rmrsНаучно-технический сборник Российского морского регистра судоходстваResearch Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping2223-7097Российский морской регистр судоходстваMSSHNNrmrs-178Research ArticleМОРЕХОДНЫЕ КАЧЕСТВА СУДОВSEAWORTHINESSРазработка методики гидродинамического расчета подруливающих устройств тоннельного типаDevelopment of a method for hydrodynamic calculation of tunnel thrustersЯковлевА. Ю.YakovlevA. Yu.

д-р техн. наук, доцент

190121 Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

DSc, Associate Professor

190121 St. Petersburg, Lotsmanskaya ul., 3

kgm@smtu.ruКадомцеваА. Б.KadomtsevaA. B.

старший преподаватель

190121 Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Senior Lecturer

190121 St. Petersburg, Lotsmanskaya ul., 3

kgm@smtu.ruЕрмолаеваЕ. В.ErmolayevaE. V.

зав. науч.-иссл. лабораторией

190121 Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Head of scientific research laboratory

190121 St. Petersburg, Lotsmanskaya ul., 3

kgm@smtu.ruБережнаяМ. А.BerezhnayaM. A.

инженер науч.-образоват. лаборатории

190121 Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Engineer of scientific education laboratory

190121 St. Petersburg, Lotsmanskaya ul., 3

mary.liverinova@mail.ruЧепуркоС. И.ChepurkoS. I.

старший преподаватель

190121 Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Senior Lecturer

190121 St. Petersburg, Lotsmanskaya ul., 3

kgm@smtu.ruСанкт-Петербургский государственный морской технический университетРоссияSt. Petersburg State Marine Technical UniversityRussian Federation202628042026561110123Copyright © Яковлев А.Ю., Кадомцева А.Б., Ермолаева Е.В., Бережная М.А., Чепурко С.И., 20262026Яковлев А.Ю., Кадомцева А.Б., Ермолаева Е.В., Бережная М.А., Чепурко С.И.Yakovlev A.Y., Kadomtseva A.B., Ermolayeva E.V., Berezhnaya M.A., Chepurko S.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sbornik.rs-class.org/jour/article/view/178

Существующие методики проектирования подруливающих устройств были разработаны в середине XX в. Назрела необходимость разработки современных методик. Целью работы является создание методики расчета гидродинамических параметров подруливающего устройства (ПУ) тоннельного типа. Методика реализована на базе гидравлического расчета ПУ как неразветвленного трубопровода с осевым насосом. В ходе разработки методики решались задачи разработки теоретических положений, определения потерь напора на входе и выходе в канал ПУ, при обтекании гондолы и стоек редуктора, при течении через защитные решетки, также решена задача определения насосной характеристики и ее согласование с характеристикой канала ПУ. Потери напора определялись с помощью массовых CFD-расчетов. На их основе были получены зависимости коэффициентов потерь напора от параметров геометрии элементов ПУ. Методика была верифицирована на экспериментальных данных и результатах CFD-расчетов ПУ. Таким образом, созданная методика может быть успешно использована при проектировании современных ПУ тоннельного типа. Разработка методики выполнена в рамках федерального проекта «Стимулирование спроса на отечественную продукцию судостроительной промышленности» государственной программы Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений».

The existing methods of thruster design were developed in the middle of the 20th century. Currently, there is a need to develop modern techniques. The purpose of the work is to create a methodology for calculating the hydrodynamic parameters of a tunnel thruster (TT). The technique is implemented on the basis of the hydraulic calculation of the TT as an unbranched pipeline with an axial pump. During the development of the methodology, the tasks of developing theoretical provisions, determining pressure losses at the entrance and exit to the TT channel, when flowing around the gearbox nacelle and struts, when flowing through protective grids, and the problem of determining the pumping characteristics and matching them with the characteristics of the TT channel were solved. Pressure losses were determined using a number of CFD calculations. Based on them, the dependences of the pressure loss coefficients on the geometry parameters of the TT elements were obtained. The methodology was verified based on experimental data and the results of CFD calculations of TT. Thus, the created methodology can be successfully used in the design of modern tunnel thrusters. The methodology was developed within the framework of the federal project "Stimulating demand for domestic products of the shipbuilding industry" of the state program of the Russian Federation "Development of shipbuilding and technology for the development of offshore fields".

методикагидравлический расчетподруливающее устройствогребной винтзащитная решеткаводозаборникгондоластойкаCFD-расчетmethodologyhydraulic calculationthrusterpropellerprotective gridinletnacellestrutCFD calculationРабота выполнена на основании договора, заключенного между СПбГМТУ и Акционерным обществом «ЦС «Звездочка» (АО «ЦС «Звездочка»). Работы по теме в целом выполняются в рамках федерального проекта «Стимулирование спроса на отечественную продукцию судостроительной промышленности» государственной программы Российской Федерации «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений».ReferencesЛебедев Э.П. Тяговые характеристики ПУ в ходовом режиме / Э.П. Лебедев, И.Г. Шапошников // Тезисы докладов на Всесоюзной науч.-техн. конф. «Средства и методы улучшения ходкости мореходности судов» (Крыловские чтения 1981 г.). — Л.: Судостроение, 1981.Lebedev E.P., Shaposhnikov I.G. Tyagovye kharakteristiki PU v khodovom rezhime [Thruster traction characteristics in running mode]. Tezisy dokladov na VNTK "Sredstva i metody uluchsheniya khodkosti morekhodnosti sudov" (Krylovskie chteniya 1981 g.) [Abstracts of reports at the All-Russian Scientific and Technical Conference "Means and Methods for Improving the Seaworthiness of Ships" (Krylov Readings 1981)]. Leningrad: Sudostroenie, 1981.Слижевский Н.Б. Расчет тяговых характеристик подруливающего устройства при наличии скорости судна / Н.Б. Слижевский, М.Г. Соколик // Теория корабля и гидромеханика. — Николаев, 1980. — С. 63–67. — (Труды НКИ. Вып. 163).Slizhevskii N.B., Sokolik M.G. Raschet tyagovykh kharakteristik podrulivayushchego ustroistva pri nalichii skorosti sudna [Calculation of the thrust characteristics of the thruster given the vessel's speed]. Teoriya korablya i gidromekhanika [Ship theory and hydromechanics]. Nikolaev, 1980. P. 63–67. (Trudy NKI. Vyp. 163 [Transactions of the Nikolaev Shipbuilding Institute. Issue 163]).Ачкинадзе А.Ш. Проектирование подруливающих устройств по диаграммам // Труды ЛКИ. — Л.: ЛКИ, 1981. — С. 17–26.Achkinadze A.Sh. Proektirovanie podrulivayushchikh ustroistv po diagrammam [Design of thrusters using diagrams]. Trudy LKI [Transactions of the Leningrad Shipbuilding Institute]. Leningrad: LKI, 1981. P. 17–26.РД 5.076.031-82 Устройства подруливающие с гребными винтами фиксируемого и регулируемого шага. Методика гидродинамического расчета. 1982.RD 5.076.031-82 Ustroistva podrulivayushchie s grebnymi vintami fiksiruemogo i reguliruemogo shaga. Metodika gidrodinamicheskogo rascheta [Thrusters with fixed-pitch and variable-pitch propellers. Hydrodynamic calculation method]. 1982.Мартиросов Г.Г. Проблемы и пути совершенствования судовых движителей и средств активного управления / Г.Г. Мартиросов // Сборник материалов 8-й Всесоюзной науч.-техн. конф. по судовым движителям и системам управления. — 1990. — С. 11–24.Martirosov G.G. Problemy i puti sovershenstvovaniya sudovykh dvizhitelei i sredstv aktivnogo upravleniya [Problems and ways of improving ship propulsion systems and active control devices]. Sbornik materialov 8-i Vsesoyuznoi nauch.-tekhn. konf. po sudovym dvizhitelyam i sistemam upravleniya [Proceedings of the 8th All-Union science and tech. conf on ship propulsion and control systems]. 1990. P. 11–24.Домнин А.В. Анализ методик расчета и использования подруливающих устройств / А.В. Домнин // Вестник ВГАВТ. — 2012. — Вып. 33. — С. 177–179.Domnin A.V. Analysis methods of calculation and using thrusters. Bulletin of the Volga State Academy of Water Transport. 2012. Issue 33. P. 177–179. (In Russ.)Юдин Ю.И. Математическое моделирование работы подруливающего устройства / Ю.И. Юдин, А.Ю. Юдин, Г.И. Мартюк // Вестник МГТУ. — 2006. — Т. 9, № 2. — С. 220–223.Yudin Yu.I., Yudin A.Yu., Martyuk G.I. Mathematical modelling of maneuvering propulsion device operation. Vestnik of MSTU. 2006. Vol. 9, No. 2. P. 220–223. (In Russ.)Рак А.Н. Эффективность подруливающих устройств при различных скоростях движения судна / А.Н. Рак // Вестник Морского государственного университета. — 2023. — Вып. 93. — С. 46–52.Rak A.N. Efficiency of thrusters at different speeds of the vessel. Vestnik Morskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the State Marine University]. 2023. Issue. 93. P. 46–52. (In Russ.)Carlton J.S. Marine propellers and propulsion. 3rd ed. / J.S. Carlton. — Elsevier, 2012.Carlton J.S. Marine propellers and propulsion. 3rd ed. Elsevier, 2012.Development of low noise tunnel thrusters // Maritime Research Institute Netherlands. — [Электронный ресурс] URL: http://www.marin.nl.Development of low noise tunnel thrusters. Maritime Research Institute Netherlands. URL: http://www.marin.nl.Dang J., Ligtelijn D. Development of tunnel thruster series propellers for low noise and vibration / J. Dang, D. Ligtelijn // Sixth International Symposium on Marine Propulsors (SMP’19), Rome, Italy. — May 1, 2019.Dang J., Ligtelijn D. Development of tunnel thruster series propellers for low noise and vibration. Sixth International Symposium on Marine Propulsors (SMP'19), Rome, Italy. May 1, 2019.Шевцов С.П. Исследование гидродинамических характеристик подруливающего устройства типа «винт в трубе». Уточнение методики проектирования этих устройств, включая установки большой мощности: автореф. дисс. … канд. техн. наук / С.П. Шевцов. — СПб., 2014.Shevtsov S.P. Issledovanie gidrodinamicheskikh kharakteristik podrulivayushchego ustroistva tipa «vint v trube». Utochnenie metodiki proektirovaniya etikh ustroistv vklyuchaya ustanovki bol'shoi moshchnosti [A study of the hydrodynamic characteristics of a propeller-in-apipe thruster. Refinement of the design methodology for these devices, including high-power units: abstract of PhD thesis]. St. Petersburg, 2014.Багринцев В.В. Оптимизация геометрии гребного винта подруливающего устройства для снижения периодических сил / В.В. Багринцев, А.А. Коваль, Н.В. Маринич // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2019. — Специальный выпуск 2. — С. 67–72. — DOI 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-67-72.Bagrintsev V.V., Koval A.A., Marinich N.V. Optimization of thruster propeller geometry to mitigate periodical forces. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019. Special edition 2. Р. 67–72. DOI 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-67-72. (In Russ.)Ермолаев А.А. Проблема вибрации подруливающих устройств и способы ее решения / А.А. Ермолаев, С.П. Шевцов // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2018. — Специальный выпуск 1. — С. 67–74. DOI 10.24937/2542-2324-2018-1-S-I-67-74.Ermolaev A., Shevtsov S. Thruster vibration problem and solutions. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019. Special issue 1. P. 67–74. DOI 10.24937/2542-2324-2018-1-S-I-67-74. (In Russ.)Guo J. Multiparameter collaborative optimization and analysis of the non-penetrating tunnel thruster / J. Guo, Y. Yang, C. Wang, Z. Hu et al. // Journal of Marine Science and Engineering. — 2024. — Vol. 12, Issue 11. — P. 1960. — DOI 10.3390/jmse12111960.Guo J., Yang Y., Wang C., Hu Z. et al. Multiparameter collaborative optimization and analysis of the non-penetrating tunnel thruster. Journal of Marine Science and Engineering. 2024. Vol. 12, Issue 11. P. 1960. DOI 10.3390/jmse12111960.Kinnas Sp.A. Performance prediction of a cavitating rim driven tunnel thruster / Sp.A. Kinnas, Sh.-H. Chang, L. He, J.T. Johannesse // First International Symposium on Marine Propulsors (SMP’09), Trondheim, Norway. — June 2009.Kinnas Sp.A., Chang Sh.-H., He L., Johannesse J.T. Performance prediction of a cavitating rim driven tunnel thruster. First International Symposium on Marine Propulsors (SMP'09), Trondheim, Norway, June 2009.Яковлев А.Ю. Численное проектирование и экспериментальная проверка подруливающих устройств с кольцевым приводом / А.Ю. Яковлев, М.А. Соколов, Н.В. Маринич // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. — 2013. — № 73(357). — С. 17–32.Yakovlev A.Yu., Sokolov M.A., Marinich N.V. Numerical design and experimental verification of thruster with circumferential drive. Transactions of the Krylov Central Research Institute. 2013. No. 73(357). P. 17–32. (In Russ.)Lu P. Investigation of ventilation and current effect of tunnel thruster for DP applications / P. Lu, S. Wang // Proceedings of the ASME 2015, OMAE 2015, May 31 — June 2015. St. John's, Newfoundland, Canada. — Paper No. OMAE2015-42127.Lu P., Wang S. Investigation of ventilation and current effect of tunnel thruster for DP applications. Proceedings of the ASME 2015, OMAE 2015. May 31 — June 2015, St.John's, Newfoundland, Canada. Paper No. OMAE2015-42127.Ермолаев А.А. Расчетная оценка влияния оформления входа в канал подруливающего устройства на величину силы, возникающей на борту / А.А. Ермолаев, Т.И. Сайфуллин, С.П. Шевцов // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2015. — № 88(372). — С. 109–116.Yermolaev A.A., Saifullin T.I., Shevtsov S.P. Effect of the thruster inlet configuration upon the force arising on the side. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2015. No. 88(372). P. 109–116. (In Russ.)Palmer Al. Experimental testing of an autonomous underwater vehicle with tunnel thrusters / Al. Palmer, Gr. E. Hearn, P. Stevenson // First International Symposium on Marine Propulsors (SMP’09), Trondheim, Norway. — June 2009.Palmer Al., Hearn Gr. E., Stevenson P. Experimental testing of an autonomous underwater vehicle with tunnel thrusters. First International Symposium on Marine Propulsors (SMP'09), Trondheim, Norway. June 2009.Юрканский А.В. Исследование эффективности подруливающих устройств автономных необитаемых подводных аппаратов / А.В. Юрканский, И.И. Ремизов, С.А. Половко, Н.А. Щур // Робототехника и техническая кибернетика. — 2024. — № 4. — С. 305–314. — DOI 10.31776/RTCJ.12408.Yurkanskiy A.V., Remizov I.I., Polovko S.A., Tschur N.A. Investigation of the efficiency of side thrusters of autonomous unmanned underwater vehicles. Robotics and Technical Cybernetics. 2024. No. 4. P. 305–314. DOI 10.31776/RTCJ.12408. (In Russ.)Юрканский А.В. Об особенностях изменения тяги носовых подруливающих устройств подводных аппаратов / А.В. Юрканский, И.И. Ремизов // Морской вестник. — 2023. — № 4(88). С. 22–24.Yurkansky A.V., Remizov I.I. On the peculiarities of changing the thrust of bow thrusters of underwater vehicles. Morskoy Vestnik. 2023. No. 4(88). P. 22–24.Юрканский А.В. Особенности работы подруливающих устройств вблизи кормового конуса подводного аппарата / А.В. Юрканский, И.И. Ремизов, Н.А. Щур, С.А. Половко // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2025. — № 3(413). — С. 69–75.Yurkanskiy A.V., Remizov I.I., Tschur N.A., Polovko S.A. Specifics of maneuvering thruster performance near aft cone of underwater vehicle. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2025. No. 3(413). P. 69–75. (In Russ.)Афремов А.Ш. Средства активного управления судами / А.Ш. Афремов, Г.Г. Мартиросов, А.И. Немзер, А.А. Русецкий и др. СПб.: ФГУП КГНЦ, 2016.Afremov A.Sh., Martirosov G.G., Nemzer A.I., Rusetskii A.A. et al. Sredstva aktivnogo upravleniya sudami [Active ship control tools]. St. Petersburg: FGUP KGNTs, 2016.Лобачев М.П. Проектирование и гидродинамический расчет водометных движителей / М.П. Лобачев, A.A. Русецкий, А.Ю. Яковлев. — СПб.: ФГУП КГНЦ, 2014.Lobachev M.P., Rusetskii A.A., Yakovlev A.Yu. Proektirovanie i gidrodinamicheskii raschet vodometnykh dvizhitelei [Design and hydrodynamic calculation of water jet propulsion systems]. St. Petersburg: FGUP KGNTs, 2014.Общие сведения о государственной программе. [Электронный ресурс] URL: https://www.sudprom2030.ru/about (дата обращения 26.03.2026).Obshchie svedeniya o gosudarstvennoi programme [General information about the state program]. URL: https://www.sudprom2030.ru/about (accessed 26.03.2026).Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. 3-е изд., перераб. и доп. / И.Е. Идельчик; под ред. М.О. Штейнберга. –– М.: Машиностроение, 1992.Idel'chik I.E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam / pod red. M.O. Shteinberga [Idelchik I.E. Handbook of hydraulic resistances: 3rd ed., rev. and. suppl. / Ed. by M.O. Steinberg]. Moscow: Mashinostroenie, 1992.Ким Ю.В. Исследование гидравлического сопротивления малогабаритных судовых обратных клапанов / Ю.В. Ким, А.Ю. Пономарева, А.В. Шайтанов // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2023. — № 72/73. — C. 87–92.Kim Yu.V., Ponomareva A.Yu., Shaitanov A.V. Research of hydraulic resistance of small-size ship non-return valves. Research Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping. 2023. No. 72/73. P. 87–92. (In Russ.)Подволоцкий Н.М. Регулирование подачи насосов объемного типа / Н.М. Подволоцкий // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2020. — № 58/59. — C. 80–88.Podvolotsky N.M. Capacity regulation of volume pumps. Research Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping. 2020. No. 58/59. P. 80–88. (In Russ.)Подволоцкий Н.М. Сравнение эффективности регулирования подачи перепуском центробежного и винтового насосов / Н.М. Подволоцкий // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2022. — № 68/69. — C. 71–76.Podvolotsky N.M. Comparison of parameters in feed regulation of centrifugal and screw pumps. Research Bulletin by Russian Maritime Register of Shipping. 2022. No. 68/69. P. 71–76. (In Russ.)Яковлев А.Ю. Метод расчета гидродинамических характеристик осевых рабочих колес / А.Ю. Яковлев // Морские интеллектуальные технологии. — 2019. — №3(45), т. 2. — С. 25–30.Yakovlev А.Yu. Method of calculating the hydrodynamic characteristics of axial-flow impellers. Marine Intellectual Technologies. 2019. No. 3(45), vol. 2. P. 25–30. (In Russ.)Белая А.Б. Новая форма диаграмм и метод проектирования осевых рабочих колес, работающих в составе водометных движителей и подруливающих устройств / А.Б. Белая, А.Ю. Яковлев // Морские интеллектуальные технологии. — 2024. — № 4, ч. 1. 79–88. DOI 10.37220/MIT.2024.66.4.008.Belaia A.B., Yakovlev А.Yu. A new form of diagrams and a method for designing axial impellers operating as part of waterjets and thrusters. Marine Intellectual Technologies. 2024. No. 4, part 1. P. 79–88. DOI 10.37220/MIT.2024.66.4.008. (In Russ.)The OpenFOAM Foundation. [Электронный ресурс] URL: http://www.openfoam.org (дата обращения 26.03.2026).The OpenFOAM Foundation. URL: http://www.openfoam.org (accessed 26.03.2026).White Fank M. Fluid mechanics. 5th ed. McGraw Hill, 2011.White Fank M. Fluid mechanics. 5th ed. McGraw Hill, 2011.Ванифатьев А.В. Гидродинамические методы снижения вибронагруженности подруливающих устройств / А.В. Ванифатьев, А.С. Ионкин // Всероссийская молодежная конференция «Научно-технологическое развитие судостроения — 2019»: тезисы докладов. — СПб.: ФГУП КГНЦ, 2019. — С. 62–63.Vanifat'ev A.V., Ionkin A.S. Gidrodinamicheskie metody snizheniya vibronagruzhennosti podrulivayushchikh ustroistv [Hydrodynamic methods for reducing vibration loading of thrusters]. Vserossiiskaya molodezhnaya konferentsiya «Nauchno-tekhnologicheskoe razvitie sudostroeniya – 2019» [All-Russian youth conf. "Scientific and technological development of shipbuilding — 2019": abstracts]. St. Petersburg: FGUP KGNTs. P. 62–63.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.