автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Обоснование возможности безопасной эксплуатации судов смешанного "река-море" плавания при нетиповых загрузках

Чурин Михаил Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВ СМЕШАННОГО «РЕКА-МОРЕ» ПЛАВАНИЯ ПРИ НЕТИПОВЫХ ЗАГРУЗКАХ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта,

судовождение

2 8 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород -2013

005541174

005541174

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «ВГАВТ», г. Нижний Новгород).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Клементьев Александр Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ФБОУ ВПО «ВГАВТ» Малышкин Александр Георгиевич;

кандидат технических наук, управляющий директор ОАО «Судоходная компания «Волжское пароходство»

Шишкин Александр Алексеевич.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 1500 часов в аудитории 231 на заседании диссертационного совета Д.223.001.01 при Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д.5А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»

Автореферат разослан « 49» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Н.В. Сустретова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В эксплуатации судов смешанного «река-море» плавания накоплен богатый опыт работы, как в морских районах, так и на внутренних водных путях, включая устьевые участки рек, впадающих в моря, где, исходя из особых условий этих районов, суда смешанного «река-море» плавания зарекомендовали себя наиболее успешно. К таким особым условиям можно отнести малые глубины на подходных фарватерах и наличие сгонных и нагонных течений, в результате чего устьевые участки рек подвержены значительным колебаниям уровней воды. При сгонных ветрах глубины на судовом ходу значительно уменьшаются, что вызывает дополнительные сложности для работы флота. Простои судов в ожидании проходных глубин на подходных фарватерах являются обычной ситуацией в устьевых портах. Работа судов в этих условиях связана с большими потерями при погрузке (вынуждены загружаться.. только на проходные осадки).

Исходя из этих специфических условий в устьевых портах суда, как правило, загружаются с минимальным дифферентом на корму или на ровный киль. Анализ существующих типовых вариантов загрузки у судов смешанного плавания показал, что у некоторых из них присутствуют варианты типовых загрузок судна с дифферентом на нос, а у другой группы судов таких вариантов не предусмотрено. В этом случае загрузка с дифферентом на нос запрещена. При этом причины запрета не обосновываются. В современных подходах к оценке маневренных характеристик судов мы встречаем ограничение «судно рассматривается в полном грузу, загруженное на ровный киль», однако это состояние является частным случаем в процессе эксплуатации судна. Во время перехода судно расходует свои запасы (топливо, воду и т.д.), в результате чего в процессе перехода посадка судна постоянно меняется. Так, если судно вышло с незначительным дифферентом на корму, то при длительном переходе может получить дифферент на нос. Поэтому очень важно знать, как эти изменения влияют на маневренные характеристики и безопасность судна.

Актуальным является вопрос и точного определения посадки судна в условиях мелководья. Интерес также вызывает вопрос

з

изучения характера проявления динамической просадки у судов смешанного плавания, прошедших реконструкцию, связанную с уменьшением их длины.

Вопросами приращения осадки при движении судна по мелководью занимались многие зарубежные и отечественные исследователи. Одни из методов относятся только к речным судам, другие только к морским, есть и универсальные методы расчета просадки. Для речных судов это, в первую очередь, методы В.Г. Павленко,. П.Н. Шанчурова, Г.И. Сухомела и их дальнейшие разработки в виде формул А.М.Полунина и А.П. Ковалева, Г.И. Ваганова, С.Н. Короткова, Т.Г. Горнушкиной. Авторы данных методик исходили, прежде всего, из учета физического процесса, происходящего вокруг движущегося судна - процесса обтекания корпуса судна потоком воды. Однако физический процесс обтекания корпуса судна жидкостью, помимо размерений судна и отношения его осадки к глубине в районе плавания, определяется также формой корпуса судна, что не нашло отражения в методах вышеназванных авторов.

Таким образом, исследование вопросов определения характера проявления динамической просадки (на нос или на корму), расчёт её величины, влияния дифферента на маневренные качества и остойчивость судна, является неотъемлемой частью решения проблемы обеспечения безопасности плавания.

Обобщение опыта работы судов смешанного «река-море» плавания позволило определить пути, направленные на повышение эффективности работы этих судов. Одним из весьма эффективных и легко осуществимых способов снизить себестоимость перевозок грузов является увеличение их загрузки. Эти пути повышения эффективности работы судов смешанного плавания, в основном, были реализованы в конце прошлого века.

В настоящей работе предлагается новый подход к повышению эффективности работы судов смешанного «река-море» плавания и в первую очередь реконструированных судов.

Цель работы. Целью исследований является обоснование возможности безопасной эксплуатации судов смешанного «река-море» плавания при нетиповых загрузках. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ существующих методов определения величин динамических просадок судов и определить их пригодность для речных и смешанного «река-море» плавания судов;

- исследовать характер проявления динамической просадки у реконструированных судов смешанного «река-море» плавания;

- оценить влияние особенностей формы судовых корпусов на величину динамической просадки судов речного флота;

- определить влияние дифферента на маневренные качества судов и их остойчивость.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются речные и смешанного «река-море» плавания суда, а предметом исследований являются характеристики движения и величины динамической просадки этих судов при нетиповых загрузках.

Методология исследования. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использовались методы математического анализа. Обработка результатов исследований выполнена с применением пакета прикладных программ.

Научная новизна работы. Научную новизну диссертации составляют исследования, в результате которых:

- определен характер проявления динамической просадки у судов внутреннего плавания, прошедших реконструкцию, связанную с уменьшением длины корпуса судна;

- предложен метод определения характера (на нос или на корму) и величин динамической просадки судов внутреннего и смешанного плавания, учитывающий особенности формы корпуса судна;

- определено влияние дифферента судна на характеристики движения судна на криволинейных участках пути.

Перечисленные исследования для речных и смешанного «река-море» плавания судов выполнены впервые.

Практическая значимость работы. Результатами исследований, обусловливающими практическую значимость диссертационной работы, являются:

1) метод определения величин динамической просадки судов смешанного плавания с учетом особенностей формы корпуса;

2) расчетные зависимости для определения величин динамической просадки реконструированных судов ;

3) обоснование возможности безопасной эксплуатации судов смешанного «река-море» плавания при нетиповых загрузках;

4) новый подход к повышению эффективности работы реконструированных судов смешанного плавания.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТ (г. Нижний Новгород 2013 г.), на международной научно-практической конференции «Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса Волго-Каспийского макрорегиона» (г.Астрахань 2013г.), на научно-практической конференции «Проблемы транспортного обеспечения развития национальной экономики» (г. Пермь 2013 г.).

Реализация выполненных исследований. Основные выводы и результаты исследований рекомендованы для практического использования на судах отделами безопасности судоходства компаний ООО «В.Ф.Танкер», «Средне-Волжская судоходная компания», компании «Рио Маритайм». Метод определения величины динамической просадки судов смешанного плавания, разработанный автором, используется студентами судоводительского факультета при выполнении курсовых и дипломных работ.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано семь работ общим объёмом 2,8 п. л..

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и пяти приложений. Общий объем работы составляет 145 страниц. Основная часть рукописи содержит 124 страницы, включая 30 таблиц, 19 рисунков и библиографию (91 наименование). В приложениях представлены номограммы для определения просадки судов по методам В.П. Смирнова и NPL (National Physical Laboratory), геометрические характеристики проектов судов, расчетные величины динамической просадки судов речного флота и параметров установившейся циркуляции, а также документы, подтверждающие использование результатов исследований автора.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе рассматриваются существующие требования нормативных документов по обеспечению безопасного плавания судов. Рассмотрены как требования международных документов, так и требования отечественных документов касательно планирования предстоящего рейса и проработки маршрута перехода. Штурманская подготовка к рейсу должна выполняться заблаговременно до выхода судна в рейс. Завершающим этапом проработки перехода является составление плана перехода. Резолюция ИМО А 893 (21) «Руководство по планированию рейса» от 25 ноября 1999 г., а также Международная Конвенция ПДНВ 78/95 содержат требования по определению безопасной скорости вблизи навигационных опасностей, по учету просадки судна на ходу и определению минимальной безопасной глубины под килем судна на мелководье в конкретных условиях перехода. Разработанная OCIMF (Companies International Marine Forum) программа инспекторских проверок (SIRE -Ship Inspection Report Programme) содержит те же требования, но в более развернутой форме. Наставление по штурманской службе на судах МРФ (НШСМ-86), Правила плавания по ВВП и постановления по портам также содержат требования по определению запаса глубин под килем с учетом скорости движения и волнения. С учетом специфики работы судов смешанного плавания вопросы точного определения посадки судна и запасов воды под днищем приобретают дополнительную актуальность (под посадкой судна понимается наличие крена и дифферента). На основании выполненного анализа существующих требований международных и национальных документов с учетом сложившейся практики работы судов смешанного плавания в устьевых портах в конце главы определены цель и основные задачи работы.

Во второй главе содержится анализ существующих методов определения динамической просадки судов, рассмотрен порядок расчета динамической просадки судов по методам В.Г.Павленко, А.М. Полунина, П.Н.Шанчурова, Г.И.Сухомела, А.П.Ковалева, К. Ремиша, В.П. Смирнова, графический метод NPL (National Physical

Laboratory). Исследован характер проявления динамической просадки у судов смешанного плавания, прошедших реконструкцию, связанную с уменьшением длины цилиндрической вставки корпуса судна. В результате обработки расчетных данных, автором определена величина увеличения динамической просадки судна, выраженная в процентах от первоначальной просадки, в зависимости от сокращения его длины, выраженной в процентах от первоначальной длины судна, которая аппроксимируется следующей зависимостью:

А = 2,1 95л;-0,017х2, (1)

где А - увеличение, динамической просадки по корме судна, выраженное в процентах от величины первоначальной просадки;

х - уменьшение длины судна в результате проведенной реконструкции, выраженное в процентах от первоначальной длины судна.

Математическая обработка расчетных данных позволила сделать следующее заключение: реконструкция теплоходов «Волжский» проекта 05074 и теплоходов «Волгонефть» проекта 1577, проведенная для улучшения мореходных качеств судов и связанная с уменьшением их длины, привела к изменению динамической просадки при следовании на мелководье (у т/х «Волжский» она увеличилась на 42 %, у т/х «Волгонефть» на 38%).

Таким образом, после реконструкции для судов открылись морские районы, но их движение на мелководье значительно осложнилось из-за увеличения динамической просадки и, как следствие, уменьшения запаса воды под днищем.

«Brown's Nautical Almanac» содержит информацию о том, что для судов, имеющих коэффициент полноты водоизмещения 8 > 0,70, дифферент будет проявляться на нос, для судов с 8 < 0,70 -дифферент на корму, для судов 8 = 0,70 - просадка судна будет проявляться без дополнительного дифферента. Метод К. Ремиша, во многих источниках называемый универсальным, содержит другой подход к определению характера просадки судна, связанный с расчетом дополнительного коэффициента Cg , который определяется по выражению:

_ УУУ д

сз„~—л—' ^

90§^В2 1}

где В - ширина судна; Ь - длина судна. Согласно методу К. Ремиша, при >1,0 проседание носа у судна происходит интенсивнее, чем проседание кормы. При С§ <

1,0 - больше проседает корма. Доказано, что для судов речного флота данный метод не приемлем, так как натурные наблюдения показывают, что речные суда всегда проседают больше кормой, при этом коэффициент может быть как больше, так и меньше 1,0.

Приращение осадки судна по корме АТк для речных судов В.Г. Павленко предлагает вычислять по формуле:

(3)

где V - скорость судна, м/с;

ё - ускорение свободного падения, м/с2; а - числовой коэффициент, причем для крупнотоннажных грузовых судов

* = 0,04^16,(4)

где Т - осадка судна, м;

Н - глубина судового хода, м. Расчетные выражения, предложенные П.Н. Шанчуровым, имеют вид:

а) для отношений — < 1,6 Т

ку2 (

АТК = 0,0175- 16,43-- 1—, (5)

Я Н

б) для отношений — > 1,6 Т

В

ку2

АТК =0,0145- 16,43-

ё

Ь

(6) Н

В _

где к - числовой коэффициент, принимаемый при 5<Ь/В<1 для винтовых судов 1,15, при 1<Ь/В <9 для винтовых судов 1,10;

Анализ данных зависимостей позволяет сделать вывод, что они не учитывают особенностей обводов судовых корпусов, которые также оказывают влияние на величину просадки. На базе выполненного анализа существующих методик определения динамической просадки судов, а также геометрических характеристик пятнадцати проектов судов внутреннего и смешанного плавания был разработан новый метод расчета динамической просадки судов смешанного плавания с учетом особенностей формы корпуса. На основе анализа динамического взаимодействия судового корпуса с окружающей его жидкостью предложен критерий для определения характера проявления просадки на мелководье судов речного флота, позволяющий учитывать особенности обводов носовой и кормовой оконечностей погруженной части судового корпуса. В новом методе в качестве такого критерия был принят коэффициент а , равный отношению коэффициентов полноты носовой сгн и кормовой <хк половин погруженной части диаметрального батокса судового корпуса. Исследования показали, что во всех случаях коэффициент а - (тн /егк > 1,0. Это является характерной особенностью обводов • корпусов судов внутреннего и смешанного плавания с традиционной формой корпуса (без бульба).

Проанализировав полученные результаты расчётов с учетом теории обтекания корпуса судна жидкостью, автором для расчета динамической просадки судов внутреннего и смешанного плавания предложено следующее выражение:

В V2 ¡Т _„г 2 [т~

ЛТС„ = а--. — =аВГг\ ~, (7)

ср Ь gч Н V Н

где

Рг = у/^Е ~ числ0 фРУда-

Выражение (7) позволяет определить приращение осадки судна на миделе. Для расчета приращения осадки судов внутреннего и смешанного плавания по корме предлагается дополнительно увеличить величину средней осадки на 20 %, то есть:

С8>

Для проверки корректности результатов исследований были выполнены расчёты динамической просадки по корме по методам В.Г. Павленко и П.Н. Шанчурова, разработанным на базе модельных испытаний, и по предлагаемой автором формуле (8) для семнадцати судов внутреннего и смешанного плавания.

Сравнение результатов расчётов по данным методам и по формуле (8) показало, что предлагаемый метод позволяет уточнить величину динамической просадки для грузовых речных и «река-море» судов на 4%, а для речных пассажирских судов на 9%.

Третья глава посвящена оценке влияния дифферента на поворотливость судна, параметры его движения при прохождении криволинейного участка пути и на его остойчивость. Влияние дифферента судна на его поворотливость определялось путем оценки изменений параметров установившейся циркуляции. Для получения коэффициентов полноты кормовой половины диаметрального батокса <хк для различных дифферентов были использованы теоретические чертежи реальных судов смешанного плавания т/х «Волжский» проект 05074 и проект 05074-АМ (реконструированный вариант). В результате были получены значения сгк для семи посадок судна с дифферентом от 30 см на корму до 30 см на нос с интервалом 10 см. С использованием методик В.Г. Павленко и В.А. Тронина были рассчитаны углы дрейфа в установившийся период циркуляции /?ц :

_ — + Лцаи) + у(А\о + Ацан)^ — АА()А\2ССП (д)

2 Ад '

где А), А1(), Ац, А\~> - коэффициенты для комплекса «винт

поворотная насадка», определяемые по методике В.Г. Павленко а - угол перекладки насадок.

и

Безразмерная угловая скорость на циркуляции со : _ (АД, + Аам)

«7 = ^-3-(Ю)

Относительный радиус циркуляции Я : ^ Л7 1 Д

Угол дрейфа по кормовой оконечности судна Дк:

(12)

Расчет параметров установившейся циркуляции производился при углах перекладки насадок ан = 15; 20; 30 град.

Анализ полученных результатов показал, что все изменения параметров установившейся циркуляции в зависимости от посадки судна в исследуемом диапазоне (дифферент на корму 30 см -ровный киль - дифферент на нос 30 см) находятся в пределах 5,5 % от значений параметров установившейся циркуляции судна на ровном киле.

А у судов, прошедших реконструкцию, связанную с уменьшением длины, изменения параметров движения увеличились в среднем на 30% по сравнению с базовым типовым проектом.

Акватория, которая требуется для выполнения поворота судна, определяется радиусом циркуляции кормовой оконечности и шириной ходовой полосы. В настоящее время существуют различные методики определения радиуса циркуляции кормовой оконечности судна и ширины ходовой полосы, но в большинстве случаев они не позволяют определить зависимости указанных величин от перемещения центра масс судна (различные случаи дифферента). Оценка влияния дифферента на ширину ходовой полосы и радиус циркуляции кормовой оконечности судна при прохождении криволинейного участка была выполнена с использованием методики А.Н. Клементьева и А.Д. Павельева, которая позволяет устранить указанный недостаток. В этой методике размеры ходовой полосы и радиуса циркуляции кормовой оконечности определяются в зависимости от величины абсциссы полюса поворота судна, которая напрямую связана с

Хр

координатами центра масс судна. Координаты центра масс судна определяются дифферентом судна. Характер влияния дифферента на ширину ходовой полосы и радиус циркуляции кормовой оконечности был проанализирован на базе выполненных расчетов по судну смешанного плавания типа «Омский» проект 1743. Используя «Информацию об остойчивости» этого судна были выполнены расчеты абсциссы центра масс судна для случая полной загрузки с полными запасами в зависимости от дифферента. Радиус циркуляции кормовой оконечности и ширина ходовой полосы определяются через безразмерную абсциссу полюса поворота судна хр, определяемую по выражению:

= (0,9839-1,11640^+1,5), (13)

где С2 - ШЬ/\>о - угловая скорость поворота;

у0 - линейная скорость судна перед началом маневра;

I _ I I^ - относительное отстояние кормовой к к оконечности от ЦМ судна;

/ - отстояние кормовой оконечности ДП судна от его ЦМ

исходя из того , что Хр = ХрIЬ получим Хр-Ь-Хр.

Радиус циркуляции полюса поворота Кр определяется А.Н. Клементьевым и А.Д.Павельевым через радиус ЦМ (Я ) и абсциссу полюса поворота (хр):

Яр=^Я2+х2р. (14)

Радиус циркуляции кормовой оконечности Кк определяется по выражению:

05)

Ширина ходовой полосы Вп определяется по выражению:

= (Ч-#1 06)

Расчеты выполнялись для перекладок насадок 20 и 30 град. Полученные данные показали, что при изменении дифферента с 30 см на корму до 30 см на нос ширина ходовой полосы и радиус циркуляции кормовой оконечности увеличились в пределах 1 % от первоначальных значений. Очевидно, что эти изменения не будут иметь существенного значения на безопасность плавания.

При оценке влияния дифферента на остойчивость судна за основу были взяты результаты исследований Л.Р.Аксютина.

Исследования показали, что при эксплуатационных дифферентах, встречающихся в повседневной практике, поперечная метацентрическая высота при дифференте на нос может уменьшиться до 11 %, а при дифференте на корму возрастать до 24%. При дифферентах, не превышающих 2,0 градуса, возникающие ошибки от пренебрежения этими изменениями будут несущественны, и для практических целей ими можно пренебречь. Для судов смешанного плавания, обладающих повышенной остойчивостью, указанные ошибки тем более не будут иметь существенного значения, так как рассмотренный в настоящей работе дифферент в градусной мере не будет превышать 0,3 градуса.

В четвертой главе содержится анализ типовых загрузок судов смешанного плавания, содержащихся в судовых «Информациях об остойчивости и прочности корпуса». Установлено, уто часть типов судов имеет различные варианты загрузок, включая посадки судна как на ровный киль, так и с дифферентом на нос. Другая часть имеет варианты загрузок только с дифферентом на корму, что не позволяет судам получить разрешение на выход в рейс в случае загрузки с дифферентом на нос. Сложившаяся практика погрузки судов смешанного плавания в устьевых портах абсолютно не исключает ситуаций, когда суда на переходе приобретают дифферент на нос, поэтому существующий подход к оценке посадки судна, на наш взгляд, носит формальный характер.

На основании проведенных автором исследований, как отмечено выше, установлено, что изменение дифферента в указанном диапазоне не влечет за собой существенных изменений в маневренных характеристиках судна. Эти изменения не будут требовать дополнительного учета и корректировки при оценке

безопасной эксплуатации судов смешанного «река-море» плавания при нетиповых загрузках с дифферентом на нос.

В настоящей работе автором предлагается один их путей повышения эффективности работы судов смешанного плавания, в первую очередь реконструированных'. Он связан с учетом явления динамической просадки. Как уже отмечалось автором, при следовании на мелководье у судов смешанного плавания приращение осадки по корме превышает приращение осадки на миделе на 20 %. В этом случае получаем:

ДТмид = 83,33% от ДТК , ДТН = 66,66%. (17)

Следовательно разность в приращениях осадки по корме и по носу будет составлять

ДТ - ДТК - ДТН - 33,33% от ДТК . (18)

Используя «Информацию об остойчивости» рассчитаем необходимую дополнительную нагрузку на носовую оконечность судна для компенсации дифферента и выхода судна на ровный киль при движении. Под дополнительной нагрузкой следует понимать дополнительное количество груза, необходимое к размещению в носовой части первого трюма. Расчеты по т/х «Волжский» проекта 05074-АМ показали, что дополнительные нагрузки на носовую оконечность для компенсации явления просадки при Т/Н =0,9 для среднего хода составляют более 100 тонн, для малого хода - около 50 тонн. Это то количество груза, которое судно сможет взять дополнительно.

Приняв распределение динамической просадки по длине судна (17) за основу, получили приближенную формулу для определения необходимого количества груза для загрузки в носовой трюм, требуемого для выравнивания судна на розный киль при динамической просадке, в виде:

AG = 4' ~ ДТК • Aq = АТК • Aq, (19)

3 2 о

где д-р - просадка судна по корме при следовании на к мелководье;

Дq - количество тонн груза на 1 см осадки. Анализируя полученные зависимости можно сделать следующие выводы:

1) из опыта практической работы в рассмотренных условиях следование средним ходом является наиболее оптимальным и позволяет судоводителю в зависимости от изменения обстановки по необходимости менять режим работы главных двигателей как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения частоты вращения винтов;

2) при следовании в рассмотренных условиях ходом большим, чем средний, судно приобретает «традиционную» посадку с дифферентом на корму и рассуждения теряют новизну;

3) при необходимости снижения хода до малого (в случае расхождения с другим судном, прохождения причалов или судов стоящих на якорях, при подходе к повороту и т.д.) судно приобретает незначительный дифферент на нос, который будет сказываться на поворотливости судна только положительно, что в перечисленных ситуациях приобретает первостепенное значение.

Предложенный вариант загрузки с учетом динамической просадки в рассмотренных ситуациях позволит более полно использовать грузоподъемность и уменьшить общую величину просадки судна на корму.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Наиболее важными результатами выполненных исследований автор считает следующие.

1. На основе выполненного анализа существующих методов для определения величин динамических просадок судов, установлено, что не все методики могут быть использованы для расчетов динамической просадки речных судов и судов смешанного «река-море» плавания.

2. Исследован характер проявления динамической просадки у реконструированных судов. Получены математические зависимости по определению величин динамических просадок в зависимости от условий эксплуатации, геометрических размерений корпуса судна и наличия дифферента.

3. Разработан метод определения характера и величины динамической просадки речных судов и судов смешанного плавания с учетом особенностей формы их корпусов.

4. Корректность полученных результатов расчета величин динамических просадок речных судов по предложенной автором методике подтверждается результатами модельных испытаний и данными натурных наблюдений, полученных другими авторами.

5. Установлено, что дифферент судов в пределах 30 см на корму - ровный киль - 30 см на нос приводит к изменению параметров циркуляции не более, чем на 5,5 % , что существенного влияния на маневренные качества судов не оказывает.

6. Показано, что дифферент судна, в рассматриваемом в работе диапазоне от 30 см на корму до 30 см на нос существенного влияния на остойчивость судна не оказывает.

7. Обоснована возможность безопасной эксплуатации судов смешанного плавания при нетиповых загрузках в пределах рассмотренных дифферентов.

8. На основе полученных результатов настоящего исследования автором предложен новый дополнительный подход для повышения эффективности работы речных судов и в первую очередь реконструированных судов смешанного плавания (прием дополнительного груза свыше 100 т).

9. Результаты исследования по обоснованию возможности безопасной эксплуатации судов смешанного плавания при нетиповых загрузках могут быть использованы как основание для пересмотра вариантов типовых загрузок для реконструированных судов.

4. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чурин М.Ю. Посадка судна и её учет / М.Ю. Чурин //14-й международный научно-промышленный форум «Великие реки -2012» Труды конгресса. Том 2 - Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - с.93-99.

2. Чурин М.Ю. Особенности расчета и учета дифферента на нос на судах «река-море» плавания / М.Ю. Чурин // 14-й международный научно-промышленный форум «Великие реки-2012» Труды конгресса. Том 2- Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012,-с Л 00-104 .

3. Чурин М.Ю. Оценка влияния дифферента судна на параметры его движения на криволинейном участке пути / А.Н. Клементьев, М.Ю. Чурин // «Проблемы использования и развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек»; Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, специалистов и студентов; Н. Новгород : Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 2013 - с.75-8 I.e.

4. Чурин М.Ю. Динамическая просадка реконструированных речных судов / М.Ю. Чурин// Инновационное развитие транспортно- логического комплекса Прикаспийского микрорегиона: материалы Международной научно-практической конференции (Астрахань, 23 мая 2013 г.); Изд-во Каспийского института речного и морского транспорта - ф-ла ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013, - с. 60-64.

5. Чурин М.Ю. Анализ динамической просадки реконструированных судов смешанного «река- море» плавания / М.Ю.Чурин // Вестник ВГАВТ. Выпуск 34 - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. - с. 164-175.

Публикации в рецензируемых ВАК РФ изданиях

1. Чурин М.Ю. Пути повышения эффективности работы судов смешанного «река-море» плавания / М.Ю. Чурин /7 Современные проблемы науки и образования Выпуск 3, 2013. URL: www.science-education.ru/lll-10228.

2. Чурин М.Ю. Метод определения динамической просадки судов смешанного «река-море» плавания при движении на мелководье / М.Ю. Чурин // Современные проблемы науки и образования Выпуск 5, 2013. URL: www.science-education.ru/111-10228.

Формат 60*84 '/го- Гарнитура «Тайме». Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 150 экз. Заказ 224.

Издательско-полиграфический комплекс ФБОУ ВПО «ВГАВТ»

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

Волжским государе гнои пан академия водного фанспорта

\

На правах рукописи

П/1Л4/Е/1Е С ' 1

\}Т V 1 -Г -) "Г -! ->

ЧУРИИ Михаил Юрьевич

ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДОВ СМЕШАННОГО «РЕКА-МОРЕ» ПЛАВАНИЯ ПРИ НЕТИПОВЫХ ЗАГ РУЗКАХ

Специальность 05.22.19 - эксплуатация водного транспорта,

судовождение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор КлеменIьев А.Н.

Н. Новгород - 2013

СОДЕРЖАНИИ

с.

Введение 4

1. Требования нормативных документов к обеспечению безопасного

плавания судна 11

1.1. Требования международных документов по подготовке перехода судна 11

1.2. Требования Российских документов по обеспечению безопасности плавания судов смешанного «река-море» плавания 1 6

1.3. Цель и задачи исследования 20

2. Определение динамической просадки судов смешанного «река-

море» плавания 25

2.1. Анализ методов определения величин динамической просадки судов 25

2.2. Характер проявления динамической просадки у реконструированных судов 38

2.3. Метод определения величины динамической просадки с учетом особенностей формы корпуса речных судов и судов смешанного «река - море» плавания 55

3. Влияние дифферента на параметры движения и остойчивость

судна 62

3.1. Общие сведения 62

3.2. Оценка влияния дифферента на поворотливость судна 64

3.3. Оценка влияния дифферента на ширину ходовой полосы и радиуса циркуляции кормовой оконечности судна при прохождении криволинейного участка пути 77

3.4. Оценка влияния дифферента на остойчивость судна 85

с.

4. Оценка безопасной эксплуатации судов смешанного «река-морс»

плавания при петиповых нагрузках 96

4.1. Анализ типовых вариантов загрузки у судов смешанного плавания в судовых документах «Информация об ос тойчивости и прочности судна» 96

4.2. Обоснование возможности безопасной эксплуатации судов смешанного «река-море» при нетиповых загрузках 98

4.3. Пути повышения эффективности работы судов смешанного «река-море» плавания 102

Заключение 110

Список использованной литературы 1 14

Приложения 1. Метод В.П.Смирнова Определение поправочного коэффициента просадки носовой оконечности 123 Приложение 2. Метод ЫРП. Номограмма для определения просадки

судна на ходу 122

Приложение 3. Геометрические характеристики судов 1 25

Приложение 4. Величины динамической просадки судов 127

Приложение 5. Расчетные параметры установившейся циркуляции

судов 137

Приложение 6. Документы, подтверждающие использование результатов исследований 138

ВВПДЕНИС

Значительную часть мирового фло!а [32, 33, 71 | составляют суда дедвейтом менее 5000 i. Они, как правило, осуществляю1 перевозки между морскими, устьевыми и речными поркьми [88|. Значшельная часть из них iimcci ограничения по районам плавания, сезонам, удаленности от меа убежища, условиям волнения и ветра, т.е., оiносятся к судам oi раниченного района плавания (СОРИ). Наличие таких ограничений позволило существенно уменьшить строительную стоимость СОРИ за счет обоснованного снижения требований к общей и местной прочности, мореходным качествам корпусов, параметрам судового оборудования и снабжения, мощности главных двш а-1елей, чю дало возможность увеличивав i рузоподъемноегь судов при фиксированных проходных осадках за счст уменьшения массы судна порожнем и роста коэффициента общей полно пи. Такие суда продолжаю i ак1ивно строиться, составляя, например, по сухогрузным судам 47 % от общего числа всего количества заказов | 1 8J.

К судам oi рапиченно1 о района плавания в первую очередь относятся суда смешанного «река-море» плавания (ССП). Первые суда смешанного «река-море» плавания появились в начале шестидесятых годов прошлого века. В последующие годы велось ишененвное строительство этих судов большими сериями. Суда были выделены в отдельный класс «Кодекс горю-вого мореплавания Pel)», вступивший в силу 01.05.1999 г. впервые определил суда смешанного плавания «река-море» плавания |29], наряду с морскими судами и судами внуiреннего плавания, как равноправных участников процесса торгового мореплавания. Исходя из условий эксплуакщии судов смешанного плавания па внутренних водных путях и в морских районах был сформирован их конструктивный пш, оишчающийся oi чисто морских и чисто речных судов. К началу 60-х годов усилиями 01ечествеппых конструкторов был создан новый архитектурно-конструктивный тип судов с «ящичными» трюмами, широким раскрьпием палубы, нракшчеекп без «карманов»,

с двойным дном и двойными боргами, с малой осадкой. В первую очередь были определены главные размерения судов, их специфические соотношения мощности главных двигателей с допустимыми значениями осадки судов и, как следствие, ограничения грузоподъемности и грузовместимости, ограничения скорости судов п шачшельпые ограничения условий эксплуатации 15 зависимости от сезона, погодных условий и района перехода (сезонные ограничения, ограничения по высоте волны, района плавания). Суда смешанного «река-море» плавания имели класс «М-СП» Речного Регистра и II СП Регистра Союза ССР и соответствующие классу жесткие ограничения при работе в морских районах.

В конце 80-х - начале 90-х годов начался новый этап развития судов смешанного «река-море» плавания. В 1992 I. Российский Морской Регистр судоходства (РМРС) ввел в свои Правила новый класс судов ограниченного плавания - 1И-С11, который являе1ся эквивалентом класса «М-СП» Российского Речного Рс1 истра. При этом, как отмечается в работе [57], зачастую суда, ранее относившиеся к классу «М-СП», при переходе в класс Ш-СП иолу-чили от РМРС районы и условия плавания, в значительной мере превышающие таковые в классе «М-СП». Как и ранее, причины нового всплеска интересов к судам смешанного «река-море» плавания носили сугубо экономический характер. С одной стороны, началась активная капитализация страны, появились частные судовладельцы, с другой - больше прав было передано речным пароходегвам. Последние ранее не проявляли себя активно па международных перевозках и обладали большим количеством «исходного \iaie-риала» (судами внутреннего плавания), который потенциально мог бьпь конверсирован в суда смешанного плавания. Все эю происходило на фоне разрушения централизованной системы внешнеэкономической деятельности и резкого дробления партий 1 руза (до 1000 - 5000 т). Суда смешанного плавания как нельзя лучше подходили для работы в рамках новых экономических условий. Появление реконструированных речных судов в морских районах было также обусловлено и требованиями фрахтового рынка. Россия потеряла

большую часть ранее принадлежавших СССР современных морских судов; кроме этого, в новых экономических условиях наблюдался значительный спад грузоперевозок па внутренних водных путях, а объемы экспорта сырья возросли. "Гак как с распадом СССР Россия потеряла значительное количество глубоководных портов, то экспорт- грузов, таких как древесина, металлолом, удобрения, бумага, уголь, осуществлялся через мелководные морские порты, расположенные на юге России (Гйск, Ростов на Дону, Таганрог, Азов). В этих условиях ССП проявили себя наиболее успешно. Рост количества судов смешанного плавания за счет модернизации речных судов был весьма бурным - до сотни единиц в год.

Главная проблема создания ССП состоит 15 обоснованном выборе рациональной технической стратегии сочетания эксплуа1ационпых ограничений и экономических преимуществ, определяемых на весь жизненный цикл судна, поиска «золотой» середины между требованиями приемлемой надежности, безопасности, с одной стороны, и экономической эффективности, с другой стороны. Учитывая, что в подавляющем большинстве случаев выбор главных размеренпй ССП однозначно определяется путевыми условиями, решение главной проблемы проектирования судов смешанного плавания сводится к обеспечению минимальной металлоемкости корпусов при сохранении их достаточной эксплуатационной надежности и выбору максимально допустимого с позиции экономики, мореходности и ходкости, коэффициента общей полноты. Значительные преимущества ССП, находящихся под контролем отечественных судовладельцев, перед морскими судами, включая относительно меньший средний возраст и меньшую остаточную стоимос1ь первых, позволили им прочно занять место па рынке транспортных услуг, ранее принадлежавшее морским судам, обладающим той же грузоподъемностью, что и суда смешанного плавания [18].

Проведенные исследования и обобщение опыта эксплуатации ССП позволили наметить ряд мероприятий, реализация которых дала возможность значительно повысить экономическую эффективность перевозок грузовыми

теплоходами смешанного «река-море» плавания |7|. Одним из весьма эффективных и легко осуществимых способов снизить себестоимость перевозок-грузов в эксплуатируемых ССП является увеличение их грузоподъемности. Грузоподъемность ССП в условиях международных перевозок определяется требованиями Международной Конвенции о грузовой марке 1966 года, а па внутренних перевозках - национальными правилами о грузовой марке. Первые опытные проверки возможности увеличения грузоподьсмности были проведены еще в 1972 году. Теплоход «Ьалтийский- 23 » с грузом 2400 юпн выполнил опытный рейс по маршруту Калининград - Ленинград. В том же году по согласованию с PeincipoM СССР было получено разрешение расширить район плавания теплоходов ниш «Вол1 о-Нал i» до Гамбур] а без выхода в Северное море. В процессе накопления опыта эксплуатации судов смешанного «река-море» плавания грузоподъемность судов большинства проектов была пересмотрена в сторону увеличения. У судов ряда проектов увеличение осуществлялось поэтапно. Многие суда дополни 1слыю получали расширение районов плавания. Например, суда проект 1743 «Омский», головной теплоход «51ку1ск», класса «v*M» Речного Регистра РСФСР изначально имел гру-зоподьемность 2100 тонн и район плавания «прибрежные морские районы» [69J. Грузоподъемность судов yroi о проекта в начале 90-х годов была увеличена до 2500 тонн, а заiем в начале 2000-х - до 2700 тонн. В оiдельных случаях 1 рузоподъемпость была доведена до 3000 тонн. Вюрым примером можно считать подобную ситуацию с судами проекта 488-АМ/2 «Сормовский» постройки судоверфи Вьяпо-ду-Каппелу в Португалии, головной теплоход «XVII съезд профсоюзов », класса КМ*Л4 11 СП Л2 Peincipa СССР. Первоначально грузоподъемность судов составляла 3000 тонн (63 |. Затем она ¡ак-же переемафивалась в сторону увеличения дважды: до 3300 тонн, а затем до 3600 тонн. Повышение эффекшвпости работы судов за счет пересмотра грузоподъемности в сторону увеличения реализовано полностью в соопзстствии с реальными возможностями судов.

Для дальнейшего увеличения эффективности работы судов смешанного «река-море» плавания требуются новые дополнительные подходы к решению этого вопроса. Один из путей повышения эффективности работы судов внутреннего и смешанного плавания может быть реализован путем учета явления динамической просадки при движении судов. Это относится, в первую очередь, к речным судам, претерпевшим реконструкцию и к некоторым проектам судов смешанного плавания после пересмотра их грузоподъемности. 13 результате реконструкции, свя шиной с уменьшением длины цилиндрической вставки корпуса или с пересмотром грузоподъемности в сторону увеличения, у реконструированных судов смешанного плавания произошло перераспределение величин продольных плеч нагрузок по трюмам и соответственно дифферентующих моментов, в результате чего в ряде случаев суда не в состоянии максимально использовать грузовместимость и i рузоподъемность. ССГ1, как правило, обладают- избыточной остойчивостью, что позволяет загружать их до полной вместимости трюмов. Но особенностью вышеупомянутых судов являемся то, что при погрузке навалочных грузов равномерное распределение груза но 'трюмам в заключительной сшдии погрузки приводит к появлению дифферента па нос. При этом у ряда проектов CCI I судовая «Информации об остойчивости и прочности» содержит- типовые варианты загрузок с дифферентом на нос, а некоторые проекты ССП 'таких типовых вариантов не имеют-. lie л и судно по окончанию погрузки получило дифферент па нос, по для данного судна в «Информации об остойчивости» 'типового варианта загрузки с дифферентом на нос не предусмотрено - судно разрешения на выход в рейс не получит. Во избежание подобных инцидентов судно не использует полное i ыо грузовместимость, носовые трюма не догружаются, и как следствие, судовладельцы несут убьикп. В сложившихся условиях имеем следующую ситуацию: с дифферентом на нос судно не выпускают в рейс, при загрузке па ровный киль - выход разрешен. Однако после выхода в рейс (обычно на вторые сутки) судно приобретает запрещенный дифферент на нос. Величина уменьшения кормовой осадки напрямую зависит от про-

должптельности рейса. Чем короче переход - 1ем меньше изменение осадки, чем больше продолжительность рейса - тем больше изменение осадок судна. Следовательно, напрашивается вывод, что существующее требование к посадке судна (крайний вариант, при котором возможен выход - это ровный киль) носит' формальный характер, т.к. не учшывает многих факторов, 'таких как продолжительность рейса и изменение осадок на переходе, влияние стесненных условий, мелководья. В этой ситуации необходимо детальное исследование возможности безопасной эксплуатации судов при истцовых загрузках. В первую очередь, это касастся судов смешанного «река-море» плавания исходя из специфических условий их работы.

Таким образом, целью настоящей диссертционной работы является исследование возможности безопасной эксплуатации судов смешанного «река-море» плавания при не типовых загрузках. Для достижения поставленной цели необходимо изучение вопросов расчёт величин динамической просадки судов, проявления динамической! просадки у реконструированных речных судов, определения характера динамической просадки (па нос или корму) судов внутреннею и смешанною плавания и изучению влияния дифферент судна на ею поворотливость, параметры движения и остойчивость, обоснование возможности безопасной эксплуатации судов смешанного «река-море» плавания при нетиповых загрузках.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит' 30 таблиц, 20 рисунков и 6 приложений.

В первой 1лаве рассматриваются требования руководящих международных и национальных документов но обеспечению безопасности плавания судов, требования к проработке перехода и планированию рейса, к определению безопасного запаса воды под днищем судна с учетом динамической просадки па мелководье.

Вторая глава посвящена анализу методик определения величин динамической просадки судов, изучению характера проявления динамической) просадки у реконструированных речных судов. Предлагается уточненная ме-

юдика расчси1 величин динамической просадки с учеюм особенное юй формы корпуса судов впуфсппею и смешанною плавания.

Третья глава посвящена изучению влияния дифферент па повороши-воегь, параметры движения при следовании судна па криволинейном учаечке и осюйчивос1ь судов смешанного плавания.

чепзерюй ицпве выполнен анализ шповых вариантов загрузки судов смешанного плавания различных проемов, проведено обоснование возможности безопасной эксплуатации ССП при петпповых загрузках, предложены пуж по повышению эффекшвносш рабо!ы рскопс 1 р> проваппых с>дов смешанного плавания.

В заключении излагаются основные резулыаил и выводы, полученные в насюящсй рабою.

На запп-пу выносяюя:

1. Мсюдика определения величины динамической просадки с учеюм особенносюй формы корпуса судов вну1реннею и смешанною плавания.

2. Обоснование возможности безопасной эксплуапщии судов смешанного плавания при петпповых за)рузкач.

3. Предлагаемые авюром п) I и повышения )ффек1 пвнос ш рабопл речных рскопсфуированпых судов.

1. ТРПБОВАНИЯ нормативных документов К OHECI 1НЧ1Л1ИЮ Ы130ПАС1IOI О ПЛАВА! 1И Я СУД11А

1.1. Требования международных документов по подготовке перехода судна

1.1.1 .Требования Международной Морской Организации (IMO)

Требования Международной Морской Организации (IMO) к планированию рейса изложены в Резолюции А 893 (21) «Руководство но планированию репса» от 25 ноября 1999 г. [59J и в Международной Конвенции НДПВ 78/95 [35]. Согласно этим требованиям, предстоящий рейс судна должен планироваться заранее, принимая во внимание всю имеющую к этому отношение информацию, а любой курс должен 61)111), проложен до начала рейса. До начала каждого рейса капитан судна обязан обеспечить планирование предполагаемого перехода из порта отхода до первого порта захода и проработку этого предполагаемого пути в полном объеме - от причала до причала, включая тс районы, в которых будут использоваться услуги лоцмана. Требования ПДМНВ -78/95 к планир