Визначення головних розмірів швидкісних однокорпусних водомістких суден на початкових стадіях проектування

Размещено на http://www.allbest.ru

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ МОРСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. АДМІРАЛА МАКАРОВА

Спеціальність 05.08.03 "Механіка та конструювання суден"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Визначення головних розмірів швидкісних однокорпусних водомістких суден на початкових стадіях проектування

Каніфольський Олександр Олегович

Одеса - 2003

Дисертація є рукописом.

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

Науковий керівник - кандидат технічних наук, Ларкін Юрій Маркович, Одеський національний морський університет, доцент кафедри теорії і проектування корабля

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, Дихта Леонід Михайлович, Миколаївський державний гуманітарний університет ім. Петра Могили комплексу “Києво-Могилянської Академії”, професор кафедри фізико-математичних наук

- кандидат технічних наук Єгоров Геннадій В'ячеславович, Морське інженерне бюро, м. Одеса, генеральний директор

Провідна установа - Одеська національна морська академія. Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться 22 грудня 2003 року о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д38.060.01 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 17 листопада 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Доктор технічних наук, професор Рижков С.С.

Размещено на http://www.allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Україна має винятково вигідне географічне положення і необмежені транзитні можливості, у тому числі й у частині розвитку швидкісних морських перевезень. Досвід, накопичений у результаті експлуатації в Чорноморсько-Азовському регіоні суден на підводних крилах (СПК), типів "Метеор", "Ракета", "Комета", "Колхіда", "Циклон" підтверджує необхідність організації таких ліній. У 1981 році в басейні діяло п'ятнадцять регулярних ліній, що зв'язували українські, російські і грузинські порти. За даними звіту про науково-дослідну роботу “Анализ соответствия эксплуатации СПК в условиях Черноморско-Азовского бассейна”, який був виконаний в Одеському інституті інженерів морського флоту, можна зробити висновок про якість використання СПК у регіоні. Комфортабельні умови для пасажирів зберігаються при висоті хвилі біля чотирьох метрів у СПК із глибокозануреними автоматично керованими крилами. Повторюваність хвиль, такої висоти протягом року, наприклад на лінії Одеса - Стамбул, складає менш 15%.

Спроба експлуатації в Чорноморсько-Азовському регіоні швидкохідних катамаранів зштовхнулася з великим числом проблем, викликаними в основному особливостями хвилювання в басейні. Якісна оцінка ситуації проведена в роботі відомого проектувальника пасажирських суден Б.З. Леві. По його даним прискорення в носовій частині пасажирського катамарана, при подовжній хитавиці, на швидкості п'ятнадцять вузлів і висоті хвилі не набагато більше одного метра складають 0,3g. Це значення прискорення перевищує рекомендовану межу, яка дорівнює 0,15g. Середня повторюваність протягом року хвиль меншої висоти складає в регіоні усього близько 40%.

Відновлення і розвиток розгалуженої мережі швидкісних морських перевезень, яка діяла раніше можливо. З огляду на усе вищесказане, вимальовується один з можливих варіантів забезпечення швидкохідних перевезень у Чорноморсько-Азовському і Середземноморському регіонах - шляхом упровадження якісно нових швидкохідних однокорпусних водомістких суден (ШОВС), яким притаманні високі морехідні якості.

Аналіз побудованого за останні роки швидкохідного флоту показує, що такі судна (іменовані часто "Deep V") успішно розвиваються. Вони будуються й експлуатуються протягом ряду років в Італії, Франції, Німеччині, Японії, Іспанії, Норвегії, Китаї і призначаються для перевезення пасажирів і накатної техніки (автомобілів, трейлерів). Будуються й успішно експлуатуються ШОВС, призначені тільки для пасажирських перевезень, охорони водних ресурсів, а також лоцманські судна. Ці швидкохідні однокорпусні водомісткі судна (ШОВС) працюють, як правило, у перехідному режимі і при вдало обраній формі корпуса можуть зустрічати порівняно невеликий опір, при русі. Розходження сезонних пасажиро- і вантажопотоків визначає можливе варіантне використання суден. У пік літнього сезону на борті може перевозитися велике число пасажирів і невелика кількість вантажу. У зимовий час року, коли пасажиропотік знижується, судно може використовуватися в основному для перевезень техніки (трейлери, автомобілі) і пасажирів. Розвиток суден цього типу, звичайно іменованих Ferry, представляється перспективним напрямком для відновлення флоту України. Цьому сприяють малі розміри Чорного моря, близько 300 x 600 морських миль, що дозволяють швидкісним суднам перетинати його за обмежене число годин. Розвиток у Чорноморсько-Азовському регіоні ліній швидкохідних поромів надає більш широкий діапазон варіантів експлуатації судна і представляється перспективним. До недоліків швидкохідних суден можна віднести: високу енергооснащеність (тобто більш висока годинна витрата палива) і необхідність регулярного міжрейсового технічного обслуговування. Крім того їхня економічна ефективність істотно залежить від умов конкретного маршруту (довжини, метеоумов, гідрофізичних особливостей фарватеру, інтенсивності і структури вантажо- пасажироперевезень). З огляду на ситуацію на українському ринку морських перевезень, можна виділити декілька ліній, які представляються перспективними. Лінія, що зв'язує порти Одеса і Стамбул є завантаженої практично цілий рік і за даними судноплавної компанії "Укрферри" спостерігається досить стабільний потік пасажирів і вантажів. Визначний інтерес представляють лінії, що зв'язують українські порти з грузинським узбережжям. Напрямок на порти Болгарії крім завантаження пасажирами і вантажами протягом року, може випробувати сплеск перевезень зв'язаний з курортним сезоном.

Можна чекати, що зростаючий інтерес до якості перевезень приведе судноплавні компанії до необхідності покупки і будівлі нових сучасних суден. На теперішньому етапі практично відсутні опубліковані методики проектування швидкохідних однокорпусних водомістких суден (ШОВС), тому поява цього дослідження представляється актуальним. Аналізуючи приведену вище інформацію, можна прийти до висновку про необхідність розвитку в Чорноморському регіоні ШОВС. Близьке розташування Середземного моря відкриває додаткові можливості суднам цього типу. Сумний досвід 11 вересня 2001 року і зросла після цього довіра подорожуючих до морського транспорту розширила обрії розвитку ШОВС, що будуть здійснювати пасажиро- і вантажоперевезення між Європою й Америкою. Уже маються повідомлення про розробку відповідних плавзасобів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами демонструється спільним проектом Одеського національного морського університету (ОНМУ) і судноплавної компанії "Укрферри", що припускає проектування і можливу будівлю швидкохідного порома для лінії Одеса - Стамбул. Результати роботи впроваджені в наступних організаціях: СК “Укрферри”, Українському Дунайському пароплавстві, впровадження результатів підтверджене відповідними актами. Результати дисертаційного дослідження входять до розробки держбюджетної теми № 57-03 ГБ.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка алгоритму і бази даних для визначення головних розмірів швидкісних однокорпусних водомістких суден. При цьому під водомістким розуміється режим, при якому вага судна переважно або цілком підтримується гідростатичними силами, а максимальна швидкість дорівнює або більше . Досягнення поставленої мети потребує рішення декількох задач: вивід рівнянь, що дозволяють визначити головні розміри; вибір оптимальних обведень корпусу; вагового навантаження; оцінку початкової й аварійної остійності, непотоплюваності, ходовості, міцності; аналіз даних по побудованих суднах і побудова залежностей.

Методи дослідження. Інтеграція методів розроблених вітчизняними та закордонними науковцями є основою для даного дисертаційного дослідження. Формули для розрахунку коефіцієнта загальної повноти відносної довжини отримані за допомогою метода найменших квадратів та теорії помилок. При вивчені аварійної остійності і непотоплюваності ШОВС був використаний метод постійної водотоннажності. В основу розрахунків коефіцієнта повноти площини проектної ватерлінії та поперечного метацентричного радіусу покладені методи інтегрування відповідних математичних кривих. В основу розрахунків початкової остійності, хитавиці та прискорень при зустрічі судна з хвилею покладені методи теорії корабля та гідродинаміки. Достовірність оцінки ваги судна на початковій стадії проекту здійснювалася методами статистики. Розрахунки опору води при русі судна проведені за допомогою методів Тейлора та Бунькова. судно опір вода

Наукова новизна отриманих результатів підтверджується наступним:

Удосконалено, шляхом оцінки статистичних даних, формули для розрахунків коефіцієнта загальної повноти і відносної довжини ШОВС та одержав подальший розвиток спосіб визначення коефіцієнта повноти ватерлінії і поперечного метацентричного радіусу за допомогою інтегрування відповідних кривих і зроблені розрахунки кутів між дотичними до цих кривих і діаметральною площиною.

Доопрацьовано метод оцінки аварійної остійності судна на початковій стадії проекту і розроблене програмне забезпечення, що дозволяє визначати значення відношення ширини судна до осадки, з урахуванням остійності у випадку аварії та запропоновано форму рівняння початкової остійності ШОВС. Зроблено аналіз значень відносної поперечної метацентричної висоти, для побудованих суден цього типу, у випадку скупчення пасажирів у борта.

Дістав подальший розвиток метод оцінки опору води при русі суден перехідного режиму, який враховує зміну змоченої поверхні судна та є більш простим в порівнянні з відомими.

Вперше запропоновано алгоритм визначення головних розмірів ШОВС, що максимально враховує специфіку суден цього типу.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується коректним застосуванням математичного апарату при розв'язанні задач проектування та якісним збігом результатів розрахунків з даними по побудованим суднам цього типу.

Наукове значення роботи. Вперше розроблений системний метод проектування ШОВС і складений алгоритм визначення їхніх головних характеристик на базі спільного рішення рівнянь, що дозволяють на ранній стадії врахувати особливості устрою та експлуатації таких суден. До основних характерних рис ШОВС можна віднести форму корпусу; значення коефіцієнтів його повноти; характер вантажу; конструктивні особливості; підходи до вибору матеріалів з якого виготовляється судно; складові суднової енергетичної установки і вплив цих та інших факторів на розрахунок вагового навантаження.

Практичне значення результатів складається в одержанні алгоритму, що дозволяє визначати головні розміри ШОВС, з урахуванням вимог до початкової й аварійної остійності, непотоплюваності, ходовості, міцності і вагового навантаження. Практичне застосування передбачається надалі в співробітництві з потенційними замовниками й із судноплавною компанією "Укрферри" та Українським Дунайським пароплавством (УДП), з метою подальшого проектування і можливої будівлі швидкохідних суден. Методика визначення головних розмірів ШОВС та креслення № 103312-010-01 були розглянуті на технічній раді УДП (протокол № 9 від 6.10.2003). Впровадження оформлені відповідними актами. Науково-технічний ефект підтверджується розширенням знання про область проектування швидкісних суден, яке характеризується виявленням нових фактів стосовно забезпечення їх морехідних якостей.

Особистий внесок здобувача відображається в наукових працях, виконаних особисто і у співавторстві. В перших трьох статтях, опублікованих здобувачем особисто розглянуті данні по сучасних побудованих ШОВС. Виділений діапазон відносних швидкостей, який характеризує швидкісні водомісткі судна. Запропоновано залежності, які пов'язують головні розміри суден цього типу. З багатьох математичних кривих, що описують носову частину ватерлінії суден відібрано декілька характерних для ШОВС. За допомогою інтегрування цих кривих отримано значення коефіцієнтів повноти площини ватерлінії та формули для розрахунків поперечних метацентричних радіусів. Розглянуті вимоги сучасних класифікаційних товариств до аварійної остійності швидкісних суден. Запропоновано серію графіків, що пов'язують відносну поперечну метацентричну висоту, відносну довжину затоплення та відношення ширини судна B до осадки d. Вищезгадані графіки запропоновано використовувати для визначення відношення B/d, з урахуванням вимог до аварійної остійності ШОВС. Побудовано графік залежності значення відносної поперечної метацентричної висоти від відношення ваги пасажирів до водотоннажності сучасних ШОВС. Визначено значення коефіцієнта, який входить до рівняння розрахунку періоду поперечної хитавиці. Це в подальшому дає змогу оцінити прискорення біля борту судна та допомагає спроектувати ШОВС з задовільними з точки зору комфорту показниками. В четвертій статті опублікованій у співавторстві, проведений аналіз рівняння вагового навантаження ШОВС. Враховуючи специфіку складу суднової енергетичної установки цих суден та матеріалу корпусу, запропоновано значення коефіцієнтів, що входять в це рівняння. Розробка рівнянь та значень коефіцієнтів в цих рівняннях виконані дисертантом особисто. Загальну постановку задачі здійснював керівник к.т.н. доцент кафедри "Теорії і проектування корабля" ОНМУ Ю.М. Ларкін.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися і схвалені на науково-методичних конференціях професорсько-викладацького складу Одеського національного морського університету, Українського державного морського технічного університету ім. адм. Макарова; засіданнях кафедри "Теорії і проектування корабля" ОНМУ; СК "Укрферри"; семінарі “Актуальные вопросы технической эксплуатации судов и плавсредств морских (речных) портов, судоремонтных заводов и судоходных компаний Украины”, Українському Дунайському пароплавстві.

Опубліковано дев'ять статей, що відбивають основні положення дисертації, чотири з яких у виданні, яке регламентоване вимогами ВАК України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури і додатків. Повний обсяг роботи складає 153 сторінки, з яких 17 сторінок займають малюнки і додатки. Список літератури складається з 55 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ дисертації присвячений оглядові опублікованих робіт стосовно до швидкохідних однокорпусних водомістких суден.

У зв'язку з важливістю забезпечення високої швидкості значна увага приділялася роботам по опорі середовища рухові і формі обведень. При проектуванні суднової поверхні швидкохідних суден необхідно особливо ретельно вибрати оптимальні співвідношення головних розмірів і значення коефіцієнтів, що характеризують корпус. Ці параметри впливають на ходові якості судна, його остійність і водотоннажність. Виникає необхідність приділити увагу таким параметрам як: форма обведень, коефіцієнт статичного навантаження, положення центра ваги, відносна довжина, килеватість днища на міделі, звуження кормової частини судна, кут зовнішньої килеватості на транці. Досить великий діапазон зміни форм суднової поверхні охоплюють роботи М.М. Бунькова, W.J. Marwood і A. Sіlverleaf, P.M. Beys, L.H. Lіndgren і A. Wіllіams, W.J. Marwood і D. Baіley, A.F. Molland, J.F. Wellіcome і P.R. Couser, Брауна, Н.С. Володина, Нордстрема, Гроота.

Корисні рекомендації з проектування невеликих швидкохідних суден містить книга конструктора Пітера дю Кейна. Застосування його досліджень серйозно обмежено зрослими за останнім часом розмірами швидкохідних суден, необхідністю враховувати не тільки характер хвилювання в регіоні, для якого проектується судно, але і передбачити необхідні площі й обсяги вантажних і пасажирських приміщень. Важливе значення при цьому має облік сезонного характеру потоків вантажів, конкретизація питань вибору форми обведень майбутнього судна, непотоплюваності, аварійній остійності, міцності.

У книзі проф. В.В. Ашика зазначені шляхи визначення водотоннажності судна по рівнянню навантаження в алгебраїчній формі або по диференціальному способу, приведений статистичний матеріал і дані рекомендації з визначення головних розмірів суден. Опубліковані в цьому джерелі рекомендації дають деякий обсяг інформації для проектування швидкохідного судна, але висвітлюють судна, що працюють на початку перехідного режиму руху, при числах Фруда FrL< 0,6. Режими експлуатації сучасних швидкохідних водомістких суден розширені до відносних швидкостей 0,8.

Робота, проведена в Інституті проектування суден і теорії корабля технічного університету в Ганновері відносилася до області проектних розробок великих швидкохідних контейнеровозів і поромів з гострими обведеннями теоретичного креслення. У цих дослідженнях недостатньо повно освітлені практичні рекомендації з призначення головних розмірів ШОВС.

Однієї з останніх розробок (2001 рік) в області проектування швидкохідних суден є праця австралійських проектувальників доктора Prabhat K Pal і доктора Dugald Peacock. Розроблена ними програма дозволяє визначити головні розміри судна проектувальникові, що має доступ до їх комп'ютерного продукту. У цій роботі освітлені судна з діапазоном відносних довжин що не цілком охоплюють реальні ШОВС і відсутній аналіз характеру поводження спроектованих суден у випадку аварії.

При виборі характеристик форми ШОВС автор керувався роботами Л.М. Броннікова, Л. М. Ногіда, А.Ліндблада, Д. Тейлора, В.Л. Поздюніна.

Другий розділ присвячений виборові напрямків досліджень. Виділено діапазон, до якого можна віднести швидкохідні водомісткі судна. Для наближеної оцінки різних режимів руху судна звичайно застосовують числа Фруда по водотоннажності FrV. Швидкохідне однокорпусне судно можна віднести до групи водомістких, якщо його число лежить у межах від 1 до 2 і можна припустити, що гідростатичні сили цілком або переважним образом підтримують вагу судна. Для позначення грані, вище якої судно можна вважати "швидкохідним", різні класифікаційні товариства дають наступне визначення: "Високошвидкісне судно - це судно, здатне розвивати максимальну швидкість (м/с) рівну або перевищуючу . Якщо, то . З останнього рівняння і вищенаведеного можна одержати FrV=1,18. Отже, судно можна вважати високошвидкісним при Frv1,18. Це число характерне для перехідного режиму руху.

Формули для розрахунку коефіцієнтів теоретичного креслення суден з відносними швидкостями <1 досить добре вивчені. Судна зі швидкостями перехідного режиму вимагають рішення нових задач в області проектування. Добре відомий вплив коефіцієнта загальної повноти на такі якості судна як ходовість, непотоплюваність, вантажомісткість, вантажопідйомність і непотоплюваність. При проектуванні звичайно вибирають виходячи з розумінь гідромеханіки. Особливо це стає актуальним при проектуванні ШОВС, тому що вони експлуатуються в умовах перехідного режиму і піддані шкідливому впливові хвильових інтерференцій.

Коефіцієнт повноти площі конструктивної ватерлінії (КВЛ) геометрично зв'язаний з формою шпангоутів, коефіцієнтами загальної повноти і подовжньої повноти і кутами загострення КВЛ. Для ШОВС важливо оцінити форму і кути загострення носових і кормових частин КВЛ, тому, що вони впливають не тільки на ходовість, але і на площу пасажирських і вантажних палуб. У різних роботах відзначена необхідність наявності мінімального кута між діаметральною площиною і дотичної до ватерлінії. Величина цього кута, що рекомендується, для суден з відносними швидкостями 0,35 повинна складати 9-140. З безлічі математичних кривих, можна вибрати одну, близьку за формою до КВЛ швидкохідних суден. Крива описується функцією . При підстановці в цю формулу значень довжини L і ширини B зв'язаних співвідношенням =5,5-7,0 кут входу КВЛ =12,5-170.

Аналіз досліджень, проведених у різних опитових басейнах, говорить про те, що для перехідного режиму руху краще підходять корпуси з великими значеннями . При проектуванні важливо проаналізувати залежність відносної довжини від абсолютної з метою забезпечити, при виборі головних розмірів, гарні ходові якості майбутньому судну.

Швидкохідні судна звичайно мають малу тривалість рейсу і тому не обладнуються каютами для пасажирів. Їхні пасажирські салони близькі, по зовнішньому вигляду, до салону літака й у зв'язку з цим на борті судна може перевозитися велике число пасажирів. Для будівлі таких суден застосовуються сталі підвищеної міцності і сплави на основі алюмінію. Перераховані вище фактори специфічно позначаються на положенні центра ваги судна. Швидкості перехідного режиму, при яких експлуатуються пороми, припускають наявність обведень, для яких характерний мінімальний опір води при русі. Це визначає форму ватерліній, що у свою чергу впливає на значення метацентричного радіуса цих суден. Усе вищесказане вимагає уточнення рівняння остійності. Вхідні в рівняння остійності представляються у формі: , , . Попереднє визначення центра величини здійснюється по стройовий по ватерлініях описаної функціями і . Описавши носову і кормову частини ватерлінії функціями і можливе одержання вираження для поперечного метацентричного радіуса ШОВС.

Для вивчення питання аварійної остійності ШОВС у роботі застосований спосіб постійної водотоннажності. Останнім часом розглядається пропозиція внести в HSC Code зміни відносно розмірів можливого ушкодження корпуса "rakіng". Що вносить свої корективи в питання аварійної остійності, непотоплюваності і міцності. Усе це зв'язано із сучасними вимогами різних класифікаційних товариств до формальної оцінки безпеки: ідентифікація небезпек; оцінка ризиків, зв'язаних з цими небезпеками; пошук можливостей контролю цих ризиків; оцінка вартості контролю ризиків; вибір прийнятного рішення. Передбачається збільшити довжину можливого ушкодження судна до 0,55L у носовій частині і до 0,35L на іншій довжині. Для суден категорії В пропонується збільшити довжину пробоїни до 100%L. Передбачуваний район ушкодження - днище нижче ходової ватерлінії. В інших частинах судна розміри ушкоджень залишаються без змін. Застосування детермінованого підходу до призначення висоти затоплюваного відсіку, з обліком запропонованого проф. А.В. Бронніковим можливого напрямку рішення задачі, для суден з відношенням ширини судна до осадки ?4, дозволить більш точно вирішувати цю задачу стосовно до ШОВС. Значення відносини ширини судна до осадки 4 характерні для суден цього типу.

Можливість експлуатації швидкохідних однокорпусних водомістких суден не тільки в чисто пасажирському варіанті, але й у вантажному і вантажопасажирському, вимагає детального підходу до забезпечення безпеки і комфорту для людей, що знаходяться на борту. Для цього зокрема необхідно перевіряти остійність у випадку скупчення пасажирів на одному борті. Людина почуває себе досить комфортно, при значеннях прискорень, що не перевищують 0,1-0,2g. Приймаючи до уваги вираження , для визначення лінійних вертикальних прискорень у борта судна, з книги В.В. Ашика, можна визначити припустиме значення . Коефіцієнт можливо одержати з формули для розрахунку періоду бортової хитавиці.

Збільшення піднімальної сили при зустрічі корпуса з хвилею викликає вертикальну хитавицю судна. Величина виникаючих при цьому ударних навантажень зв'язана квадратичною залежністю зі швидкістю співударяння. Вертикальні перевантаження в районах носового краю і центра ваги практично лінійно змінюються в залежності від кута килеватості. Можливе застосування форми шпангоутів з невеликою плоскою ділянкою в районі килю. Це дозволить знизити ударні навантаження і забезпечити достатню плавучість. Така форма шпангоутів має всі переваги опукло-вгнутих обведень, але їй властива ще і достатня простота. Аналізуючи кут килеватості на побудованих ШОВС (наприклад "Jupіter") можна відзначити, що значення цього кута в носовій частині складає близько 35є, на міделі - 25є і до транця кут зменшується на 5-7є. Для судна "Guіzzo", у якого застосовані обведення з приблизно такими ж кутами килеватості (при характеристиках хвилювання: висота хвилі 3% забезпеченості - 3 метри, довжина - 40 метрів, швидкість - 15,5 вузлів) швидкість судна 35 вузлів, прискорення в районі центра ваги рівні 0,051g.

Однією з найважливіших сторін проектування судна є забезпечення, на ранній стадії проекту, необхідної місткості. Для швидкохідних поромів і швидкісних пасажирських суден характерне забезпечення площ під розміщення накатної техніки, крісел у пасажирських салонах, а також планування площ під бари, ресторани, салони для відпочинку. Місткість судна може бути визначена використовуючи стройову по ватерлініях, продовжену так, щоб охопити надводні об'єми. Стройова може бути побудована як комбінація двох парабол, представлених у книзі В.В. Ашика. Верхня ділянка стройової може бути представлений параболою по Эйлеру виду . Нижня ділянка стройової стосовно до ШОВС краще відбиває формула М.М. Окунева, виду .

Як показує існуюча практика, до ШОВС може бути застосований класичний метод розрахунку опору води R рухові судна - це розбивка на два складові: опір тертя (жтр - коефіцієнт тертя, с - густина води) і залишковий опір Rо. При розрахунках опору тертя, дані по зміні площі змоченої поверхні Щ, можуть бути прийняті по дослідженнях М.М. Бунькова. По залишковому опорі моделей, випробуваних при швидкостях перехідного режиму накопичена велика кількість експериментальних даних. Визначивши опір тертя, з урахуванням зміни площі змоченої поверхні, і підсумувавши його з залишковим опором можна одержати повний опір води рухові судна (без обліку опору виступаючих частин і аеродинамічного опору). Розглянувши дані по побудованим ШОВС можна відзначити, що величина повітряного опору, наприклад для судна "Volcan de Tauro", складає 3% від опору голого корпусу.

При виборі типу рушія в розрахунок беруться вимоги, зв'язані з призначенням ШОВС, особливостями його експлуатації і спрямовані на досягнення високої рентабельності судна, перетворення в силу упора великих агрегатних потужностей головних двигунів. Як рушії на ШОВС застосовуються гребні гвинти і водомети. Ряд достоїнств, властивий водометам, робить їх більш привабливими в порівнянні з гвинтами. Можливість застосування високооборотних нереверсивних двигунів дає розширення діапазону, при виборі головної енергетичної установки. Гарна керованість судном є немаловажним чинником. Відсутність виступаючих частин впливає на опір судна. Зменшення осадки дозволяє розширити діапазон районів експлуатації судна. Більш якісні вібраційні характеристики позитивно позначаються на самопочутті людей, роботі механізмів і міцності конструкцій.

Третій розділ присвячений якісному і кількісному аналізові параметрів і характеристик ШОВС, а також алгоритмам визначення головних характеристик цих суден на початкових стадіях проектування.

Проведено розрахунки чисел Фруда по водотоннажності Frv і по довжині Frl, для швидкохідних однокорпусних суден, побудований графік їхньої залежності та описане їхнє співвідношення формулою .

Коефіцієнт повноти конструктивної ватерлінії необхідно вибирати з розумінь призначення кутів входу носових частин КВЛ і форми кормових частин, які відповідають найкращому забезпеченню ходових якостей і створення великих площ пасажирських і накатних палуб. Задавши для опису носової частини КВЛ функцію , а для кормової - і інтегрувавши ці функції по довжині, одержимо площу КВЛ . Отже, значення можна приймати близько 0,82.

Отримано формулу , по якій можна оцінити коефіцієнт загальної повноти, для суден, що працюють у режимі 0,4Frl 0,8.

Для проектування зручно представити зміну відносної довжини від абсолютних значень довжини суден L. Проведено оцінку залежності цих величин друг від друга й отримана формула .

Для визначення довжини і ширини судна, що забезпечують площі під розміщення накатної техніки, крісел у пасажирських салонах, а також площ під бари, ресторани, салони для відпочинку можливе рішення наступної системи рівнянь, яка пов'язує ходовість і місткість .

Формула початкової остійності, що приведена до виду , враховує специфіку обведень і співвідношень головних розмірів ШОВС. Рішення цього рівняння дозволяє визначити відношення ширини судна до осадки .

Різні класифікаційні товариства вимагають перевіряти остійність судна, у випадку скупчення пасажирів на одному борті, тому що за таких умов може виникнути несприятливий крен. Використовуючи відому формулу моментів можна побудувати графік залежності, необхідної відносної метацентричної висоти (у випадку скупчення пасажирів на одному борті) від відношення сумарної ваги пасажирів до водотоннажності судна P/D. Наближене значення уск для побудованих ШОВС можна прийняти уск=(0,42-0,45)В. Для забезпечення достатньої остійності, варто приймати в межах 0,1-0,12. Зі збільшенням частки ваги пасажирів у водотоннажності необхідні більш високі значення відносної метацентричної висоти.

При призначенні з умов забезпечення аварійної остійності можливий розрахунок по формулі, яка отримана в результаті застосування способу постійної водотоннажності, для вивчення непотоплюваності судна, . Задавши значення коефіцієнтів повноти судна , , можна досліджувати збільшення відносної метацентричної висоти в залежності від відношення ширини судна до осадки у випадку гіпотетичного затоплення відсіку. У результаті розрахунків отримана серія графіків (один з них представлений на мал. 1), при положенні палуби перебірок . Для визначення екстремуму вищенаведеної функції необхідно знайти її похідну. Мінімум функції буде відповідати максимальному падінню відносної метацентричної висоти у випадку аварії .

Однією з найважливіших характеристик, які впливають на опір води в перехідному режимі є коефіцієнт статичного навантаження . З ростом цього коефіцієнта опір також зростає. Тому задача зводиться до прагнення знизити значення , що можливо за рахунок зниження ваги або збільшення ширини судна.

Укрупнене рівняння ваг для ШОВС може бути представлене у формі . При застосуванні комбінації дизелів і газових турбін CODAG (combіnatіon dіesel and gas turbіnes) рівняння прийме вид . Коефіцієнти, що входять у це рівняння дозволяють окремо оцінити вагу встановлюваного дизеля і газової турбіни і врахувати вагу їхнього устаткування. У роботі отримані вимірники ваги обладнаного корпуса , у результаті розрахунків по побудованих суднах.

Мінімум опору в перехідному режимі, основному режимі експлуатації ШОВС, є однією з головних умов, які необхідно задовольнити, при розробці теоретичного креслення. Другою, але не менш важливою умовою є прагнення до зменшення сили удару корпусу об хвилю, а отже задовільних значень прискорень на борту судна. У роботі дані рекомендації з питання розробки теоретичного креслення ШОВС, що дозволяють врахувати ці фактори. На мал. 2-4 приведені форми шпангоутів і лінія скули характерні для цього типу суден.

Використовуючи наближений спосіб визначення зусиль, заснований на даних по перевантаженнях можна оцінити міцність корпуса ШОВС, на початкових стадіях проектування. При одержанні цих даних були використані результати натурних експериментів по суднах на підводних крилах СПК (рух у водомісткому режимі) і наявних теоретичних дослідженнях. Геометрія корпуса ШОВС і СПК подібна, тому можливо застосування результатів цих досліджень при розрахунках міцності. При визначенні розрахункових вертикальних прискорень, сил, що перерізують і моментів враховані сучасні рекомендації різних класифікаційних товариств.

У четвертому розділі роботи проведений аналіз рентабельності ШОВС. Для оцінки прийнятності експлуатації швидкохідного судна в нашому регіоні, пророблений варіант проектування, інвестування і можливої будівлі швидкохідного порома.

В економічній моделі неможливо врахувати всі показники, тому що вона включає безліч припущень: ціни на паливо, заробітна плата команди, невраховані витрати. Звичайно витрати поділяють на постійні і перемінні. Постійні витрати включають відсотки за кредит, страховку, амортизацію, витрати на постачання. Перемінні - пально-мастильні матеріали. Річні постійні витрати, наприклад для судна Austal 150 monohull, складають 11,6 млн. USD (при приблизній ціні такого судна 65 млн. USD).

Вирішувати яке судно більш економічно вигідне необхідно в кожному конкретному випадку. Можлива проста оцінка вартості перевезення одиниці транспорту (пасажира) на одну милю. У цьому випадку приймається, що пасажиро- і вантажопотік постійний (відсутні сезонні коливання). В обчисленнях звичайно приймається, що судно працює 50 тижнів у рік і експлуатується по 18 годин на день.

Ціна судна на початкових стадіях проектування визначена по укрупнених вимірниках. На цьому етапі складно зробити детальну розбивку ваг майбутнього судна по всіх його елементах. Розрахунки показали, що значення відносини ціни судна в доларах США (USD) до ваги порожнього судна лежить у межах 0,021- 0,024 млн. USD/т. Для більш детальної розбивки (вартість обладнаного корпуса, вартість головних двигунів і їхніх устаткувань) отримані коефіцієнти що дозволяють визначити загальну вартість судна точніше.

На основі показників: чистий приведений ефект, індекс рентабельності інвестицій, строк окупності і внутрішньої норми прибутку інвестицій зроблена оцінка ефективності інвестицій у поповнення флоту, для лінії Одеса-Стамбул.

Мінімальний варіант вхідних даних включає лінію експлуатації судна; швидкість; пасажировмісність; автомобілевмістність; вантажопідйомність. Алгоритм проектування містить у собі наступні етапи:

Коефіцієнт повноти площі ватерлінії (лежить у межах 0,75-0,82)

Система рівнянь зв'язує показники ходовості і місткості і дозволяє розрахувати довжину L і ширину судна B

Коефіцієнт загальної повноти

Умова розміщення перебірок

Відносна довжина затоплення

Відношення ширини судна до осадки В/d з рівняння остійності .

Відносна метацентрична висота h/B (остійність, випадок скупчення пасажирів на одному борті, дані по побудованих суднах).

При призначенні з умов забезпечення аварійної остійності, можливе застосування формули або скористатися графіками, приведеними в роботі.

Аналіз отриманих значень і вибір значення, яке задовольняє вимогам початкової й аварійної остійності.

Перевірка прискорень, які виникають у борта судна .

Визначення опору води і потужності суднової енергетичної установки.

Розрахунок вагового навантаження .

Перевірка міцності, з урахуванням умови здирання обшивання, rakіng.

Оцінка рентабельності судна на основі показників: чистого приведеного ефекту, індексу рентабельності інвестицій, строку окупності і внутрішньої норми прибутку інвестицій.

Розробка теоретичного креслення, оцінка значень прискорень виникаючих при зустрічі судна з хвилею.

ВИСНОВКИ

З початку 90-х років ситуація на ринку швидкісних перевезень стала змінюватися в зв'язку з підвищенням попиту на швидкохідні судна. Новим елементом стала можливість використання швидкісних поромів не тільки на коротких, але також на середніх і довгих лініях.

Розходження сезонних пасажиро і вантажопотоків визначає можливе подвійне використання суден. У пік літнього сезону на борту може перевозитися велике число пасажирів і невелика кількість вантажу. У зимовий час року, коли пасажиропотікік знижується, судно може використовуватися в основному для перевезень накатної техніки (трейлери, автомобілі) і пасажирів. Розвиток суден цього типу представляється перспективним напрямком для відновлення флоту України. Досить успішно будуються й експлуатуються (ШОВС) призначені тільки для пасажирських перевезень.

Існує необхідність у розробці проектів і будівлі цих суден для Чорноморського регіону. Близьке розташування Середземного моря відкриває додаткові можливості суднам цього типу.

Для успішного впровадження в життя вищевикладених перспектив у цій роботі запропоновані рішення наступних наукових задач:

1. Уперше розроблений системний метод проектування ШОВС і складений алгоритм визначення їхніх головних характеристик на базі спільного рішення рівнянь, що дозволяють на ранній стадії врахувати особливості устрою й експлуатації таких суден.

2. Позначено значення числа FrV вище якого судно вважається швидкісним, що виявляється корисним при рішенні деяких проблем зв'язаних із забезпеченням морехідних якостей майбутнього судна. Судно можна вважати високошвидкісним при Frv1,18. Це число лежить у межах перехідного режиму руху.

3. Зроблено оцінку залежності Frv від Frl.. Виконано розрахунки цих чисел для швидкохідних однокорпусних водомістких суден і отримана формула .

4. Отримано формулу , по якій можна оцінити коефіцієнт загальної повноти для суден, що працюють у режимі 0,4Frl 0,8. Розширено діапазон існуючих даних з розрахунку , що дозволить більш точно врахувати питання ходовості на початковій стадії проекту.

5. Підібрана крива, близька за формою до КВЛ швидкохідних суден. Крива описується функцією: . Розраховано кути входу ватерліній, при різних відносинах довжини судна до ширини, що дозволить більш детально підійти до рішення питань зв'язаних з ходовістю. Обчислено площі S і коефіцієнти повноти ватерлінії. Ці данні корисні на ранніх кроках проектування при визначенні головних розмірів судна і для попередніх оцінок непотоплюваності й остійності.

6. Проведено оцінку залежності довжини судна від відношення довжини судна до ширини й отримано . Формула виведена на підставі даних по ШОВС, призначених для перевезень пасажирів і накатної техніки. Вираження дозволить спроектувати судно з оптимальним з погляду ходовості подовженням.

7. Рівняння остійності приведене до виду характерному для ШОВС. Вирішивши рівняння можна визначити відношення ширини судна до осадки, оптимальне з погляду остійності.

8. Досліджено збільшення відносної метацентричної висоти в залежності від відношення ширини судна до осадки В/d у випадку гіпотетичного затоплення відсіку. Розрахунки проведені по формулі .

9. Можливість перевезення на борту ШОВС великого числа людей вимагає детального підходу до забезпечення їхньої безпеки і комфорту. Виникає необхідність перевіряти остійність у випадку скупчення пасажирів на одному борті, тому що велике число людей, що знаходяться на судні може привести до несприятливого крену. Побудовано графік залежності, необхідної відносної метацентричної висоти h/B (у випадку скупчення пасажирів на одному борті) від відношення сумарної ваги пасажирів до водотоннажності судна P/V. Виникла необхідність визначити нижню прийнятну межу періоду власних коливань судна, при бортовій хитавиці. Проаналізувавши характер хвилювання в нашому регіоні і врахувавши рекомендації Л.М. Ногіда зроблений висновок про значення t=8сек., як нижньому прийнятному значенні.

10. Для розрахунку опору води при русі можливий наступний шлях. Визначивши опір тертя, з урахуванням зміни площі змоченої поверхні, і сумувавши його з залишковим опором (за даними басейнових іспитів) можна одержати повний опір води рухові судна (без обліку опору виступаючих частин і аеродинамічного опору). Запропонований спосіб визначення опору води рухові інтегрує в собі дві методики, що раніше застосовувалися, і відрізняється малою трудомісткістю.

11. При оцінці ваги швидкохідних суден враховані сучасні напрямки в компонуванні СЕУ надійними і компактними двигунами великої потужності і легким і міцним матеріалом корпуса. На швидкохідні судна транспортного призначення, довжиною до 100 метрів, звичайно установлюють високооборотні дизелі. На суднах великих розмірів часто застосовується комбінація дизелів і газових турбін CODAG (combіnatіon dіesel and gas turbіnes). Такі комбінації дозволяють одержувати сумарні потужності двигунів СЕУ до 200 мВт. При застосуванні системи CODAG рівняння ваг може бути записане у виді . Отримано значення вхідних у це рівняння коефіцієнтів, що враховують тип матеріалу корпусу ШОВС.

12. Запропоновано рекомендації з розробки теоретичного креслення ШОВС. Можливе промальовування КВЛ по одній із кривих, які забезпечують кут входу ватерлінії на один борт 8-15о . Для одержання проекції "корпус" досить зручно задатися трьома перетинами корпуса (при 10 теоретичних), які характеризують морехідні якості судна (величину ударних навантажень при ході на хвилюванні, ходовий диферент).

Отримані результати розвивають накопичений дотепер досвід по проектуванню швидкохідних суден і містять деякі рекомендації пропоновані вперше. У світлі відновлення флоту України ці дані можуть виявитися корисними.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНІ В ПУБЛІКАЦІЯХ

Канифольский А.О. Анализ основных параметров формы быстроходных однокорпусных водоизмещающих судов // Вiсник Одеського Державного Морського Унiверситету. - 2001. - №6. - С. 62-68.

Канифольский А.О. Определене отношения ширины судна к осадке исходя из требований к аварийной остойчивости быстроходных однокорпусных водоизмещающих судов // Вiсник Одеського Державного Морського Унiверситету. - 2001. - №7. - С. 83-89.

Ларкин Ю.М., Канифольский А.О. Оценка весовой нагрузки быстроходных однокорпусных водоизмещающих судов (БОВС) // Вiсник Одеського Державного Морського Унiверситету. - 2001. - №8. - С. 61-63.

Канифольский А.О. Пассажирский фактор при проектировании быстроходных однокорпусных водоизмещающих судов // Вiсник Одеського Державного Морського Унiверситету. - 2001. - №9. - С. 45-48.

АННОТАЦИЯ

Канифольский Александр Олегович. Определение главных размерений быстроходных однокорпусных водоизмещающих судов на начальных стадиях проектирования.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03 - механика и конструирование судов - Одесский национальный морской университет, Одесса, 2003.

Рассмотрена область быстроходных однокорпусных водоизмещающих судов (БОВС) выделяющаяся присущими им соотношениями главных размерений, формой и материалом корпуса. Получены регрессивные зависимости, системы уравнений и разработан алгоритм определения главных размерений этих судов.

Предложены решения следующих научных задач:

Впервые разработан системный метод проектирования БОВС и составлен алгоритм определения их главных характеристик на базе совместного решения уравнений, позволяющих на ранней стадии учесть особенности устройства и эксплуатации таких судов.

Обозначено значение числа FrV выше которого судно считается скоростным, что оказывается полезным при решении некоторых проблем связанных с обеспечением мореходных качеств будущего судна. Судно можно считать высокоскоростным при Frv1,18. Это число лежит в пределах переходного режима движения.

Получена формула , по которой можно оценить коэффициент общей полноты для судов, работающих в режиме 0,4Frl 0,8. Расширен диапазон существующих данных по расчету , что позволит более точно учесть вопросы ходкости на начальной стадии проекта.

Подобрана кривая, близкая по форме к КВЛ быстроходных судов. Кривая описывается функцией . Рассчитаны углы входа ватерлиний, при различных отношениях длины судна к ширине, что позволит более детально подойти к решению вопросов связанных с ходкостью. Вычислены площади S и коэффициенты полноты ватерлинии. Эти сведения полезны на ранних шагах проектирования при определении главных размерений судна и для предварительных оценок непотопляемости и остойчивости.

Проведена оценка зависимости длины судна от отношения длины судна к ширине и получено . Формула выведена на основании данных по БОВС, предназначенных для перевозок пассажиров и накатной техники. Выражение позволит спроектировать судно с оптимальным с точки зрения ходкости удлинением.

Уравнение остойчивости приведено к виду характерному для БОВС. Решив уравнение можно определить отношение ширины судна к осадке, оптимальное с точки зрения остойчивости.

Исследовано приращение относительной метацентрической высоты в зависимости от отношения ширины судна к осадке В/d в случае гипотетического затопления отсека. Расчеты проведены по формуле .

Возможность перевозки на борту БОВС большого числа людей требует детального подхода к обеспечению их безопасности и комфорта. Возникает необходимость проверять остойчивость в случае скопления пассажиров на одном борту, так как большое число людей находящихся на судне может привести к неблагоприятному крену. Построен график зависимости, требуемой HSC Code, относительной метацентрической высоты h/B (в случае скопления пассажиров на одном борту) от отношения суммарного веса пассажиров к водоизмещению судна P/V.

Для расчета сопротивления воды при движении возможен следующий путь. Определив сопротивление трения, с учетом изменения площади смоченной поверхности, и суммировав его с остаточным сопротивлением (по данным бассейновых испытаний) можно получить полное сопротивление воды движению судна (без учета сопротивления выступающих частей и аэродинамического сопротивления).

При оценке веса быстроходных судов учтены современные направления в компоновке СЭУ надежными и компактными двигателями большой мощности и легким и прочным материалом корпуса. На быстроходные суда транспортного назначения, длиной до 100 метров, обычно устанавливают высокооборотные дизели. На судах больших размеров часто применяется комбинация дизелей и газовых турбин CODAG (combination diesel and gas turbines). Такие комбинации позволяют получать суммарные мощности двигателей СЭУ до 200 мВт. При применении системы CODAG уравнение весов может быть записано в виде . Получены значения входящих в это уравнение коэффициентов.

Ключевые слова: быстроходные однокорпусные водоизмещающие суда, алгоритм проектирования на начальных стадиях.

АНОТАЦІЯ

Каніфольський О. О. “Визначення головних розмірів швидкісних однокорпусних водомістких суден на початкових стадіях проектування”.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.03 - механіка та конструювання суден - Одеський національний морський університет, Одеса, 2003. Захист відбудеться в Українському державному морському технічному університеті ім. адм. Макарова.

Освітлена сфера швидкісних однокорпусних водомістких суден (ШОВС) які виділяються притаманними їй співвідношеннями головних розмірів, формою та матеріалом корпусу. Удосконалено, шляхом оцінки статистичних даних, формули для розрахунків коефіцієнта загальної повноти і відносної довжини ШОВС та одержав подальший розвиток спосіб визначення коефіцієнта повноти ватерлінії і поперечного метацентричного радіусу за допомогою інтегрування відповідних кривих і зроблені розрахунки кутів між дотичними до цих кривих і діаметральною площиною. Доопрацьовано метод оцінки аварійної остійності судна на початковій стадії проекту та запропоновано форму рівняння початкової остійності ШОВС. Зроблено аналіз значень відносної поперечної метацентричної висоти, для побудованих суден цього типу, у випадку скупчення пасажирів у борта. Дістав подальший розвиток метод оцінки опору води при русі суден перехідного режиму, який враховує зміну змоченої поверхні судна та є більш простим в порівнянні з відомими. Вперше запропоновано алгоритм визначення головних розмірів ШОВС, що максимально враховує специфіку суден цього типу.

Ключові слова: швидкісні однокорпусні водомісткі судна, алгоритм проектування на початкових стадіях.

ABSTRACT

Kanifolsky Alexander Olegovich. Definition main dimensions of high-speed displacing monohull ships on the first steps of project.

Thesis for a scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 05.08.03 -mechanics and construction of ships - Odessa national maritime university, Ukraine, 2003.

The area of high-speed displacing monohull ships (HDMS) are selected with inherent him correlations main measuring, the form and material of the hull.

Formulas for calculation of block coefficient and length-beam ratio HDMS are received by estimation of the statistical data on modern ships. The waterplane area coefficient and transverse metacentric radius is determined with the help of integration of the appropriate mathematical curves. Angles between tangents to these curves and a diametrical plane are designed. The method of estimation of emergency stability of a vessel at initial stage of the project is made more perfect. The form of the equation of initial stability HDMS is deduced. The values metacentric heights, for the constructed ships of this type are calculated, in case of concentration of passengers at a board. The method of estimation of resistance of water for HDMS is offered. In this method it is taken into account change of the wetted surface of vessel and way of calculation is more simple in comparison with known methods. The algorithm of definition of main characteristics HDMS, which greatly takes into account specificity of ships this type, is offered.

...