Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи проектного обоснования оптимальных характеристик судов с учетом доминирующих факторов эксплуатации . 23
1.1. Общая характеристика и основные направления повышения эффективности судов внутреннего, смешанного и прибрежного плавания. 24
1.2. Влияние условий эксплуатации на выбор оптимальных характеристик подсистем «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов внутреннего и «смешанного» плавания . 33
1.3. Особенности обоснования проектных характеристик скоростных катамаранов с учетом факторов эксплуатации. 53
1.4. Анализ влияния характеристик доминирующей подсистемы «корпус двигатель-движитель» судна на режим его движения. 60
1.5. Постановка задачи проектного обоснования оптимальных элементов и характеристик судов с учетом доминирующих факторов эксплуатации.
2. Методология учета эксплуатационных факторов при проектном обосновании судов различных типов . 73
2.1. Выбор расчетного режима при проектном обосновании оптимальных характеристик судов различных типов 73
2.2. Разработка математической модели распределения глубин судового хода на речном фарватере . 81
2.3. Методические вопросы учета волнения при проектном обосновании судов.
3. Обоснование проектных характеристик подсистемы «корпус-двигатель-движитель» речных судов . 95
3.1. Особенности соотношений главных размерений и формы обводов корпуса мелкосидящих речных судов. 95
3.2. Влияние условий эксплуатации на соотношения главных размерений и формы обводов оконечностей крупнотоннажных судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания . 102
3.3. Разработка математической модели проектирования кормовой оконечности речных судов. ПО
4. Обеспечение ходовых качеств при проектировании транспортных речных судов . 118
4.1. Анализ влияния элементов корпуса, параметров кормы и факторов эксплуатации на вид математических моделей для расчета ходкости транспортных судов для малых и боковых рек. 118
4.2. Разработка математических моделей для оптимизации ходовых качеств крупнотоннажных грузовых судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания. 126
4.3. Данные по дополнительному сопротивлению крупнотоннажных судов смешанного «река-море» плавания на волнении . 138
5. Методология обоснования проектных характеристик скоростных катамаранов . 141
5.1. Математическая модель выбора основных проектных характеристик скоростных пассажирских и автомобильно-пассажирских катамаранов. 141
5.2. Уточнение нагрузки масс при проектном обосновании скоростных катамаранов. 159
5.3. Анализ ходовых и пропульсивных характеристик скоростных катамаранов различных типов. 169
5.4. Рекомендации по обоснованию эксплуатационно-экономических показателей скоростных катамаранов. 178
6. Рекомендации по прогнозированию мощности и параметров волнового поля скоростных катамаранов . 187
6.1. Экспериментальное исследование ходкости скоростных катамаранов на тихой воде. 188
6.1.1. Исследование влияния соотношения главныхразмерений и горизонтального клиренса на сопротивление традиционных скоростных катамаранов (СК) с круглоскулыми обводами. 188
6.1.2. Исследование ходовых характеристик СКПК. 191
6.2. Исследование дополнительного сопротивления на волнении. 196
6.2.1. Сравнительная экспериментальная оценка дополнительного сопротивления СКи СКПК на волнении. 196
6.2.2. Исследование влияния характеристик корпуса на сопротивление катамаранов с остроскулыми обводами. 198
6.3. Математические модели для расчета ходкости скоростных катамаранов различных типов. 202
6.3.1. Алгоритм расчета сопротивления круглоскулых (СК) и волнопронзаю-гцих (WPC) скоростных катамаранов на тихой воде. 202
6.3.2. Алгоритм расчета сопротивления скоростных катамаранов с подводными крыльями. 205
б.3.3. Оценка дополнительного сопротивления и параметров качки скоростных катамаранов на волнении. 208
7. Разработка алгоритма оптимизации параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» речных судов. 211
7.1. Алгоритм проектного обоснования оптимальных параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» мелкосидящих судов внутреннего плавания. 211
7.2. Особенности алгоритма проектного обоснования оптимальных параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» крупнотоннажных судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания. 223
7.3. Основные результаты оптимизации параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» речных судов. 228
7.3.1. Результаты оптимизации параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» судов для малых рек. 228
7.3.2. Результаты оптимизации движителей крупнотоннажных речных судов. 236
8. Разработка алгоритмов и результаты оптимизации характеристик скоростных катамаранов различных типов . 240
8.1. Алгоритм проектного обоснования оптимальных характеристик скоростных пассажирских катамаранов. 240
8.2. Особенности алгоритма проектного обоснования оптимальных характеристик скоростных автомобильно-пассажирских паромов-катамаранов. 266
8.3. Основные результаты проектного обоснования оптимальных характеристик пассажирских и автомобильно-пассажирских катамаранов. 270
Заключение 283
Литература 294
- Влияние условий эксплуатации на выбор оптимальных характеристик подсистем «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов внутреннего и «смешанного» плавания
- Разработка математической модели распределения глубин судового хода на речном фарватере
- Влияние условий эксплуатации на соотношения главных размерений и формы обводов оконечностей крупнотоннажных судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания
- Данные по дополнительному сопротивлению крупнотоннажных судов смешанного «река-море» плавания на волнении
Введение к работе
Актуальность темы. Водный транспорт составляет важную часть транспортной системы России. Его эффективность тесно связана с уровнем показателей эффек-ивности судов внутреннего, смешанного и прибрежного плавания. Задача повыше-іия этих показателей за счет совершенствования проектных характеристик судов, за чет их оптимизации и улучшения структуры всего процесса проектирования является актуальной проблемой.
С 1999-2001 гг. на внутренних водных путях России после многолетнего спада аметился рост грузовых и пассажирских перевозок. За этот период они возросли на 26%. Наметились тенденции расширения нового проектирования и строительства судов внутреннего, смешанного и прибрежного плавания, в которых прослеживаются новые подходы к созданию судов этих типов.
Замена старых судов новыми, а также возможность различных способов продления жизненного цикла эксплуатирующихся судов выдвигают, в качестве одного из важнейших вопросов, ориентацию на будущие условия эксплуатации при оптимизационном обосновании характеристик судов этих типов и их доминирующих подсис-ем, а также учет, в этих же целях, опыта прошедшей эксплуатации. Требуется обобщение и совершенствование методов и способов проектного обоснования вновь проектируемых и модернизируемых судов. Сложность решения этих вопросов связана с разнотипностью рассматриваемых судов, многообразием форм обводов корпуса и типов движителей, а также различными эксплуатационными ограничениями, оказывающими влияние на характеристики судов. В то же время, исследуемые суда функционально объединяются необходимостью поиска компенсирующих факторов, позволяющих создавать суда с оптимальными (для объективно ограниченных условий) элементами и характеристиками. Особое место в решении вопросов повышения эксплуатационно-экономических показателей судов занимает комплекс доминирующих подсистем «корпус-двигатель-движитель».
Совершенствование методов проектного обоснования судов актуально по нескольким причинам. Первая причина связана с необходимостью общего совершенствования методической и нормативной базы методов проектного обоснования, то есть с разработкой на уровне мировых требований новых методик по различным типам судов и их отдельным подсистемам и корректировкой Правил контролирующих организаций.
Вторая - с расширением направлений использования проектного обоснования судов, что проявляется в тенденциях применения проектных методов не только при проектном обосновании новых судов, но и при их модернизации и разработке проектных рекомендаций по оптимальным режимам эксплуатации судов.
Третья - с необходимостью уточнения методов проектного обоснования за счет более четкого учета эксплуатационных факторов при выборе оптимальных характеристик судов и их подсистем.
При рассмотрении вопросов методологии проектного обоснования новых и модернизируемых типов судов внутреннего, смешанного и прибрежного плавания с учетом доминирующих факторов эксплуатации основное внимание уделяется выбору оптимальных решений по характеристикам судов и их подсистем на базе экономических критериев. Существенное внимание уделяется исследованию и внедрению
прогрессивных технических решений, направленных на повышение скоростей, н совершенствование элементов совокупности подсистем «корпус-двигатель-движитель» судов, позволяющих снизить потребление топлива при будущей эксплуатации судна, на повышение уровня безопасности плавания.
В последние годы во всем мире в качестве судов прибрежного плавания расширяется применение многокорпусных судов. Среди них наибольшее распространение получили скоростные катамараны. Работы по созданию таких катамаранов ведутся в Австралии, Норвегии, Японии, Великобритании, США, России и других странах.
Все это, наряду с совершенствованием методов проектного обоснования водоизмещающих судов, делает актуальными обобщение опыта проектирования и оценку достигнутого уровня проектирования скоростных катамаранов внутреннего и прибрежного плавания различных архитектурно-конструктивных типов.
Предмет диссертационного исследования
Предметом диссертационного исследования является научное обоснование технических и технологических решений, методов, способов и методик проектирования водоизмещающих судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания массой от 100 до 8000 т и скоростных катамаранов внутреннего и прибрежного плавания массой от 20 до 2500 т.
Цель и содержание исследования
Целью исследования является анализ и научное обоснование технических и технологических решений, обобщение и совершенствование методов проектного обоснования оптимальных элементов (главных размерений и основных характеристик) всех перечисленных судов, в том числе с особой глубиной для скоростных пассажирских и автомобильно-пассажирских катамаранов различных типов, а также для обоснования оптимальных параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания с учетом влияния доминирующих факторов эксплуатации.
Поставленная проблема решается с использованием методов общепроектного анализа, математической статистики и многофакторного регрессионного анализа, теоретических и экспериментальных исследований, а также современных методов оптимизации основных элементов судов и их подсистем.
Теоретическая база исследования
Теоретической базой исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых в области проектирования и оптимизации водоизмещающих и скоростных судов, а также ходкости и мореходности судов этих типов. По общей теории проектирования и оптимизации важны работы В.В. Ашика, А.В. Бронникова, В.М. Паши-на, Ю.И. Нечаева. В области проектирования и обоснования характеристик водоизмещающих и скоростных судов и их отдельных подсистем необходимо отметить большой вклад А.И, Гайковича, Ю.Н. Горбачева, Г.Ф. Демешко, Н.А. Ефремова, И.Г. Захарова, Н.К. Дормидонтова, СИ. Логачева, В.И. Любимова, Н.В. Никитина, В.И. Поспелова, В.Н. Разуваева, Е.П. Роннова, Г.В. Савинова, А.Н. Суслова, В.Б. Фирсо-ва, П.А. Шауба. В области ходкости, мореходности и управляемости водоизмещающих судов и скоростных катамаранов большую роль сыграли работы М.Я. Алферье-ва, В.Н. Аносова, Э.А. Афромеева, А.Ш. Ачкинадзе, A.M. Басина, Р.В. Борисова, А.Д. Гофмана, В.А. Дубровского, В.И. Зайкова, А.Г. Ляховицкого, В.Г. Павленко, А.В. Пустошного, К.В. Рождественского, А.А. Русецкого, В.П. Соколова, L.J. Doc-
tors, K.G. Hoppe, Т. Karayannis, A.F. Molland, G. Migeotte. В области конструкции корпуса необходимо отметить труды Г.В. Бойцова, Г.В. Егорова, ОМ. Палия, В.А. Постнова, А.А. Родионова.
Диссертационная работа в наибольшей степени посвящена решению «внутренней» проблемы теории проектирования судов, а именно оптимизации основных элементов прибрежных и речных судов, скоростных катамаранов и локальной оптимизации параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих речных судов и судов смешанного плавания.
Научная новизна и теоретическая ценность исследования.
В диссертации разработана, применительно к современным экономическим условиям, общая методология проектного обоснования судов внутреннего, прибрежного и смешанного плавания, в том числе, скоростных катамаранов различных типов. По новому решается проблема оптимизации подсистемы «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов внутреннего и смешанного плавания. Это является полезным вкладом в решение научной проблемы совершенствования теории проектирования судов. Новые научно-технические и технологические решения и результаты, полученные в диссертации, включают:
Методологию проектного обоснования наиболее важных характеристик и элементов судов речного, смешанного и прибрежного плавания.
Методики оптимизации основных элементов и характеристик однокорпусных судов и скоростных пассажирских и автомобильно-пассажирских катамаранов с учетом доминирующих факторов эксплуатации и ограничений по высоте отходящей волны.
Логико-математические модели выбора главных размерений однокорпусных судов и скоростных катамаранов различных типов.
Методику выбора расчетного режима для проектного обоснования судов и их подсистем.
Методики оптимизации параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов внутреннего и смешанного плавания с учетом доминирующих факторов эксплуатации.
Регрессионные математические модели для расчета сопротивления и мощности главных двигателей грузовых водоизмещающих судов различных типов.
Регрессионные математические модели для расчета сопротивления и мощности главных двигателей скоростных катамаранов различных типов.
Унифицированные схемы модернизационных и реновационных проектных обоснований, использующих блоки и элементы для вновь проектируемых судов.
Способы переоборудования и обоснования возможности эксплуатации серийных судов (на примере пр. Р168К, 326, 326.1, Фин.1000/800) при перевозке лесных грузов с открытыми грузовыми трюмами.
способы повышения грузоподъемности и переклассификации грузовых судов внутреннего и смешанного плавания (на примере судов типа «Сормовский», «Ладога», «Сибирский», «Волго-Дон», «Волжский», «Окский» и др.). а также барже-буксирных составов (на примере буксиров пр. Р 14А, РЗЗБ, Р153, 758АМ, 428 и барж пр.81100,16800, Р171, 81540 и др.).
Способы переоборудования судов с использованием элементов сухогрузных судов (на примере пр.276 и 912В), реализованные при постройке танкеров-бункеровщиков «Циклон», «СТ-17», «СТ-18».
Ряд новых формул и графических зависимостей по отдельным частям проектирования судов.
Пвактическая значимость диссертационного исследования заключается в возможности практического применения ряда разработанных диссертантом методик, способов и конкретных проектно-конструктивных решений и изобретений:
Методики выбора главных размерений, нагрузки масс и пропульсивных характеристик однокорпусных судов и скоростных катамаранов; для катамаранов рассмотрены обводы традиционного типа, с бульбообразным носом, «волнопрон-зающих», в т.ч. - для всех указанных типов с гидродинамической разгрузкой корпуса подводными крыльями.
Методики оптимизации параметров комплекса подсистем «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов внутреннего и смешанного плавания с учетом влияния эксплуатационных факторов.
Разработки новых конструкций подсистем «корпус-двигатель-движитель» для водоизмещающих речных судов, обладающих повышенным пропульсивным коэффициентом и позволяющим снизить затраты мощности.
Методики определения сопротивления и мощности двигателей водоизмещающих судов внутреннего, смешанного и прибрежного плавания, в том числе и скоростных катамаранов.
Совокупность методик, методов и способов для решения методических, учебных и практических задач повышения эффективности судов новой постройки и модернизируемых судов в проектных и эксплуатационных организациях.
Внедрение.
Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы:
При обосновании проектных характеристик подсистемы «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов пр.Р168, Р168ІІ-СП, 81365, 81110, 81170, 81173НМ, 81510, Р162 и скоростных катамаранов пр.Р104 «А.Угловский», пр.16220 «Экопатруль-1», пр.82060, пр.15220 «Далена», пр.23107Э.1 «Россия», в ОАО «Инженерный Центр Судостроения» (ИЦС) в период 1975.. .2005 г.г.
При выполнении научно-исследовательских тем по планам НИР Минречфлота в СПГУВК и ОАО «ИЦС» в период 1975...2005 г.г;
В учебном процессе в СПГУВК, СПбГМТУ и НГАВТ при выполнении курсовых работ и дипломных проектов по судам различного назначения (грузовым, пассажирским и буксирам для малых и магистральных рек, скоростным одно-корпусным и двухкорпусным судам).
В конструкторских организациях «Спецсудопроект» и «Пассат» при создании пассажирского т/х «Феникс» пр.36060, грузового теплохода «СТ-1352» пр. Р168М-пр/К-ПГ буксира-кантовщика «Флагман»; модернизации сухогрузных судов пр. 276 и 912В в нефтеналивные суда «Циклон», «СТ-17», «СТ-18» и других; переклассификации буксиров пр. Р14, 758, 428, переклассификации и повышении грузоподъемности грузовых судов (типа «СТК» пр.326.1, типа
«Окский» пр. Р97, типа «Беломорский» пр. Фин. 1000/800, типа «Сормовский» пр.488АМ, типа «Сибирский» пр.0225 и 292, типа «Ладога» пр.285 и других).
В ОАО «Волга-Нева» при переклассификации и повышении грузоподъемности, а также обоснования оптимальных параметров движителей судов смешанного плавания.
В ОАО «Северное речное пароходство» при переклассификации и повышении пропульсиных характеристик барже-буксирных составов смешанного «река-море» плавания (буксиры РЗЗБ с баржами пр. Р171 и 81540);'
В ОАО «Вельское речное пароходство» при повышении грузоподъемности речных судов пр. 21-88 и обосновании возможности эксплуатации грузовых судов пр. Р 168К с открытыми люковыми крышками на Сайменской линии.
В ОАО «Инкотек» при разработке рекомендаций по безопасной транспортировке барже-буксирными составами тяжеловесного оборудования для комбината «Киришнефть».
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку:
На конференциях профессорско-преподавательского состава СПГУВК, Санкт-Петербург, 1976...1980, 1989 годах.
На 24 Всесоюзной конференции, НТО СП им. акад. А.Н. Крылова, Ленинград, 1975.
На Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по вопросам повышения пропульсивных качеств и эксплуатационных характеристик отечественных перспективных судов (Крыловские чтения 1978.).
На 4-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы малотоннажного судостроения» НТО СП им. акад. А.Н. Крылова, Ленинград, 1981.
На Всесоюзной н/т конференции, НТО СП им. акад.А.Н. Крылова, Калининград , 1990 г.
На Третьей научно-технической конференции «Алферьевские чтения», ГИ-ИВТ, Нижний Новгород, 1990.
На 19 сессии научно-методического семинара по гидродинамике судна. Болгарский институт гидродинамики судна, Варна, 1990.
На Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве, посвященной памяти профессора В.М.Керичева, Нижегородский Государственный технический университет, Нижний Новгород, 2002.
На Международной научно-практической конференции, посвященной 300-летию СПб "Безопасность водного транспорта", СПГУВК, Санкт-Петербург, 2003 г.
На VI Международной конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах», СЗТУ, Санкт-Петербург, 2005.
На конференции профессорско-преподавательского состава СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2005.
На конференции профессорско-преподавательского состава НГАВТ, Нижний Новгород, 2005.
На конференции профессорско-преподавательского состава СЗТУ, Санкт-Петербург, 2006.
На Международном научно-техническом семинаре «Исследование, проектирование и техническая эксплуатация судовых ДВС», СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2006.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 64 публикациях, из которых 26 являются персональными публикациями автора, а 38 выполнены в соавторстве. Из публикаций одна является монографией, а три - разделами в монографиях. В ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ (журналы «Судостроение», «Морской вестник», «Речной транспорт»), имеется 12 публикаций. В число публикаций входят также 13 авторских свидетельств на изобретения и 11 материалов международных и всесоюзных конференций. Кроме того, материалы исследований содержатся в 7 отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми разделов, заключения, библиографического списка и приложений. Объем - основной текст содержит 236 стр., 29 таблиц (17 стр.), 143 рисунка, графиков и блок-схем (66 стр.). Объем приложений - 140 стр. В списке литературы 284 наименования.
Влияние условий эксплуатации на выбор оптимальных характеристик подсистем «корпус-двигатель-движитель» водоизмещающих судов внутреннего и «смешанного» плавания
Транспорт, как отрасль материального производства, играет важную роль в жизни Российской Федерации. Видное место в экономике страны занимает внутренний водный транспорт. Естественные водные пути: реки и озера Волжско-Камского, Азово-Донского, Северо-Западного, Северного, Западно-Сибирского, Восточно-Сибирского, Северо-Восточного и Амурского водных бассейнов вместе с созданными гидротехническими системами: Беломорско-Балтийским каналом, каналом имени Москвы, Волго-Балгийским водным путем, Волго-Донским судоходным каналом составляют более 100 тыс. километров эксплуатируемых водных путей. Единая глубоководная система водных путей европейской части России обеспечивает плавание всех типов современных речных судов и судов смешанного «река-море» плавания. Эта система соединила порта пяти морей: Черного, Азовского, Каспийского, Белого и Балтийского, что явилось основой для развития межбассейновых и международных грузоперевозок, а также туристских линий. В настоящее время на долю внутреннего водного транспорта приходится около 4% общего объема (т) перевозок грузов всеми видами транспорта России (морским -около 1%). Железнодорожный, автомобильный и трубопроводный - основные конкуренты водного транспорта по обеспечению грузоперевозок [124].
Максимальный объем перевозок внутренним водным транспортом был отмечен в 1988 г. - 562, 3 млн. тонн. С 1989 г. началось снижение объема перевозок. В 1990-1999 годы наблюдался затяжной период спада производственной деятельности речного транспорта, во многом связанный с общим экономическим кризисом в стране, сопровождавшим переход к рыночной системе экономики. В этот период объем перевозок грузов речным флотом сократился с 561,7 до 102,8 млн. т, а перевозки пассажиров - с 89,8 до 23,9 млн.чел.
В период после 1999 г в экономике России наметился подъем, который положительно повлиял и на развитие водного транспорта: его материально-технической базы и рост объема перевозок. В 1999-2001 гг. на внутренних водных путях России после многолетнего спада наметился рост грузовых и пассажирских перевозок. За этот период грузовые перевозки возросли на 26%, а пассажирские - на 26,4 %.
Анализ перевозок в период 2000-2004 г. позволяет говорить о речном транспорте, как о динамично развивающейся транспортной отрасли. Это подтверждают данные табл. 1.1.
Спад промышленного производства в период 1990-1999 гг. изменили характер работы судоходных компаний. Часть флота внутреннего плавания была выведена на холодный отстой и основные усилия были перенесены на внешнеторговые перевозки. Эти перевозки в указанный период имели положительную динамику. Ведущие пароходства страны («Северо-Западное», «Волжское», «Беломорско-Онежское», «Волго-Донское», «Западное», «Волготанкер») к настоящему времени имеют долю внешнеторговых перевозок от 50 до 90%, в общем объеме перевозок.
Основными направлениями развития речного транспорта до 2015 г, одобренными Правительством России, предусмотрено дальнейшее повышение эффективности его работы. Одним из направлений повышения эффективности - обновление основных фондов, то есть строительство новых и модернизация эксплуатирующихся судов, с целью повышения эффективности их эксплуатации. В табл. 1.2 приведены объемные показатели 2002-2010 гг. подпрограммы «Внутренний водный транспорт», в соответствии с которой в указанный период планируется осуществить поставки 166 единиц транспортного флота, выполнить модернизацию и реновацию 147 грузовых и 18 пассажирских судов.
Анализ табл. 1.2 свидетельствует, что количество вновь строящихся и модернизируемых судов близко друг к другу. В общем количестве планируемых для строи 26 тельства и модернизации судов, пассажирские суда занимают менее 10%, что свидетельствует о более интенсивном развитии грузовых перевозок. Объемные показатели 2002-2010 гг., характеризующие мероприятия подпрограммы «Внутренний водный транспорт». Показатели Количество судов Общая грузоподъемность, тыс.т (общая пассажировмести-мость для пассажирских судов, чел)
Строительство сухогрузных теплоходов смешанного «река-море» плавания Строительство танкеров смешанного «река-море» плаванияСтроительство судов для перевозки грузов в районы Крайнего СевераСтроительство судов для внутрибассейновых и региональных перевозок грузов Строительство пассажирских судов Строительство учебных теплоходов смешанного «река-море» плавания Модернизация грузовых судов Модернизация пассажирских судов. 59 1645 4672147 18 344,375,078,9141,6224 5,0443,5 2680
На 20.05. 2005 г. на учете Российского Речного Регистра находилось 28856 судов различного назначения, из них 18168 самоходных и 10688 несамоходных, в том числе самоходных сухогрузных - 1709, самоходных наливных - 664, несамоходных сухогрузных - 5426, несамоходных наливных-975, пассажирских - 1523. Из общего количества судов 876 составляют суда смешанного плавания. В настоящее время эксплуатируется в основном флот, построенный в период 1970... 1989 г. Суда постройки после 2000 г. к концу 2004 г. составляли 841 судно, т.е. не более 3%. Это свидетельствует об актуальности решения проблемы создания нового флота внутреннего и смешанного плавания, обладающего высокими технико-эксплуатационными характеристиками. Создание таких судов возможно, если наиболее полно использовать современные методы теории проектирования судов и методы теории прогнозирования характеристик судов с учетом будущих условий эксплуатации судов.
На рис. В1 приведена структурная блок-схема совместного функционирования основных подсистем судна и его эксплуатационно-навигационных качеств при проектировании новых судов. Как видно из рис.ВІ при проектировании нового судна все его подсистемы (блоки 2. ..8) требуют проектного обоснования, при этом должны быть определены оптимальные основные элементы и характеристики судна, обеспечивающие проектируемому судну заданные качества (блоки 9...15).
Одновременно с программой строительства нового флота внутреннего и смешанного плавания, немаловажная роль отводится модернизации уже имеющихся судов. Модернизация транспортных судов в настоящее время идет по нескольким направлениям.
Первое направление-изготовление новой средней (грузовой) части корпуса судна, которая подвержена наибольшему износу и коррозии, с использованием старых носовой и кормовой частей. Блок-схема строительства судов с ограниченным использованием элементов эксплуатирующихся судов аналогична, блок-схеме, приведенной на рис.В 1. Это связано с тем, что в данной схеме проектирования, строительства и эксплуатации судов речь идет не о восстановлении прежнего судна, а о создании нового судна с измененным архитектурно-конструктивным типом и повышенными технико- экономическими характеристиками. Суда, созданные по этой схеме, как правило, имеют более высокий класс, большие грузоподъемность и грузовместимость, чем судно-донор, меняют свое назначение и главные размерения. Нормативный срок службы судна, модернизированного таким образом снижается не более, чем на 5 лет против заново построенного. Стоимость модернизированного таким образом судна в 2,5...3 раза ниже стоимости постройки аналогичного по грузоподъемности и району плавания нового судна. Примерами создания новых судов по такой схеме служат танкеры типа «ВолгаФлот», созданные на базе сухо грузов типа «Волжский», нефтеналивные баржи г/п 3000 т, созданные на базе сухогрузных барж пр.Р29, теплоходы «Челси-2» и «Челси-3», созданные из элементов судов-доноров типа «Волго-Дон». В п. 1.2 приведены примеры созданных по этой схеме эксплуатации с участием автора нефтеналивных судов на базе сухогрузов пр.276,912В и других.
Разработка математической модели распределения глубин судового хода на речном фарватере
Эффективной работы подсистемы «корпус - двигатель - движитель» следует ожидать, если расчетная винтовая характеристика будет проходить через номинальную рабочую точку дизеля В.
Чтобы дать общую математическую формулировку задачи о расчетном режиме, можно обозначить через х/, х2, х3...хп основные параметры трассы, на которой предполагается эксплуатация судна. Для определенности предположим, что x/=h, 2 Rcx, хз-bcx, х4-с, x5=hw, хб= ve, где h - глубина фарватера; Rcx - радиус кривизны судового хода; Ъсх - ширина судового хода; с - скорость течения; hw- высота волны; ve - скорость ветра. Все эти факторы иногда характеризуются с вероятностной точки зрения.
В работах [9, 128] показано, что переменностью ширины судового хода Ьсх кривизны 1/RCX и скорости течения с на каждом гидрологически однородном плесе при определении технической скорости судна можно пренебречь. Это позволяет заменить при приближенных расчетах переменные величины Ьсх и с их средними значениями Ьср и сср, подсчитав последние как математические ожидания соответствующих величин, и положить 1/RarQ.
Значения скорости движения судна относительно воды и расхода топлива могут быть выражены в функции параметров, характеризующих условия эксплуатации, и варьируемых характеристик корпуса, двигателя и движителя: v = x(A,ftJx ./ xXxn; (2.1) G = K{D„H.,z„,)xala1g.N,RJv, (2.2) где Ne - эксплуатационная мощность главного двигателя; ge - удельный расход топлива; аи а2 -коэффициенты, учитывающие увеличение расхода топлива энергетической установкой от эксплуатации дизель-генераторов и расход масла; г/- про-пульсивный коэффициент; - суммарный коэффициент сопротивления корпуса судна; Rm - дальность плавания; Q - величина смоченной поверхности корпуса. Анализ практических данных показывает, что оптимизацию характеристик судна и подсистемы «корпус - двигатель - движитель» целесообразно выполнять применительно к условно прямолинейной трассе переменной глубины при заданных средних значениях ширины судового хода Ъср и скорости течения сср. По данным эксплуатации можно применять региональные поправочные коэффициенты.
Одновременно можно допустить, что тип и характеристики двигателя выбраны предварительно, и он эксплуатируется по внешней ограничительной характеристике (см. кривую 1 на рис. 2.1).
При фиксированных значениях всех характеристик корпуса, двигателя и движителя в выражениях для скорости v и расхода топлива G достаточно близки к постоянным все определяющие параметры, кроме Xj =h. С учетом этого выражения (2.1) и (2.2) могут быть представлены в упрощенном виде \Р = jy(h)f(h)dh; Gv = JG(h)f{h)dh. (2.3) Аналогичным образом, для судов, эксплуатирующихся преимущественно на глубоком фарватере в смешанном «река-море» и морском плавании, где влиянием мелководья можно пренебречь, запишем \ = \v{K)f{hw)dK; Gcp = \G(K)fiKK (2-4)
При выводе формул (2.3) и (2.4) для упрощения задачи принимаем ширину судового хода достаточно большой, а скорость течения малой до такой степени, что эти величины перестают оказывать влияние на скорость судна относительно воды. В зависимости от требований, предъявляемых к судну, условия оптимальности подсистемы «корпус - двигатель - движитель» могут быть сформулированы различным образом: - характеристики подсистемы должны обеспечивать судну наибольшую среднюю скорость: maxvcp = max jv(h)f(h)dh, maxvcp = max \v{K)f{hw)dhw; (2.5) - характеристики подсистемы должны обеспечивать судну наименьший расход топлива: min Gcp = min \G(h)f{h)dh, min Gcp = min JG(hw )f(hw )dh„ ; (2.6) - характеристики подсистемы должны обеспечивать наименьшие совокупные удельные затраты (или себестоимость перевозок): тіпЯ = тіпЩ jv(h)f(h)dh, J G(h)f{h)dh\ min П = min IJ( jv(hjf(hjdhw, f G(hjf(hjdh„). (2.7) Для того, чтобы применить любой из этих критериев для оптимизации системы «корпус - двигатель - движитель», требуется знать закономерности распределения глубины судового хода по трассе /(h), которые будут рассмотрены далее в п. 2.2, и разработать алгоритм определения функций v(h), G(h), v(hw) и G(hw).
Средние значения vcp и Gcp могут быть определены двумя принципиально различными способами: - на основе выражений (2.3) с использованием закономерности распределения глубины и гипотезы квазистационарности, согласно которой мгновенная скорость судна не зависит от предыстории движения, а считается однозначной функцией глубины судового хода; - на основании системы уравнений неустановившегося движения судна по фарватеру переменной глубины, которая, с учетом подстановки зависимостей для сил и моментов на гребных винтах, имеет вид: 1Г = п :k(./A) C-0-»J) X dr т(\ + кп) Т =- r{MM(n, g)-K1(le,HJDe)pn3D5 }. На основе уравнений (2.8) автором была разработана программа расчета на ЭВМ характеристик ходкости судов по фарватеру переменной глубины, позволяющая моделировать движение судна с учетом переходных процессов, происходящих в подсистеме КДД [174, 179].
Точность разработанного алгоритма и оценка возможности его использования для обоснования расчетного режима была проверена сопоставлением результатов расчетов на ЭВМ и данных натурных испытаний судна внутреннего плавания пр. Р86А типа «Ока» и судна смешанного «река-море» плавания пр. 781 типа «Балтийский». В расчетах были использованы данные модельных испытаний судов и гистограммы распределения глубины судового хода на линиях Серпухов-Москва и Ленинград-Баку.
Влияние условий эксплуатации на соотношения главных размерений и формы обводов оконечностей крупнотоннажных судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания
В период 1985... 1990 г.г. ОАО «Инженерный центр судостроения» с научным сопровождением СПГУВК спроектированы мелкосидящие буксиры-толкачи нового поколения пр.81340% 81350 и их модификации, имеющие нетрадиционные кормовые обводы большой полноты и заслоночное устройство для обеспечения эффективной эксплуатации без потерь тяги на стационарном кормовом свесе туннеля. Результаты разработки этих конструкций, подробно описаны в работе [108]. Ряд новых технических решений для повышения пропульсивных и маневренных качеств мелкосидящих грузовых теплоходов и буксиров-толкачей нового поколения были разработаны с участием автора, запатентованы и описаны в работах [21, 27, 33, 49, 93, 121,200,201,221].
Выполненный по мелкосидящим судам анализ показывает, что определяющим при проектировании их системы «корпус-двигатель-движитель» является выбор формы обводов кормовой оконечности, которая у большинства судов этого типа является туннельной. Для нахождения экономически оптимального сочетания параметров такой кормы и параметров движительного комплекса необходимо использовать общепроектные подходы с учетом будущих условий эксплуатации судна, В то же время, как показывает современный опыт проектирования мелкосидящих судов [131], имеются резервы повышения пропульсивных показателей судов этого типа. Некоторые эффективные технические решения, реализованные на основании исследований, выполненных с участием автора, описаны в разделе 7.
Влияние условий эксплуатации на соотношения главных размерений и формы обводов оконечностей крупнотоннажных судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания. На соотношение главных размерений и форму обводов корпуса крупнотоннажных транспортных судов внутреннего плавания основное влияние оказывают следующие факторы: - путевые условия (габариты шлюзов и мелководье при эксплуатации на незаре-гулированных реках); - ветро-вол новой режим при эксплуатации, судов в прибрежных и морских районах эксплуатации.
При этом, следует отметить, что при эксплуатации судов на незарегулированных-реках или только в прибрежном и морском плавании соотношения их главных раз-мерений и коэффициентов формы корпуса могут быть определены с использованием классических подходов теории проектирования судов [19, 35, 6.1].
Однако, такой режим эксплуатации современных судов, является не всегда экономически оправданным. Для повышения экономической эффективности крупнотоннажных судов их проектируют для возможности эксплуатации без перевалки грузов, т.е главные размерения выбирают с учетом полного использования габаритных размеров шлюзов, что приводит в практике их проектирования к использованию ограничений, на длину, ширину и осадку. Как справедливо отмечается в работе [64] при создании судов смешанного плавания, эксплуатация которых планируется на зашлюзованиых речных участках и морских трассах, проектировщику остается только варьирование коэффициентом общей полноты и скоростью судна,
В этих условиях, при создании новых крупнотоннажных судов, реальным путем повышения их технико-экономических, показателей является оптимизация параметров подсистемы «корпус-двигатель-движитель». Подобная оптимизация может выполняться как на вновь проектируемых судах с отработкой формы обводов оконечностей судна, выбором оптимальной мощности и параметров движителъного комплекса, так и на модернизируемых судах, путем отработки параметров движителей, направляющих (спрямляющих) устройств и оптимизации параметров энергетической установки в случае замены главных двигателей на судне.
В настоящее время более 70% крупнотоннажных судов внутреннего и смешанного плавания имеют возраст более 20 лет. В табл. 3.3 приведены основные характеристики отечественных сухогрузов и танкеров внутреннего и смешанного плавания по данным [40, 64, 215]. Анализ табл.З.За. показывает, что длина крупнотоннажных судов грузоподъемностью от 2000 до 5000 т изменяется в пределах 77-140 м, ширина от 11 до 16.5 м и осадка в речных условиях от 2.5 до 3.75 м. В море суда смешанного плавания имеют, как правило, осадки от 4 до 4.8 м. Коэффициенты общей полноты изменяются в пределах от 0.75 до 0.90. Для судов постройки до 1990 годов характерны меньшие значения коэффициентов общей полноты. При создании судов нового поколения заметна тенденция проектирования судна с коэффициентами полноты более 0,85 (см. рис.3.5а). Видно, что современные суда смешанного плавания при FD 0,18 имеют большие коэффициенты полноты, чем получаемые по верхней границе зависимости, рекомендуемой В.В.Ашиком, Б.А.Царевым и И.В.Челпановым [19] для морских судов. Этот факт подтверждается и большей энерговооруженностью судов постройки после 1990 г, необходимой для достижения проектных скоростей судов с увеличенными коэффициентами общей полноты (рис. 3.56).
Данные по дополнительному сопротивлению крупнотоннажных судов смешанного «река-море» плавания на волнении
На начальных этапах проектного обоснования грузовых судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания большую роль в обеспечении оптимальных характеристик судов и их пропульсивного комплекса играет подсистема ходовых качеств. Как правило, подсистема проектного обоснования ходовых качеств грузовых судов, учитывая сложность аналитического решения задачи определения сопротивления судна и коэффициентов взаимодействия движителей с корпусом, базируется на создании математических моделей, моделирующих влияние главных размерений и характеристик корпуса на параметры ходкости. Исходными данными для создания подобных математических моделей, как правил, являются: - натурные данные по ходовым качествам судов; - данные по серийным модельным испытаниям судов данного типа; - данные по модельным испытаниям отдельных проектов судов. Следует отметить, что имеющиеся методы прогнозирования ходовых качеств, основанные обработке результатов натурных испытаний судов используются редко, так как не обеспечивают требуемой точности.
Наличие серийных модельных испытаний, как правило, ограничено и связано с большими материальными затратами для проведения подобных испытаний. Одновременно, следует учитывать, что при серийных испытаниях, зачастую, отсутствуют вариации по форме обводов оконечностей судна, учет которых может существенно повысить точность математической модели ходовых качеств судна.
В практике прогнозирования ходовых качеств грузовых судов на начальной стадии проектирования наибольшее распространение нашли методы, основанные на создании математических моделей для прогнозирования ходкости с использованием методов многофакторного регрессионного анализа.
В Приложении 8 был выполнен анализ существующих методов прогнозирования сопротивления и коэффициентов взаимодействия открытых гребных винтов и винтов в насадках с корпусом грузовых: двухвальных судов. Было показано, что используемые при прогнозировании ходовых качеств судов методы, разработанные различными авторами, дают погрешность определения сопротивления судов на глубокой воде от 6 до 10% и на мелководье от 13 до 30%. Существенная погрешность наблюдается и при определении коэффициентов взаимодействия движителей. Выполненный в Приложении 8 анализ показал, что погрешность определения по различным методам коэффициентов взаимодействия открытых гребных винтов (ОГВ) и комплекса «винт-насадка» (КВН) с корпусом судна, в сравнении с данными крупномасштабных модельных испытаний, составляет от 10 до 26% для коэффициента попутного потока и от 12,5 до 30% для коэффициента засасывания.
С учетом полученных результатов в работах [12, 13, 189] были предложены новые математические модели для прогнозирования сопротивления и коэффициентов взаимодействия двухзальных грузовых судов внутреннего и смешанного "река-море" плавания. Эти математические модели были разработаны с использованием методов многофакторного регрессионного анализа и данных крупномасштабных испытаний ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова, СПГУВК, БИГС, выполненных при проектировании отдельных типов грузовых судов.
Исходная информация, по главным размеренном судов и элементам их корпусов приведена в табл. 4.2. В табл. 4.3 представлены экспериментальные значения коэффициентов остаточного сопротивления на глубокой воде CK=f(Fr), а в табл. 4,4а и 4.46 - экспериментальные значения коэффициента попутного потока w f(Kj),,) и коэффициента засасывания t f(Km) от коэффициента нагрузки. KDE соответственно для открытых гребных винтов (ОГВ) и комплекса «винт-насадка» (КВН). Анализ экспериментальных зависимостей показал, что попутный поток слабо зависит от нагрузки движителя и в дальнейшем при разработке математической модели для w параметр КОЕ был исключен из числа неременных. Коэффициент засасывания существенно зависит от нагрузки движителя, что сказывается в росте коэффициента засасывания при увеличении коэффициента Кт.
С использованием аппарата многофакторного регрессионного анализа, основные положения которого описаны в Приложении 9, были получены математические модели коэффициента остаточного сопротивления С к, коэффициентов попутного потока w и засасывания t для грузовых крупнотоннажных судов внутреннего и смешанного плавания, которые можно использовать при оптимизации ходовых качеств судов этого типа на глубокой воде и на мелководье.
Математические модели коэффициента остаточного сопротивления CR и параметра, учитывающего влияние мелководья на коэффициент остаточного сопротивления Кн двухвальных грузовых судов, получены обработкой данных модельных
Основные характеристики и элементы корпуса судов смешанного плавания испытаний 15 проектов судов. Для обеспечения большей точности зависимость Сц разработана для двух диапазонов изменения чисел Фруда:
