Выбор главных размерений буксиров и толкачей, как и других судов, является одним из самых важных вопросов проектирования. От того, насколько правильно выбраны главные размерения, зависят компоновка помещений, тяговые, маневренные и мореходные качества, стоимость постройки и эксплуатационно-экономические показатели буксиров.
Приведенные ниже рекомендации выработаны на базе опыта проектирования дизельных буксирных судов и обработки статистических данных по новейшим отечественным и иностранным судам рассматриваемых типов.
Каждому типу буксирных судов соответствуют свои характерные значения соотношений главных размерений и осадки. Характер изменения L/B, L/H, B/T и H/T морских буксирных судов можно видеть из табл. 1—7Морские буксирные суда, классификация и виды. Зависимость этих отношений от длины судов показана па рис. 1—4. Для судов внутреннего плавания значения данных соотношений приведены в (Типы буксирных судовБуксирные суда внутреннего плавания, отечественного и зарубежного производства). Заметим, что значения указанных соотношений у буксирных судов внутреннего плавания имеют очень большой разброс точек ввиду значительного влияния габаритов водных путей на размеры судов и осадку.
Рис. 1 Зависимость отношений L/B, L/H, B/T и H/T буксиров-кантовщиков – двухвальных (⬤), с крыльчатыми движителями (◯) и портовых буксиров-ледоколов (◑) от их длины
В зависимости от этих особенностей соотношения L/B, B/T и даже L/H колеблются в широких пределах.
Величина отношения длины корпуса к ширине, от которого зависят ходовые качества и особенно удобство размещения машинного отделения, жилых и прочих помещений, для морских буксирных судов составляет 2,5—5,5, а для судов внутреннего плавания — от 1,6 до 7,0.
Рис. 2 Зависимость отношений L/B, L/H, B/T и H/T одновальных портовых буксиров (◑) и буксиров-кантовщиков (+) от их длины
Небольшие значения отношения L/B портовых буксиров и буксиров-кантовщиков морских портов объясняются стремлением обеспечить им высокие маневренные качества, сократить габариты судна. При этом учитывается, что данные суда в основном работают на малых скоростях, ограниченных условиями работы в портах.
Рис. 3 Зависимость отношений L/B, L/H, B/T и H/T рейдовых одновальных (⬤) и двухвальных (Х), а также морских линейных (◯) буксиров от длины
Как показывают кривые на рис. 3 и 4, относящиеся к рейдовым и морским линейным буксирам, морским многоцелевым и океанским буксирным судам, с ростом длины и расширением района плавания величина отношения ЦВ несколько возрастает. Более высокие значения соответствуют современным скоростям буксировки (6—8 уз) и повышенной скорости свободного хода, способствуют увеличению периода качки, делают суда более мореходными.
Рис. 4 Зависимость отношений L/B, L/H, B/T и H/T морских многоцелевых и океанских буксирных судов от их длины
Широкий диапазон значений L/B (см. табл. 8—12Буксирные суда внутреннего плавания, отечественного и зарубежного производства ) у буксирных судов внутреннего плавания объясняется не только различными условиями плавания, но и способами вождения судов — буксировкой или толканием. Обычно несколько большие значения L/B характерны для буксиров, особенно для дунайских, у которых L/B нередко достигает 6,5—7,0.
Отношение длины к высоте борта L/H характеризует продольную прочность. Правила Регистра предусматривают для морских судов наибольшее значение L/H, равное 14. У морских буксирных судов это отношение находится обычно в пределах, указанных Регистром, более того, для большинства из них характерны относительно меньшие значения L/H, чем у судов других классов. Например, у двухвальных винтовых буксиров-кантовщиков граничными величинами, характеризующими диапазон изменений отношений L/H, могут считаться значения:
- 5,7—7,4 (L = 15 м) и 6,4—7,9 (L = 30 м).
У портовых буксирных судов с крыльчатыми движителями наблюдается более широкий диапазон колебаний значений L/H; границами его можно принять следующие величины отношений:
- 5,4—8,5 (L = 15 м) и 6,0—8,8 (L = 30 м).
Однако среднестатистическая величина L/H у этих буксиров близка к аналогичной величине двухвальных винтовых буксиров-кантовщиков.
Величина отношения L/H портовых буксиров-ледоколов составляет 5,4—7,1 (см, кривую 1 на рис. 1), а у одновальных буксиров и буксиров-кантовщиков колеблется от 5,8 до 8,3 (см. кривую 2 на рис. 1).
У рейдовых и морских линейных буксиров (см. рис. 3) величина отношения L/H равномерно возрастает с увеличением длины и колеблется в пределах:
- 7,0—8,2 (L = 15 м) и 7,5—8,6 (L = 30 м).
Отношения L/H морских многоцелевых и океанских буксирных судов в большинстве случаев (см. рис. 4) возрастают в диапазоне от:
- 6,4—8,0 (L = 30 м) до 10,6—12,2 (L = 70 м).
У буксирных судов внутреннего плавания (см. табл. 8—12Буксирные суда внутреннего плавания, отечественного и зарубежного производства ) отношение L/H составляет от 4,7 до 19,6. Большой диапазон значений L/H объясняется тем, что независимо от длины судна высота борта устанавливается из условий обеспечения необходимой высоты жилых помещений и машинного отделения, а длина в значительной мере зависит от ограничений по осадке.
Поскольку у буксирных судов внутреннего плавания надводный борт, как правило избыточен, для толкачей и буксиров равной мощности существенной разницы в величине L/H не наблюдается, хотя необходимость в запасе надводного борта для обеспечения остойчивости на больших углах крена у буксиров несравненно выше.
Отношение В/Т, от которого зависит остойчивость, качка, ходовые и тяговые показатели, у морских буксирных судов имеет следующие значения:
- у буксиров-кантовщиков с двухвальной гребной установкой:
- винтовых — от 2,5 до 3,5;
- с крыльчатыми движителями — от 2,0 до 4,0.
Средняя кривая для тех и других одна и та же (см, рис. 1) и остается параллельной оси абсцисс, т. е. величина отношения B/T — достаточно установившаяся и с увеличением длины судна почти не изменяется. В среднем она равна 3,0;
- средние значения B/T одновальных буксиров-кантовщиков составляют 2,4. У портовых буксиров отношение B/T уменьшается (см. рис. 2) с увеличением длины в среднем от 3,6 (L = 10 м) до (L= 16 м);
- отношение B/T портовых буксиров-ледоколов колеблется в пределах 2,0—2,5;
- у рейдовых и морских линейных буксиров (см. рис. 3) величина отношения B/T, как и у многих буксиров, не зависит от длины судна и в среднем равна 2,75;
- отношение B/T морских многоцелевых и океанских буксирных судов (см, рис. 4) в среднем составляет 2,5.
Буксирные суда внутреннего плавания в зависимости от класса Речного Регистра имеют следующие величины B/T: класса «Р» от 2,4 до 8,5 и класса «О» — от 2,3 до 4,5. Такой широкий диапазон соотношения B/T для судов внутреннего плавания объясняется, как правило, ограниченной осадкой, что особенно характерно для буксирных судов класса «Р», так как они в основном мелкосидящие.
Отношения H/T имеют следующие значения: у двухвальных буксиров-кантовщиков (см. рис. 1) и портовых буксиров-ледоколов — от 1,25 до 1,55 при среднем 1,4;
- у одновальных портовых буксиров и буксиров-кантовщиков (см. рис. 2) — 1,2 до 1,48;
- у рейдовых и морских линейных буксиров (одновальных) — в среднем 1,35;
- у двухвальных рейдовых буксиров — 1,65 (см. рис. 3).
У морских многоцелевых и океанских буксиров значения H/T составляют от 1,12 до 1,32, достигая у некоторых 1,44 (см. рис. 4).
Величина отношения H/T буксирных судов внутреннего плавания изменяется от 1,4 до 1.8 у мощных толкачей и в пределах 3,4 — у судов мощностью 300 л. с. и менее.
Кривые зависимости длины и ширины буксирных судов от мощности приведены на рис. 5—10, Как следует из рис. 8, построенного на основе табл. 8—12Буксирные суда внутреннего плавания, отечественного и зарубежного производства , ширина зон L и В достаточно велика. Это говорит о большом разбросе значений длины и ширины в зависимости от мощности у построенных буксирных судов внутреннего плавания. Приведенные на графике зоны L и В соответствуют наибольшей насыщенности поля графика соответствующими точками. Точки некоторых построенных судов лежат за пределами зон.
Рис. 5 Зависимость длины винтовых морских портовых буксиров, буксиров-кантовщиков и портовых буксиров-ледоколов (Х), морских портовых и буксиров-кантовщиков с крыльчатыми движителями (⬤), морских рейдовых винтовых буксиров-кантовщиков (◯) от мощности
В табл. 1—12Морские буксирные суда, классификация и виды и на рис. 11 и 12 показана зависимость величины кубического модуля от мощности буксирных судов морских и внутреннего плавания. Наблюдается большой разброс точек, однако для ориентировочной оценки соответствия выбранных главных размерений заданной мощности графики могут быть использованы. Не менее важным показателем, характеризующим качество выбранных элементов судна, его оборудования, материалов, служит также водоизмещение, отнесенное к мощности. Графики зависимости водоизмещения построенных буксирных судов от мощности также приведены на рис. 11 и 12.
Рис. 6 Зависимость длины морских линейных (1) и рейдовых (2) буксиров от мощности
Один из распространенных методов выбора главных размерений при проектировании буксирных судов — метод последовательных приближений. В первом приближении длина и ширина судна определяются в зависимости от выбранной (или заданной) мощности энергетической установки с учетом типа и основных особенностей проектируемого судна.
Рис. 7 Зависимость длины океанских (1) и морских многоцелевых (2) буксиров от мощности
В связи с повышением требований к маневренным и другим качествам буксиров по сравнению с другими судами требуется выбор минимально возможной длины, поэтому в заданиях на проектирование длина часто ограничивается.
Предлагается к прочтению: Составляющие водоизмещения и положение центра тяжести
Для определения наибольшей допустимой длины буксирного судна в зависимости от мощности энергетической установки известны формулы:
- Мунро-Смита
L=0,233N–28+13,7 м, Форм. 1
- Пер Грига
L=40 фт+2,5N–300 фт. Форм. 2
Однако эти формулы не вполне учитывают архитектурно-конструктивные и иные особенности буксиров различных классов. Например, формула Мунро-Смита справедлива лишь для рейдовых буксиров-кантовщиков.
Рис. 8 Зависимость расчетной длины L и ширины B буксирных судов внутреннего плавания от мощности: ⬤ – отечественные толкачи; Х отечественные буксиры; + – зарубежные суда
В начальной стадии проектирования при определении длины между перпендикулярами можно воспользоваться кривыми графиков на рис. 5—8 или приведенными ниже формулами, которые достаточно точно отражают зависимость длины буксирного судна от его мощности.
Рис. 9 Зависимость ширины портовых и морских буксирных судов от мощности. 1 – морские линейные буксиры; 2 – рейдовые буксиры и буксиры-кантовщики, морские многоцелевые буксиры; 3 – портовые двухвальные буксиры и буксиры-кантовщики (винтовые и с крыльчатыми движителями), а также портовые буксиры-ледоколы; 4 – портовые одновальные буксиры и буксиры-кантовщики
Для морских портовых буксиров и буксиров-кантовщиков с винтами в качестве движителей справедлива формула
L=11,50+1,36N100–0,022N1002м. Форм. 3
Длину морских портовых буксиров и буксиров-кантовщиков с крыльчатыми движителями можно определять по формуле
L=16,5+0,8 N100–0,003N1002м. Форм. 4
Длина портовых буксиров (N ≤ 400 л. с.) с крыльчатыми движителями аналогична длине винтовых портовых буксиров. Для рейдовых одновинтовых буксиров при N ≤ 450 л. с.
L=11,0+3,45 N100–0,20N1002м. Форм. 5
Длина морских линейных и многоцелевых буксиров при N ≥ 750 л. с. определяется соответственно по формулам:
L=15,7+3,45 N100–0,20N1002м;
L=12,75+1,29 N100–0,007N1002м. Форм. 6
Ориентировочная оценка длины толкачей-буксиров и толкачей в зависимости от их мощности может быть произведена по формуле
L=А+1,29 N16 000200–N502м, Форм. 7
- где А — коэффициент, зависящий от выбранного типа главных двигателей;
- для легких двигателей он равен 9—15;
- для средних двигателей (275—350 об/мин) с наддувом — 18—24 и без наддува — 25—28. Судовые запасы — до 20 суток.
Рис. 10 Зависимость ширины океанских буксирных судов от мощности
В первом приближении расчетная ширина определяется в зависимости от заданной мощности энергетической установки или выбранной длины судна. В первом случае можно воспользоваться кривыми на рис. 9 и 10.
Рис. 11 Зависимость кубического модуля и водоизмещения буксиров от мощности: a – LBH = f (N); б – D = f (N); в – LBH = f (N); D = f (N). 1 – морские линейные буксиры; 2 – рейдовые одновальные буксиры-кантовщики; 3 – рейдовые буксиры-кантовщики; 4 – портовые буксиры с крыльчатыми движителями; 5 – портовые двухвальные буксиры-кантовщики; 6 – портовые одновальные буксиры-кантовщики; 7 и 8 – соответственно и морские многоцелевые буксиры – LBH = f (N); 9 – океанские и морские многоцелевые буксиры – D = f (N)
Ориентировочно ширина толкачей и толкачей-буксиров вычисляется по формуле
В=С+N17 00050–N200 м, Форм. 8
- где С — коэффициент, зависящий от выбранного типа главных двигателей;
- для легких двигателей равен 4—5,7;
- для средних двигателей (275—350 об/мин) с наддувом — 5—6 и без наддува, а также дизель-электрических установок — 6—7.
Большие значения С относятся к толкачам-буксирам. Судовые запасы — до 20 суток.
Распространен также способ приближенного определения расчетной ширины из оптимального соотношения L/B.
Ширина морских портовых буксиров, буксиров-кантовщиков и морских портовых буксиров-ледоколов может быть подсчитана по формулам:
- двухвальные (винтовые)
В=0,235L+1,67 м,
- одновальные (винтовые)
В=0,268L+0,66 м,
- с крыльчатыми движителями
В=0,285L+0,60 м.
Для одновальных рейдовых и морских линейных буксиров в достаточной мере справедлива формула
В=0,270L. Форм. 9
При определении ширины рейдовых буксиров-кантовщиков с одновальной гребной установкой и L ≤ 30 м можно воспользоваться формулой
В=0,270L+0,3 м.
Ширина морских многоцелевых буксирных судов определяется по формуле
В=0,1L+5,7 м. Форм. 10
Осадка морских портовых и рейдовых буксиров-кантовщиков в большинстве случаев не ограничивается заданием на проектирование, поскольку глубина в морских портах относительно большая. Для морских буксиров осадка, за редким исключением, также не оговаривается. В практике проектирования осадка морских буксиров обычно определяется из оптимальных соотношений главных размерений, оправданных опытом эксплуатации, или из условий обеспечения нормального погружения гребного винта оптимального диаметра.
Рис. 12 Зависимость кубического модуля и водоизмещения толкачей и буксиров внутреннего плавания от мощности. 1 – суда класса <<О>> – LBH = f (N); 2 – суда класса <<Р>> – LBH = f (N); 3 – суда класса <<О>> – D = f (N); 4 – суда класса <<Р>> – D = f (N)
Для первого приближения средняя осадка может быть вычислена по следующим формулам:
- для двухвальных буксиров-кантовщиков
Т=0,454В–0,86 м; Форм. 11
- для одновальных портовых буксиров, а также портовых и рейдовых буксиров-кантовщиков
Т=0,530В–0,8 м; Форм. 12
- для буксиров и буксиров-кантовщиков с крыльчатыми движителями
Т=0,326В+0,13 м; Форм. 13
- для рейдовых и морских линейных (одновальных) буксиров
Т=0,304В+0,33 м;
- для морских многоцелевых и океанских буксирных судов
Т–0,477В–0,67 м.
Для толкачей и буксиров внутреннего плавания, у которых диапазон изменения B/T весьма значителен, возможную величину осадки следует оценивать в первую очередь по мощности на валу, с учетом установки гребных винтов оптимального диаметра. Затем полученную осадку нужно сопоставить с гарантированными глубинами реки, для которой проектируется буксирное судно и требованиями «Правил плавания по внутренним водным путямБуксирные суда внутреннего плавания, отечественного и зарубежного производства». Следовательно, осадка зависит от мощности двигателя только до предела, допускаемого глубиной реки. На графике рис. 13 четко видны «площадки» из точек, соответствующих осадкам судов разной мощности. Осадку следует принимать наибольшей из допускаемых условиями плавания, так как от нее зависят тяговые показатели и общие размеры судна.
Рис. 13 Зависимость осадки толкачей и толкачей-буксиров от их мощности глубины рек Волги (Х) и Миссисипи (⬤)
Если по заданной мощности сначала определено водоизмещение буксирного судна, то его главные размерения можно оценить, в первом приближении, руководствуясь статистическими данными по относительным величинам I, b и f, имеющим большую стабильность:
L=t D3; В=b D3; Т=t D.3
Величины относительных значений I, b и t могут быть получены по близким прототипам из табл. 1—12Морские буксирные суда, классификация и виды.
Для предварительного определения главных размерений буксирных судов внутреннего плавания в зависимости от осадки, ширины типовых составов и характеристик проектируемого судна С. П. Арсеньевым предложены следующие формулы.
Осадка с экипажем и полными запасами в зависимости от осадки толкаемых или буксируемых судов
T≤hmin0–Δhmin0 kт, Форм. 14
- где Δhmin0 — величина запаса глубины под днищем состава, обусловливаемая «Правилами плавания по внутренним водным путям»;
- kт — коэффициент, учитывающий соотношение осадки толкача или буксира и несамоходных судов при нормируемых глубинах hmin0.
Коэффициент kт рекомендуется принимать для толкачей 0,85—0,90, а для буксиров — 0,90—0,95.
Осадка судна с экипажем и минимальными запасами топлива (осадка кормой Тк при этом равна около 0,9 Т) должна обеспечивать нормальные условия работы гребных винтов, диаметр которых зависит от величины Tк мощности на валу движителя Nв и частоты вращения вала. Необходимая величина осадки для удовлетворения этому условию
T≥1,9NXД14nв34, Форм. 15
- где N — мощность главных двигателей кВт;
- Хд — количество гребных винтов;
- nв — частота вращения гребного вала, об/с.
Длина толкача или буксира определяется исходя из следующих условий:
- а) обеспечения хорошего подтока воды к винтам
Lmin≈8ВТ, Форм. 16
- при этом
hк≥4,1 βВТ;
- б) получения высоких тяговых показателей и необходимой остойчивости — через отношение
L/B=(1,4–1,55) L3
- на основании анализа лучших судов. Отсюда
L≈1,8B32; Форм. 17
- в) размещения машинного отделения при минимальной длине
L≈аmN43B23, Форм. 18
- где аm — коэффициент, зависящий от выбранного типа главных двигателей;
- аm равен 7,0 при установке дизелей без наддува и 6,1 — с наддувом. Для малых судов с быстроходными двигателями ат = 3,6.
На основании приведенных значений С. П. Арсеньев рекомендует для определения длины и ширины основных типов толкачей- буксиров и буксиров следующие эмпирические формулы.
В случае линейных толкачей-буксиров, исходя из совместного решения уравнений (13) и (14):
L=aLTN0,19Т 0,29, Форм. 19
B=aBTN0,308Т –0,43, Форм. 20
- где aLT — численный коэффициент, равный для среднеоборотных ДВС без наддува 7,5, с наддувом — 7,1;
- у быстроходных ДВС — 5,7;
- аВТ — численный коэффициент, соответственно равный 0,89, 0,79 и 0,51.
Применительно к линейным буксирам и толкачам-буксирам глубоководных путей, а также к толкачам-буксирам, обслуживаемым бригадным методом (экипаж живет на берегу), исходя из совместного решения уравнений (14) и (14′):
L=aLδTN0,308, Форм. 21
B=aBδTN0,205, Форм. 22
- где aLδT — численный коэффициент, равный для среднеоборотных ДВС без наддува 4,58, с наддувом — 4,18;
- у быстроходных ДВС — 3,00;
- аВТ — численный коэффициент, соответственно равный 1,85, 1,75 и 1,4.
Для линейных буксиров и толкачей-буксиров мелководных рек с экипажем, проживающим на судне (в корпусе и надстройке):
L=3,2SЭКnЭК+aмN230,46, Форм. 23
B=1,5SЭКnЭК+aмN230308, Форм. 24
- где Sэк — минимально необходимая площадь помещений экипажа, подобранная по близкому прототипу с учетом санитарных требований;
- ам — численный коэффициент, равный для среднеоборотных ДВС без наддува 1,3;
- с наддувом — 1,05;
- у быстроходных ДВС — 0,48.
В случае малогабаритных толкачей-буксиров (шлюзовых), исходя из размещения энергетической установки общей мощностью N:
L=2,9 NXД3, Форм. 25
B=1,38N110 XД12, Форм. 26
- где ХД — число двигателей.
Высоту борта Н для морских судов устанавливают, как сумму осадки и высоты надводного борта, принимаемого по Правилам Регистра.
Высота борта для портовых и рейдовых буксирных судов очень часто зависит от расположения служебных помещений или от вертикального габарита главных двигателей и принимается минимально возможной с учетом сохранения необходимой высоты надводного борта, устанавливаемой Регистром.
Кроме этого для первого приближения высоту борта часто определяют из оптимального соотношения L/H (см. табл. 1—12Морские буксирные суда, классификация и виды).
В начальной стадии проектирования, исходя из заданной мощности или выбранных главных размерений, оценивается величина водоизмещения судна.
Рис. 14 Зависимость водоизмещения от длины буксирного судна. 1 – толкачи-буксиры и буксиры внутреннего плавания класса <<Р>>; 2 – то же класса <<О>>; 3 – рейдовые и морские линейные буксиры; 4 – портовые двухвальные буксиры-кантовщики; 5- морские многоцелевые и океанские буксиры
На рис. 14 представлены статистические данные о величине водоизмещения в зависимости от длины для основных классов современных буксирных судов и на основании их построены среднестатические кривые. Аналитически указанные зависимости могут быть выражены формулой
DL/1003=a, Форм. 27
- где D — водоизмещение судна, т;
- L — длина между перпендикулярами, м;
- а —численный коэффициент.
Значения коэффициента а, выведенные на основании статистических данных и в зависимости от класса и типа судна, приведены ниже:
- Портовые буксиры-кантовщики:
- двухвальные винтовые – 1,70 · 104
- с крыльчатыми движителями – 1,39 · 104
- Рейдовые и морские буксиры – 1,20 · 104
- Современные океанские буксирные суда – 1,06 · 104
- Толкачи-буксиры и буксиры внутреннего плавания:
- класса «М» – 0,90 · 104
- » «О» – 0,75 · 104
- » «Р» – 0,64 · 104
В последующих приближениях одновременно с выбором коэффициентов полнотыКоэффициенты полноты, форма корпуса и мореходные качества буксиров и формы корпуса, укрупненной оценкой нагрузки масс, полученные размерения уточняются с проработкой общего расположения машинного отделения, жилых, служебных и специальных помещений, судовых устройств и палубного оборудования. Окончательно размерения принимают после выполнения уточненных расчетов нагрузки масс, элементов теоретического чертежа и определения водоизмещения для основных эксплуатационных случаев работы судна.