Тяговые характеристики буксирных судов

Расчет тяговой характеристики буксирного судна — показатель, характеризующий эффек­тивность использования мощности при выбранных основных эле­ментах корпуса и движителей. Чем более они соответствуют на­значению буксирного судна, тем выше его тяговые показатели на заданном режиме работы.

Для количественной оценки тяговых качеств буксирного суднаМорские буксирные суда, классификация и виды на разных скоростях его работы (от швартовного режима до скорости свободного хода) выполняются соответствующие расчеты и строится паспортная диаграмма.

Результаты этих расчетов, представленные в виде сводной пас­портной диаграммы буксирного судна (рис. 1), содержат следую­щие кривые, построенные в функции от скорости судна υ:

• а) суммарной мощности ΣN главных двигателей;
• б) суммарной полезной тяги ΣP;
• в) сопротивления корпуса толкача R_т или буксира R_б и сопро­тивления толкача или буксира с расчетным составом R_c соот­ветствуют нормальным условиям плавания при полных запасах топлива;
• г) тяги на гаке Z, получаемой путем вычитания ординат кри­вой R_т или R_б из ординат кривой ΣP_е при скорости движения υ;
• д) буксировочного к. п. д. определяемого по формуле;

${\eta }_{б}=\frac{Z\upsilon }{75N}. Форм. 1$

На диаграмме (см. рис. 1) имеются три характерные точки:

• А соответствует наибольшему упору движителей при нулевой скорости движения или тяге на швартовах;
• Б наибольшей скорости движения судна без состава — свободному ходу;
• В определяет ве­личину скорости движения при следовании толкача или буксира с расчетным составом.

Для буксирного судна изменение условий эксплуатации опреде­ляется неосновном изменением сопротивления буксируемого состава, т. е. изменением величины тяги на гаке. Поэтому тяговые качества буксирных судов оценивают главным образом по кривым:

$Z=f \left(\upsilon \right) и {\eta }_{б}=f \left(\upsilon \right). Форм. 2$

Из рис. 1 следует, что получить на судне с ВФШ максимально возможные значения тяги на швартовах Z₀, тяги в режиме букси­ровки Z_б и свободного хода υ_{с в.х} невозможно. Задача проектиров­щика обычно сводилась к выбору компромиссного варианта, где все величины в результате обла­дали бы некоторыми приемлемы­ми значениями.

Предлагается к прочтению: Выбор мощности и движительно-рулевого комплекса

С развитием буксиростроения и дифференциацией буксирных судов на узкоспециализирован­ные классы решение данной за­дачи должно соответствовать тре­бованиям, которые предъявляют­ся к буксирным судам в зависи­мости от их класса. Например, для буксиров-кантовщиков, рабо­тающих в основном на режимах, близких к швартовному, естест­венно нужно стремиться обеспе­чить наибольшую величину тяги на швартовах. Относительное снижение скорости свободного хода при этом не столь важно, так как последняя обычно

огра­ничивается условиями и прави­лами работы судов данного класса в порту. Наоборот, для линейных буксиров и толкачей необходимо в первую очередь обеспе­чить высокую тягу при значительной скорости буксировки.

Получение удовлетворительных тяговых показателей или, что то же, обеспечение проектируемому судну нужной буксировочной кривой достигается главным образом за счет выбора наиболее эф­фективного для данного случая типа движительно-рулевого комплекса и его элементов. Например, применение в качестве движите­лей ВРШВлияние гребного винта регулируемого шага (ВРШ) и руля на управляемость судна дает возможность полностью использовать мощность главного двигателя и получать тягу на гаке во всех режимах ра­боты, отличных от расчетного, более высокую по сравнению с таковой на однотипных буксирных судах, оборудованных ВФШ.

На рис. 2 приведена диаграмма тяговых характеристик мор­ского буксира мощностью 1 200 л. с. Были испытаны три винта:

• Спроектированный на швартовный режим работы
• На свободный ход и компромиссный, спроектированный на промежуточный ре­жим для расчетного состава судов.

Как следует из диаграммы, винт 1 не позволяет развить максимально возможную скорость хода (потеря скорости составляет около 15 %) при данной мощно­сти. У винта 2 тяга на швартовах меньше на 27 %, а у компромисс­ного винта 3, обеспечивающего большую тягу при скорости 4—9 уз, потери скорости и тяги по сравнению с винтами 1 и 2 имеют при­мерно средние значения.

Кривая 4 является огибающей к первым трем и характеризует значения максимальной тяги, которую можно получить на любой скорости буксировки — от нуля до наибольшей, т. е. на всех режи­мах полностью используется мощность главных двигателей. Для обеспечения наибольшей тяги на гаке винтовых буксиров следует рассмотреть возможность установки направляющих насадок, по­лучивших широкое распространение в буксирном флоте морского и особенно внутреннего плавания.

Ориентировочное значение вероятной тяги буксира заданной мощности может быть определено по статистическим данным удельной тяги построенных судов, графикам и эмпирическим фор­мулам.

Значение удельной тяги Z₀/N принимается при нулевой скоро­сти — на швартовах (Z₀ — тяга на швартовах, кгс; N — эффектив­ная мощность энергетической установки, л. с.).

По удельной тяге на швартовах, характерной для данного класса буксирных судов, можно установить ее промежуточные значения при интересующих скоростях буксировки (в зависимости от расчетного состава). Однако учитывая, что сопротивление буксир­ных судов обычно в несколько раз меньше буксируемого состава, допустимо считать мало существенным и различие в тяге при бук­сировочных режимах судов одного типа, имеющих одинаковую тягу на швартовном режиме. В таких случаях для предваритель­ной оценки можно ограничиться рассмотрением только швартов­ного режима.

На рис. 3 приведены кривые значений удельной тяги для наи­более распространенных типов морских буксирных судов, а на рис. 4 — кривая зависимости тяги от мощности.

Из графиков следует, что величина удельной тяги имеет зна­чительный разброс точек. Оценить среднее значение можно лишь весьма приближенно: 14,5—13,5 кгс/л. с. во всем диапазоне мощ­ности с тенденцией к снижению при возрастании мощности. Толкачи и буксирыКлассификация буксирных судов, типы и виды (см. рис. 4) оборудованы насадками гребных вин­тов, в основном поворотными.

С целью сравнительной оценки полученной величины удельной тяги в ходовых режимах с достигнутыми у плавающих судов в табл. 1 приведены расчетные скорости хода и соответствующие им значения удельной тяги для толкачей и буксиров мощностью 35—4 000 л. с. Там же даны величины буксировочного к. п. д., снижающегося по мере уменьшения мощности судов. Значительная разница в величинах удельной тяги объясняется различными усло­виями плавания и разными осадками даже у судов одинаковой мощности. Например, толкачи-буксиры мощностью 600 л. с. имеют осадку от 1,3 до 1,9 м. От осадки зависит диаметр винта и нагрузка по мощности на единицу площади его гидравлического сечения, а следовательно, и величина буксировочного к. п. д. Достижения высоких значений последнего упрощается, когда можно выбрать оптимальную для заданной осадки частоту вращения винта (имеется достаточный для этого ряд двигателей или редукторных передач).

 
Характер изменения величины удельной тяги буксирных судов в зависимости от нагрузки по мощности на гидравлическое сечение гребного винта приведен на рис. 5. Из графика следует, что с ростом нагрузки величина удельной тяги по мощности снижается.

Чем больше диаметр выбираемого гребного винта отличается от оптимального при одинаковой мощности, тем ниже к. п. д. и тяга движителя. Нередко диаметр винта принимается больше средней осадки. У морских буксиров это достигается за счет строительного дифферента, а у речных – в результате устройства в корпусе полутуннелей. На рис. 6 приведен график значений осадки и диаметра винтов буксирных судов внутреннего плавания, подтверждающий, что диаметр винта часто выбирается значительно больше осадки. Это в первую очередь касается мелкосидящих судов.

Зависимость диаметра винта от мощности двигателя и частоты вращения n гребного вала буксиров и толкачей можно ориентиро­вочно оценить по формуле:

$D_{в}=k \sqrt[4]{\frac{N}{{\eta }^2}}, Форм. 3$

где:

• k — коэффициент, равный 0,72—0,85.

Для сопоставления получаемых значений тяги проектируемого судна и предварительной оценки ее при заданной мощности на рис. 7 и 8 приведены кривые тяги на швартовах современных су­дов. Там же показана зависимость тяги на швартовах от мощно­сти энергетической установки судов, имеющих в качестве движи­телей ВРШ, часто применяемые на морских портовых буксирных судах.

На рис. 7 даны кривые тяги для буксиров-кантовщиков, у ко­торых открытые ВРШ или ВФШ заключены в направляющие насадки. Зависимость тяги от мощности для указанных типов дви­жителей может быть выражена соответственно следующими фор­мулами:

$Z_0=1,3\frac{N}{100}–1,6 Форм. 4$

и

$Z_0=1,3\frac{N}{100}+4,4. Форм. 5$

На рис. 8 приведены данные тяги в зависимости от мощности для портовых буксиров с крыльчатыми движителями. Как видно из рисунка, формула Пер Грига Z_о = N/86 достаточно точно со­гласуется со статистическими данными.

Кроме упомянутой формулы Пер Григом предложена и другая:

$Z_0=\frac{N}{93}+2, Форм. 6$

служащая для определения тяги на швартовах одновальных пор­товых буксиров с открытыми винтами и нормальными обводами корпуса при мощности 300 л. с. и более.

Читайте также: Архитектура буксирного судна, морского и речного плавания

С той же целью Мунро-Смитом предложена формула:

$Z_0=1,3\frac{N}{100}. Форм. 7$

Для сравнения буксирных судов используется коэффициент утилизации тяги на швартовах по кубическому модулю:

${\eta }_{м}=\frac{Z_0}{LBH}, Форм. 8$

где:

• Z_о — тяга на швартовах, кгс;
• LBH — кубический модуль суд­на, м³.

На рис. 9 показаны кривые зависимости коэффициента утили­зации тяги на швартовах от кубического модуля морских буксир­ных судов и судов внутреннего плавания.