Конструкция носовой и кормовой оконечностей судна

Конструкция оконечностей судна (носовая и кормовая), проектируется с усиленной прочностью, чтобы корпус мог выдержать динамические нагрузки и постоянные удары штормовых волн.

Особенности конструкций оконечностей

Оконечности судов представляют собой крайние носовую и кормовую части корпуса с резким изменением размеров и формы поперечных сечений. Эти оконечности заканчиваются мощными балками — форштевнем в носу (рис. 1) и ахтерштевнем (рис. 2) в корме. Считается, что границами этих оконечностей являются форпиковая и ахтерпиковая переборки, несмотря на то, что на значительном расстоянии до этих двух переборок имеет место значительное уменьшение поперечных сечений корпуса судна по сравнению со средней частью корпуса.

Носовая оконечность корпуса

Форпик и носовые диптанки служат для хранения пресной или забортной воды. Заполнение и опорожнение этих емкостей служит для создания необходимого дифферента и вообще удифферентовки судна в зависимости от требований эксплуатации. Этим же нуждам служит и ахтерпик.

Форпик, ахтерпик и диптанки при плавании поражением используются для увеличения осадки и дифферента на корму во избежание ледовых повреждений гребного винта и обшивки в районах, не имеющих ледовых подкреплений.

В надстройке бака, а иногда и в помещениях под главной палубой хранятся шкиперские запасы (тросы, инструмент, блоки, краски). На палубе бака размещается якорное устройство (рис. 3) с брашпилем со швартовными турачками, клюзами, цепными трубами, идущими в глубину форпика к цепным ящикам, для хранения цепей для двух становых якорей (рис. 4). Носовые обводы должны иметь достаточно большой развал бортов для удобства подъема и хранения якорей в клюзах, а также для хорошей всхожести судна на волну и уменьшения заливаемости палубы.

В сложных условиях плавания на баке должны находиться члены команды, готовые по первому требованию отдать (спустить) якоря или потравить (спустить) дополнительное количество якорной цепи за борт для удержания судна на якорях в сложных условиях стоянки при сильном ветре. Особенно сложные работы на баке выполняют члены палубной команды при буксировке судов ледоколами в тяжелых льдах при обрывах буксирных тросов, когда требуется многократная повторная подача буксиров в условиях низких температур и обмерзания.

Большие нагрузки действуют на носовую оконечность во время качки в виде резких ударов в развал борта, днище и палубу.

Гидродинамические нагрузки в днище при малой осадке носом вызывали особенно большие повреждения вновь построенных судов. Это было результатом того, что в мировом судостроении наблюдался процесс резкого увеличения скоростей судов. С целью усовершенствования конструкций проводились многочисленные испытания во время штормов судов в водах бурных морей ДВ. Результаты этих исследований докладывались на техсовете Регистра. Поврежденные перекрытия были модернизированы с учетом внешних нагрузок, вызвавших эти повреждения.

После этого в течение многих лет за модернизированными конструкциями велись наблюдения и производились усовершенствования днищевых конструкций. Однако до сих пор наблюдаются повреждения в носовой оконечности судов. Чаще всего они возникают при ходе во льдах от льдин, уходящих под корпус, или от ударов о лед. Иногда в сложных условиях при сильном волнении приходится экстренно отходить от берега, что вызывает очень большие нагрузки на волнении, избежать которых бывает невозможно (перелом «В. Чкалова» у берегов Камчатки). Большие повреждения во льдах получают суда ледового плавания.

Гидродинамические нагрузки в развал борта (рис. 5, 6) являются причиной многочисленных, иногда опасных повреждений носовых оконечностей. Они проявляются в виде остаточных деформаций, потери устойчивости балок набора и даже разрушения обшивки. На рис. 6 показаны деформации палубы бака, а также большая трещина в бортовой обшивке в результате ударов волн.

Читайте также: Принципы проектирования конструкций корпуса судна

Рассчитать величину ударных нагрузок, действующих на носовую оконечность, не представляется возможным. Для проектирования конструкций в носовой оконечности проводят эксперименты как натурные, так и с моделями (рис. 7). Одновременно с изгибом носовой оконечности происходит ее скручивание, в результате чего в верхней части бортов возникают остаточные деформации и трещины (рис. 8).

Особое внимание при проектировании носовой оконечности необходимо уделять внутренним конструкциям, расположенным в форпике:

• отбойным переборкам;
• рациональному размещению платформ;
• прочным высоким фальшбортам, переходящим в переходные длинные кницы надстроек за поперечной переборкой бака.

Очень важно обеспечить постепенный переход многочисленных продольных связей под носовой надстройкой в обычный бортовой набор, продляя платформы и бортовые стрингеры в трюмах в виде стрингеров, которые обязательно должны идти на некоторой длине грузовых помещений (рис. 9).

Наиболее сложная и прочная конструкция носовой оконечности имеется на мощных ледоколах и судах ледового плавания, предназначенных колоть лед с разбега, когда часть прочных льдин уходит под корпус и даже мощные ледоколы, вползая на льдины, застревают во льдах, а на мелководье через льдины садятся на грунт.

Правила Регистра предусматривают минимально необходимый уровень прочности при действии ледовых нагрузок и дают рекомендации по выбору формы обводов и размеров конструкций в зависимости от ледового класса судна.

В форпике ледоколов и некоторых категорий судов ледового плавания в ДП устанавливается продольная переборка, привариваемая к форштевню (рис. 10), а стрингеры с распорными бимсами (рис. 11) заменяют облегченными платформами, имеющими вырезы.

Судам с усиленными ледовыми подкреплениями рекомендуется иметь стальные форштевни, которые изготавливаются из отдельных частей, сваренных между собой. Однако еще совсем недавно запрещалось изготовление форштевней из листов, хотя уже в годы войны в Германии был построен полностью сварной с использованием СПП ледокол, имевший листовой форштевень. Этот ледокол под названием «Пересвет» был передан по репарациям России и успешно эксплуатировался на ДВ в самых тяжелых ледовых условиях (конструкция носовой оконечности л/к «Пересвет» приводится на рис. 34 Конструкция двойного дна в районе скулы в судовом корпусе«Сплошной флор и ребра, проходящие через него»).

В требованиях Правил Регистра рекомендуется на транспортных судах использовать листовые форштевни сварной конструкции, подкрепленные бракетами, расположение которых по высоте должно согласоваться с набором корпуса. Еще во время войны на танкерах типа Т-2 использовались листовые форштевни (рис. 12), которые в эксплуатации хорошо себя зарекомендовали. Система набора в форпике, как и ахтерпике, на этих танкерах была продольной. Такую же систему набора, как и листовые форштевни, широко использовали при постройке супертанкеров с бульбовым носом (рис. 13). Такая система в носовой оконечности продолжает широко использоваться в современном судостроении. Облегчена установка набора в районах с двойной кривизной обшивки. Конструкция в носовой оконечности прежде всего зависит от ее формы, и ее прочность обеспечивается обшивкой, таранной и диаметральной переборками.

Необходимо надежно крепить балки к переборке форпика. При этом вся конструкция форпика должна надежно обеспечивать восприятия изгибающих моментов, перерезывающих сил при общем продольном изгибе и кручении, так же как и местных нагрузок.

Определенную роль в обеспечении прочности форпика играет продольная отбойная переборка в ДП, особенно при большой ширине носовых бульбов и установке распорных бимсов.

Необходимо отметить, что в современных условиях для любого класса судов ледового плавания и ледоколов при использовании СПП имеется полная возможность заменить литые и кованые форштевни листовыми равной прочности.

На рис. 14 представлены отбойные переборки: продольная и поперечная на судне, имеющем бульб. Длина форпика с бульбом в некоторых случаях значительно увеличивается и разделяется несколькими переборками, а на части длины даже устраивается двойное дно (рис. 15).

Применение сварки упрощает раскрой листов для создания поверхности двоякой кривизны при ледовых образованиях (рис. 16, а) в районе форштевня и в районе носового бульба. Формы бульба для разных судов могут значительно отличаться в зависимости от обводов судна и от его скорости (рис. 16, б). Кроме носовых бульбов на некоторых судах кормовая оконечность также заканчивается бульбом. При транцевой корме кормовая оконечность может испытывать сильные сосредоточенные давления, отрицательно влияющие на работу механизмов, расположенных в корме (рис. 17).

Для увеличения поперечной прочности в районе носового и кормового бульбов устанавливают поперечные переборки или мощные кольцевые рамы.

При выборе системы набора для носовой оконечности все чаще используют продольную систему и не всегда считают, что наиболее простой системой для оконечностей является поперечная система. Полные формы образования оконечностей больших танкеров заставили пересмотреть привычные представления. Каждый раз, проектируя новое судно, необходимо производить детальные исследования.

При выборе метода изготовления форштевней для ледоколов задаются вопросом о целесообразности и возможности замены литых и кованых форштевней сварными листовыми. Это относится и к ахтерштевням, которые уже во время войны из-за трудностей при изготовлении отливок и поковок на многих судах делались сварными из листов. Особенно тяжелые и трудоемкие отливки до сих пор изготавливаются для мощных ледоколов (см. ахтерштевень ледокола «Адм. Макаров» на рис. 18).

Конструкция ахтерпика и ахтерштевней

Ахтерштевень представляет собой мощную кормовую балку, служащую опорой для винтов и валопровода и воспринимающую большие неуравновешенные силы от вращающегося гребного винта. Эти усилия многократно увеличиваются на ледоколах при довольно частых потерях лопастей. Это вызывает необходимость установки мощных корпусных конструкций в ахтерпике и прочного соединения с ними ахтерштевня. Ахтерштевень, как и форштевень, является конструкцией, на которой заканчивается бортовая и частично днищевая обшивка.

Форма ахтерштевня определяется обводами кормы, которая за последние годы существенно изменилась. Действительно, яхтенная и крейсерская кормы значительно изменились в сторону их расширения и образования плоского транца. Такая корма удобна для размещения механически спускаемых по наклонным направляющим спасательных шлюпок и расположения швартовых механизмов, а иногда и кормового якорного устройства и приспособлений для буксировки аварийных судов.

С увеличением размеров судов и числа винтов, и особенно когда ахтерштевень на ледоколах выполняется совместно с рудерпостом (рис. 18), возникают трудности для закрепления тяжелого пера руля. На некоторых больших двухвинтовых судах имеется два ахтерштевня и два руля, в результате чего маневренность судна значительно увеличивается. Это особенно важно для круизных судов, совершающих сложные рейсы в малообжитых удаленных районах Мирового океана, а также для супертанкеров (рис. 19).

На некоторых судах ахтерпики имеют продольные переборки, соединяемые с ахтерштевнем. На рис. 20 представлена конструкция кормовой оконечности с ахтерштевнем, выполненным из отдельных отливок, соединяемых между собой с помощью сварки. Встречаются листосварные ахтерштевни для атомных ледоколов.

В зависимости от метода крепления пера руля к ахтерштевню изменяется конструкция ахтерштевня. На рис. 21 показан листосварной ахтерштевень, имеющий в нижней части опору для пера руля, а в верхней части ледовый выступ, охраняющий винт при движении во льдах задним ходом.

На рис. 22 представлены два типа кормовой оконечности с кронштейнами для крепления рулей, а на рис. 23 — кормовая оконечность, линия гребного вала, положение винта и перо руля. В последнее время используются рулевые устройства, единственная опора руля которых находится в основном корпусе. Для сравнения на рис. 23 показан ахтерштевень с пяткой для опирания пера руля.

У двухвинтовых судов (рис. 24) перо руля упирается на пятку ахтерштевня, имеющего простую форму, так как через него не проходит концевой вал и не образуется для этой цели яблоко старнпоста.

Концевые валы с гребным винтом при двухвальной установке проходят из корпуса через специальные выкружки и опираются за корпусом на специальные кронштейны (рис. 25).

На рис. 26 показаны водонепроницаемые дейдвудные трубы, через которые проходят концевые валы, на конце которых напрессованы гребные винты.

В районе дейдвуда в ахтерпике устраивается сложная система конструкций, перевязанных с конструкциями ахтерпика, воспринимающих динамические нагрузки от работы механизмов и винтов.

Особенно прочные конструкции в оконечностях делаются на ледоколах, на которые кроме переборок устраивается несколько перфорированных платформ, которые, как и палубы, подкрепляются мощным набором. Для более надежного восприятия ледовых нагрузок как в носу, так и в корме балки набора устанавливаются перпендикулярно листам обшивки, как это показано на рис. 27.

Наиболее сложная конструкция кормовой оконечности вместе с ахтерпиком получается при устройстве двух выкружек в обшивке и наборе корпуса для крепления дейдвудной трубы в каждой выкружке, охватывающей своими изогнутыми листами дейдвудный сальник. Через дейдвудную непроницаемую трубу каждый из двух валов уходит в сторону от ДП корпуса с целью размещения винтов под кормовым подзором корпуса, опираясь на кронштейны (см. рис. 25). При одновинтовой механической установке достаточной опорой концевому валу и винту служит яблоко старнпоста.

Будет интересно: Конструирование и расчет палубных перекрытий

При расположении машинного отделения сразу в носу за переборкой ахтерпика его ширина, особенно в нижней части поперечного сечения, имеет небольшую величину, и в этих районах выделяют отсеки для:

• топлива;
• воды и масла;
• а также для устройства мастерских и поста управления.

Частично для хранения жидкостей используется двойное дно, которое берет начало сразу за ахтерпиковой переборкой.

На рис. 28 показано поперечное сечение по машинному отделению сразу за ахтерпиком. Платформы и переборки выделяют там отдельные помещения. При очень острой оконечности и коротком ахтерпике для устройства выкружек для валов приходится его удлинять.

На рис. 29 представлена конструкция, показывающая выход валов из машинного отделения двухвинтового судна. Для создания опор гребному валу в фигурных флорах делаются выкружки, образующие вместе с согнутыми листами наружной обшивки и водонепроницаемыми дейдвудами мортиры. Эти конструкции требуют выполнения сложных гибочных операций при их изготовлении, создавая конструкции двоякой кривизны.

На рис. 30 даются несколько поперечных сечений в районах по длине прохода вала, который на 10-м и 11-м шпангоутах выходит из корпуса наружу и опирается на обтекаемый кронштейн. Сразу за последним на конце концевого вала запрессовывается гребной винт. В результате снаружи корпуса по его бортам в кормовой оконечности появляются плавные обтекаемые конструкции в виде местных выпуклостей (выкружки). У кормового конца выпуклости под обшивкой устанавливается втулка — мортира.

Мортира, как и яблоко старнпоста на валопроводе в ДП, при коротком участке вала является единственной опорой корпуса, при этом кронштейн отсутствует. Однако на большинстве судов сделать это не позволяют обводы судна. Длина участка вала до того места, где на его конец можно поставить винт с необходимым зазором от его кромок до корпуса судна, такая большая, что требуется установить кроме мортиры еще одну опору в виде кронштейна.

Расчет кронштейнов гребных валов вместе с участком корпуса производится методом конечного элемента. На кронштейны валов действуют следующие усилия:

• переменные по направлению и величине усилия, вызываемые неравномерностью гидродинамических давлений на лопасти вращающегося винта;
• постоянные усилия от массы участка гребного вала за мортирой с посаженным на его конце винтом;
• случайные усилия, которые возникают в результате деформаций и потери лопастей винта при деформациях вала и усиливающейся вибрации;
• повторяющиеся инерционные усилия, возникающие во время оголения винта при сильной качке.

Особые условия работы мощных ледоколов в сжатых льдах в Арктике часто сопровождаются потерей лопастей, для замены которых требуется переход к базе ремонта или под прикрытие берегов. Подобные переходы ледоколов с потерянными лопастями винтов требуют особой осторожности движения. Это относится и к транспортным судам ледового плавания, которые также теряют лопасти винтов во льдах.

Прочность кронштейнов гребных валов может рассчитываться также упрощенными методами, принимаемыми для отдельных деталей кронштейнов и местных подкреплений в корпусе.

Для транспортных судов размеры кронштейнов и деталей крепления устанавливаются в соответствии с требованиями Регистра, представляющими собой обобщенный опыт эксплуатации большого количества судов разных конструктивных типов, согласованный с международными организациями. В Правилах даются общие положения и требования к конструкции и размерам:

• форштевней;
• ахтерштевней (рудерпоста, старнпоста);
• подошвы ахтерштевня;
• кронштейнов полуподвесного руля и кронштейнов гребных валов;
• а также неповоротной насадки гребного винта.

Размеры элементов кронштейнов гребных валов Правилами Регистра допускается определять прямым расчетом прочности. Все это относится и к расчетам сварных и литых кронштейнов сложной формы, которая иллюстрируется на рис. 31—35.

Проверочный расчет производится по наибольшим нормальным и касательным напряжениям, полученным при расчете конструкций на действие нагрузок случайного характера, которые появляются при повреждении гребных винтов, когда при потере лопасти возникают силы инерции и действуют моменты этих сил.

При работе судна появляется вибрация, поэтому необходимо проектировать конструкции кронштейнов и крепления их в корпусе таким образом, чтобы они обладали достаточной жесткостью, а частота их свободных колебаний была выше частоты вращения вала.

Предлагается к прочтению: Конструкция в районе палубных вырезов

При расчете кронштейна за внешнюю нагрузку принимается неуравновешенная сила инерции поврежденного винта Р. Предполагая, что гребной вал в мортире свободно оперт, действующую нагрузку R на кронштейн можно определить из уравнения моментов относительно мортиры. Сила R может иметь любое направление в плоскости, перпендикулярной оси вала.

В случае однолапого кронштейна (см. рис. 35) при действии силы R в плоскости, проходящей через ось вала и ось лапы кронштейна, лапа растягивается силой S.

За расчетную величину усилия при проверке прочности кронштейна гребного вала принимается усилие, способное сломать вал вследствие изгиба у втулки кронштейна. При этом прочность конструкций кронштейна и подкреплений корпуса должна быть обеспечена.

Конструкции крепления кронштейна к корпусу рассчитывают на наибольшие значения действующих усилий и моментов.

На рис. 36 дана расчетная схема двухлапого кронштейна.

Толщины листов наружной обшивки в районе ахтерштевня берутся много большими, чем у других листов корпуса, и используются два типа конструкций для установки двух типов рулей (рис. 37). Пятка ахтерштевня при постановке судна в док не должна касаться кильблоков и поэтому имеет небольшой наклон (см. рис. 37, а).

Большинство современных судов с бульбом в корме имеют подвесные рули (см. рис. 37, б).