Коэффициенты полноты, форма корпуса и мореходные качества буксиров

Коэффициенты полноты — численные показатели, характеризующие полноту обводов судна. Баланс ходового времени буксирных судов складывается из свободного хода без состава, движения с порожними и с груже­ными составами. Каждому режиму движения соответствуют достаточно опреде­ленные относительные скорости:

• 0,29—0,36 для свободного хода;
• 0,22—0,26 — при движении с порожними составами и 0,14—0,19 — с гружеными.

При столь широком диапазоне значений относитель­ных скоростей, а также движении на различных глубинах, вклю­чая мелководье для речных судов и волнение — для морских, корпуса буксирных судов должны иметь достаточно низкие значе­ния коэффициентов полноты и соответствующую форму.

Выбирая коэффициенты полноты и форму корпуса, необходимо обеспечить соответствие их району плавания и назначению буксир­ного судна, а также учесть специфические особенности его работы.

От правильного выбора формы контура главной палубы зависит удобство и безопасность работы буксиров и обслуживаемых ими судов. Учитывается удобство размещения якорного, отбойного, швартовного, буксирного и сцепного устройствСцепные устройства буксирных судов, крепления упоров для толкания, а также необходимость снижения строительной стои­мости, зависящей от технологичности обводов.

Значения коэффициентов полноты корпуса у буксирных судов изменяются в значительном диапазоне. Так, коэффициент общей полноты, как это следует из табл. 1, равен 0,46—0,60 у морских буксиров и 0,45—0,69 у толкачей и буксиров внутреннего плавания.

 
Для выбора коэффициента общей полноты имеется ряд формул. Формула Александера

$\delta =1,08–1,68 Fr Форм. 1$

применима к океанским и морским буксирам неограниченного и прибрежного плавания, а также портовым буксирам, имеющим от­носительные скорости Fr = 0,36—0,30. Для речных линейных тол­качей и буксиров класса «О» первый член в формуле рекомендуется принимать равным 1,13, а для классов «Р» и «Л» — 1,15—1,17. Формула Колдвелла

$\delta =0,20+0,1066–\frac{1}{Fr} Форм. 2$

дает при Fr = 0,36—0,30 более низкие значения δ, чем получаемые по формуле Александера; применима для океанских и морских линейных буксиров. Получаемые значения δ хорошо согласуются с рекомендациями — δ = 0,474÷0,54 и δ =0,45÷0,55. Для речных линейных толкачей и буксиров класса «О» первый член в формуле рекомендуется принимать равным 0,3, а для классов «Р» и «Л» — 0,33—0,35.

В некоторых случаях удобно пользоваться формулой Алексан­дера, представленной в виде

$\delta =1–k\frac{\upsilon }{\sqrt{L}}, Форм. 3$

• где k — численный коэффициент.

Для океанских и морских букси­ров k = 0,24;

• для буксиров класса «М» k = 0,20÷0,24;
• для буксиров морских и речных рейдовых и шлюзовых k = 0,17÷0,23;
• для толкачей и буксиров класса «О» k = 0,17÷0,20 и для толкачей и буксиров классов «Р» и «Л» k = 0,15÷0,20;
• υ — скорость свободного хода, уз.

Коэффициент полноты площади мидель-шпангоута β (см. табл. 1) составляет 0,80—0,88 у морских; 0,84—0,94 у линей­ных толкачей и буксиров и 0,93—1,00 у речных рейдовых и малых линейных буксиров и толкачей классов «Р» и «Л».

Зарубежные авторы рекомендуют для морских буксиров β = 0,754-0,85.

Коэффициент полноты пло­щади ватерлинии буксирных судов α имеет достаточно высокие значения за счет ее полноты в кормовой части и, как видно из табл. 1, изменяется в пределах 0,70—0,80 для морских и 0,77— 0,95 для речных толкачей и буксиров.

Призматический коэффициент φ = δ/β, характеризующий про­дольную полноту, для морских линейных и многоцелевых буксиров (особенно имеющих аварийно-спасательное оборудование) целесо­образно для уменьшения сопротивления принимать по возмож­ности малым. В работах рекомендуется значение φ = 0,58—0,60. Уменьшение φ приводит к увеличению площади ми­дель-шпангоута, но дает возможность заострить оконечности. За­висимость φ от числа Фруда показана на рис. 1.

В соответствии с назначением и районом плавания буксирных судов применяются обводы различных типов.

На рис. 2—9 представлен ряд теоретических чертежей наибо­лее типичных буксирных судов морского и внутреннего плавания.

Кроме обводов лекального типа, когда форма шпангоутов око­нечностей образуется плавными кривыми или сочетанием линий различной кривизны с прямыми, применяются и упрощенные формы корпусаЭлементы конструкции корпуса судна , выполняемые обычно двух и реже односкульными (см. рис. 8). По­следние используются только для малых речных судов. Применение упрощенных обводов обусловлено желанием снизить строительную стоимость кор­пуса за счет исключения кри­волинейного набора и листов обшивки с двойной погибью. Корпуса с упрощенными двухскульными обводами могут об­ладать высокими гидромеха­ническими качествами. Основ­ным условием для этого при проектировании должен быть выбор положения скул по ли­нии тока воды, обтекающей корпус. Наивыгоднейшее поло­жение скул определяется на моделях в опытовом бассейне. Из опыта проектирования су­дов известно, что сопротивле­ние корпусов с упрощенными обводами получается мень­шим, чем корпусов с лекаль­ными образованиями при оди­наковых коэффициентах общей полноты.

К разновидности упрощен­ных обводов относятся гидро­конические обводы, нашедшие применение в зарубежном буксиростроении. Гидрокониче­ская форма обводов дает воз­можность составить криволи­нейные поверхности корпуса из листов конической или ци­линдрической формы, не имею­щих двойной погиби. Это, как свидетельствуют зарубежные источники, позволяет, не повы­шая сопротивления корпуса, изготовлять листы обшивки на гибочных вальцах.

В отечественной практике для образования формы кор­пуса разработаны и находят применение
разверты­вающиеся поверхности, дающие возможность ма­тематически представить поверхность наружной обшивки корпуса. Значительная теоретическая работа проделана в этой области в Новосибир­ском институте инжене­ров водного транспорта.

Форма мидель-шпангоута характеризуется наличием килеватости днища, типичной для мор­ских и озерных буксиров, или плоским днищем, ха­рактерным для речных буксиров и толкачей, а также величиной радиуса закругления скулы.

Величина килеватости k = ΔH/0,5, начиная с не­большой, достигает 0,25 и более. Радиус скулы у морских буксиров сос­тавляет 0,8—1,5 м, а у речных — до 0,8 м.

Для морских линей­ных и многоцелевых бук­сиров рекомендуется пре­дусматривать небольшой развал шпангоутов в средней части с целью увеличения плеча стати­ческой остойчивости на больших углах крена. Дело в том, что при дви­жении судна на попутном волнении возможны опас­ное уменьшение и даже потеря остойчивости, ко­гда судно попадает своей средней частью на вер­шину волны. В. В. Семенов – Тян-Шанский устано­вил, что такое положение судна наблюдается при Сопротивление движению малого судначислах Фруда 0,28 и выше, т. е. в диапазоне, специфичном для свобод­ного хода морских букси­ров.

Носовая оконечность характеризуется типом и углами наклона шпангоу­тов, форштевня и углом входа конструктивной ва­терлинии.

Для носовых оконеч­ностей буксирных судов применяются шпангоуты чаще V – и реже U-образного типов. Применение V образных шпангоутов способствует уменьшению или исключению слеминга, лучшей всхожести на волну и меньшей заливаемости палубы. С той же целью на океанских и со­временных морских бук­сирах часто предусматри­вается удлиненный бак.

Угол наклона теорети­ческого шпангоута № 2 (дающего достаточно пол­ное представление о типе носовых шпангоутов) и величина его развала при палубе выбирается с уче­том всхожести на волну и уменьшения заливаемости палубы для морских и озерных буксиров и кон­структивной необходимо­сти в широкой палубе для толкачей-буксиров, имею­щих носовые упоры.

Предлагается к прочтению: Тяговые характеристики буксиров и буксиров-толкачей

Носовая оконечность буксиров, выполняющих функции ледоколов, ле­докольного типа с углом наклона форштевня в под­водной части, равным 27—35°. От величины под­реза носового дейдвуда зависит устойчивость буксира на курсе: чем меньше подрез, тем выше устойчивость, но ниже поворотливость. Поэтому у морских буксиров, для которых устойчивость на курсе — весьма важное качество, подрез носового дейдвуда делается минимальным.

У морских портовых буксиров иногда предусматривается строи­тельный дифферент на корму — это улучшает поворотливость и обеспечивает более глубокое погружение движителей, дает возмож­ность выбрать оптимальный диаметр винта.

Подрез носового дейдвуда у толкачей-буксиров может быть несколько большим, а для толкачей, всегда следующих за соста­вом, рекомендуется большой подрез, способствующий улучшению поворотливости толкача с составом. Это естественно получается при обводах ложкообразного и санного типа.

Угол входа конструктивной ватерлинии зависит от выбранного типа обводов и коэффициента полноты водоизмещенияСоставляющие водоизмещения и положение центра тяжести.

Форма кормовой оконечности в первую очередь зависит от числа гребных валов буксира или толкача и типа движителя.

У одновальных винтовых судов кормовая оконечность может иметь шпангоуты V – и U-образной формы. При U-образных шпан­гоутах достигается лучшее взаимодействие корпуса и движителя за счет значительно меньшей неравномерности поля скоростей у диска винта. Однако при V-образных шпангоутах возможно меньшее сопротивление корпуса. Если-же учесть, что при частоте вращения гребных винтов, характерной для современных дизель­ных буксиров (275—375 об/мин), выигрыш в пропульсивных каче­ствах от применения U-образных шпангоутов уменьшается, то бо­лее целесообразно применять для кормы одновинтовых и тем более двухвинтовых судов V-образные шпангоуты.

Форма кормы морских буксиров часто принимается крейсер­ского типа; это способствует снижению сопротивления на 5—10%, но увеличение длины конструктивной ватерлинии иногда обуслов­ливает уменьшение диаметра винта ниже оптимального. Кормо­вой подзор, защищая винт и руль, дает возможность получить не­обходимую площадь палубы для размещения судовых устройств и их обслуживания.

Кормовые оконечности двухвальных речных судов обычно вы­полняются полутуннельного типа. Эта форма прошла длительный путь развития, начиная от глубоких туннелей (считалось, что один винт должен быть отделен от другого для исключения возможного взаимного отрицательного влияния) и кончая обводами простей­шего санного типа.

В случае применения поворотных направляющих насадок греб­ных винтов значительная килеватость снижает их эффективность, как рулевого органа, при перекладке насадок к бортам. Одна из насадок, находясь «в тени» киля, подсасывает из-под него возму­щенный со срывами поток, снижающий тягу насадки.

На самоходной модели толкача с обводами кормы, близкими к приведенным на рис. 7, были замерены рулевые силы каждой из насадок.

Установлено, что тяга насадки, получающей воду со стороны борта, больше, чем насадки, засасывающей воду из-под киля, на швартовах в среднем на 46% и на ходу на 50—60%. Аналогичная картина наблюдалась и во время работы на задний ход.

При проектировании у толкачей формы кормовой оконечности полутуннельного типа, наряду с выбором гребных винтов, имеющих оптимальный для заданной мощности диаметр, необходимо:

• а) обеспечить достаточно свободное подтекание воды к вин­там из-под днища и с бортов (на судах, предназначенных для ра­боты на мелководье, в основном с бортов);
• б) предусмотреть плавный сбег потока воды с кормовой части свода полутуннеля;
• в) исключить подсос воздуха на переднем и заднем ходу при всех рабочих осадках судна и на волнении, для чего бортовые свесы полутуннелей у толкачей и буксиров класса «О» должны быть ниже, чем у судов класса «Р»;
• г) при установке в качестве рулевого органа рулей перед­него и заднего хода или поворотных направляющих насадок обеспечить подток воды к ним и с противоположного борта; для этого килеватость корпуса не должна быть явно выраженной, а у трех и четырехвинтовых судов в ней вообще нет необходимости;
• д) учесть, что кормовая оконечность двухвинтовых теплоходов в плане не должна иметь плоского транца, сопрягаемого с бор­тами под прямым углом, а должна быть образована по параболе или из частей окружности. Это требование объясняется необходи­мостью предотвратить повреждения собственного корпуса и других судов, когда буксирным судам приходится работать в стесненных условиях портов, выполняя маневры между стоящими судами. При работе буксирных судов в битом льду плоский транец оказывается препятствием для движения задним ходом. У трех и четырех­винтовых толкачей вследствие их большой ширины транцевой кормы не избежать. В этом случае сопряжение борта с транцем (в плане) необходимо выполнить по кривой с максимально воз­можным радиусом.

Примером удачного решения кормовой оконечности для ра­боты в битом льду является корма двухвальных буксиров типа БОР-450, у которых борта сходятся при ДП под углом около 90°. Однако при таком решении несколько увеличивается линия судна.

Предлагается к прочтению: Архитектура буксирного судна, морского и речного плавания

В связи с необходимостью удовлетворения приведенным тре­бованиям и выбора гребных винтов максимально возможного диаметра кормовые оконечности толкачей нередко обладают малой плавучестью.

Поэтому, проектируя кормовую оконечность, следует придавать корпусу необходимую прочность. С этой целью делается килева­тость или повышается борт в районе кормового подзора, что пред­почтительнее.

Достаточно высокие пропульсивные качества судна могут быть получены при следующих значениях элементов кормовой оконеч­ности, показанной на рис. 9:

$\frac{l_1}{L}=0,33÷0,45; \frac{{\displaystyle l_2}}{{\displaystyle L}}=0,10÷0,12;$

$\frac{l_1}{h_T}=6÷7; \frac{{\displaystyle {∆}_1}}{{\displaystyle T}}=0,1÷0,2;$

$\frac{∆2}{T}=0,05÷0,07; \epsilon =12÷15°.$

Величины Δ₁ и Δ₂ зависят от мощности судна; чем выше мощ­ность, тем они больше. Однако величина Δ₂/Т не должна превышать 0,1 при осадке, наименьшей из рабочих. В табл. 2 при­ведены значения указанных характеристик у ряда зарубежных толкачей и буксиров. Там же приведены относительные значения расстояния между гребными валами b_В/В для двухвинтовых тол­качей.

 
Форма корпуса буксирных судов с крыльчатыми движителями проще, чем винтовых (см. рис. 7). Основная ее особенность — вы­деляемая для установки движителей плоская часть днища.

Цилиндрическая часть корпуса у морских буксиров обычно от­сутствует. У речных она составляет от 5 до 35% расчетной длины корпуса.

Положение центра величины по длине обычно имеет неболь­шое смещение от миделя к носовой оконечности, а по высоте оно ниже у речных и выше у морских буксиров, имеющих килеватость (0,59—0,62 осадки).

При разработке теоретического чертежа следует особое внима­ние обращать на правильное расположение гребного винта относи­тельно корпуса, так как от этого зависят величина пропульсивного коэффициента и появление вибрации корпуса от работы винта. В случае, когда выбран оптимальный диаметр винта и оставлены лишь необходимые зазоры между корпусом и винтом, должно быть исключено влияние свободной поверхности воды и обеспе­чена защита винта от повреждений при работе буксирных судовМорские буксирные суда, классификация и виды в ледовых условиях.