Визначення головних характеристик малотоннажних суден змішаного плавання на початкових стадіях проектування - Автореферат

Територія Вєтнаму 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. 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. Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами підтверджується “Програмою відродження флоту Вєтнаму”, який передбачає проектування та будівництво значної групи малотоннажних суден змішаного плавання (МСЗП). Для досягнення поставленої мети необхідно розвязати 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. Обєднані малими розмірами, вони представляють у певному розумінні гібрид морського та річкового суден, до характеристик яких, конструкціям, пристроям та компоновки предявляють специфічні вимоги, які призводять до ідентичних технологічних рішень.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. МСЗП являють собою у повному розумінні гібрид морського та річкового суден, до характеристик яких, конструкцій, пристроїв та компоновки предявляються специфічні вимоги. Шмакова по вантажним суднам змішаного плавання приведені описи та викладені окремі аспекти проектування порівняно крупних суден вантажопідйомністю від 1500т та вище. Стосовно до суднобудівної практики Вєтнаму до МСЗП входять судна вантажопідйомністю від 200т (проекти Н-57, Н-114) до 1000т (проект Н-95) довжиною від 30м до 65м. 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).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. 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). 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. Існуючі чисельні вимоги до цих суден та тенденції їх розвитку передбачають виділити їх в самостійну категорію при проектуванні та побудові. 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.

1. Основний зміст роботи

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, Вєтнамі, 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. Зєднання Дніпр-Вісла-Одер (Неман) входить в сферу національних інтересів України. Вона буде сприяти оптимізації транспортних звязків України з Польщею, Німеччиною та іншими країнами Європи. У звязку 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 предявляють 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 обєм та напрямки перевезень, а також характеристики вантажів носять випадковий характер. Використання однакового математичного апарату для того, щоб мати можливість обєктивно оцінювати вплив звязків 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 Вєтнаму, 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 обєми 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

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

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

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

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