Выбор мощности и движительно-рулевого комплекса буксирных судов

Пропульсивно-рулевой комплекс — основным типом движителя современных буксиров всех типов является винт фиксированного шага (ВФШ). Для буксировки поезда с требуемой скоростью при заданных условиях плавания буксирующее судно должно иметь достаточную мощность для преодоления сопротивления окружающей среды движению самого буксира, приводимых им в движение судов и буксирных канатов.

При расчете потребной мощности буксира или толкача необходимо знать: основные элементы типовых судов и поездов, для вождения которых предназначено судно; ориентировочная скорость буксировки, предоставляемая заказчиком для типовых судов и составов (уточняется на основании ТЭО
наиболее выгодная скорость с учетом приема экономически целесообразной мощности) и данные о районе плавания.

Линейные, а также портовые и рейдовые буксиры при обычной буксировке большую часть пути работают в установившихся режимах, где применяются обычные методы определения сопротивления буксируемых судов и тягового усилия проектируемого судна относительно заданных скоростей буксировки действительный . Поэтому рекомендуется оценивать сопротивление буксируемых судов и определять мощность буксира установленными методами.

Сопротивление трению рассчитывают по формуле Прандтля-Шлихтинга, принятой в проектных организациях и опытных бассейнах.

Приблизительную оценку величины сопротивления корпуса буксира можно произвести по графику Н.К. Кена (рис. 1), построенному на основе испытаний моделей и натурных судов, где L/B = 4,2 ÷ 6,0 и 5 = 0, 52 ÷ 0,58. На графике представлена ​​зависимость удельного сопротивления трения Rtr и удельного остаточного сопротивления Rres на 1 т водоизмещения от относительной скорости F = υ/√L (υ в узлах). Для получения полного сопротивления с графика снимают ординаты удельных сопротивлений, суммируют и умножают на перемещение. К полученному количеству прибавьте 6% на выступающие части.

Рис. 1 Зависимость удельного сопротивления трения и удельного остаточного сопротивления корпусов при отношении L/B = 4,2÷6,0 и δ = 0,52÷0,58 от относительной скорости

Интерполяционная кривая зависимости удельного остаточного сопротивления от числа Фруда (рис. 2). Основные состояния и элементы корпуса испытанных моделей буксиров охватывают весь диапазон значений, встречающихся у буксиров:

• Д/Ш = 3,1÷4,9;
• В/Т = 2,28÷3,2;
• 5 = 0,44÷0,60;
• ф = 0,56÷0,68.

Рис. 2 Зависимость удельного остаточного сопротивления Rрез/D буксиров от числа Фруда. 1 — зона для всех протестированных моделей; 2 — интерполяционная кривая

Удельное остаточное сопротивление корпуса буксиров без выступающих частей при числах Фруда от 0,1 до 0,4 мало зависит от изменения соотношения между главными размерами, элементами теоретического чертежа и в определенных пределах формой обводов. При малых значениях L/B форма контуров мало влияет на характер волнообразования. А. Н. Гурович и А. А. Родионов предложили следующую зависимость для расчета водостойкости судов с L/B < 4,5:

IgRest D=6,67 Fr –1,37. (1)

В озерных и речных условиях составы обычно ходят несколькими баржами или секциями в кильватерном, двух-, трех- и четырехвагонном пыжах.

Величина сопротивления буксирного каната Rк при перемещении его в воде значительна. Его можно рассчитать по формуле:

Rк=ΔСRc 2tdυ2ρ2, (2)

• где ΔС – коэффициент, учитывающий снижение сопротивления каната из-за его наклона к горизонту на определенный угол α.

Коэффициент ΔС принимают по следующим экспериментальным данным:

При углах наклона менее 10° ΔС изменяется незначительно:

• R — коэффициент, учитывающий шероховатость каната (для стального каната R = 1,25; для пенькового каната R = 1,54÷2,0);
• c — коэффициент сопротивления цилиндра, расположенного перпендикулярно потоку при числе Рейнольдса от 104 до 2·105, может быть принят равным 1,2;
• 2l — общая длина буксировочного троса, м;
• d — диаметр каната, м;
• υ – скорость буксировки, м/с;
• ρ — массовая плотность воды (морской), равная 104 гс·с/м4.

Поворотные буксиры работают в основном в нестабильных условиях. Для определения тяги кантователя необходимо рассмотреть типовые маневры, составляющие основные виды операций кантования, и выбрать из них расчетный маневр, для которого требуется наибольшая тяга.

Такими маневрами (рис. 3) являются:

• Продольное перемещение судна;
• Продольное движение сосуда с обсессией;
• Движение судна с лагом;
• Вращение судна вокруг центра тяжести;
• Вращение корабля вокруг неподвижного конца.

Рис. 3 Схема типовых маневров судна под действием силы буксировки: а — продольное движение судна; б — продольное движение судна с владением; в — движение судна с отставанием; г — вращение сосуда вокруг ЦТ; е — вращение корабля вокруг неподвижного конца. 1 — головной буксир; 2 — буксир; 3 — самоходный буксир; 4 — буксир с экипажем; 5 — фиксированная точка на конце сосуда

Характер опрокидывания и стесненность акватории гавани обусловливают, как показала практика, участие в опрокидывании нескольких буксиров, но их количество должно быть как можно меньше, так как это упрощает операцию, повышает безопасность и снижает затраты. Самый быстрый и безопасный способ перемещения судна от одного причала к другому в стесненных условиях портовой зоны – это буксировка двух судов. При проведении крупнотоннажных причальных работ в сложных гидрометеорологических условиях двух буксиров заданной грузоподъемности в заданном порту может оказаться недостаточно. В таких случаях используется большее количество буксиров, но их мощность используется не полностью из-за неодинаковой выполняемой работы. Это снижает экономические показатели буксиров.

Рекомендуем прочитать: Танкисты

Скорость выполнения любого из вышеперечисленных маневров оказывает значительное влияние на требуемую величину тяги буксира. С одной стороны, для повышения экономической эффективности работы буксиров желательно увеличить скорость движения судна при выполнении маневров; с другой стороны, слишком большое увеличение скорости может привести к авариям. Кроме того, большая скорость при буксировке с опозданием или при повороте судна вызывает резкое увеличение потребной тяги, в связи с чем для машинной установки буксиров потребуется большое усилие, увеличатся их габариты и стоимость. Практика кантования и перестановки судов показывает, что скорость продольного движения корабля не должна превышать 5 узлов. Скорость движения корабля с палкой, а также линейная скорость носовой части корабля при вращательном движении не должны быть более 0,5 узла.

Требуемая тяга во многом зависит от скорости течения и силы ветра. В ряде портов, особенно расположенных на реках и в устьях, имеется постоянное течение. В гаванях, не имеющих постоянного течения, возможны временные течения из-за влияния ветра. Наведенная скорость ветра рассчитывается по формуле (для средних широт):

Δυ=0,1υвsin φ, (3)

• Где υv – скорость ветра, м/с;
• φ — географическая широта местоположения.

Для южных портов индуцированная скорость течений при ветре силой 6 баллов, определяемая по приведенной выше формуле, составляет 0,3 узла.

На основании данных из различных портов страны средняя скорость течения воды принимается равной 0,6 м/с. Предельная сила ветра, при которой, как показала практика, можно нормально выполнять краевую операцию, равна шести баллам. Выполняя маневры, система буксировки корабля меняет как скорость, так и направление движения. Движение системы в этом случае неустойчиво, а необходимая сила сопротивления изменяется от наименьшего значения до наибольшего. При определении потребной тяги проектируемого буксира достаточно учитывать плавное установившееся движение судна под действием тяги, развиваемой буксиром. Это позволяет значительно упростить расчеты потребной тяги по сравнению с методом интегрирования дифференциального уравнения нестационарного движения корабля, а также использовать обоснованные данные, подтвержденные большим количеством реальных операций опрокидывания.

Используя уравнения равномерного равномерного движения корабля, можно определить величину тяги, необходимой для совершения типовых маневров при приведенных выше значениях скорости корабля, скорости течения воды и силы ветра.

Продольное перемещение судна

При выполнении этого маневра считается, что движение корабля осуществляется по прямолинейному курсу со скоростью 5 узлов и осуществляется за счет тяги только одного буксира. На рис. 4 показана схема сил, действующих при таком маневре.

Рис. 4 План действующих сил в зависимости от типа типового маневра; а — продольное перемещение судна; б — продольное движение судна с владением; в — движение судна с отставанием; д — вращение корабля вокруг центра тяжести; д — вращение сосуда вокруг неподвижного конца

Обозначения:

• x и y — оси координат;
• L — расчетная длина судна;
• Z1 и Z2 — тяга кантующих буксиров;
• α1 и α2 – углы отклонения опрокидывающе-буксирующей силы от ДН корабля;
• Rx — сила сопротивления воды движению судна;
• Rv — сила ветрового давления на судно;
• Ртеч — сила дополнительного сопротивления воды движению судна, создаваемая течением.

Направления течения и ветра относительно ДП корабля выбираются таким образом, чтобы их влияние максимизировало величину требуемой тяги. Угол между направлением ветра и ДП судна должен быть равен 30°, так как это дает наибольшую величину тяги. Для этого и всех рассматриваемых ниже маневров с достаточной точностью предполагается, что центр тяжести корабля находится на миделе.

При равномерном прямолинейном движении корабля должно выполняться уравнение равновесия:

Z1–Rx–Rтех–Rv cos 30=0,

• где

Z1=Rx+Rtech+Rv cos 30. (4)

Продольное перемещение судна с одерживанием

Выполняя этот маневр, буксиры должны также обеспечивать движение судна по заданному прямолинейному курсу со скоростью 5 уз и, кроме того, не допускать уноса судна ветром и течением. На рис. 4, б показана схема действующих сил при продольном движении судна с навесным оборудованием.

В случае равномерного прямолинейного движения судна должны выполняться три уравнения равновесия:

Z1 cos α1–Z2 cos α2–Rx=0,

Rv+Rtech–Z1 sin α1–Z2 sin α2=0,

Z1 sin α1 0,5L–Z2 sin α2 0,5L=0.

Считая, что угол α2 задан, получаем следующее выражение для величин, входящих в уравнения:

Z2=Rтех+Rv2 sin α2, (5)

tg α1=Z2 sin α2Z2 cos α2+Rx, (6)

Z1=Z2sinα2sinα1. (7)

Тяга кормового буксира предотвращает дрейф судна от воздействия ветра и течения, а также создает дополнительное сопротивление продольному движению судна. Тяга кормового буксира используется рационально, если сохраняются неравенства:

Z2 sinα2⩾Z2 cosα2,

Z2 cos α2 ⩽ Z1 cos α1.

При определении потребной тяги ведущего буксира оптимальным будет случай, когда угол между ДП корабля и направлением тяги кормового буксира α2 равен 45°, т е когда Z2sin α2 = Z2cos α2. Решение приведенных выше уравнений для α2 = 45° дает следующие значения:

Z2=0,71 (Rтех+Rвх), (8)

tgα1=0,71Z20,71Z2+Rx, (9)

Z1=0,71Z2sinα1. (10)

Перемещение судна лагом

В этом случае при расчете требуемой тяги считается, что указанный маневр совершается двумя буксирами, развивающими одинаковые силы тяги, приложенные к торцам судна перпендикулярно ДП. Течение и ветер направлены в сторону, противоположную движению судна, также перпендикулярно ДП.

На рис. 4, в показана диаграмма сил, действующих при движении судна с отставанием.

Для установившегося прямолинейного движения:

Z=Rs+Rв, (11)

• где;

Z=Z1+Z2=2Z1 и Z1=Z2,

Rs=Ry+Rтех. (12)

Сила сопротивления воды при движении корабля с отставанием определяется по формуле:

Ry=ζyρυ22LT, (13)

• где ζу — коэффициент сопротивления воды при движении судна с отставанием.

Испытания, проведенные в опытном бассейне ЛКИ и Гамбургском опытном бассейне, показали, что вне зависимости от обводов корабля ζу=1;

• р — массовая плотность воды;
• υ — скорость корабля относительно воды, м/с;
• L — длина сосуда между перпендикулярами, м;
• Т – осадка судна, м.

Величина υ представляет собой сумму скорости корабля относительно фиксированной точки υc и текущей скорости υтех.

υ=υс+υтех=(0,5+0,6) 0,514=0,565 м/с.

Сила напора ветра определяется по формуле:

Rв=ζвρвυ2в2А, (14)

• где ζw — коэффициент силы напора ветра, зависящий от угла между направлением ветра и ДП судна и архитектурного типа судна.

Значение ζw взято по данным испытаний, проведенных в Британской национальной физической лаборатории (табл. 1);

• ρ — массовая плотность воздуха при t = 15°C и H = 760 мм рт ст ст., ровн;

0,125 кг/с2м4;

• υv — скорость ветра, м/с. Как указано выше, расчетная сила ветра принимается равной шести баллам, т е. 12,4 м/с;
• А — площадь проекции надводной части корабля на ДП, м2.

Определив значения этих величин, получим выражение для тяги, необходимой для буксировки судна с лагом,

Z=16,6LT+9,6ζvA (15)

• или для каждого из буксиров;

Z1=8,3LT+4,8ζvA. (16)

Вращательное перемещение судна

Вращательное движение сосуда происходит, когда сосуд поворачивается вокруг своей ЦТ или вокруг неподвижного конца.

В случае вращения корабля вокруг своего ЦТ (рис. 4, г) сила давления ветра не создает момента, влияющего на вращение, поэтому не учитывается.

Крутящий момент, создаваемый силами тяги буксиров Z1 и Z2,

Мз=З1Л2+З2Л2,

• а так как Z1 ≈ Z2, то;

Мз=Z1L. (17)

Для равномерного вращения судна вокруг ЦТ применяется следующее уравнение:

Mz=Cмρ2ω2L3Sdp, (18)

• где Mz — момент сил сопротивления воды при вращении судна вокруг ЦТ;
• См — коэффициент момента сил сопротивления воды при вращении судна вокруг ЦТ, равный 0,065;
• р — массовая плотность воды;
• ω – частота вращения сосуда, об/мин;

Ω=υ0,5л=2υл;

Sdp — проекция подводной части корабля на DP, значение которой с достаточной точностью можно принять равным произведению LT.

Подставив значения некоторых величин в соответствующие части выражения Mz, получим значение необходимой тяги буксира для поворота корабля вокруг ЦТ

Z1=4,3л. (19)

При вращении корабля вокруг неподвижной оконечности (рис. 4, д) необходимо учитывать влияние давления ветра на требуемую силу сопротивления, а направление принимать противоположное направлению движения законцовки корабль.

Движение корабля вокруг неподвижного конца можно рассматривать как движение половины длины корабля, вдвое большей его длины, вокруг центра тяжести. В этом случае создаваемый крутящий момент представляет собой тягу буксира

Мз=Z12L=2Z1L. (20)

Момент сил сопротивления воды:

My=Cмρ2ω2L4T 16. (21)

Подставив значения известных величин в соответствующие части уравнений и приравняв их, после необходимых преобразований получим силу сопротивления, необходимую для поворота судна вокруг неподвижной оконечности, без учета влияния ветра:

Z=8,7л. (22)

Сравнивая полученные значения тяги, необходимой для разворота корабля вокруг ЦТ и вокруг неподвижной точки без учета действия ветра, видим, что в первом случае использование двух буксиров с суммарной тягой равна тяге буксира, необходимой для поворота судна, требуется неподвижная точка.

Давление ветра при вращении корабля вокруг неподвижного конца создает дополнительный момент:

Мв = Rв2L2.

Таким образом, при равномерном вращении судна вокруг неподвижной оконечности момент сил сопротивления воды и ветра будет равен:

M=My+Mv=Cмρ2ω2 16L4T+ζвρвυ2в2А2L2.

Так как Mz = 2Z1L = M, то:

Z1=Cмρ2ω28L3T+ζвρвυ2в4А.

Подставляя известные значения, получаем:

Z1=8,7LT+4,8ζvA. (23)

Сравнение полученного значения Z1 со значением тяги, необходимой для движения судна вбок, показывает, что эти значения практически совпадают. При повороте корабля вокруг оголовка будет изменяться угол между ДП корабля и направлением течения и ветра, в результате чего силы сопротивления воды и ветра будут уменьшаться, а при движении корабля боком эти значения останется без изменений. Поэтому при движении судна буксируемым буксиром потребуется большее необходимое тяговое усилие, чем при повороте вокруг неподвижной оконечности. Сравнение тяги, необходимой для линейного перемещения судна, с тягой, необходимой для выполнения других рассмотренных маневров, показало, что она наименьшая, и поэтому линейная буксировка судна не принимается за расчетный маневр при определении крена буксира толкать.

Рекомендуемая литература: Центр вращения и его движение

В качестве расчетливого маневра движение корабля принимается с одержимостью, которая в большинстве случаев требует наибольшей тяги. Это видно из сравнения данных, приведенных в таблице. 2 и 3. Полученный в результате анализа возможных случаев маневр, требующий наибольшей тяги, принимается за расчетный. Он определяет тягу и мощность буксира.

Пересчет значения тяги буксира в мощность, необходимую для обеспечения этой тяги, с достаточной для первого приближения точностью можно выполнить по конкретным данным тяги. Значение Z0/N для нулевой скорости (у причалов) следует перевести в рабочую скорость для буксировки или толкания. Например, для кантующих буксиров при движении судна с трюмом значение Z0/N пересчитывается для режима буксировки со скоростью 5 узлов. Для винтовых буксиров она составит 12,3 кгс/л с., для буксиров с крыльчатыми движителями — 8,3 кгс/л. Расчет потребной мощности кантующих буксиров с указанными движителями приведен в таблице 4, а зависимость мощности буксира от водоизмещения кренящегося судна показана на рис. 5.

Для определения требуемой силы опрокидывающих буксиров можно использовать эмпирические зависимости усилия на канате от водоизмещения опрокидываемого судна.

Рис. 5 Зависимость потребной мощности кантования буксиров от водоизмещения сухогрузных (- — — — пунктирная линия) и нефтеналивных (———— сплошная линия) судов. 1 — винтовые лодки; 2 — буксиры с гребными винтами

При проектировании винтовых буксиров, предназначенных для кантования сухогрузов, специализированных судов для перевозки сухогрузов, а также танкеров водоизмещением до 10 тыс т формула справедлива с достаточной для практики точностью

Н=0,06Д+200 л.с. (24)

При использовании крыльчатых движителей на буксире мощность может быть выбрана по формуле:

Н=0,09Д+260 л.с. (25)

Для танкеров требуются буксиры относительно меньшей грузоподъемности по сравнению с сухогрузными судами.

Мощность буксиров, обслуживающих эти суда, водоизмещением 10 тыс т < D ≤ 63 тыс т, можно определить по формулам:

• винтовые буксиры;

Н = 140 + 6,17 (Д100) — 0,005 (Д100) 2л. С. (26)

• буксиры с лопастными винтами;

Н = 224 + 8,85 (Д100) — 0,007 (Д100) 2л. С. (27)

Для ледовых условий плавания потребную мощность буксиров следует принимать в 1,2-1,4 раза больше расчетной.

Мощность линейных буксиров и толкачей обычно определяют (или задают) исходя из грузоподъемности буксируемых или толкаемых составов, характерных для определенного района плавания, и экономически обоснованной скорости их движения.

Морская и речная практика буксировки и толкания судов и поездов выработала достаточно устоявшиеся экономически обоснованные значения мощности буксиров и толкачей в зависимости от грузоподъемности поездов. Эта зависимость обычно характеризуется величиной нагрузки в пересчете на грузоподъемность на единицу мощности для буксиров.

Мощность силовой установки буксиров на свободном ходу с заданной скоростью можно приблизительно оценить по формулам коэффициентов Адмиралтейства CV и С⊗:

N=V23υ3CV (28)

• или;

N=S⊗υ3C⊗, (29)

• где V — водоизмещение корабля, м3;
• υ — скорость, узлы;
• S⊗ – площадь мидель-шпангоута, м2.

Значения СV и С⊗ для построенных кораблей приведены в таблице. 5. Использование коэффициентов Адмиралтейства целесообразно для оценки мощности прототипа при той же скорости, что и он.

Эффективность использования мощности силовой установки буксира в соответствии с его классом во многом определяет тип движительно-рулевого комплекса. Правильный выбор последних определяет возможность выполнения сложных маневров на ограниченных акваториях, устойчивость на курсе, а для толкачей — возможность управления толкаемыми составами судов, во много раз превосходящих толкатель по размеру и водоизмещению.

Основным типом движителя современных буксиров всех типов является винт фиксированного шага (ВФШ). Пропеллеры имеют от 3 до 6 лопастей. Однако наибольшее распространение получили четырехлопастные гребные винты. Для предотвращения или уменьшения вибраций принято большее количество лопастей, но вероятность повреждения таких движителей при работе в насадках со стабилизаторами выше четырех лопастей. Широко используются воздушные винты в направляющих насадках. Буксиров с открытыми гребными винтами немного. Это объясняется тем, что насадка увеличивает тягу на гаке до 40-50% в швартовном режиме и до 20-30% при буксировке поезда со скоростью 5-6 узлов (9-11 км/ч) час). Кроме того, мундштук
предохраняет гребной винт от повреждений при насыпании, от наматывания буксирного троса, снижает вероятность попадания воздуха в гребной винт при движении на волнах. В последние годы широкое распространение получили поворотные насадки со стабилизаторами, обеспечивавшие высокую маневренность судов и составов и управляемость буксиров задним ходом — характеристики, необходимые для буксиров всех типов.

Рекомендуемая литература: Способы использования буксиров

Пропульсивные характеристики вращающихся насадок со стабилизаторами значительно выше, чем у комплекса с неподвижными насадками — рулями направления вперед и назад.

Винты с регулируемым шагом (ВШП), несмотря на их высокие характеристики тяги. Тяговые характеристики буксиров при эксплуатации буксиров с разными составами сопротивления еще не получили широкого распространения из-за дороговизны, сложности и меньшей живучести, повышенного износа механизма поворота по сравнению с лопастями УРВ при эксплуатации в речных условиях и, наконец, из-за несколько меньшего значения КПД в основном режиме работы. Поэтому КПП можно рекомендовать для установки на буксирах в гавани в сочетании с поворотными насадками.

Водометный движитель широко применяется на мелкосидящих толкачах и буксирах с осадкой до 0,9 м, эксплуатируемых на малых реках. Водометные буксиры имеют полупогружной или подводный сброс струи. Величина их удельной тяги мало отличается от удельной тяги гребных винтов. Маневренность буксиров с водометным движителем высокая.

В зарубежной практике на движителях малой и средней мощности все чаще применяют поворотные движители и рулевые рейки (ДРК). Колонки устанавливаются мощностью до 1000 литров. С. Винты динамика — открытые и в патрубках. Успешное развертывание ДРК объясняется удобством установки двигателей и подруливающих устройств на корабле, высоким КПД гребных винтов и рулевого органа: колонки обеспечивают вращение гребного винта в горизонтальной плоскости до 360°.

Винтовые движители (КД) в основном применяются на портовых буксирах, где требуется особо высокая маневренность. Тяга крыльчатых винтов меньше, чем у гребных. Широкому распространению компакт-дисков также препятствует сложность конструкции, уязвимость и высокая стоимость.

В соответствии с имеющимся опытом эксплуатации и последними исследованиями в качестве движительно-рулевых комплексов буксиров могут быть рекомендованы:

• Морские и морские линейные — гребной винт во вращающемся сопле;
• Тентованные буксиры для гавани и рейдов — гребные винты в раздельно управляемых поворотных насадках, ДРК или крыльчатые (один или два) движители;
• Речные, озерные толкачи и буксиры — движители в раздельно управляемых вращающихся насадках;
• Линейные буксиры и буксиры-толкачи мелкой осадки с осадкой 0,3-0,9 м — водометные с полупогружным или воздушным выбросом струи;
• Для рейдеров — вращающиеся сопла, реактивный движитель и ДРК.

Эти двигательно-рулевые комплексы обеспечат буксирам высокие тяговые качества и маневренность.