CC BY
74УДК 629.12.037.21
А.А. Кеслер, кандидат технических наук, доцент, ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а
КОНСТРУКТИВНЫЕ ТИПЫ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОГО КОМПЛЕКСА ГРУЗОВЫХ СУДОВ СМЕШАННОГО (РЕКА-МОРЕ) ПЛАВАНИЯ
Ключевые слова: грузовое судно, движительно-рулевой комплекс, винто-рулевая колонка, поворотливость, устойчивость на курсе, пропульсивный комплекс судна.
Рассмотрены конструктивные типы движительно-рулевого комплекса (ДРК) судов смешанного (река-море) плавания, в том числе судов оборудованных винто-рулевыми колонками. Выполнен сравнительный анализ показателей судов, снабженных винто-рулевыми колонками, и судов с «традиционными» техническими решениями по ДРК с точки зрения их управляемости и ходкости.
На современных судах речного и морского флота, наряду с «традиционной» схемой выполнения движительно-рулевого комплекса (ДРК), все более широкое применение находят винто-рулевые колонки (ВРК). Масштабы применения ВРК позволяют рассматривать это направление как сформировавшуюся устойчивую тенденцию в мировом судостроении.
Известно, что при «традиционной» схеме ДРК положение оси работающего винта (или плоскости его действия) относительно корпуса судна не меняется. Для изменения направления отбрасываемого винтом потока (для создания рулевой силы) в составе ДРК используется поворотная насадка или руль (активный или пассивный).
При применении ВРК положение винта относительно корпуса судна изменяется за счет поворота его оси вокруг вертикальной оси колонки.
Широкое применение ВРК получили на грузовых судах, спроектированных Морским инженерным бюро (МИБ, г. Одесса, Украина): проекты (далее - пр.) -006Я8Б02, 006Я8Б05, 007Я8Б07, Я8Б44, 005Я8Т01, Я8Т22 (табл. 1).
Ниже представлен сравнительный анализ судов с ВРК и судов с «традиционными» вариантами ДРК.
Представляет интерес сравнить суда этих типов по поворотливости в режиме полного хода.
Из числа судов, спроектированных МИБ и представленных в табл. 1, «традиционную» схему ДРК имеет теплоход пр. Я8Б19. Это судно (рис. 1) спроектировано по заказу иранской судоходной компании и предназначено для плавания, в основном, в морских районах. По желанию заказчика на судне применена 2-х вальная движитель-ная установка с винтами в неповоротных насадках. В табл. 1 приведены показатели судна пр. 006Я8Б05, (рис. 2) разработанного также МИБ и имеющего практически равные значения главных размерений корпуса и мощности главных двигателей по сравнению с теплоходом пр. Я8Б19. Первое из этих судов снабжено винтами и установленными за ними рулями («традиционная» схема ДРК), второе - двумя ВРК.
Кривые траекторий циркуляции этих судов, по данным МИБ [1], приведены на рис. 3; они позволяют сравнить их поворотливость. Сопоставление траекторий движения судов по диаметру циркуляции показывает, что у теплохода пр. 006Я8Б05 значение Б примерно на 20% меньше; такое же соотношение по этим судам и между значениями относительного диаметра циркуляции (р = Р, где Ь - длина судна по КВЛ).
Ь
Таблица I
С'удя смешанного (рекя-морс) плавании
.Ча проекта, наименование головного судна ripC06RSD02. «Надежда» rip.006RS[X>5. «Гейдар Алиев» npRSD19, «Хазар» I lp.007RSU07. «Таиаис» RSD44 "Кал тан Ругманкин и Пр-OOSRST 01. «Армада» Пр. RST22, «Нова» Армада» np.RSDl I, «Челси-1» Пр.00101. «Русич» Пр.1%10. «Волга» Пр.05074М. «Волжский -43»
Класс судна КМвЛУ2 011 СП Л1 КМФЛУ1 Шпл| КМФЛУ2 0IA1 КМвЛУ1 011 СП A3 +0-Пр2.0 (лед 20) А КМ®ЛУ1 011А1 KM«1cc2R 1 AUT1 KM*Icel R2-RS4 КМФЛУ2 0IAI кмФлз В1АЗ КМ*.'14 II СП
Длина по КВЛ. V Ширина по КВЛ. м 133.8 134.0 135.7 133.9 138.9 132.8 134.5 135.0 122.8 134.0 135.0
16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 16.6 16,5 16.5 16.4 16,5
Высот борга, м 6.0 6.0 6.0 6,0 5,0 6.0 6.0 5.5 6.1 6.7 5.5
Осадка, м: река1' морс (ЛКВЛ) 3,6'4,6 3,6'4.6 3,6/4.6 3,6/4,6 3,6/3,53 3,6/4,3 3,6/4,6 3.6/4.1 3,6/4,2 3.6/4.7 .../3,75
Количество и мощность (кВт) главных двигателей 2*1150 2x1120 2x1200 2x1120 2x1200 2x1120 2x1200 2x883 2x1140 2*970 2x883
Количество движителей и рулен 2 ВРК Aquamaster USI55 FP 2 ВРК «Schottel» SRP-I0I0 FR 2 нинtu в неповорот ных насадках. 2 р\ ля 2 ВРК Aquamaster US 155 FP 2 ВРК «Schottel» SRP-I0I2 FR 2 ВРК «Schottel" SRP-I0I0 FR 2 ВРК «Schottel» SRP-I012 FR 2 ВФШ в ловоротн ых насадках 2 откры тых винта. 2 руля 2 ВФШ в поворот ых насадках. 1 руль 2 ВФШ в повороти ых насадках
Мощность подрул ниаюшег о устройства. кВт 160 230 200 200 120 ... 230 72 160 135 95
Скорость хода при осадке по ЛКВЛ. км/ч, при % от МДМ 19.4 (85%) 21.8 (100%) 22,0 (85%) 19,4 (85%) 22.0 (85%) 21,3 (100%) 19.4 (90%) 19.4 (100%) 20,4 (90%) 18,5 (100%) 19.2 (90%)
Сокращенные обозначения в табл. 1 и 2: ЛКВЛ летняя конструктивная ватерлиния в море. ВФШ - винт с фиксированным шагом
ВРШ винт с регулируемым шагом
МДМ - максимальная длительная мощность главного двигателя ВРК - вннто-рулевая колонка
-ь. ä ."=> «• ISO
'S s o r^
Рис. 1. Схема общего расположения сухогрузного судна пр. PSD 19. Вид сбоку
Рис. 2. Общее расположение судна пр. 006RSD05. Вид сбоку
Рис. 3. Сравнение маневра «циркуляция» при перекладке руля на 35 градусов
Вывод о том, что применение на судне ВРК позволяет улучшить его поворотливость, подтверждается также при сравнении судов пр. Я8Б17 и пр. 005Я8Б03 (см. ниже).
Представленные в табл. 2 суда пр. Я8Б12, 17620, Я8Б17, 005Я8Б03 и 00352 характеризуются как суда ограниченного морского плавания с возможностью их эксплуатации на устьевых участках рек; другие суда составляют подгруппу судов прибрежного морского плавания (коастеров)*.
* Coaster - каботажное судно в европейском судостроении. Коастеры - это, как правило, однотрюмные суда, предназначенные для перевозки генеральных и навалочных грузов в европейском «каботаже»; они интенсивно эксплуатируются в прибрежных морских условиях с эпи-96
Теплоход пр. Я8Б17 имеет «традиционную» схему ДРК - один винт и размещенный за ним руль; судно пр. 005Я8Б03 снабжено двумя ВРК и стабилизатором курса, который закреплен на днище в диаметральной плоскости. Сравниваемые суда имеют одинаковые значения ширины корпуса при относительно меньших значениях длины корпуса (на 9,6%) и осадки (на 5%) у теплохода пр. 005Я8Б03.
При этих условиях рассмотрим показатель поворотливости судов в ходу по данным рис. 3. Диаметр циркуляции судна пр. Я8Б17 составляет около 210 м, а судна пр.
005Я8Б03 - около 150 м; относительный диаметр (— = —) соответственно равен 1,8
Ь
и 1,4.
Отличие между судами по значению Б составляет около 20%; т.е. поворотливость в режиме полного хода у судна пр. 005Я8Б03, оборудованного двумя ВРК, существенно лучше, чем у судна с «традиционной» схемой ДРК.
Применение ВРК на малых скоростях хода, в частности у причала, позволяет улучшить маневренность судна. Этим можно объяснить то, что у судна пр. 005Я8Б03 по сравнению с теплоходом пр. Я8Б17 мощность носового подруливающего устройства в 3 раза меньше (табл. 2).
Управляемость судна, как известно, определяется его поворотливостью и устойчивостью на курсе. Применение ВРК вносит особенности в задачу обеспечения устойчивости на курсе, особенно в условиях волнения. В связи с этим рассмотрим технические решения, обеспечивающие устойчивость на курсе судов с «традиционным» ДРК и при установке ВРК.
Суда, представленные в табл. 1 и 2 с этой точки зрения можно разделить на четыре группы.
а) Суда пр. Я8Б11 и пр. 05074М являются результатом модернизации судна типа «Волго-Дон» и «унаследовали» ДРК этого судна. У рассматриваемых судов, имеющих «традиционный» ДРК, валопровод под корпусом судна удерживается V - образным кронштейном; они не имеют рулей и стабилизаторов курса в кормовой оконечности корпуса. Эксплуатация этих судов на море допускается при умеренном волнении (знак ограничения района - II СП).
б) Суда проектов Я8Б19, 00101, 19610, 17620, Я8Б17 и 00352 имеют знак ограничения по району плавания на море - I, т.е. их эксплуатация допускается при значительном волнении. Это обстоятельство нашло отражение при выборе средств стабилизации курса судна. На судах проектов Я8Б19, 00101, 17620 и Я8Б17 за винтом установлен руль с повышенной площадью пера. Очевидно, что наличие руля позволяет использовать его и для стабилизации хода судна на курсе.
На судне пр. Я8Б19 дополнительным средством удержания курса является стабилизатор, закрепленный на днище кормы в диаметральной плоскости (см. рис. 1).
Оригинальное решение принято на судне пр. 00101: каждый из гребных валов за пределами корпуса судна размещен в объемной наделке (рис. 4). Очевидно, что наделки, удерживая валопроводы, служат также стабилизаторами курса судна.
Отличительной особенностью корпуса судна пр. 00352, имеющего ширину 16,4 м
и длину 103 м, является относительно малое значение его удлинения (Ь = 6,3). Этим обстоятельством можно объяснить то, что при одновинтовой пропульсивной установке, для обеспечения курса судна на нем установлены три руля (диаметральный за винтом и два бортовых).
зодическими заходами во внутренние водные бассейны. Длина этих судов, как правило, не превышает 85 м.
На теплоходе пр. 19610 два винта установлены в поворотных насадках, а крепление валопроводов на корпусе выполнено с помощью V - образных кронштейнов. Между винтами, в диаметральной плоскости судна, размещен руль. При таком относительном расположении винтов и руля последний в малой мере воспринимает поток, отбрасываемый винтами; рулевая сила, особенно при малых скоростях хода, в основном создается за счет поворота насадок. Можно ожидать, что роль руля заключается в основном в обеспечении курса судна. Схему расположения и функциональное назначение органов ДРК судна пр. 19610 можно рассматривать как «отдаленный прототип» движительно-рулевого комплекса судов с ВРК.
в) Показатели судов прибрежного плавания (коастеров) даны в табл. 2; при длине корпуса около 85 м осадка этих судов по ЛКВЛ составляет не менее 4,3 м. Все суда этой группы имеют однотипную «традиционную» схему ДРК: один винт и руль за ним. Установка винта в диаметральной плоскости сопряжена с разработкой соответствующих обводов кормы. В кормовой оконечности этих судов, с целью уменьшения вихреобразования перед винтом, ватерлиниям придают заостренную форму. Такая форма кормовой оконечности повышает устойчивость судна на курсе, отпадает необходимость установки специального стабилизатора курса.
г) В табл. 2 даны показатели ряда судов, снабженных бортовыми ВРК; последние поставляются фирмами «Aquamaster» и «Schottel». Обводы кормовой оконечности судов этой группы приближены к санообразным с незначительной килеватостью (рис. 5). Для обеспечения устойчивости судов на курсе на днище кормовой оконечности корпуса в диаметральной плоскости, жестко крепится стабилизатор.
Рис. 4. Кормовая оконечность судна пр. 00101
Сравнительный анализ энергетической эффективности пропульсивного комплекса (ДРК - корпус судна) судна оборудованного ВРК и судна с «традиционной» схемой ДРК можно выполнить по данным теплоходов пр. RSD12 и пр. 17620.
Ряд характеристик этих судов даны в табл. 2, а показатели пропульсивного комплекса - в табл. 3.
Длина и ширина корпуса, а также полное водоизмещение судна пр. RSD12 (сравниваемое судно) превышает соответствующие показатели теплохода пр. 17620 (базовое судно).
Сравнение теплоходов по относительным показателям Ь/Б и ЕгЬ, которые влияют на ходкость судна, показывает, что по Ь/Б отличие составляет менее 3%, а по ¥гЬ -менее 8%. На ходкость судна (главным образом на сопротивление его движению) существенное влияние оказывает полнота его корпуса (коэффициент полноты водоизмещения - 8). Для теплохода пр. 17620 коэффициент 8 = 0,87, что находится в диапазоне характерных значений (8 = 0,85---0,87) коэффициента для грузовых судов смешанного (река-море) плавания. Для судна пр. Я8Б12 коэффициент полноты водоизмещения равен 0,905. Здесь отметим, что относительно высокие значения этого коэффициента (8= 0,9) приняты на ряде грузовых судов, спроектированных МИБ.
При отмеченных условиях получены и даны в табл. 3 удельные показатели, ха-растеризующие ходкость сравниваемых судов: мощность приходящаяся на 1т полного водоизмещения (Р ) и мощность на 1 т дедвейта (Рм ). По этим показателям затраты мощности ГСЭУ у судна пр. Я8Б12, превышают затраты теплохода пр. 17620 более, чем на 10%. Это при том, что водоизмещение у теплохода пр. Я8Б12 на 26% больше, а число ¥тЬ меньше на 8%, чем у судна пр. 17620. Известная из практики проектирования судов тенденция - у сопоставимого судна при увеличении водоизмещения удельные энергозатраты уменьшаются, в данном случае не выполняется. Более того, имеет место увеличение этого показателя с ростом водоизмещения.
О более низкой энергетической эффективности пропульсивного комплекса судна с ВРК по сравнению с «традиционным» комплексом свидетельствует также сравнение между судами пр. 006Я8Б05 и пр. Я8Б19 (табл. 1). Значения скорости хода этих судов (21,8 км/ч и 22,0 км/ч) отличаются менее чем на 1%. При этом соответствующие значения суммарной мощности главных двигателей составляют: ЕР = 2 х 1120 = 2240 кВт (пр. 006Я8Б05) и ЕР =2 х (1200 х 0,85) = 2040 кВт (пр. Я8Б19).
В итоге имеем, что при практически равных скоростях хода, мощность, затрачиваемая на движение судна пр. Я8Б19 на 9% (200 кВт) меньше, чем соответствующая мощность у судна пр. 006Я8Б05.
Относительно худшие показатели по энергоэффективности у судов пр. Я8Б12 можно объяснить следующими обстоятельствами, которые нашли отражение в литературе по судостроению.
Винто-рулевые колонки, в силу необходимости размещения за винтом объемной конструкции его привода, имеют более низкий к.п.д. по сравнению с движителем в составе «традиционного» ДРК.
Принятая для судна пр. Я8Б12 нетипичная (большая) полнота погруженного объема корпуса (8 = 0,905) явилась причиной повышенного сопротивления воды его движению. Об этом свидетельствует критическая реакция ряда специалистов [2] [3] [4].
Стабилизатор
Рис. 5. Теоретическая модель кормовой оконечности
Коммерческая эффективность судов определяется как результирующий показатель, который зависит от ряда факторов, в том числе эффективности пропульсивного комплекса. В этом плане отметим следующее: руководитель МИБ указывает на то, что [5] «Выбор ВРК (винто-рулевой колонки) для проектов МИБ производился на основании специальных (стоимостного, массогабаритного и риск-ориентированного) исследований в сравнении с обычными одно- и двухвальными модификациями проектов».
Список литературы:
[1] Егоров Г.В. Сухогрузное многоцелевое судно проекта RSD17 «Мирза Халилов» с повышенным экологическим классом / Г.В. Егоров, Ю.И. Исупов, В.И. Тонюк. - СПб. // Судостроение. 2007.- №4. - С. 14-19.
[2] Ершов А.А. О коэффициентах общей полноты СОРП. / А.А. Ершов, Б.П. Коротков. - СПб. // Судостроение, 2010. - №6. - С. 18.
[3] Горбачев Ю.Н. К вопросу о некоторых новых тенденциях при проектировании грузовых судов ограниченного района плавания / Ю.Н. Горбачев. - СПб. // Судостроение, 2009. - №5. -С. 51-52.
[4] Рабазов Ю.И. «Волго-Доны» лучше. - СПб. // Судостроение. 2012, №3. - С. 31.
[5] Егоров Г.В. Выбор главных элементов сухогрузных и нефтеналивных судов смешанного «река-море» плавания. - СПб. // Судостроение. 2014. - №6. С. 10-16.
CONSTRUCTIVE TYPES AND EFFICIENCY ANALYSIS OF PROPULSION-STEERING COMPLEX OF RIVER-SEA GOING VESSELS
A.A. Kesler
Keywords: vessel, propulsion-steering complex, with screw-rudder complex, turning ability, stability of course
Constructive types of propulsion-steering complex of river-sea going vessels, including vessels equipped with screw-rudder complex. A comparative analysis is performed relating to vessels equipped with screw-rudder complex as well as vessels with traditional technical solutions for DRC in terms of the controllability and propulsion.
УДК 629.124.9.039
В.И. Любимов, д.т.н, профессор ФБОУ ВПО «ВГАВТ» М.Ю. Гусельникова, студентка ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБОСНОВАНИЯ АРХИТЕКТУРНО-КОНСТРУКТИВНОГО ТИПА СКОРОСТНОГО СУДНА
Ключевые слова: пассажирское скоростное судно, архитектурно-конструктивный тип, корпус, надстройка, рулевая рубка, машинное помещение, движительно-рулевой комплекс, виртуальная модель судна, судовая архитектура, архитектурный анализ.
В статье рассматриваются вопросы обоснования архитектурно-конструктивного типа скоростного судна, позволяющие на стадиях концептуального проектирования сформировать виртуальную модель судна и выполнить архитектурный анализ.
