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.
Табл. 1 Основные характеристики формы корпуса буксиров и толкачей | ||||
---|---|---|---|---|
Тип судна | Предельные значения коэффициентов | |||
δ | α | β | φ | |
Морские многоцелевые буксиры неограниченного плавания | 0,46-0,58 | 0,70-0,78 | 0,80-0,88 | 0,52-0,66 |
Морские буксиры прибрежного плавания | 0,50-0,60 | 0,70-0,80 | 0,84-0,90 | 0,55-0,70 |
Портовые буксиры >> буксиры-кантовщики | 0,52-0,60 0,50-0,60 | 0,75-0,85 0,76-0,90 | 0,84-0,94 0,85-0,94 | 0,55-0,72 0,53-0,70 |
Толкачи линейные класса <<О>> | 0,55-0,65 | 0,78-0,88 | 0,99-0,995 | 0,55-0,66 |
Толкачи-буксиры линейные классов <<О>> и <<Р>> | 0,51-0,65 | 0,77-0,90 | 0,89-0,995 | 0,56-0,72 |
Толкачи-буксиры рейдовые | 0,54-0,60 | 0,86-0,90 | 0,85-0,90 | 0,95-0,70 |
Толкачи-буксиры <<М>> >> >> <<О>> | 0,56-0,65 0,45-0,65 | 0,73-0,82 0,78-0,84 | 0,70-0,90 0,84-0,99 | 0,59-0,68 0,55-0,66 |
Буксиры классов <<Р>> и <<Л>> | 0,58-0,69 | 0,79-0,83 | 0,93-1,0 | 0,61-0,69 |
Для выбора коэффициента общей полноты имеется ряд формул. Формула Александера
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
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
- 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:
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 bВ/В для двухвинтовых толкачей.
Табл. 2 Величины элементов кормовой оконечности полутуннельного типа зарубежных толкачей и буксиров | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Наименование судна | Мощность N, л. с. | Длина L, м | Осадка Т, м | Диаметр гребного винта Dв, м | Относительная длина кормового подзора | Относительная длина передней части подзора | Относительное расстояние между валами bв/B | |
l1 L | l1/hT | |||||||
Супериор | 3 200 | 39,6 | 2,44 | 2,29 | 0,42 | 6,2 | 4,9 | 0,47 |
Маннесман II | 1 800 | 36,1 | 1,70 | 1,90 | 0,35 | 6,1 | 4,2 | 0,48 |
Ф. Х. II | 1 800 | 30,6 | 1,45 | 1,80 | 0,39 | 6,2 | 4,4 | 0,51 |
Браунколь | 1 700 | 27,0 | 1,40 | 1,60 | 0,34 | 6,8 | 4,6 | 0,61 |
Б. П. Пари | 1 700 | 21,5 | 2,50 | 1,90 | 0,48 | 4,8 | 5,5 | – |
Вулкан | 1 500 | 38,1 | 1,80 | 1,95 | 0,36 | 6,2 | 4,5 | 0,50 |
Вассербуффель | 1 260 | 36,0 | 1,85 | 1,80 | 0,45 | 6,3 | 4,6 | 0,50 |
Нашорн | 1 260 | 36,0 | 1,65 | 1,75 | 0,45 | 7,8 | 5,5 | 0,50 |
Делиград | 1 240 | 34,2 | 1,60 | 1,53 | 0,34 | 7,2 | 4,5 | 0,45 |
Цитерна 84 | 1 200 | 22,6 | 1,95 | 1,88 | 0,45 | 4,9 | 3,7 | 0,51 |
Конейбург | 1 050 | 43,5 | 1,25 | 1,35 | 0,40 | 12,0 | 10,0 | 0,40 |
Франкфурт | 930 | 18,3 | 1,40 | 1,50 | 0,51 | 5,1 | 4,5 | 0,50 |
Мец | 940 | 18,0 | 1,65 | 1,55 | 0,47 | 5,0 | 3,9 | 0,50 |
Оттер | 920 | 25,6 | 1,60 | 1,50 | 0,48 | 7,1 | 5,1 | 0,50 |
Бибер | 750 | 22,0 | 1,60 | 1,50 | 0,49 | 6,6 | 4,8 | 0,52 |
– | 600 | 20,0 | 1,10 | 1,20 | 0,34 | 5,1 | 3,3 | 0,55 |
Голимарт | 340 | 10,0 | 1,35 | 0,90 | 0,50 | 4,7 | 4,0 | 0,53 |
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.