Визначення головних характеристик малотоннажних суден змішаного плавання на початкових стадіях проектування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Визначення головних характеристик малотоннажних суден змішаного плавання на початкових стадіях проектування

Нгуен Хай Ань

Спеціальність 05.08.03 “Механіка та конструювання суден”

УДК 629.122/123;629.12.001.12

Одеса - 2000

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Одеському державному морському університеті. Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

Кандидат технічних наук, доцент Ларкін Юрій Маркович, Одеський державний морський університет, доцент кафедри теорії та проектування корабля.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор, Шостак Вадим Петрович, Український державний морський технічний університет;

- доктор технічних наук, старший науковий співробітник, Логачев Станіслав Іванович, Центральний науково-дослідний інститут ім. акад. А.Н. Крилова, м. Санкт-Петербург, Росія.

Провідна установа:

Одеська державна морська академія. Міністерство освіти і науки України. м. Одеса.

Захист відбудеться “ 29 “ червня 2000 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Українського державного морського технічного університету ім. адм. Макарова за адресою: 327025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського державного морського технічного університету ім. адм. Макарова за адресою: 327025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий “ 27 “ травня 2000року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

д-р техн. наук, професор Квасницький В.Ф.

Загальна характеристика роботи

Територія В'єтнаму вузькою смугою, шириною до 600 км на півночі, 375 км на півдні та 50 км в найбільш вузькій центральній частині простягнулась на 1750 км вздовж східного узбережжя півострову Індокитай, який омивається Південно-Китайським морем. Більшу частину поверхні країни займають гори, що глибоко розчленовані полонинами. Тому велике значення для перевезення вантажів мають ріки. Тільки в дельті Меконга та ріки Хонгха (Червона) з крупною притокою Да (Чорна) для судноплавства використовуються біля 5000 км внутрішніх водних шляхів. Морське узбережжя В'єтнаму протяжністю 2500 км обслуговується 60 портами. До 2010 року їх кількість досягне 85, а обсяг навантажувально-розвантажувальних операцій - 190 млн. т. Обсяг перевезень в змішаному ріка-море сполученні складає біля 3 млн. т. , але запит на них по існуючим оцінкам в 12,7 рази перевищує пропозиції.

Актуальність теми підтверджується історично складеною та перманентно існуючою, останнім часом швидко зростаючою за обсягом необхідністю попиту постачання малих партій різноманітних вантажів у змішаному сполученні суднами, які вільно маневрують в умовах мілководних рік та прибережного морського плавання. Економічно доцільні розміри цих суден передбачають зведення до мінімуму витрат на їх будівництво та відповідно раціональну конструкцію, компонування та обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами підтверджується “Програмою відродження флоту В'єтнаму”, який передбачає проектування та будівництво значної групи малотоннажних суден змішаного плавання (МСЗП).

Метою роботи є побудова методики та алгоритму визначення головних характеристик малотоннажного судна змішаного плавання на початкових стадіях проектування. Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати низку задач: вибір АКТ та загальної схеми компоновки; установлення базового рівняння для визначення головних розмірів; урахування міцності, стану навантаження та положення центра ваги (ЦВ); оптимальні обводи корпусу та ходовість; оцінка посадки та остійності МСЗП, аналіз неповних статистичних даних та визначення необхідних коефіцієнтів та формул.

Наукова новизна отриманих результатів підтверджується практично повною відсутністю надрукованих систематизованих даних по проектуванню сучасних МСЗП та величезним інтересом до їх проблематики у ряді країн Європи та Азії.

Вперше запропоновано створити окрему групу МСЗП, здібних до безперевалочних наскрізних перевезень різноманітних вантажів в змішаному ріка-море сполученні. Об'єднані малими розмірами, вони представляють у певному розумінні гібрид морського та річкового суден, до характеристик яких, конструкціям, пристроям та компоновки пред'являють специфічні вимоги, які призводять до ідентичних технологічних рішень.

Вперше розроблено системний метод проектування МСЗП та складено алгоритм визначення їх головних характеристик, виходячи з базового рівняння місткості, яке дозволяє на початкових стадіях врахувати особливості будови та експлуатації сучасних та перспективних суден цього типу.

Практичне значення одержаних результатів пов'язане з отриманим основним алгоритмом визначення характеристик МСЗП та необхідних залежностей, а також рекомендацій по їх використовуванню при альтернативних варіантах вихідних даних.

Практичне використання отриманих залежностей та рекомендацій передбачається при розробці характеристик суден поповнення флоту В'єтнаму в RESEARCH AND DESIGN INSTITUTE OF TRANSPORT INDUSTRY and TRADING IMPORT AND EXPORT COMPANY (TRADIMEXCO).

Особистий внесок здобувача відображається у наукових працях, виконаних у співавторстві: теоретичні дослідження, розробка алгоритмів, програм, залежностей та проведення розрахунків виконані дисертантом особисто. Загальну постанову задач здійснював керівник к. т. н. доцент кафедри “Теорія та проектування корабля” ОДМУ Ю.М. Ларкін. Результати обговорювались та аналізувались співавторами разом.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались та були ухвалені на науково-методичних конференціях професорсько-викладацького складу ОДМУ 1997 р., 1998 р., 1999 р. та засіданнях кафедри “теорія та проектування корабля”.

Прикладні результати дисертації доповідались, обговорювались та були схвалені на науково-технічній нараді RESEARCH AND DESIGN INSTITUTE OF TRANSPORT INDUSTRY, Ханой.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 4 статтях; в журналі “Судоходство”, збірниках праць ОДМУ, та журналі “The Transport Journal” (В'єтнам).

Окремі результати використані в методичних вказівках по виконанню курсової роботи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі списку умовних позначень, вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи складає 143 сторінки, з яких 36 сторінок займають 19 рисунків та 15 таблиць додатків. Основний текст ілюструється 4 авторськими малюнками та 5 таблицями. Перелік використаних літературних джерел складається із 75 найменувань на 6 сторінках.

1. Основний зміст роботи

малотоннажний судно змішаний плавання

Перший розділ присвячений стислому огляду опублікованих робіт, стосовно проектування малотоннажних суден змішаного плавання. Як джерела інформації використовувались роботи по проектуванню суден внутрішнього та змішаного плавання, публікації з різних аспектів проектування малих суден, регламентуючі та нормативні документи, а також опублікована інформація по конкретним збудованим суднам та проектам. При вивченні та аналізі різноманітних аспектів проектування суден автор керувався основами теорії проектування у викладенні професорів І.Г. Бубнова, В.Л. Поздюніна, Л.М. Ногіда, В.В. Ашика, А.В. Броникова, Н.К. Дормидонтова, П.А. Малого, R. Munro Smith, D.G.M. Watson, H. Schneekluth та інших, посилання на відповідні роботи яких приведені в дисертації. В питаннях теорії корабля та, особливо, в питаннях гідродинаміки судна на мілководді та в стислому фарватері, автор керувався працями М.Я. Алфер'єва, А.М. Басіна, Ю.Л. Воробйова, А.А. Лавреньт'єва, Г.Е. Павленка та інших.

МСЗП являють собою у повному розумінні гібрид морського та річкового суден, до характеристик яких, конструкцій, пристроїв та компоновки пред'являються специфічні вимоги. Проблеми з гідродинамікою суден на мілководді в стислому фарватері привели до перспективних технічних рішень, які з'явилися в останні роки.

Діюча практика проектування та побудови суден змішаного плавання відображають прагнення створювати судна змішаного плавання максимальної вантажопідйомності. Їх розміри в плані обмежуються в основному габаритами шлюзів судноплавних каналів. На визначення елементів МСЗП значно більший вплив має правильне урахування АКТ та принципова компоновка, відносна вантажомісткість, місткість та відношення розмірів, вимірники навантаження та координати ЦВ, обводи та ходовість, посадка та остійність. Конкретні рекомендації з вказаних питань практично відсутні, а приведені окремі вимірники та дані відносяться до суден колишніх років побудови і передбачають необхідність коректування.

З відомих застосованих методик, у дисертації розглянуті рекомендації інженера A. Roorda та інспектора E.M. Neuerburg по визначенню основних характеристик суден прибережного плавання. Запропонована ними схема проектування базується на великій кількості даних по прототипам. Зведені дані по суднам 30-х - 50-х років потребують необхідність їх обґрунтування та коректування.

У роботі А.Н. Гуровича та І.І. Асіновського приведено значний статистичний матеріал, аналіз даних та окремі рекомендації по проектуванню порівняно невеликих суден прибережного та портового плавання. Робота не містить у явній формі конкретної схеми визначення головних елементів МСЗП.

Робота А. Bari, K.H. Chowdhury присвячена результатам регресивного аналізу даних по самохідним малим суднам внутрішнього плавання для Бангладеш, але не вміщує конкретної схеми їх проектування.

В книзі В.А. Евстифєєва, П.Г. Варенова, В.В. Іконникова та М.Г. Шмакова по вантажним суднам змішаного плавання приведені описи та викладені окремі аспекти проектування порівняно крупних суден вантажопідйомністю від 1500т та вище. Окремі аспекти проектування суден змішаного плавання для китайських річок та прибережного плавання вздовж тихоокеанського узбережжя викладені Xiong Kou та Latorre Robert.

В книзі Н.К. Дормидонтова, В.Н. Анфімова, П.А. Малого, Б.А. Пахомова та Н.Л. Шмуйлова розглянуті майже усі сучасні методи проектування, припустимі взагалі до порівняно крупних СЗП.

Другий розділ присвячений вибору напрямків досліджень. Щоб проходити в умовах мілководдя, вузькостей фарватерів з урахуванням розмірів існуючих мостів та шлюзів, МСЗП мають малі головні розміри та обумовлені риси АКТ. Оброблені статистичні дані та аналіз існуючої інформації вказують, що цим умовам відповідають малі судна вантажопідйомністю до 1000т та довжиною до 65м. Чисельні вимоги до цих суден та тенденції розвитку передбачають виділення їх як самостійні категорії при проектуванні та побудові. Стосовно до суднобудівної практики В'єтнаму до МСЗП входять судна вантажопідйомністю від 200т (проекти Н-57, Н-114) до 1000т (проект Н-95) довжиною від 30м до 65м. Їх конструкція та будова відрізняються максимальною раціональністю та простотою, припустимими з точки зору діючих стандартів. Незначне підвищення розмірів при проектуванні таких суден по Правилах приводить до серйозних ускладнень конструкції, та, в підсумку, до різкого збільшення вартості.

В умовах ринкової економіки та конкуренції для того, щоб реально оцінити на початковому цьому етапі комерційні та технічні риси майбутнього судна, необхідні його головні розміри та коефіцієнти повноти, маса порожнього судна та деякі інші характеристики.

Мета цієї роботи викреслюється в світі необхідності проектування та будівництва групи суден змішаного плавання, яка передбачена Програмою відродження флоту В'єтнаму. Більшість рік В'єтнаму та їх притоки на значній частині мають обмежену глибину та ширину фарватеру. В змішаних перевезеннях вантажів по цим шляхам вагому роль грають порівняно малі за розмірами МСЗП. З-за умов, пов'язаних з обмеженням висоти над водою, вони не мають розвинутих надбудов та рубок. Їх повна теоретична місткість судна з обумовленими поправками достатньо точно характеризується об'ємом корпусу. Основну частину останнього представляє об'ємна водотоннажність. Порівняно обмежений шар між КВЛ та паралельною їй ватерлінією, проведеною на рівні нижньої розрахункової палуби, часто виконаною без вигибу та сідлуватості, визначається висотою надводного борту. Остання пов'язана з відносною вантажомісткістю, основними елементами та співвідношеннями розмірів. Таким чином, основні елементи МСЗП, співвідношення їх головних розмірів та характеристики залежать в значній мірі від місткості.

Розділ 3 присвячено якісному та кількісному аналізу параметрів та характеристик МСЗП. Відомо більше 12 АКТ СЗП. Для МСЗП підходять один-два АКТ. Основним з них уявляється гладко палубне судно з однією палубою, з кормовим МВ та з вантажним приміщенням, розділеним або, при необхідності, поділеним на два. Бак може бути відсутнім, а необхідна висота в носовій частині отримується збільшенням надводного борту на необхідну ординату сідлуватості на носовому перпендикулярі. При цьому палуба залишається горизонтальною зовні носового закінчення. Остання обставина покращує умови розміщення та закріплення на палубі контейнерів та генеральних вантажів. Висота їх складання, також, як і число ярусів рубок у кормі, обмежується можливістю проходу під мостами. Рульова рубка, при цьому, може опускатися, а щогли тимчасово завалюються.

Під час руху МСЗП на мілководді з обмеженим фарватером по внутрішнім водним шляхам, важливо забезпечити можливість збереження достатньо високої та практично стабільної швидкості на різних глибинах, які можуть зустрітися в реальних умовах експлуатації. Проблеми з гідродинамікою таких суден на мілководді в стислому фарватері за багато десятиріч їх експлуатації привели до розміщення між трюмом та форпіком, відсіку з підрулюючим пристроєм (останнім часом іноді типу помпа-водомет). Використання як рушіїв МСЗП подібних установок та гвинторульових колонок призвели до серйозного зменшення розмірів МВ.

При порівняно малих розмірах МСЗП та вузькому діапазоні їх зміни, достатньо зрозумілим є прагнення до отримання максимальної місткості. Останнє приводить до підвищення коефіцієнтів повноти та зміни окремих співвідношень розмірів. Форма мідельшпангоута наближується до прямокутної, а його площа визначається можливостями експлуатації на річках та в каналах. Рівняння місткості для МСЗП може бути записано у вигляді:

W_т = LBD.C_b.(mC_b + n), (1)

де m та n визначають на основі аналізу статистичних даних; в середньому вони можуть бути прийняті рівними m = 0,70; n = 0,20.

Осадка МСЗП може бути представлена виразом:

d = (1,0 - 0,002L)D - 0,15, м. (2)

Максимальна осадка може бути визначена у першому наближенні за виразом:

d = 0,055L + 0,6 м ( 0,1 м). (3)

Відношення L/B можливо визначити по наступній формулі:

L/B = 9,1 - 29,1/В, (4)

при цьому:

В = 0,11 L + 3,17 м ( 0,5 м). (5)

Висота борту визначається виразом:

D = 0,0675L + 0,575 м ( 0,2 м). (6)

Враховуючи, що МСЗП мають досить повні утворення, а довжина циліндричної вставки складає біля 0,4 L, площі носових та кормових теоретичних шпангоутів можуть бути визначені в частках від площі міделя до верхньої палуби, коефіцієнт повноти якого майже дорівнює одиниці. При десяти теоретичних шпаціях та по одному половинному перерізу в носовій та кормовій частинах значення коефіцієнтів можуть бути прийняті рівними 0,04; 0,2; 0,36; 0,75 та 0,96 - для носової кінцевості судна та 0,15; 0,30; 0,45; 0,76 та 0,96 - для кормової.

Для МСЗП практично відсутні опубліковані систематизовані характеристики мас. Фактичні їх значення по окремим суднам дозволяють розглянути такі укрупнені показники, як вимірники маси корпусу та порожнього судна, віднесені до добутку кубічного модуля на коефіцієнт загальної повноти LBDC_b. Так як у МСЗП енергетичні установки порівняно малі, то вимірник маси корпусу з обладнанням може достигати 90% від маси його порожнем. В цілому вимірник маси корпусу, віднесений до кубічного модуля, змінюється в діапазоні 0,18 - 0,30 т/м³ . Відносно більше значення мають маси обладнання, включаючи люкові закриття та пристрої. Їх доцільно оцінювати окремо. В цілому маса обладнання складає біля 0,55 LB або 1,85LBD^2/3 . Маса сучасних люкових закриттів понтонного типу або типу Folding в залежності від прольоту може бути прийнята від 0,15 до 0,25 т/м² . Масу одного погонного метра комінгсу в залежності від висоти h можна аппроксимувати виразом 0,15h.

При посадці на рівний кіль або з малим диферентом на корму МСЗП повинні мати максимальні можливості маневрування ЦВ ізольованого баласту при вельми обмеженому розміщенні та плануванні приміщень, можливостей відхилення положення ЦВ вантажу. Для цього на сучасних МСЗП прагнуть максимально приблизити ЦВ вантажних приміщень до міделя. При їх загальній довжині біля 0,65L, відстань середини в ніс від міделя складає (0,02 - 0,03)L.

Можливості диферентівки значно покращує розміщення в корму за перебіркою форпіка приміщення для підрулюючого пристрою. Саме приміщення по довжині в випадку розміщення помпи- водомету разом з привідним двигуном складає біля 0,09L.

Апліката ЦВ Zg в значній мірі характеризує остійність МСЗП. У суден в'єтнамської побудови Zg складає (0,8 -:- 0,9)D. ЦВ бортових баластних цистерн розміщується на висоті біля 0,4D. При значній ширині з метою упомірнення качки на 25 - 30% завищують висоту подвійного днища. Рубки на сучасних МСЗП мають 2-3 яруси. Їх висота у середньому складає 2,3м, а відносна маса 40-50 кг/м³ в залежності від ступеня насичення обладнанням.

Маса корпусу сучасних однопалубних МСЗП може бути розрахована по модифікованій формулі E.V. Telfer:

W = 0,06xL^1,67 .B^0,67 D^0,33 (7)

До відносно недавнього часу розміри конструктивних елементів корпусів МСЗП призначались тільки в залежності від головних розмірів, вважаючи їх умовними вимірниками зовнішніх сил. Цей емпіричний метод оцінки зовнішніх сил базується на величезному досвіді експлуатації. Застосування такого методу до розглядуваних суден одного призначення, які відносяться до порівняно вузького діапазону АКТ та розмірів з помірною швидкістю, уявляється в певній мірі виправданим. Встановлені в процесі багаторічної практики товщини та розміри конструктивних елементів існуючих МСЗП успішно забезпечують міцність при усьому різноманітті умов їх експлуатації.

При виборі форми обводів корпусу МСЗП необхідно задовольнити низці суперечливих вимог. З точки зору місткості, зручності розміщення вантажу та проведення вантажних операцій доцільним є максимальне приближення по формі до прямокутного паралелепіпеда. На відміну від звичайних скруглених форм кормової кінцевості, останнім часом відмічається тенденція до застосування транцевої корми з плоскими частинами поверхні. Ці плоскі частини використовуються для розміщення гвинторульових колонок, або установок типу “помпа - водомет”. Необхідність отримання прийнятних ходових морехідних характеристик з урахуванням особливості гідродинаміки суден в умовах значного мілководдя змушує загострити відповідним чином носову та кормову кінцевість, округляти в районі скули та добиватися визначеного положення центра величини.

Надання судну цих або інших необхідних якостей в розумних межах допускає деяку толерантну зміну чисельних параметрів, які характеризують форму обводів. Зокрема, коефіцієнт загальної повноти може бути вибраний практично однаковим при змінюванні швидкості в 20-відсотковому діапазоні.

МСЗП за своїм призначенням суттєву частину строку служби експлуатується в умовах значного мілководдя, тобто коли осадка майже не відрізняється від глибини фарватеру. В цих умовах вкрай важливим є здобуття стабільної посадки судна. При наближенні до кризових швидкостей задача ускладнюється появою гідродинамічних вертикальних складових, які викликають просадку судна та дотикання до днища. МСЗП із-за невеликих розмірів попадає в зону кризових значень швидкостей, а ступінь впливу мілководдя на його гідродинамічні характеристики залежить від того, наскільки експлуатаційна швидкість наближується до кризової. У зв'язку з цим практичним виглядає рішення встановлювати в носовій кінцевості судна помпу-водомет, який здійснює вертикальну складову упору за рахунок відхилення на 13⁰ - 15⁰ від горизонтальної осі потоку, що викидається.

На початкових стадіях проектування звичайно передбачається, що відповідне розташування ЦВ та достатнє значення метацентричної висоти, яка обумовлює початковий кут нахилу діаграми статичної остійності, дозволяє при подальшій перевірці впевнитись у достатній остійності судна по іншим критеріям, зокрема на великих кутах крену.

Розділ 4 присвячений алгоритму визначення основних характеристик МСЗП на початкових стадіях проектування. Найбільш повний варіант вихідних даних складає вантажопідйомність, питомий вантажний об'єм та тип вантажу, чисельність екіпажу та пасажирів, швидкість та марку двигуна, автономність, експлуатаційні обмеження, наявність вантажних пристроїв та кращий тип люкових закриттів.

Мінімальний варіант завдання може пропонувати одну характеристику МСЗП, залишаючи вибір останніх на розсуд проектанту при виконанні певних умов і, звичайно, вимог діючих регламентуючих та нормативних документів. У цьому разі завдання може містити, наприклад, водотоннажність або вантажопідйомність (чисту або повну) та передбачати визначення проектантом інших параметрів.

Основний сценарій визначення головних елементів передбачає обчислення теоретичної вантажомісткості за виразом:

W_гр = k..Р_гр,

де k = 1,1 для генерального вантажу та k = 1,02 для рідкого вантажу;

- питомий об'єм вантажу, м³/т.;

Р_гр - вантажопідйомність МСЗП, т.

Коефіцієнт загальної повноти Cb приймається рівним 0,70 - 0,75 або визначається по модифікованій формулі Ayre:

Cb = 1,104 - 0,125v/^1/6 (8)

Ширина МСЗП визначається безпосередньо по вантажомісткості за допомогою формули, отриманої на основі регресійного аналізу статистичних даних по збудованим суднам:

B = ³{(W_T xb/l )/Cb(mC_b + n)}, (9)

де відношення b = B/D та довжина судна до ширини l = L/B можуть бути прийняті по регресійним залежностям:

B/D = 15,82Cb + 0,005DWT - 10,474 (10)

l = L/B = 1,7v_е (11)

В цілому співвідношення в перших дужках у формулі (9) змінюються в середньому від 0,30 для однопалубних і 0,45 для двохпалубних суден.

Довжина судна L та висота борту D визначаються по встановленим раніше значенням відношень L/B та B/D.

Осадка максимальна встановлюється шляхом віднімання від висоти борту надводної його частини, яка визначається по Конвенції про вантажну марку.

Водотоннажність визначається з рівняння плавучості.

Потужність СЕУ рекомендовано визначати шляхом розрахунку опору води рухові судна та буксировочної потужності з подальшим визначенням пропульсивного ККД та потужності установки. Для грубої оцінки значення потужності СЕУ може бути здобуто по модифікованій формулі Ганзена:

Ne = 14,4.10^-2.DW^1/2.v³, кВт. (12)

Після вибору головних характеристик, уточнення обводів і конструктивних елементів, проводиться оцінка економічної ефективності. Вона визначається порівнянням доходів та повних витрат на побудову та експлуатацію проектованого судна.

Доходи від експлуатації суден оцінюються у відповідності з рівнем тайм-чартерних ставок, які склалися на фрахтовому ринку В'єтнаму. Витрати на будівництво оцінюються виходячи з традиційних умов фінансування судноплавства (кредит - 8,5 років, банківський процент - 8% річних) з урахуванням дисконтування фінансових засобів (норма дисконтування - 12%).

Поточні експлуатаційні витрати судновласників складаються з витрат по утриманню екіпажу, докуванню, ремонту, страхуванню, матеріально - технічному забезпеченню та інших постійних витрат. Наприклад: розрахунковий термін окупності одноразових фінансових засобів на будівництво судна водотоннажністю 1100т, довжиною 59м, складає 5,3 роки.

При варіанті кредитування будівництва судна прибуток, який дисконтується, складає біля 100 тис. амер. дол. за 8,5 років, а при наступній експлуатації судна, до моменту списування на злом, забезпечує одержання прибутку, який дисконтується у розмірі 0,55 млн. амер. дол.

Висновки

1. Стан проблеми в значній мірі характеризується з одного боку зростаючою потребою в більшій групі порівняно малих за розмірами МСЗП, здатних перевозити малі партії різноманітних вантажів морем та по прохідним річковим системам, - а з другого боку, практично повною відсутністю надрукованих робіт з проектування подібних суден.

У світі існує всього декілька рік, у гирла яких можуть заходити порівняно крупні морські судна. По європейській класифікації внутрішніх водних шляхів та суден внутрішнього плавання теплоходи дедвейтом 3000 т та більше можуть експлуатуватися на водних шляхах VI класу та вище. Подібні габарити, наприклад, Дунай має лише на морській ділянці гирла довжиною 170 км до Браїли на всьому протязі трансєвропейського водного шляху від Чорного до Північного моря 3505 км (з рахунком каналу Рейн - Майн - Дунай). При цьому не враховується загальноєвропейська водяна транспортна система, яка включає біля 12 країн.

Водні транспортні системи достатньо широко використовуються в США, Японії, Китаї, В'єтнамі, Бангладеш та інших країнах. Система внутрішніх водних шляхів України в відповідності за Переліком, затвердженим Постановою Кабміну № 640 від 12 червня 1996р. складає 13 річок та 2 лимани. З'єднання Дніпр-Вісла-Одер (Неман) входить в сферу національних інтересів України. Вона буде сприяти оптимізації транспортних зв'язків України з Польщею, Німеччиною та іншими країнами Європи. У зв'язку з хронічним перевантаженням наземних трас, серйозна увага приділяється розвитку водяних транспортних перевезень вантажів у змішаному ріка-море сполученні.

2. Уявляється доцільним утворити окрему групу малих суден змішаного ріка-море плавання, відзначених в цій роботі МСЗП - малотоннажні судна змішаного плавання. МСЗП представляють в повному розумінні гібрид морських та річкових суден. До їх характеристик, конструкцій, улаштування та компонування пред'являють специфічні вимоги. Вони суттєво відрізняються як від морських, так і від річкових суден. Їх характеристики обумовлюються вимогами експлуатації та обмеженнями плавання у морі - по району плавання або по стану погоди. Вони здатні здійснювати поставки малих партій різноманітних вантажів у змішаному сполученні та вільно маневрувати в умовах мілководних річок з мостами та прибережного морського плавання. Економічно доцільні розміри цих суден передбачають зведення до мінімуму витрат на їх будівництво а їх конструкція та будова відзначаються максимальною раціональністю та простого, допустимого з точки зору діючих стандартів та Правил класифікаційних товариств.

Щоб проходити в умовах мілководдя, вузькостей фарватерів з урахуванням розмірів існуючих мостів та шлюзів, ці судна мають обмежені головні розміри та визначені риси АКТ. Як вказують оброблені статистичні дані та аналіз інформації, вищезгаданим умовам в основному відповідають малі судна вантажопідйомністю до 1000 т та довжиною до 65 м. Існуючі чисельні вимоги до цих суден та тенденції їх розвитку передбачають виділити їх в самостійну категорію при проектуванні та побудові.

Майже усі опубліковані роботи по проектуванню суден змішаного плавання базуються на концепціях досягнення максимально можливої вантажопідйомності, тобто відносяться до порівняно великих суден. Для них вирішальним виявляються обмеження розмірів шлюзів тощо. При цьому виникають проблеми із забезпеченням міцності таких суден.

Порівняно з крупними вантажними суднами на визначення основних елементів МСЗП значно більший вплив має достовірне урахування таких параметрів та характеристик, як АКТ та принципова компоновка; відносна вантажна місткість, місткість та співвідношення розмірів, вимірники навантаження та координати ЦВ; обводи та ходовість; посадка та остійність. Конкретні рекомендації по вказаним питанням практично відсутні, а приведені окремі вимірники та дані відносяться, як правило, до раніше побудованих суден та передбачають необхідність їх обґрунтування та коректування.

3. Оптимізація МСЗП фактично зводиться до мінімізації вартості побудови, або до minimize life cycle cost. Сучасний процес проектування в розширеному розумінні з позицій системного підходу включає не тільки розробку і оформлення комплексної технічної документації, але і пошук оптимальних рішень при визначенні основних характеристик судна, який веде до розширення кола проектних задач. Передумовою будь-якої оптимізації є наявність деякої свободи рішення. Якщо, наприклад, головні елементи та їх співвідношення не можуть варіюватися, то вони не можуть бути оптимізованими. Оптимізація головних елементів та параметрів форми практично неможлива, якщо об'єм та напрямки перевезень, а також характеристики вантажів носять випадковий характер. Використання однакового математичного апарату для того, щоб мати можливість об'єктивно оцінювати вплив зв'язків підсистем та їх параметрів на характеристики судна в цілому передбачає наявність формалізованих залежностей. При проектуванні ключовими виявляються залежності для мас. Формули з безперервною залежністю маси механізмів, обладнання та пристроїв від розмірів не відповідають істинному характеру змінювання цих мас взагалі, а особливо для малих суден, для яких відносний вплив цих мас значно більш суттєвіший, ніж для крупних суден. Для подібних складових звичайно характерна ступінчаста залежність або незалежність від розмірів.

Проектування та побудова МСЗП носить звичайно одиничний характер, розробка для якого спеціального математичного апарату та програм по витратам може бути порівняна з його побудовою. Більш доцільного представляється сучасна модифікація інтегральної локально-обчислювальною мережі (ІЛОМ) у вигляді, наприклад, нового покоління системи TRIBON M1. Розроблена компанією Kockums Computer Systems (KCS) нова версія TRIBON передбачає можливість геометричного моделювання корпусу та виконання розрахунків статики та динаміки по заданим головним розмірам та характеристикам. Далі може бути виконано набір корпусу по Правилам класифікаційного товариства та необхідні креслення і документація.

Подібна система використовується в практиці Науково-дослідного та Проектно-конструкторського Інституту Транспортної Промисловості В'єтнаму, у Ханої.

4. Виявлена толерантність повноти обводів МСЗП (коефіцієнта загальної повноти) до відносної швидкості у значному діапазоні (20%).

Як показує багаторічна практика експлуатації, швидкість існуючих МСЗП в середньому коливається від 7 до 12 вузлів та звичайно не перевищує чисел Fr = 0,27 - 0,28. При швидкостях Fr = 0,15 - 0,20 та відношенні глибини до осадки 1,2 опір води рухові збільшується приблизно на 20%, порівняно з його величиною на глибокій воді. Хвильовий опір сягає максимальних значень при критичній швидкості. При глибині 2 м критична швидкість складає 8,6 вузла, а при глибині 2,5 м - 9,7 вузла. На визначених напрямках діапазон коливань швидкості значно зменшується та, відповідно, менше здійснюється її вплив на повноту обводів.

Коефіцієнт загальної повноти МСЗП з урахуванням толерантності та порівняно невеликого діапазону зміни швидкості може бути прийнятим наприклад, рівним 0,7 -:- 0,75 або визначеним по модифікованій формулі Ayre.

5. Вибір архітектурно-конструктивного типу МСЗП може бути зведено до одного - двох варіантів. Основним з них є гладко палубне судно з однією палубою, з кормовим МВ та з вантажним приміщенням, розділеним або, при необхідності, поділеним на два, з подвійним днищем на усьому протязі між перебірками піків, та подвійними бортами в районі вантажних трюмів з широкими люками, які обладнані водонепроникними механізованими закриттями. Бак може бути відсутнім, а необхідну висоту в носовій можна отримати, якщо збільшити надводний борт на потрібну ординату сідлуватості на носовому перпендикулярі, залишаючи горизонтального палубу зовні носової кінцевості. Остання обставина покращує умови розміщення та закріплення на палубі контейнерів та генеральних вантажів. Висота їх укладання, також, як і кількість ярусів рубок у кормі, обмежується звичайно можливістю проходу під мостами. Рульова рубка, при цьому, інколи виконується опускною, а щогли тимчасово завальними. Мала за чисельністю команда (менше 10 чоловік), звичайно розміщується в каютах надбудови або рубки на кормовій ділянці палуби.

Кормове МВ визначає розташування ЦВ порожнього судна в корму від міделя, а його відносна довжина впливає на абсцису ЦВ судна вантажем, на диферентівку та ходову посадку. Вельми вдалим є розміщення в цій зоні на перспективних МСЗП відсіку для помпи-водомету або підрулюючого пристрою.

6. Висота борту МСЗП в кінцевому підсумку, як правило, визначається максимальним значенням осадки та безпечної величини надводного борту за діючою Конвенцією з вантажної марки. Необхідність забезпечення достатньої остійності та задовільних параметрів качки приводить до стабільних величин співвідношення висоти борту до ширини при визначених розмірах судна, які кількісно характеризуються, частково, місткістю.

7. Рівняння місткості дозволяє з достатнім ступенем точності визначити основні характеристики МСЗП на початкових етапах проектування. Отримані регресійні залежності, враховуючи випадковий характер перевезень у значній мірі та різноманітні характеристики вантажів, що перевозяться, дозволяють з достатньою точністю на початкових етапах проектування визначити основні характеристики судна по місткості. Виявлена значна толерантність коефіцієнта загальної повноти при реальних діапазонах зміни швидкості дозволяє у більшості випадків зафіксувати його значення на практично досягнутому рівні та побудувати для цієї величини з доступною точністю епюру місткості з використанням даних по уніфікованим кривим типу Formdata.

Побудовані на початкових етапах схема компонування та епюра місткості дають можливість раціонально розташувати вантажні та підручні приміщення і визначити їх об'єми та положення ЦТ. Останнє особливо важливо для забезпечення оптимальної посадки МСЗП при різних випадках завантаження та з розрахунком можливих гідродинамічних факторів.

Наявність достатньо точної епюри місткості на початковій стадії дозволяє визначити місткість танків ізольованого баласту і диптанків та встановити положення їх ЦВ.

Побудовані на ранній стадії схема принципової компоновки та епюра місткості дозволяє оцінювати характер розподілу навантаження та розрахувати величини згинаючих моментів на тихій воді та на хвилюванні і оцінити необхідні міцнісні характеристики та вибрати значення конструктивних елементів.

8. Виявлені регресійні залежності дозволяють не тільки визначати характеристики МСЗП на початкових стадіях проектування по основному алгоритму при повному варіанті вихідних даних, але й вирішувати випадкові практичні задачі за різноманітними сценаріями з альтернативними варіантами вихідних даних.

Основні положення дисертації відображені в публікаціях

Нгуєн Хай Ань, Ларкін Ю.М. Особливості малотоннажних суден змішаного плавання // Судоходство, 1997. №3-4. С. 34-35.

Нгуєн Хай Ань, Ларкін Ю.М. Особливості проектування малотоннажних суден змішаного плавання // Вісник ОДМУ, 1998. №1. С. 107-110.

Nguyen Hai Anh, Iu.M. Larkin. Algorithm in design of small sized ships for sea-going purpose // The Transport Journal Vietnam, 1998. №4. Р. 20-22.

Нгуєн Хай Ань, Ларкін Ю.М. Обводи корпусу та швидкість малотоннажних суден змішаного плавання // Вісник ОДМУ, 1999. №3. С. 94-96.

Анотація

Нгуєн Хай Ань. Визначення головних характеристик малотоннажних суден змішаного плавання на початкових стадіях проектування - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.03 - механіка та конструювання суден - Український державний морський технічний університет ім. адм. Макарова, Миколаїв, 2000.

Відокремлена група малотоннажних суден змішаного плавання (МСЗП) ріка-море вантажопідйомністю до 1000 т зі специфічними рисами та відношеннями головних характеристик. Визначена толерантність коефіцієнтів загальної повноти до зміни відносної швидкості та залежність їх головних розмірів від місткості. Отримані регресивні залежності та розроблено алгоритм проектування МСЗП на початкових стадіях при альтернативних варіантах вихідних вимог.

Ключові слова: малотоннажні судна змішаного плавання, алгоритм проектування на початкових стадіях.

Аннотация

Нгуен Хай Ань. Определение главных характеристик малотоннажных судов смешанного плавания на начальных стадиях проектирования - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03 - механика и конструирование судов - Украинский государственный морской технический университет, Николаев, 2000.

Работа состоит из списка условных обозначений, введения, четырёх разделов, выводов, перечня использованных источников и приложений. Ее объем составляет 143 страницы. Перечень использованных источников включает 75 наименований.

Первый раздел посвящен краткому обзору опубликованных работ применительно к проектированию малотоннажных судов смешанного плавания (МССП). Они представляют гибрид морского и речного судов, к характеристикам которых, конструкциям, устройствам и компоновке предъявляются специфические требования. На определение элементов МССП большое влияние оказывает правильный учет АКТ и принципиальная компоновка, относительная грузовместимость, вместимость и соотношения размерений, измерители нагрузки и координаты ЦТ, обводы и ходкость, посадка и остойчивость. Опубликованные конкретные рекомендации по указанным вопросам практически отсутствуют.

Раздел 2 посвящен выбору направлений исследований. Чтобы проходить в условиях мелководья, узкостях фарватеров с учетом размеров существующих мостов и шлюзов, МССП должны иметь небольшие главные размерения и определенные черты АКТ. Обработанные статистические данные и анализ существующей информации показывают, что этим условиям соответствуют небольшие суда грузоподъемностью до 1000т и длиной до 65м. Требования к этим судам и тенденции развития предполагают выделение их в качестве самостоятельной категории при проектировании и постройке. Их конструкция и устройство отличаются максимальной рациональностью и простотой, допустимой с точки зрения действующих стандартов. МССП обычно не имеют развитых надстроек и рубок. Их полная теоретическая вместимость судна с определенными поправками достаточно точно характеризуется объемом корпуса. Следовательно, основные элементы МССП, соотношения их главных размерений и характеристики зависят в значительной степени от вместимости.

Раздел 3 посвящен качественному и количественному анализу параметров и характеристик МССП. В частности, уравнение вместимости рассматривается в виде:

W_т = LBD.C_b.(mC_b + n).

Получены регрессионные зависимости: проектной и максимальной осадки от длины судна и высоты борта; отношение длины к ширине; высоты борта от длины; массы оборудования и массы корпуса от размерения. Обнаруженная толерантность коэффициента общей полноты к изменению скорости в 20% диапазоне допускает возможность использования вычисленных средних значений площадей носовых и кормовых теоретических шпангоутов до верхней палубы в долях от площади миделя для построения эпюры вместимости на ранней стадии проектирования.

Раздел 4 посвящен алгоритму определения основных характеристик МССП на начальных стадиях проектирования при альтернативных вариантах исходных данных. Основной сценарий определения главных элементов предполагает использование теоретической грузовместимости. Ширина МССП определяется непосредственно из грузовместимости W_T по формуле:

B = ³{(W_T xb/l )/Cb(mC_b + n)},

Коэффициенты в которой принимаются по регрессионным зависимостям.

Осадка максимальная устанавливается путем вычета из высоты борта надводной его части, определенной по Конвенции о грузовой марке.

Водоизмещение определяется из уравнения плавучести.

Мощность СЭУ рекомендуется вычислять путем расчета буксировочной мощности. Для грубой оценки приведены формулы.

Оценка экономической эффективности производится после выбора главных характеристик, уточнения обводов и конструктивных элементов. Она определяется сопоставлением доходов и полных затрат на строительство и эксплуатацию судна.

Доходы от эксплуатации оцениваются в соответствии с уровнем тайм - чартерных ставок на фрахтовом рынке Вьетнама. Затраты на строительство оцениваются при традиционных условиях финансирования судоходства (кредит - 8,5 лет, банковский процент - 8% годовых) с учетом дисконтирования финансовых средств (норма дисконтирования - 12%).

Практическое использование полученных зависимостей и рекомендаций предполагается при разработке характеристик судов пополнения флота Вьетнама с участием автора в RESEARCH AND DESIGN INSTITUTE OF TRANSPORT INDUSTRY и TRADING IMPORT AND EXPORT COMPANY (TRADIMEXCO).

Ключевые слова: малотоннажные суда смешанного плавания, алгоритм проектирования на начальных стадиях.

Abstract

Nguyen Hai Anh. Preliminary small sea/river ship design. Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05.08.03 - mechanic and construction of ships. - Ukrainian state maritime technical university, Nikolaiev, 2000.

The group of small sea/river-going ship combined (SSRS) up to 1000 tones deadweight with specific features and relations between the main characteristics are selected. It is set that their block coefficients are tolerant of the ship speed ratio changes but their main dimensions are variable from capacity. The regression relations are estimated and the algorithm of preliminary SSRS design is developed for alternative operational requirements.

Key words: small sea/river ships, preliminary ship design algorithm.

Размещено на Allbest.ru

...