986. С. 51-58.
29.	Крючков Ю. С., Лапин В. И. Парусные катамараны. Л.; Судостроение, 1967. 200с.
30.	Крючков Ю. С., Микитюк В., Знаменский Е. Используя ветер // Морфлот. 1985. № 7. С. 48—51.
31.	Крючков Ю. С., Перестюк И. Е. Крылья океана. Лд Судостроение, 1983. 256 с.
32.	Крючков Ю. С., Шостак В. П., Щередин В. Н. Проблемы создания парусных транспортных судов // Судостроение. 1980. № 12. С. 9—12.
33.	Кудреватый Г. М., Худин В. П., Захаров Б. Н. Судовой аэродинамический движитель повышенной эффективности // Судостроение. 1983. № 2. С. 14—18.
34.	Кузьменко А. Использование ветродвижителей на судах зарубежной постройки И Судостроение. 1986. № 11. С. 13-17.
35.	Миюсов М. В. Программа "Ветроход* для исследования режимов совместной работы главного судового двигателя и вспомогательного ветроэнергетического вооружения И Исследование, проектирование и постройка парусных судов: Сб. науч. тр. Николаев: 1986. С. 45-51.
36.	Михайлов М. В. Возможности использования энергии ветра для движения транспортных судов // Судостроение, 1985. № 3. С. 4-8.
37.	Обоснование установки парусного вооружения на т/х "Илья Сельвинский": Научный отчет отдела судовых устройств научно-производственного центра при НКИ. Николаев: 1990.39 с.
38.	Оценка целесообразности использования вспомогательных аэродинамических движительных комплексов на танкере типа "Алтай", Ленинградское ЦПКБ, 1982.29 с.
39.	Писклов В. Т. Исследование режимов работы судовых рулевых машин в условиях морского волнения. Автореф. дис. Одесса: ОВИМУ, 1980.24 с.
40.	Писклов В. Т. Нагрузка на рулевой механизм в условиях волнения // Прочность и надежность деталей машин. 1977. Выл. 157. С. 87—101.
41.	Писклов В. Т. Натурные исследования нагрузочных характеристик рулевого устройства и рулевого привода в условиях волнения // Судостроение и судоремонт: Сб. науч. тр. М.: Рекламинформбюро ММФ, 1977. С. 114—120.
42.	Писклов В. Т. Энергетические затраты судовых рулевых устройств в условиях качки судна И Судостроение и судоремонт. М.: ЦРИА Морфлот, 1979. С. 109—113.
43.	Писклов В. т., Варбанец Р. А. Информационно-измерительная система автоматической системы управления парусным вооружением на базе однокристалльной микроЭВм И Судостроение и судоремонт: Сб. науч. тр. М.: В/О "Мортехинформреклама”, 1992. С. 114-117.
44.	Писклов В. Т., Варбанец Р. А. К вопросу обоснования выбора характеристик поворотного устройства системы "мачта — парус” морских вбтроходов И Судостроение: Респ. межвед. науч.-техн. сб. Киев — Одесса: "Вища школа”. 1988. № 37. С. 37—40.
45.	Писклов В. Т., Варбанец Р. А. Разработка элементов системы автоматического управления парусным вооружением судна-ветрохода: Тез. докл. 7-й Всес. конф. "Проблемы комплексной автоматизации судовых технических средств”. ВИТО им. акад. А. Н. Крылова. НПО "Аврора”. Ленинград, 24-26 мая 1989. С. 27—28.
46.	Писклов В. Т., Варбанец Р. А., Кринецкий И. И. Информационноизмерительная система автоматической системы управления вспомогательным парусным вооружением судна-ветрохода И Современное состояние и перспективы развития СЭУ: Сб. науч. тр. М.: В/О "Мортехинформреклама", 1992. С. 94—97.
47.	Писклов В. Т., Ерофеев В. И., Рубцов А. И. Энергетические затраты при работе судовых вспомогательных механизмов в условиях качки судна в открытом море// Судовые энергетические установки. М.: ЦРИА Морфлот, 1979. Выл. 19. С. 102—107.
48.	Писклов В. Т., Крылов О. Н. и др. Методы оптимизации режимов работы ветроэнергетической установки судна-ветрохода И Совершенствование судовых энергетических установок н систем судов: Сб. ЛВИМУ. М.: В/О "Мортехинформреклама”, 1991. С. 48—52.
49.	Приборы и установки для метеорологических измерений на аэродромах / Под ред. Л. П. Афиногенова и Е. В. Романова. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.291 с.
50.	Проценко А. Н. Энергетика сегодня и завтра. М.: Молодая гвардия, 1987.220 с.
51.	Результаты расчета ожидаемого экономического эффекта от дооборудования судна пр. 570 вспомогательным парусным вооружением И РД 500008-020-014. Каспийское ЦПКБ, 1984.19 с.
52.	Ремез Ю. В. Качка корабля. Л.: Судостроение, 1983.328 с.
53.	Ришар Ф. Паруса "Алкионы"//Катераняхты. 1986.№124. С. 49—53.
54.	Русецкий А. А., Юшин В. И. Исследование характеристик многомачтового парусного вооружения транспортного судна И Сб. науч. тр. XVI Научно-методич. конф, по гидромеханике корабля. Варна; 1986. с. 202—207.
142
55.	Русецкнй А. А., Юшин В. и. Пути повышения аэродинамической эффективности парусного вооружения судов И Экспериментальные методы и средства исследования мореходных качеств судов: Сб. НТО им. акад. А. Н. Крылова. 1985. № 418.17 с.
56.	Сенькин Ю. Ф. Некоторые изобретения в области ветродвижителей для транспортных судов (по данным патентной информации ВНИИГПЭ): Сб. науч. тр. НКИ. Николаев: 1982. С. 42.
57.	Соболев Г. В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения. Лд Судостроение, 1976.490 с.
58.	Станция КМС-3. Преобразователь измерительный составляющих вектора ветра (ПСВВ): Техническое описание и инструкция по эксплуатации. СКВ ГМП, 1988.27 с.
59.	Сыромятников В. Ф. Наладка автоматики судовых энергетических установок. Л.: Судостроение. 1989.352 с.
60.	Царев Б. А. Проектирование экологически чистых и энергосберегающих судов. Л.: 1987.101с.
61.	Четыркнн А. Н. О перспективах использования на судах н плавсооружениях нетрадиционных источников энергии И Судостроение. 1985. № 3. С. 3-4.
62.	Чучко Ю. И., Щередин В. Н. Успехи японских судостроителей в использовании парусного вооружения на современных транспортных судах И Судостроение за рубежом. 1984. № 11. С. 71-82.
63.	Шайдоров В. В., Юшин В. И. Научно-исследовательское судно с ветро-движителями "Академик Иоффе" И Судостроение. 1990. № 3. С. 3—7.
64.	Элнс Я. М. Исследование гидродинамических характеристик уравнений качки судов. Авт. дис. Одесса: ОИИМФ, 1970.190 с.
65.	Ярас С. и др. Энергия ветра: М.: Мир 1982.256 с.
66.	Shipbuilding and Machinery, 1981, IV. Belgian shipyard joins the sail-powered ship set, p.41.
67.	The Motor Ship, 1983, Vl, vol. 61, No755, p. 7.
68.	The Future of Commercial Sail. A selection of the papers presented at the meeting of RINA SmaU Craft Group London, 27-th November 1975.-RINA, Occasional Publication, No 2.
69.	Hur as B. Najnowsze Koncepcje towarouych Statko’wzaglowych. — Budownictwo okretowe, Luty, 1981, s. 58-62.
70.	Fracter unter Segel-Kein Thema in Deutschland. — Schiff und Hafen, 1980. Hett, 12, s. 35-37.
71.	Ocean Industry, 1979, 14, VIII, No8, 69.
72.	Dock and harbour Authority, 1979, 60, VIII, No705, 136.
73.	Ship and Boat International, 1979,32, XII, Nol2,52; 1980, 33, XI, Noll, 60.
74.	Nautical Magazine, 1982, IX, vol. 228, No3, p.23.
75.	Lloyds Ship Manager, 1984,5, V, Nol, 30; 1986,7, IX, Nol, 23.
76.	Sekai — no Kaisen, 1984, V; No 335, p. 116.
77.	France Peche, 1980, No 253.
78.	H u r a s В. Zagle dla "rybakow". — Morze, 1982, No 1, a. 28—29.
79.	France Peche, 1981, No 259; No 160.
80.	Marine Engineers Review, 1980, X, No 10,19.
81.	Worlds first commercial sailing ship. — Zosen, 1980. IX, vol. 25, No 6.
82.	Murata M., Tsuij M., Watanabe T. Aerodynamic Characteristics of a 1600 DWT Sail-Assisted Tanker. - North-East Coast Institution of Engineers and Shipbuilders Trans., 1982, N 3, p. 75-90.
83.	Fune-no Kagaku, 1980, 33, IX, N 9, p. 56—57.
84.	A fair wind for sail-assisted merchant ships. — Veritas, 1984, Nov. — Dec., p. 24—25.
85.	Now ships. — Motor Ship, 1985, 66, N 779, p. 11.
86.	Daily “The Kaiji”, Shipping & Sshipbuilding News. — Modem Sail-Assisted log and Bulk Carrier “Usuki Pioneer”, 1985,1, N 3, p. 1—17.
87.	Fune-no Kagaku, 1985, 381, N 1,38,39; 1986,39, 11, N 2,34-38.
88.	Lloyd’s List, 1985, VI, N 52994, 4.
89.	Keisokuto Seigyo, 1984, 23, N 2, 190-197.
90.	Schiff und Hafen, 1987, 39, IV, N 9,7; Seewirtschaft, 1987, 19, ХП, N 12,619.
91.	Dr Automation and Saleability of wind power. — Lloyd’s Ship Manager, 1984,5, V, N 1, p. 30; 1986,7, IX, N 1, p. 23.
92.	The Naval Architect, 1984,1, E 39, E 40; 1985 П, E 101, E104-106; 1986, IV, E129-E, 131; IX, NE 319-E 321.
93.	Progress with sail assistance. - Naval Architect, Jan. 1984, E 37, E 39— E 40.
94.	Fondation Constean and Windship Propulsion 1980-1985; System Constean - Pechiney by Charrier B., Constans J., Consteau J. Y., Malavard L. International Symposium on Windship Technology WINDTECH’85. - Southampton. 1985.20-25 Apriel. P. 21-23.
95.	The Turbosail. Constean — Pechiney System. Patents Pending. 1985.
96.	Progress with sail assistance. - The Naval Architect, 1985.1.
97.	Motor Ship, 1983-1987.
98.	Riegels W. AerodynamisheProfile. Munchen, 1958.
99.	Sudo M., Tnoue M., Matsumoto N., Kusakawa Y. Operation Performance of Sail Equipped Small Tanker / Nippon Kokan Techn. Rept. N 33, 1981, p. 62-75.
100.	Tasaki, Mizoguchi S. A Note of Steering Effect on Ship Motions in Obligue Warees. Proceedings 16-th ITTC, Leningrad, 1981.Vol 2, p. 108-110.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................... 3
Краткий толковый словарь применяемых терминов и принятые сокращения......	5
Глава 1. Нетрадиционные источники энергии на судах..................   7
1.1. Тенденции и перспективы применения нетрадиционных источников энер-
гии на судах.................................................... 7
1.2.	Применение на судах классического и мягкого парусного вооружения....	9
1.3.	Применение на судах ВВЭУ...................................... 14
1.4.	Применение ветродвижителей на отечественных судах. Повышение эффективности ВВЭУ...................................................... 30
1.5.	Аэродинамические характеристики вспомогательного ветродвижителя...	45
1.6.	Типы ветродвижителей и их сравнительные характеристики........ 49
1.7.	Свойства ветродвижителей (достоинства и недостатки)........... 57
1.8.	Мощность вспомогательного ветродвижителя ....................  61
1.9.	Выводы......................................................   67
Глава 2. Управление вспомогательным парусным вооружением................ 68
2.1.	Аэро- и гидродинамика судиа с вспомогательным парусным вооружением. 68
2.2.	Влияние внешних условий на управление вспомогательным парусным вооружением. ..................................................       80
2.3.	Выводы....................................................     84
Глава 3. Автоматизация рабочих процессов вспомогательной ветроэнерпяической установки............................................................... 85
3.1.	Управление работой комплекса судно — ВВЭУ..................... 85
3.2.	управление работой механизма поворота комплекса мачта — парус.. 86
3.3.	Обоснование и разработка АИИС................................. 89
3.4.	Обоснование выбора элементов АИИС............................. 92
3.5.	Программное обеспечение АИИС.................................. 96
3.6.	Выбор характеристик механизма поворота комплекса мачта — парус. 97
3.7.	Выводы....................................................... 104
Глава 4. Взаимодействие элементов вспомогательной ветроэнергетической установки с устройствами судна..............................................105
4.1.	Выбор рабочей площади паруса и характеристик рулевой машины....105
4.2.	Эффективность использования системы авторулевой - парусное вооружение судна-ветрохода................................................108
4.3.	Выводы.....................................................   112
Глава 5. Проведение экспериментальных исследований......................112
5.1.	Задачи и пели испытаний судов с ВПВ.........................  112
5.2.	Испытания, связанные с постановкой ВПВ на судне у причала и в море.... 114
5.3.	Опытная эксплуатация судов с ВПВ............•.............    119
5.4.	Аппаратура и оборудование для исследований................... 123
5.5.	Обработка измеряемых величии............................  ....124
5.6.	Выводы....................................................... 125
Заключение..............................................................126
Приложение. Натурные исследования на теплоходе "Илья Сельвинский*.......128
Список литературы........................................................140	f
Of'z