Определение главных размерений и водоизмещения буксирных судов

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.

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.

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.

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.

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.

Читайте также: Особенности работы буксиров и толкачей-буксиров

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.

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.

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.

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

$L=\sqrt{0,233N–28}+13,7 м, Форм. 1$

• Пер Грига

$L=40 фт+\sqrt{2,5N–300 фт}. Форм. 2$

Однако эти формулы не вполне учитывают архитектурно-кон­структивные и иные особенности буксиров различных классов. На­пример, формула Мунро-Смита справедлива лишь для рейдовых буксиров-кантовщиков.

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.

Для морских портовых буксиров и буксиров-кантовщиков с вин­тами в качестве движителей справедлива формула

$L=11,50+1,36\left(\frac{N}{100}\right)–0,022{\left(\frac{N}{100}\right)}^2м. Форм. 3$

Длину морских портовых буксиров и буксиров-кантовщиков с крыльчатыми движителями можно определять по формуле

$L=16,5+0,8 \frac{N}{100}–0,003{\left(\frac{N}{100}\right)}^2м. Форм. 4$

Длина портовых буксиров (N ≤ 400 л. с.) с крыльчатыми движителями аналогична длине винтовых портовых буксиров. Для рейдовых одновинтовых буксиров при N ≤ 450 л. с.

$L=11,0+3,45 \left(\frac{N}{100}\right)–0,20{\left(\frac{N}{100}\right)}^2м. Форм. 5$

Длина морских линейных и многоцелевых буксиров при N ≥ 750 л. с. определяется соответственно по формулам:

$L=15,7+3,45 \left(\frac{N}{100}\right)–0,20{\left(\frac{N}{100}\right)}^2м;$

$L=12,75+1,29 \left(\frac{N}{100}\right)–0,007{\left(\frac{N}{100}\right)}^2м. Форм. 6$

Ориентировочная оценка длины толкачей-буксиров и толкачей в зависимости от их мощности может быть произведена по формуле

$L=А+1,29 \frac{N}{16 000}{\left(200–\frac{N}{50}\right)}^2м, Форм. 7$

• 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.

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.

Ориентировочно ширина толкачей и толкачей-буксиров вычис­ляется по формуле

$В=С+\frac{N}{17 000}\left(50–\frac{N}{200}\right) м, Форм. 8$

• 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.

Читайте также: Тяговые характеристики буксиров и буксиров-толкачей

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.

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.

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:

$L=t \sqrt[3]{D}; В=b \sqrt[3]{D}; Т=t \sqrt[3]{D.}$

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

$T\le \left(h_{mi{n}_0}–\Delta h_{mi{n}_0}\right) k_{т}, Форм. 14$

• где Δh_min0 — величина запаса глубины под днищем состава, обус­ловливаемая «Правилами плавания по внутренним водным путям»;
• k_т — коэффициент, учитывающий соотношение осадки толкача или буксира и несамоходных судов при нормируемых глубинах h_min0.

Коэффициент k_т 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 Т_к при этом равна около 0,9 Т) должна обеспечи­вать нормальные условия работы гребных винтов, диаметр кото­рых зависит от величины T_к мощности на валу движителя N_в и частоты вращения вала. Необходимая величина осадки для удов­летворения этому условию

$T\ge \frac{1,9{\left({\displaystyle \frac{N}{\sqrt{X_{Д}}}}\right)}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.}}{n_{в}^{\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$4$}\right.}}, Форм. 15$

• где N  — мощность главных двигателей кВт;
• Х_д — количество греб­ных винтов;
• n_в  — частота вращения гребного вала, об/с.

Длина толкача или буксира определяется исходя из следую­щих условий:

• а) обеспечения хорошего подтока воды к винтам

$L_{min}\approx 8\sqrt{ВТ,} Форм. 16$

• при этом

$h_{к}\ge 4,1 \sqrt{\beta ВТ;}$

• б) получения высоких тяговых показателей и необходимой остойчивости — через отношение

$L/B=(1,4–1,55) \sqrt[3]{L}$

• на основа­нии анализа лучших судов. Отсюда

$L\approx 1,8B^{\raisebox{1ex}{$3$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}; Форм. 17$

• в) размещения машинного отделения при минимальной длине

$L\approx \frac{{а}_m{N}^{\raisebox{1ex}{$4$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}}{B^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}}, Форм. 18$

• где а_m — коэффициент, зависящий от выбранного типа главных дви­гателей;
• а_m равен 7,0 при установке дизелей без наддува и 6,1 — с наддувом. Для малых судов с быстроходными двигателями а_т = 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):

$L=a_{LT}{N}^{0,19}{Т}^{ 0,29}, Форм. 19$

$B=a_{BT}{N}^{0,308}{{Т}^{ }}^{ –0,43}, Форм. 20$

• где a_LT — численный коэффициент, равный для среднеоборотных ДВС без наддува 7,5, с наддувом — 7,1;
• у быстроходных ДВС — 5,7;
• а_ВТ — 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′):

$L=a_{L\delta T}{N}^{0,308}, Форм. 21$

$B=a_{B\delta T}{N}^{0,205}, Форм. 22$

• где a_LδT  — численный коэффициент, равный для среднеоборотных ДВС без наддува 4,58, с наддувом — 4,18;
• у быстроходных ДВС — 3,00;
• а_ВТ — 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=3,2{\left(S_{ЭК}{n}_{ЭК}+a_{м}{N}^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}\right)}^{0,46}, Форм. 23$

$B=1,5{\left(S_{ЭК}{n}_{ЭК}+a_{м}{N}^{\raisebox{1ex}{$2$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$3$}\right.}\right)}^{0308}, Форм. 24$

• где S_эк — минимально необходимая площадь помещений экипажа, подобранная по близкому прототипу с учетом санитарных требова­ний;
• а_м — 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:

$L=2,9 \sqrt[3]{\frac{N}{X_{Д}}}, Форм. 25$

$B=1,38N^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$10$}\right.} X_{Д}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}, Форм. 26$

• где Х_Д — 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.

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

$\frac{D}{{\left(L/100\right)}^3}=a, Форм. 27$

• 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.