1.Общие сведения об относительных ЛАГах
Судовождение в самом широком смысле слова – это наука о безопасном и экономичном плавании судов в море.
Каким бы корабль или судно не было – малым катером, плавающим на небольшие расстояния вдоль берегов или большим крейсером, совершающим длительные переходы, перед командиром стоит главная задача – точно и вовремя привести корабль в назначенное место и при этом избежать всех опасностей, которые могут встретиться на его пути. А такими опасностями для любого корабля могут быть мели, встречные суда, айсберги, подводные скалы, рифы, острова и т. п. Решить эту задачу помогают командиру и его помощнику – штурману морские навигационные карты, пособия и специальные приборы.
Итак, для точного и безопасного плавания необходимо в первую очередь знать курс, скорость движения судна, его место и глубину под килем. Для измерения этих параметров современные корабли оснащены специальными навигационными приборами. Это сложные электромеханические, электронные и радиотехнические средства, построенные на основе новейших достижений науки и техники.
Наличие на кораблях и судах прибора для измерения курса заставило и более точно измерять скорость, так как, зная эти навигационные данные, можно приблизительно вычислить место корабля в море. С появлением магнитного компаса измерять скорость на глаз, по количеству установленных парусов или по скорости обтекания водой борта судна стало недостаточно.
В этот период начинает широко применяется измерение скорости методом, получившим название «голландского лага». Суть его очень проста. На носу судна бросают
Исследованием свойств жидкости и многих, связанных с этим прикладных вопросов занимались Ломоносов, Эйлер, Бернулли. Большие заслуги в изучении гидродинамики принадлежат советским ученым Шулейкину, Березкину, Зубову, Титову и др. ГДЛ пришли на смену вертушечным лагам, идею построения которых предложил еще М. Ломоносов 1759 г. Первый советский ГДЛ «Гаусс» был разработан и принят на вооружение в 1940 г. и хорошо зарекомендовал себя в годы ВОВ.
2. Принцип измерения скорости корабля гидродинамическим ЛАГом
Принцип работы гидродинамического лага основан на измерении гидродинамического давления, создаваемого скоростным напором набегающего потока воды при движении корабля (рис. 1).
, (1)где V – скорость установившегося ламинарного потока (относительная скорость корабля);
g – ускорение силы тяжести;
Рст – статическое давление воды на уровне входного отверстия трубки Пито;
? – удельный вес воды.
Высота столба h2 не зависит от скорости потока и определяется следующим выражением:
(2)Тогда
(3)Переходя к величинам давлений, можно записать, что:
, (4)где РД – гидродинамическое давление;
РП – полное давление;
РСТ – статическое давление;
? – плотность воды.
Из выражения (4) относительную скорость корабля вычислим следующим образом:
(5)В результате измерение скорости с помощью гидродинамического лага сводится к измерению гидродинамического давления, определяемого разностью полного и статического давлений. Пройденное кораблем расстояние находят интегрированием значений скорости.
Приведенные выше формулы справедливы для идеальной жидкости, под которой понимают однородную, неразрывную, несжимаемую и не обладающую вязкостью жидкость. Морская вода не является таковой. Кроме того, эти формулы не учитывают гидродинамических характеристик корабля, на котором установлен лаг. Учитывают все эти факторы с помощью гидродинамического коэффициента:
(6)Коэффициент k определяется эмпирическим путем при натурных испытаниях лага. Возможный вид зависимости k от скорости корабля приведен на рис. 2.
Эту зависимость обычно аппроксимируют прямой линией, не проходящей через начало координат:
, (7)
где а – постоянный член;
bV – переменный член, зависящий от скорости корабля (b=tgβ).
Следовательно, в ГДЛ должны быть предусмотрены специальные регуляторы и корректоры для компенсации постоянного и переменного членов уравнения (7) и устранения погрешности аппроксимации Δ.
Рассмотренный выше принцип работы лага позволяет измерить только продольную составляющую вектора относительной скорости корабля.
Таким образом, измерение относительной скорости корабля заключается в измерении полного Рп и статического Рст давлений воды и учете значений гидродинамического коэффициента Кг и плотности воды ρ:
(8)
3. Основы построения гидродинамического ЛАГа
Гидродинамический лаг состоит из следующих функциональных узлов:
-приемное устройство;
-гидравлическая арматура и трубопроводы;
-измерительный преобразоватетель;
-узел скорости;
-корректор;
-сумматор;
-узел пройденного расстояния;
-индикатор.
В качестве приемных устройств гидродинамических лагов используются приемная трубка и штевневое устройство. Штевневое устройство используется как резервное и обеспечивает работу лага при плавании по мелководью или при выходе из строя приемной трубки. Приемные трубки могут быть одно- и двухканальными. Одноканальные трубки принимают только полное давление набегающего потока воды. Приемная трубка выстреливается за пределы пограничного слоя корабля через динамический клинкет. В штевневом приемном устройстве полное давление Рп принимается через специальное отверстие в нижней части форштевня корабля, а статическое Рст – через отверстие и клинкет в днище корабля.
К гидравлической арматуре лага относятся переходный штуцер, крановые распределители и воздухособиратель. Переходный штуцер служит для соединения гибкого дюритового шланга, идущего от приемной трубки, с жестким металлическим трубопроводом. Крановые распределители предназначены для переключения гидравлических магистралей лага в различные положения, необходимые для его работы. Для сбора и удаления воздуха из трубопроводов полного и статического давлений служат воздухособиратели. Трубопроводы линий полного и статического давлений изготавливаются из медно-никелевыех трубок.
Рп и Рст по трубопроводам передаются к чувствительному элементу лага. В гидродинамических лагах ЧЭ является сильфонный аппарат или полупроводниковый тензометрический датчик давления. Сильфон (механический дифференциальный манометр) состоит из корпуса с крышкой, двух малых и одного большого сильфона, диафрагмы и штока. Сильфоны делят внутреннюю часть корпуса на две полости: полного и статического давления. На диафрагму снизу действует полное давление, равное сумме Рд и Рст. Сверху на диафрагму оказывает влияние только Рст. Перемещение мембраны со штоком позволяет определить величину динамического давления Рд, а следовательно, и скорость корабля.
В лаге ЛГТ-1 в качестве ЧЭ впервые в практике лагостроения применено принципиально новое устройство – тензодатчик, вырабатывающий напряжение, пропорциональное разности давлений полного и статического, а, следовательно, и скорости движения корабля. Тензодатчик – кремниевая мембрана толщиной 0,065 мм с нанесенной на ней мостовой схемой, выполненной на полупроводниковых резисторах. При равенстве Рп и Рст (корабль без хода) мостовая схема сбалансирована, и выходной сигнал отсутствует. Под действием же разности давлений Рп и Рст (корабль на ходу) мембрана будет прогибаться, что приведет к разбалансировке мостовой схемы и появлению напряжения, пропорционального разности давлений, т. е. гидродинамического давления, а, следовательно, и скорости корабля:
, (9)
где: k – коэффициент пропорциональности;
Vн – некорректированная относительная скорость корабля.
Мембрана расположена в съемном блоке прибора преобразователя гидродинамического давления в электрический сигнал. Для исключения влияния на мембрану морской воды полости заполнены маслом с высокими диэлектрическими свойствами.
Для сглаживания колебаний давления, вызванных волнением моря и качкой корабля, в измерительном преобразователе имеются дроссельные шайбы с переменным сечением проходных отверстий и стаканы, частично заполненные воздухом.
Рис.4 Измерительный преобразователь лага ЛГТ-1
Особенностью полупроводникового тензометрического датчика давления является изменение свойств полупроводниковых материалов при изменении температуры окружающей среды. Это приводит к возникновению температурного дрейфа нуля мостовой схемы и появления в показаниях лага дополнительной погрешности, особенно при малых скоростях. Для компенсации этой погрешности используется метод температурной компенсации. Для этого тензодатчик помещают в термостат, где поддерживается постоянная температура +240.
Для превращения измеренной скорости V?л в истинную скорость относительно воды Vo (т. е. ввода гидродинамического коэффициента) служит корректор. В корректоре скорость, измеренная лагом, исправляется поправкой?V?л, представляющей собой сумму постоянной, линейной, нелинейной поправок лага и поправки за плотность морской воды:
?V?л =?Vп +?Vл +?Vнл +?V?. (10)
Полученная таким образом истинная относительно воды скорость Vo = V?л +?V?л через датчик скорости передается на индикаторы, а также на узел выработки пройденного расстояния, где по скорости Vo с помощью интегратора вырабатывается величина Sл. Сущность работы интегратора заключается в интегрировании скорости корабля за определенный промежуток времени. В качестве интегрирующего механизма используется фрикционный интегратор или электронный формирователь из сигналов кода скорости импульсов расстояния S.
4. Погрешности гидродинамического ЛАГа
Гидродинамическим лагам, как и другим ТСН, свойственны инструментальные и методические погрешности, которые по характеру поведения могут быть систематическими и случайными.
Систематические погрешности обусловлены: местом установки ПУ на корабле (главным образом отверстия статического давления); обрастанием корпуса корабля; изменением его осадки; изменением плотности морской воды; расстройкой компенсационной системы лага; неточностью работы узла пройденного расстояния.
Случайные погрешности обусловлены: трением в кинематических узлах приборов; износом отдельных деталей; наличием упругих деформаций; инерцией подвижных частей при воздействии внешних ускорений; изменениями температуры, напряжения и частоты питающего тока; случайными факторами, зависящими от условий эксплуатации лага на корабле.
Инструментальные погрешности гидродинамических лагов в основном имеют случайный характер и обусловлены несовершенством конструкции и изготовления приборов, а также изменением параметров отдельных элементов лагов в процессе эксплуатации. Поддержание уровня инструментальных погрешностей в допустимых пределах осуществляется рядом конструктивных мер, путем регулировки приборов на заводе-изготовителе, а также при ТО лага.
Методические погрешности гидродинамических лагов обусловлены несовершенством методов измерения скорости и условиями работы, в частности, изменениями динамических характеристик обтекающего приемное устройство лага потока. Они оказывают существенное влияние на точность работы лагов.
К основным методическим погрешностям гидродинамического лага относятся:
— Погрешность, обусловленная действием пограничного слоя или за счет места установки приемного устройства;
— Погрешность, обусловленная изменением плотности воды;
— Погрешность, обусловленная волнением моря;
— Погрешность, обусловленная дрейфом и дифферентом корабля;
— Погрешность, обусловленная влиянием мелководья.
Из перечисленных погрешностей наибольшее влияние оказывает погрешность, обусловленная действием пограничного слоя. Эта погрешность может достигать значений до 1,0 уз и зависит от скорости корабля. Для каждого конкретного значения скорости она имеет систематический характер. Указанные обстоятельства позволяют экспериментально определить ее значение для любого скоростного режима и исключить из показаний лага путем ввода поправок с помощью линейного и нелинейного корректоров. Подобная работа называется калибровкой лага и проводится в специальном полигоне, оборудованном мерной линией.
Погрешность, обусловленная изменением плотности воды, также имеет систематический характер и определяется выражением:
, (11)
где:?? – изменение плотности воды при плавании корабля.
Указанная погрешность может достигать нескольких десятых долей узла. Для ее исключения в гидродинамическом лаге предусмотрено устройство, с помощью которого учитывается фактическое значение плотности морской воды. Так для Балтийского моря? =
Погрешность, обусловленная волнением моря, появляется в показаниях лага вследствие существенного изменения характера поля давления в месте установки приемного устройства. Она имеет как систематическую, так и случайную составляющую и на сильном волнении может достигать 0,5 – 0,6 уз.
Погрешность, обусловленная дрейфом и дифферентом, имеет систематический характер. Ее величина зависит от гидродинамических характеристик корабля и может достигать нескольких процентов. Однако, за счет выбора соответствующей формы приемного устройства ее действие незначительно.
Погрешность, обусловленная влиянием мелководья, также имеет систематический характер (при постоянной глубине под килем корабля). Ее действие начинает сказываться с некоторой минимальной глубины, определяемой с помощью номограммы.
Добавить комментарий