НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ БУКСИРОВ-ТОЛКАЧЕЙ
Б. Билен, М. Жерьял, Б. Билен-Катич, З. Лайич, М. Маринкович, З. Янкович (Институт технических наук Сербской академии наук и искусств)1
Цель данного проекта, выполненного в Институте технических наук, — уменьшение или, по возможности, устранение имеющихся недостатков современных буксиров-толкачей, эксплуатирующихся на Дунае [1—4].
Дунайские буксиры-толкачи. По результатам исследования эффективности эксплуатации дунайских буксиров-толкачей традиционной конструкции установлено: большинство буксиров работают с относительно низким пропульсивным КПД в диапазоне от 0,32 до 0,38 [5—9]; при плавании возникает значительная линейная (продольная) вибрация корпуса; маневрирование сопровождается заметным снижением скорости; часто мощность буксиров не соответствует выполняемым работам, особенно при портовых работах, формировании буксирных составов, буксировке пустых барж и т. п.; эксплуатация буксиров-толкачей связана с большими эксплуатационными расходами ввиду частого повреждения их громоздких движительно-рулевых комплексов; буксиры-толкачи, особенно построенные в Югославии, имеют большую длину.
Пропульсивный КПД. Чтобы определить, почему у буксиров-толкачей низкий пропульсивный КПД (пР = Пт 'По ' Пн ' Пц), необходимо исследовать влияющие на него факторы: коэффициенты передачи пт, эффективности гребного винта на открытой воде по, влияния корпуса пН и неравномерности потока п^. Улучшение любого из них может повысить пропульсивный КПД.
Повышение КПД передачи пт связано с уменьшением механических потерь путем упрощения передачи (т. е. проектирования гребного вала с меньшим числом подшипников, исключения кронштейнов и проходов через водонепроницаемые переборки, уменьшения длины вала и т. п.).
Как известно, КПД гребного винта в направляющей насадке на открытой воде по зависит от поглощенной энергии, скорости, частоты вращения и его диаметра. Уменьшение нагрузки на винт ведет к понижению КПД на открытой воде. Численные значения этой зависимости, полученные по результатам испытаний гребных винтов в насадке на открытой воде, приведены в табл. 1.
Расчет произведен для оптимального диаметра винта (но не более 1,85 м), применяемого на большинстве дунайских буксиров, при скорости движения буксира 15,5 км/ч и частоте вращения гребного винта, обеспечивающей максимальный упор.
Как видно из табл. 1, увеличение поглощенной мощности неизбежно ведет к снижению КПД. Это означает, что уменьшение поглощенной мощности с обычной величины 800 кВт, например, до 500—600 кВт, повысит КПД примерно на 10%, чем не следует пренебрегать. Это понижение может также способствовать уменьшению линейной вибрации корпуса.
Общепринятое определение пропуль-сивного КПД основывается на том факте, что условия работы гребного винта у большинства судов незначительно отличаются от условий работы гребного винта на открытой воде, так как значение произведения коэффициента неравномерности потока и коэффициента влияния корпуса близко к единице и, как правило, находится в диапазоне П|^Пн = 0,98...1,02. В этих условиях КПД гребного винта на открытой воде имеет преобладающее влияние на общий про-пульсивный КПД. Традиционный движитель-ный комплекс буксира работает в других условиях и имеет очень низкое значение произведения ввиду разнородности кильватерного потока и турбулентности воды позади буксира, перепада давления в корме судна и кильватерной струе. Это объясняется необычной формой кормовой части буксира-толкача и наличием большого числа выступающих частей, включая шесть вспомогательных рулей заднего хода, четыре—шесть основных рулей, два—три подшипника в кронштейнах гребного вала, деформированностью насадки и наличием больших тоннелей, в которых расположены гребные винты и обтекатели (рис. 1).
Анализ результатов ходовых испытаний [5—9] различных буксиров-толкачей наглядно показал относительно низкие значения пк и Пн. Было установлено, что произведение находится в пределах от 0,68 до 0,80, что на 25—30% меньше по сравнению с обводами обычного судна, имеющего меньшее число выступающих частей. По-
1B. Bilen, V. Zerjal, B. Bilen-Katic, Z. Lajic, M. Marinkovic, Z. Jankovic — Institute of Technical Sciences of the Serbian Academy of Sciences and Arts (Belgrade, Jugoslavia)
2 Судостроение № 5, 1999 г.
Таблица 1
Зависимость КПД гребного винта в насадке на открытой воде от нагрузки
Р, кВт Оопт- м Н мин-1 По Т, кН Р/й
100 1,38 222 0,58 16,1 1,261
200 1,84 173 0,58 32 1,254
300 1,85 196 0,56 46,4 1,231
400 1,85 215 0,54 59,5 1,216
500 1,85 232 0,52 71,7 1,204
600 1,85 247 0,51 83,3 1,196
700 1,85 260 0,49 94,4 1,190
800 1,85 271 0,48 105 1,185
900 1,85 282 0,47 115,3 1,181
1000 1,85 292 0,46 125,3 1,178
этому наиболее эффективный способ повышения пропульсивного КПД заключается в создании буксира новой конструкции, где перечисленные выступающие части отсутствуют или хотя бы сведены до минимума.
Маневренность. Изменение курса на прямолинейном участке маршрута и плавание по крутым и плавным кривым представляют собой обычные маневры судна на внутренних водных путях (в данной статье не рассматриваются движение задним ходом, боковое маневрирование, вход в порт, внезапная остановка и т. п.). Эти стандартные маневры выполняются при большей или меньшей перекладке руля. Любая перекладка руля создает результирующую силу, состоящую из полезной (положительной) поперечной силы У^ и отрицательной продольной силы X, которая является одной из причин уменьшения скорости буксира (эффект торможения рулем). Во время плавания переложенные рули, создающие эти силы, одновременно вызывают уменьше-
Рис. 1. Схема расположения движительно-рулевого комплекса на традиционных буксирах-толкачах
ние всасывающей скорости гребного винта (дросселирующий эффект). Эти два явления совместно с появлением угла дрейфа буксирных составов и соответствующих гидродинамических сил инерции и центробежных вызывают уменьшение скорости движения буксирного состава.
Для определения сил, создаваемых главными рулями, а также изменения скоростей всасывания гребного винта были проведены обширные модельные испытания буксира мощностью 2 х 750 кВт с традиционным движительно-рулевым устройством (см. рис. 1).
Модельные испытания проводились в кавитационной трубе [10]. Значения крутящего момента, упора, винта, частоты вращения, сил и моментов главного руля измерялись при различных значениях относительной поступи гребного винта J и разных углах перекладки главного руля. Во время испытаний вспомогательные боковые рули были закреплены в нейтральном положении, и буксир удерживался на прямолинейном курсе (угол сноса в = 0).
Рабочие режимы гребного винта диаметром 1,6 м определялись в кавитационной трубе при нахождении главных рулей в нейтральном положении (перекладка руля 8 = 0). При этом коэффициент упора гребного винта составлял Кт= 0,225, насадки КТп = 0,0376 при числе кавитации о = 2,059.
В каждой серии испытаний частота вращения винта п и скорость протекания воды в туннеле V поддерживались постоянными (согласно закону подобия Фруда, модель гребного винта с пм = 19 об/с соответствовала гребному винту натурного
буксира с п..= 6,333 об/с; скорость модели vм = 1,54 м/с соответствовала скорости буксира V. = 4,62 м/с).
Результаты модельного испытания показывают, что главные рули способствуют отклонению и глушению струи гребного винта, вызывая тем самым, уменьшение скорости всасывания гребного винта Это, в свою очередь, ведет к уменьшению относительной поступи гребного винта J и увеличению коэффициента упора, а также момента вращения пропорционально углу перекладки руля.
На рис. 2 представлены измеренные общие составляющие поперечной Уг и продольной силы X, прогнозируемые для буксиров мощностью 2 х 400 кВт, толкающих буксирный состав ^ 1+1), состоящий из барж Е11в с осадкой 2,5 м, в зависимости от угла перекладки руля 8. «Исходные» силы руля — это силы, возникающие при углах нулевого сноса. На рис. 2 видно, что сила торможения Хг является относительно большой. Она, вместе с возросшим сопротивлением вследствие угловой скорости, несомненно вызовет значительное понижение скорости буксира при его криволинейном перемещении.
Плавание при недостаточно отрегулированной мощности привода. В повседневной практике часто случается, что буксиры сравнительно большой мощности толкают небольшие буксирные составы и наоборот. Это происходит при портовом обслуживании, транспортировке одиночной баржи под погрузку, разгрузку или для формирования буксирного состава, при буксирном составе, сформированном из пустых барж, или при плавании по водным путям, где разрешается проводка только небольших буксирных составов.
В большинстве перечисленных случаев мощность буксира используется ненадлежащим образом. Назовем это явление «плавание с недостаточно отрегулированной мощностью привода». Отсюда, достаточно отрегулированная мощность — это мощность, при которой буксир может получить максимальную прибыль при данном буксирном составе.
Для пояснения этого положения вычислим прибыль, которую данный буксир может получить при транспортировке разных буксирных соста-
СУДОСТРОЕНИЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ
вов при прямолинейном плавании. В расчетах примем: «прибыль 1», которая включает стоимость перевозки грузов за вычетом эксплуатационных расходов (стоимость топлива, смазочных масел, портовые сборы, пограничные сборы и т. п.); «прибыль 2» — это «прибыль 1» за вычетом амортизации (4% в год), выплат по кредиту на 6 лет с 8% годовых, страховых взносов (2%), транспортных налогов (1%) и т. п. Разумеется, «прибыль 2» можно рассматривать как валовую прибыль компании, хотя в нее должны входить зарплата команды и администрации, расходы по транспортировке пустых барж и различные обязательные фонды компании. В табл. 2 приведены расчетные данные по транспортировке груженых барж по течению с глубиной воды 5 м. Было сделано предположение, что продолжительность транспортировки состава из барж Е11в с осадкой 2,5 м составляла 3200 ч в год, при этом 70% — против течения и 30% — по течению. Средняя расчетная скорость течени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.