Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
Обложка реферата
Общая характеристика работы
Основное содержание работы
Заключение
Основные публикации по теме диссертации
На правах рукописи
УДК 629.12.001
АПАЛЬКО Татьяна Анатольевна
ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ
ТЕХНИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДОКОЛОВ
И СУДОВ АРКТИЧЕСКОГО ПЛАВАНИЯ
НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ИХ ЭВОЛЮЦИИ
Специальность 05.08.03 - проектирование и конструкция судов
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург
2012
Диссертационная работа выполнена на кафедре Проектирования судов ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный морской технический университет.
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
СПбГМТУ
Царев Борис Абрамович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ,
главный научный сотрудник 1 ЦНИИ МО РФ (филиала ВУН - Военно-морская академия им. Адм. Флота Сов. Союза Н.Г. Кузнецова)
Шауб Петр Александрович
кандидат технических наук,
руководитель проекта ЗАО Си Проект
Родионов Вадим Викторович
Ведущая организация: ЗАО Центральный научно-исследовательский
и проектно-конструкторский институт
морского флота, г. Санкт-Петербург
Защита диссертации состоится л 19 июня 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.228.01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, ауд. АЦ313.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.228.01.
Автореферат разослан л . . . . . . . . 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор А.И. Гайкович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Решение задач освоения Арктических районов России требует повышения эффективности ледоколов и транспортных судов арктического плавания. Несмотря на довольно значительное количество литературы по ледоколам, при практическом решении проектных задач возникают методические трудности, так как ряд важных общепроектных вопросов разработан и освещён недостаточно. Особенно это касается вопросов обоснования состава нагрузки ледоколов, вопросов компоновочного проектирования и анализа вместимости, рациональной последовательности проектных обоснований для различных функциональных групп ледоколов. Многие вопросы ледопроходимости и других ледовых свойств должны быть преобразованы к формам, удобным для решения так называемых лобратных задач теории проектирования судов.
Актуальность ледоколов для России и несомненный ведущий вклад отечественных специалистов в развитие теории и практики ледоколостроения обусловили повышенное внимание в нашей науке к вопросам проектирования ледоколов. При участии ведущих специалистов ЦНИИ Морского флота, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, ЦКБ Айсберг, ЦКБ Балтсудопроект, КБ УПетробалт, Российского Морского Регистра Судоходства и Морского Технического университета выполнены конкретные проекты и обоснования перспективных типов ледоколов, необходимых нашей стране в ближайшие годы, разработаны конструктивные требования к ним и к судам ледового и арктического плавания.
Исследование базируется на основных положениях теории проектирования и оптимизации судов, теории мореходных качеств и строительной механики. Отмечено, что в общую теорию проектирования судов и в методику проектирования ледоколов большой вклад внесли такие ученые, как Ашик В.В., Ногид Л.М., Пашин В.М., Шауб П.А., Бронников А.В., Гайкович А.И., Логачев С.И., Ионов Б.П., Каштелян В.И., Пересыпкин В.И., Цой Л.Г., Зуев В.А., Аполлонов Е.М., Тимофеев О.Я., Тряскин В.Н., Савинов Г.В., Сазонов К.Е., Суслов А.Н., Морейнис Ф.А., Макеев Г.А., Симонов Ю.А. и многие другие.
В то же время конкретная финансовая ситуация в стране отодвигает задачи создания ледоколов высшей категории на будущее и делает важными вопросы конкретного проектирования ледоколов среднего класса. В методике их проектирования как раз и имеется немало белых пятен, поскольку ранее этой группе ледоколов уделялось недостаточно внимания.
Многофункциональность ледоколов и доминантность массы корпуса в их нагрузке приводит к методическому сходству с объектами оборонной техники. Сходны системы критериев. Конструкции ледового пояса подобны бронированию, которое некогда составляло сходную долю полной массы и вызывало повышенное внимание проектантов. Подобные аспекты отражены в работах Крылова А.Н., Бубнова И.Г., Балкашина А.И., Захарова И.Г., Фирсова В.Б., Никитина Н.В., Родионова В.В., Селиверстова К.Л., Халезова И.В., Власова В.А., Гайковича Б.А. Появление в новых классификациях самостоятельных групп судов ларктического и ледового плавания вызывает необходимость выработки методических уточнений для практики проектирования. Требуется общепроектная систематизация результатов исследований по таким судам, их преобразование к структурам проектировочных уравнений.
Одной из причин некоторого отставания в формировании методики проектирования ледоколов является тот факт, что создание проектов ледоколов происходило значительно реже, чем судов других типов. Подобная ситуация характерна и для практики проектирования ледокольно-транспортных судов. Особенности их методики мало освещены в литературе, мало работ по сопоставлению судов арктического плавания, неарктических судов ледового плавания и лобычных судов.
Объектом исследования в данной диссертации являются характеристики и параметры ледоколов и судов арктического плавания, рассмотренные в ретроспективе их эволюционного развития, а также способы оптимизационного обоснования проектных технико-экономических и функциональных характеристик ледоколов и судов арктического плавания, основанные на комплексном учете как особых, ледовых, так и лобычных требований. Для лобычных судов разработаны хорошо известные уравнения состава нагрузки, вместимости, остойчивости, удифферентовки, ходкости на свободной воде, а также не всегда выражаемые краткими проектными уравнениями вопросы и условия непотопляемости, управляемости, плавности качки, прочности.
Такие уравнения и условия используются и в данной работе для того, чтобы в итоге проектного анализа конкретного объекта получить замкнутую работоспособную методику. Главное внимание направлено на исследование проектных аспектов ледопроходимости, ледовой ходкости, основных вопросов ледовой прочности, ледовой маневренности, управляемости и незаклинивания во льдах.
Цель работы состоит в совершенствовании способов проектного обоснования ледоколов и судов арктического плавания, в обеспечении достижения ими требуемого уровня технико-экономической эффективности, а также в обобщении опыта и углублении исследований по теории и практике проектирования и оптимизационного анализа рассматриваемых объектов.
Способы исследования и совершенствования проектных методик. В основу исследования положено решение оптимизационных задач, анализ базы данных по ледоколам и судам арктического плавания, формирование математических моделей, более детальное изучение информации по доступным прототипам, реконструкция части этих прототипов способами И.Г. Бубнова и В.В. Ашика.
Информационная база исследования включает литературные источники, обзорные данные по ледоколам и судам арктического плавания, а также конкретные проектные материалы и нормативные документы, действующие в судостроительной отрасли.
Теоретическое значение исследования:
- разработка полных методик проектного анализа ледоколов и судов арктического плавания, рассматривающих в оптимизационных моделях все разделы методики проектирования;
- методический анализ вопросов, связанных с детализацией нагрузки и компоновки, с построением эпюр ёмкости, с анализом взаимосвязи ледопроходимости и скорости на свободной воде;
- формирование методик, учитывающих новые классы ледоколов, судов арктического плавания и судов неарктического ледового плавания.
Научная новизна результатов исследования состоит:
- в приложении к задачам конкретного проектного анализа новых классификационных положений, в создании новых практических рекомендаций по проектному учету изменения массы корпуса из-за ледовых усилений для вновь созданных классов судов арктического плавания;
- в проектном анализе судов арктического плавания, использующих схему двухрежимного движения, когда во льдах специально приспособленная корма временно становится передней частью судна.
Практическая значимость полученных результатов обеспечивается рассмотрением в ходе проектного анализа актуальных примеров проектирования, входящих в практически важные типоразмерные сетки; в разработке системы прототипов, обеспечивающих задачи развития на ближайшие годы проектных работ по перспективным ледоколам и судам арктического плавания; в методическом обеспечении тех видов и этапов проектных разработок, по которым отсутствовали четкие рекомендации.
Внедрение результатов исследования осуществлено в учебный процесс по дисциплинам, связанным с проектированием судов ледового плавания, а также в НИР, разрабатывавшиеся в СПбГМТУ по программам анализа эволюции ледоколов и формированию прогнозов их развития на ближайшие годы, и в конкретные конструкторские разработки путем приложения новых рекомендаций и методических положений.
Апробация диссертационной работы достигнута в результате докладов на ряде международных конференций и семинаров:
1)региональная научная конференция с международным участием Кораблестроительное образование и наука, 2005 год, Санкт-Петербург;
2)международная конференция молодых ученых Моринтех-Юниор-2006, 2006 год, Санкт-Петербург;
3)международная научная конференция Леонард Эйлер и современная наука, 2007 год, Санкт-Петербург;
4)международный семинар Суда Будущего НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова, 2007 год, Санкт-Петербург.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 9 печатных работ, в том числе, - 3 работы в рецензируемых изданиях, входящих в одобренный ВАК перечень. При этом в 4 публикациях доля диссертанта составляет 100 % , в 3 публикациях Ц 50 % , в 2 публикациях - 25 и 33 % .
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 4 глав и Заключения. Она содержит 188 стр. текстовых материалов, 91 рисунок и 30 таблиц. В перечне литературы содержится 216 наименований. Объем приложений составляет 62 стр.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается постановка задачи, рассмотрены примеры применения ледоколов. Основной вариант - проводка судов или прямая буксировка, взаимовыручка ледоколов.
Рис.1.Ледовые, морские и эксплуатационные качества
Главное значение имеет обеспечение ледовых качеств (рис. 1). С их учётом выбираются основные характеристики ледоколов.
После этого необходимо проверить вместимость (позиция 5), нагрузку, плавучесть, ходкость (позиция 7) и другие свойства. Соответственно формируется блок-схема проектного анализа (рис. 2).
1А Доминантные проектные требования к ледовым качествам |
1Б Общекорабельные ограничения на область оптимизации (обзор) |
2 КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ для ледоколов: совокупные затраты Ф = Э + ЕЦ | |
2А КРИТЕРИЙ ОПТИМИЗАЦИИ для судов арктического плавания при условии выполнения заданной провозной способности: себестоимость перевозки тонны груза в арктический период S1 = Э1/Q1 себестоимость перевозки тонны груза вне Арктики S2 = Э2/Q2 | |
3 Частные критерии для оптимизации подсистем |
4 Параметры базового варианта: = 0, = 0, = 0 4а L1 = k1 L0, B1 = k2 B0, T1 = k3 T0, H1 = k4 H0 |
5 Вместимость: Wпi + Wцj V + kLB(H Ц T) + Wнр | |
6 Состав нагрузки и плавучесть Рi = kLBT ; Рi/D = (Рi/D)0 испр (прототип исправляется по Рэу, Рт и Рк) | |
7 Ходкость, главные двигатели и движители v = f (N, D) v = f (N, h , В, D) lмо / L =( lмо / L)0 испр в = (в)0 испр |
8 Непотопляемость, пожаробезопасность, спасательн. устройство li / L (li / L)0 Qпб (Qпб)0 Qсп (Qсп)0 |
9 Креновые и дифферентные цистерны (Wкр + Wдиф)/D [(Wкр + Wдиф)/ D]0 | |
10 Остойчивость и плавность качки на свободной воде hмет / B (hмет / B)0 0 | |
11 Дальность, автономность и обитаемость rфакт = v t + vсв tсв r = PT v / (KM qT N) А = Рпр в / qпр в Wi / nэк (Wi / nэк)0 |
Рис. 2. Блок-схема проектного анализа и оптимизации ледоколов
В блок-схеме рис. 2 приняты следующие обозначения:
Э - годовые эксплуатационные затраты (расходы); Е - доля, соответствующая кредитному проценту или нормативному коэффициенту; Ц - балансовая цена ледокола (с учетом отличия от серийной постройки) ; Э 1 - эксплуатационные затраты, соотнесенные с периодом эксплуатации в Арктике; Э 2 - то же вне Арктики ; Q 1 - провозоспособность при перевозках в Арктике ; Q 2 - то же вне Арктики ; , 0 - коэффициенты общей полноты (для проекта и прототипа); , 0 - такие же коэффициенты полноты ватерлинии ; , 0 - коэффициенты полноты мидель-шпангоута ; L1 , L0 - расчетные длины (между перпендикулярами, для проекта и прототипа) ; B1 , B0 - ширины ; Т1 , Т0 - осадки ; Н1 , Н0 - высоты корпуса ; WП i Ц объемы отдельных помещений ; W - i - объемы цистерн ; V - объемное водоизмещение; k - коэффициент учета седловатости и погиби бимсов; Wнр - объем надстроек и рубок ; Рi - отдельные i - вые массы в составе нагрузки; D - полная масса (лвесовое водоизмещение) ; эу, т, к - индексы для масс ЭУ, топлива и корпуса ; v - скорость расчетная на свободной воде, уз ; N Ц полная мощность ЭУ ; v - скорость при ходе во льдах ; h Ц ледопроходимость (толщина преодолеваемого льда); lмо - длина машинного отделения ; 0 испр - индекс, соответствующий лисправленному прототипу (по И.Г. Бубнову или В.В. Ашику); в Ц пропульсивный коэффициент, соответствующий достигнутому значению коэффициента полезного действия винта; li - длина конкретного отсека, проверяемого на обеспечение допустимых значений аварийной посадки и остойчивости; Qпб - состав оборудования, обеспечивающего пожаробезопасность; Qсп - состав спасательного оборудования; Wкр Ц объем креновых цистерн; Wдиф - объем дифферентных цистерн; hмет - поперечная метацентрическая высота; - период свободных колебаний ледокола, обеспечивающий безрезонансную качку; r - дальность рейса; PT - масса топлива на один рейс ; KM - коэффициент морского запаса; qT - удельный расход топлива на один киловаттчас; А - автономность в сутках; Рпр в - масса пресной воды на рейс; qпр в - суточная норма пресной воды на одного человека ; Wi - объем помещений, важных для обеспечения обитаемости; nэк - численность экипажа.
Критерии оптимизации в блок-схеме рис. 2 различны: для ледоколов это минимум совокупных затрат (позиция 2), для судов - минимум себестоимости перевозки (позиция 2А).
Большинство базовых проектных характеристик либо задается, либо определяется по прототипу (позиция 4). При составлении задания ледопроходимость и продолжительность навигации задаются (эволюция поля возможных решений характеризуется рис. 3).
Рис. 3. Влияние ледопроходимости на длительность работы ледоколов:
1 - транзит по Севморпути; 2 - Западный район; 3 - западная часть Карского моря; 4 - Печорское море (по Л.Г. Цою).
На основе вопросов, рассмотренных в схемах рис. 1, 2 и 3 строится план проектных исследований в дальнейших главах.
Первая глава рассматривает развитие ледоколов и судов арктического плавания в России и за рубежом. Эволюционный анализ показал, что для ледоколов практикой проектирования выработаны стабильные теоретические чертежи, С ростом мощности увеличивается число гребных винтов. Сложились конкретные типы ледоколов, установились коэффициенты формы и соотношения размерений. Выявлена дискретность применяемых значений ширины.
В диссертации предлагается для целей проектирования исходить из понятия 7 функциональных категорий, которые позволяют наиболее полно совместить классификационные признаки с конкретным назначением.
Рис. 4. Дискретность значений ширины по мере роста длины ледоколов.
При этом 1 и 2 категории - атомные ледоколы, 3-я категория - смешанная, а с 4 по 7 - неарктические ледоколы.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ КАТЕГОРИИ ЛЕДОКОЛОВ
ФУНКЦИО- ИНТЕРВАЛ ВЕЛИЧИНЫ КЛАСС ПО ПРИМЕРЫ
НАЛЬНАЯ ЛЕДОПРОХОДИМОСТИ, ПРАВИЛАМ РЕАЛИЗАЦИИ
КАТЕГОРИЯ НАЗНАЧЕНИЕ ЛЕДОКОЛА РЕГИСТРА ЛЕДОКОЛОВ
ИДЕР свыше 3 м, надежная круг- Icebreaker 9 Проект ЛК-110Я
(1 катег.) годичная работа во всех (атомный)
арктических морях
ИНЕЙНЫЙ 2,4-3 м, проводка караванов летом Icebreaker 9 АРКТИКА
АРКТИЧЕСКИЙ и осенью по всему Севморпути, (атомный)
(2 катег.) круглый год в западном районе Проект ЛК-60Я
Арктики и у побережья (двухосадочный атомный)
ИНЕЙНЫЙ 1,8-2,4 м, проводка караванов Icebreaker 8 ЕРМАК
(3 катег.) в неарктических морях, помощь ТАЙМЫР
основному ледоколу при проводке Проект ЛК-25
сложных караванов по Севморпути Fennica, Oden
СЛУЖЕБНЫЙ 1,3-1,8 м, работа летом в Арктике, Icebreaker 7 МОСКВА
(4 катег.) зимой в неарктических морях КАПИТАН СОРОКИН
ВСПОМОГА- 0,9-1,3 м, зимой проводка судов Icebreaker 6 МУДЬЮГ
ТЕЛЬНЫЙ в районах вблизи портов, летом Проект ЛК-7
(5 катег.) в прибрежных районах Арктики, КАПИТАН БЕЛОУСОВ
включая обслуживание буровых установок
ПОРТОВЫЙ 0,7 м, обслуживание причалов и Icebreaker 6 ВАСИЛИЙ
(6 катег.) портах и на их акваториях, лето ПРОНЧИЩЕВ,
и осень в мелководных районах Арктики КАПИТАН
ИЗМАЙЛОВ
РЕЧНОЙ 0,4 м, работа на реках, озерах и ВОЛГА
(7 катег.) водохранилищах КАПИТАН ДРАНИЦЫН
В главе рассмотрена также общая схема дальности участков при движении по Севморпути, даны примеры графических зависимостей, которые преобразованы в аналитические модели.
Рис. 5. Ледокол 4-й функциональной категории МОСКВА
Среди выводов по первой главе отмечается, что внешнюю задачу можно считать решенной заранее заказчиком (это также аналогия с оборонной морской техникой). Тогда задачей проектанта становится детализированная разработка проекта.
Вторая глава посвящена конкретизации самих проектных задач при поиске оптимального облика ледокола. Мощность можно считать заданной или меняющейся в узком интервале величин для каждой категории ледоколов. Тогда достаточно уверенно можно определить полную массу D, сориентироваться в величинах , L/B, B/T и H/T. Далее можно найти и другие характеристик - формулы (1) - (14).
Мощность N = а2Dv (1)
Полная масса D = N/ а2v (2)
То же в функции параметров D = (1,025 L3)/[(L/B)2(B/T)] (3)
Коэффициент общей полноты = 0,51 15% (4)
Соотношения главных размерений: L/B = 4,17 15% (5)
B/T = 2,8 15% (6)
L/H = 7,8 5% (7)
Координаты центра тяжести: xg = (Pixi)/D (8)
zg = (Pizi)/D (9)
Полная масса по разделам нагрузки D = i=1-18 Pi (10)
Масса судна порожнем Dпор = Рко + Рс + Рэу + Рзв + Ржг (11)
Метацентрическая высота hмет = zc + rмет - zg (12)
Аппликата центра величины zc = 0,5T(/)1/2 (13)
Поперечный метацентрический радиус rмет = 0,086(2/ )(B2/T) (14)
В формулах (1) - (14) в дополнение к обозначениям на стр. 7 и 8 введены такие обозначения: а2 - коэффициент удельной мощности; v Ц скорость в узлах; - абсцисса Центра Тяжести; Ц возвышение Центра Тяжести; , xi, zi - конкретная масса в составе нагрузки и координаты ее центра тяжести;; ко, с , зв, жг - индексы для масс корпуса с оборудованием, систем, запаса водоизмещения и остатков жидких грузов ; Ц поперечный метацентрический радиус ; Ц аппликата Центра Величины.
Полная масса разбивается на требуемое число разделов - формула (10), что позволяет на основе эскиза или прототипа получить значения координат центра тяжести - формулы (8,9). Одним из важных расчётов является оценка остойчивости - формулы (12,13,14), после которой можно зафиксировать значения всех главных размерений - с помощью соотношений размерений, формулы (5 - 7) .
Основой модели работы ледокола является взаимосвязь характеристик упора, мощности, сил сопротивления, ледопроходимости и скорости. Она отображена на рис. 6. В общем случае ледопроходимость определяется по опытным и расчетным данным. При этом надежные опытные данные позволяют построить энергетическую модель ледопроходимости.
1. Сила упора, как источник давления на льды |
2. Зависимость упора на швартовном режиме от мощности Рш= к N2/3 (15) |
3. Учёт гидродинамического сопротивления =0,033 (16) |
4. Относительный упор |
5. Относительный модуль сопротивления льда |
6. Соотношение роли ширины судна и толщины льда |
7. Соотношение относительной ледопроходимости и скорости |
8. Поправки на характер льдов |
9. Рабочий упор для линейных ледоколов = 0,074 (17) |
10. Рабочий упор для вспомогательных ледоколов = 0,037 (18) |
11. Зависимость упора от полной массы и мощности Рш=0,0195D (19) |
12. Зависимость скорости от ледопроходимости и мощности v = 16h (20), v = 9.2N1/4 (21) |
Рис. 6. Составные части модели работы ледокола
Рис.6а. Ледокол КАПИТАН СОРОКИН - пример судна с повышенной ледопроходимостью, достигнутой модернизацией формы.
Основой практического проектирования является разработка компоновки ледоколов и состава их нагрузки.
Для обоснования компоновки используется систематизированные данные по базовым прототипам, по отводимым на них объёмам креновых и дифферентых систем и по составу разделов нагрузки. В числе выводов по 2 главе наиболее интересным является тот факт, что при проектировании ледоколов не обойтись без построения эпюры ёмкости (Рис. 7).
Для обоснования компоновки используется систематизированные данные по базовым прототипам, по отводимым на них объёмам креновых и дифферентых систем и по составу разделов нагрузки. В числе выводов по 2 главе наиболее интересным является тот факт, что при проектировании ледоколов не обойтись без построения эпюры ёмкости.
В продолжение систематизации вопроса о движителях, начатой в 1-й главе, рассмотрены данные о соотношении диаметра винта и осадки ледокола, даны рекомендации о зазорах между корпусом и винтом.
Рис. 7. Упрощенная эпюра емкости ледокола Москва :
1 - дифферентные цистерны; 2 - креновые цистерны; 3 - топливо; 4 - котельная вода; 5 - смазочное масло; 6 - балластные цистерны; 7 - дизель-генераторный отсек; 8 - помещение гребных электродвигателей; 9 - грузовой трюм.
Третья глава содержит технические и экономические обоснования. На первом месте стоит учет новых классов судов арктического плавания, по которым дана систематизация классификационных требований. Дано сопоставление со старой классификацией. Разрешенные условия даны как для случаев проводки ледоколом, так и для самостоятельного плавания.
При этом учитывается сезон и характеристики ледовой навигации: экстремальной, тяжёлой, средней и легкой. Например, для класса Arc7 при самостоятельном плавании в Баренцевом море можно ходить всегда, в Карском - летом всегда, а зимой - при средних и легких условиях. Но все эти параметры важны, в сущности, для заказчика, когда он ставит перед проектантом конкретные требования. Для решения проектных задач наибольшую ценность представляет информация по прототипам. Для ледоколов и ледокольно-транспортных судов они сведены в таблицы. В результате выполнения предшествующих разделов исследования появляется возможность привести в систему позиции проектного анализа для ледоколов.
ПОЗИЦИИ ПРОЕКТНОГО АНАЛИЗА ЛЕДОКОЛА
1. Задание: мощность на валах, ширина, осадка. Возможное дополнение: скорость, ледопроходимость, дальность плавания, автономность.
2. Анализ данных судов-прототипов: корректировка задания.
3. Конкретизация длины, коэффициентов полноты, водоизмещения, высоты борта. Возможное дополнение: оценка полной массы и мощности, конкретизация коэффициентов полноты, определение главных размерений.
4. Состав нагрузки с уточнением массы энергетической установки и запасов топлива.
5. Движители: диаметр, проверка условий размещения с учетом формы шпангоутов, оценка развиваемого упора (тяги).
6. Компоновка корпуса: перечень отсеков с указанием длин, выводы по обеспечению непотопляемости.
7. Обоснование расположения и ёмкости креновых и дифферентных цистерн. Предварительная эпюра емкости.
8. Конструктивные характеристики ледовой прочности.
9. Уточнение скорости и ледопроходимости.
10. Расчет нагрузки и положения центра тяжести. Проверка удифферентовки, начальной остойчивости, крена при использовании креновой системы.
11.Разработка теоретического чертежа (афинное перестроение теоретического чертежа).
12. Разработка вопросов технологичности и экономики.
13. Размещение экипажа и архитектурная проработка.
В сопоставлении с прежними блок-схемами добавилась конкретизация задания (позиция 1), более четко выделена роль прототипа (позиция 2). В качестве самостоятельных вопросов выделены компоновка, конкретно указано значение эпюры ёмкости (позиция 6) и конструктивных характеристик (позиция 8), а также вопросы технологичности (в позиции 12).
Приложение этого перечня к практике проектного анализа рассмотрено в приложениях П3 и П4 .
Рассмотрению экономических показателей посвящен второй раздел главы 3. Рассмотрены следующие показатели:
Экономическая эффективность ледоколов
Qл = Ал nр (22)
Ал - автономность ледокола на один рейс; nр - число рейсов.
Экономическая эффективность ледокольно-транспортных судов Провозоспособность Q = r (23)
Pгр - грузоподъёмность; r - дальность рейса ; nр - число рейсов за навигацию.
Арктические рейсы ( плавание во льдах и на свободной воде).
Число рейсов nрл = tл /(tход + tгр + tвсп)л (24)
Эксплуатационный ледовый период t 180 сут. Ходовое время в арктическом рейсе tход А = tход л + tход нел = rл /24vл + rАс / 24v (25)
rл - часть дальности плавания при ходе во льдах; rАс - часть дальности плавания, при которой возможно движение на свободной воде; vл - скорость при средней ледопроходимости рейса.
Протяженность арктического рейса rА = rл + rАс (26)
Продолжительность грузовых операций в арктическом рейсе
tгрА = Ргр /(qсут)1 + Ргр /(qсут)2 (27)
(qсут)1 - суточная норма погрузки для хорошо оборудованного порта в начале арктического рейса; (qсут)2 - суточная норма выгрузки.
Неарктические рейсы (неледовое плавание)
Число рейсов nрнел = tнел /(tход + tгр + tвсп)нел (28)
Эксплуатационный неледовый перио t нел = 365 Ц tрем Ц tл (29)
Ходовое время tход = rнА /24v (30)
Продолжительность грузовых операци tгр = 4Ргр /(qсут)1 (31)
Эксплуатационные затрат Э = а1 - + а2Ртnр + а3nэ (32)
а1 - доля амортизационных, ремонтных и снабженческих отчислений, она зависит от устанавливаемого срока службы и от условий эксплуатации; - - балансовая цена судна; а2 - бункеровочная цена 1 тонны топлива; Рт - запас топлива на полный рейс; а3 - зарплата одного члена экипажа; nэ - численность экипажа.
Цена серийного судн - = fкPк+ fобPоб+ fэуPэу+ fэшPэш, (33)
Pк - масса корпусных конструкций; Pоб - масса оборудования и оснащения корпуса, а также устройств, систем и авиационного обеспечения; Pэу - масса энергетической установки; Pэш - масса электрооборудования и штурманских приборов; fк, fоб, fэу и fэш - условные коэффициенты для соответственных разделов масс, определяемые с учётом места постройки, примененных материалов, а также серийности постройки.
Критериальные условия для оценки экономической эффективности транспортных судов - себестоимость перевозки, отнесенная к тонне
S = Э / Q, (34)
или совокупные приведенные затраты Эсовок = Э + ЕЦ (35)
Е = 0,10 - ежегодный кредитный процент (или специально установленный коэффициент при госбюджетном возмещении затрат).
В относительном измерении :
себестоимость на один рейс Эотн = Э / nр (36)
или затраты на сутки навигационного периода
Эсовок.отн = Эсовок / Tнав (37)
Для транспортных судов арктического плавания в случае коммерческого подхода к их эксплуатации может быть определен доход Д:
Д = f Q (38)
f - тариф за перевозку одной тонны груза; f и Q берутся отдельно для арктических и неарктических рейсов с учетом себестоимости.
Прибыль Пр = Д - Э (39)
Срок окупаемости tок = - / Пр (40)
Здесь наиболее интересен учет условий в арктических рейсах, когда приходится учитывать влияние малой скорости при тех же суточных расходах топлива, а также переходить к учёту затрат на сутки навигационного периода.
В то время как по ледоколам в результате проведённого исследования потребовалось дополнение методических схем, по судам арктического плавания с учетом их новых классов пришлось обобщать разрозненные данные для выработки практически новой методики.
ОБОБЩЁННЫЕ ДАННЫЕ ПО СУДАМ АРКТИЧЕСКОГО ПЛАВАНИЯ
Мощность энергетической установки
N = D2/3v3/Ca (41) N = KАЦЧD0,5v2,5 (42)
60 > Ca > 270 0,065 > KАЦЧ > 0,078
Относительная ледопроходимость
hл/N1/3 = 0,45 10% (43)
Соотношения главных размерений, коэффициент общей полноты
Lнб/Lпп = 1,13 4% (44) Lпп/B = 6,6 10% (45) Lпп/H = 11,5 10% (46)
B/T = 2,8 10% (47) H/T = 1,66 8% (48) = 0,66 15% (49)
Соотношения масс
DW/D = 0,487 10% (50) DWарк/DW = 1,36 10% (51)
Pгр/D = 0,355 12% (52) (Pгр)арк/Pгр = 1,3 10 % (53)
Рис.7. Ледокольно-транспортное судно НОРИЛЬСКИЙ НИКЕЛЬ
Относительное утяжеление корпуса из-за ледовых усилений
[(РКЛ - РК) / РК] % = Б Ц D 0,25 (54)
РКЛ - масса корпуса с ледовыми усилениями, РК - масса корпуса исходная (для данных размеров).
Рекомендуемые значения Б для различных классов
КЛАСС Arc 9 Arc 8 Arc 7 Arc 6 Arc 5 Arc 4 Ice 3 Ice 2 Ice 1
Б % 34 31,5 28,5 25 21 16,5 12,5 8,5 7
ПОЗИЦИИ ПРОЕКТНОГО АНАЛИЗА СУДНА АРКТИЧЕСКОГО ПЛАВАНИЯ
1.База данных по льдам, по требованиям к намеченным ледовым категориям и по прототипам.
2.Проектное задание: грузоподъемность (или дедвейт), скорость, ледовая категория, дальность плавания, автономность, численность экипажа
3.Выбор базовых характеристик на основе прототипа.
4.Определение конструктивных особенностей и изменений в массе корпуса
5.Обоснования параметров формы корпуса с возможным анализом показателей ледокольности и ледорезности (по методике Ю.А. Шиманского), оценка плавучести и остойчивости.
6.Оценка мощности суммированием обычного и ледового сопротивления [опорная формула для контроля при классе УЛ (Arc5)] :
= (55)
При пересчете мощности с прототипа следует иметь ввиду, что флотская формула (42) дает меньший разброс данных по сравнению с адмиралтейской формулой (41).
7.Выбор состава и характеристик энергетической установки, электростанции и движителей с учетом обеспечения реверса, регулирования мощности и максимизации упора на швартовном режиме и на заднем ходу.
8.Разработка общей компоновки с устройством закрытого ходового мостика, оценка непотопляемости, уточнение условий обеспечения дальности плавания и автономности, проверка вместимости с построением эпюры ёмкости, размещение закрытий люков и грузовых устройств (в том числе, - грузовой трейлерной рампы для накатной техники и бортовых платформ на воздушной подушке).
9.Дополнительное оборудование: подруливающие и буксирные устройства, вертолет, пневмоомывающее устройство, пост наблюдения за ледовой обстановкой, виброизолирующие конструкции под надстройкой
Если позиции для судов Арктического плавания сопоставить с позициями для ледоколов, то основные изменения такие:
Позиция 1: необходим анализ района плавания.
Позиция 4: конструктивные особенности анализируются раньше. Они являются главным вопросом, так как от них зависит масса корпуса.
Позиция 6: по-иному определяется мощность, у ледоколов она задается, а здесь должна определяться с учётом заданных судну и скорости, и ледопроходимости.
По методической схеме для ледокольно-транспортных судов также выполнялись проверки на конкретных примерах (в приложении к работе П5).
Для судов Арктического плавания большой новостью является применение двухрежимных судов. Такие суда предложены специалистами Финляндии, но строились и для наших заказчиков, в том числе, на соседнем заводе (танкер Кирилл Лавров). К ним относится и Норильский Никель (рис. 7)
Четвёртая глава завершает разработку методик по ледоколам и судам арктического плавания. Особенностью их проектного анализа является уже отмеченная стабильность соотношений размерений и коэффициентов формы.
В разделах главы 2 были рассмотрены вопросы компоновки отсеков и цистерн. Из ледоколов - прототипов наибольшее число отсеков у Москвы, что обеспечивает наиболее надежное обеспечение непотопляемости. Из таблицы в главе 2 видно, что длина срединных отсеков иногда доходит до 22-25% общей длины, но это допустимо при характерной для ледоколов большой величине надводного борта (H/T=1,45). Приведены примеры конструктивных решений для ледоколов Ермак, Василий Прончищев и Москва.
Мореходным качествам также посвящен один из разделов. Показано, что траектории ломаемых льдин уходят глубоко под корпус, поэтому толщина скуловых частей обшивки должна быть повышена.
Совокупность вопросов, подобных перечисленным на 16 стр. автореферата, и стала основой методик проектного анализа ледоколов и судов арктического плавания. Один из примеров приложения методики к ледоколу класса Icebreaker6 приведен в приложении П3. Для этого примера последовательно решаются вопросы исходных обоснований, нагрузки, компоновки, вместимости, конструкции, остойчивости, технологии, экономики и размещения экипажа.
В заключении приводятся основные результаты исследования:
В результате исследования сформулированы наиболее полные оптимизационные версии методик проектного обоснования технических и экономических характеристик ледоколов и судов арктического плавания.
В составе упомянутых методик получены новые научные результаты:
1.Сформулированы и проверены на конкретных представительных примерах методические указания по полной методике проектного анализа ледоколов.
2.Сформирована методика проектирования ледокольно-транспортных судов, учитывающая вновь созданные классы судов арктического плавания.
3.Предложен новый подход к группировке ледоколов по 7 функциональным категориям, позволяющий наиболее полно совместить классификационные признаки с конкретным назначением и на основе этого построить рациональные схемы проектного анализа; в результате выполненных исследований и проектных разработок получен ряд конкретных выводов по перспективам развития ледоколов, полезных при проведении практических обоснований по выбору технических и экономических характеристик ледоколов и судов арктического плавания.
4.Систематизированы и приведены в удобную для проектного анализа форму графические зависимости, выражающие влияние проектных характеристик на свойства ледоколов и судов арктического плавания.
5.Впервые проведен в проектных терминах анализ вопросов, связанных с детализацией нагрузки и компоновки, с построением эпюр ёмкости, оказавшихся актуальными даже при проектировании ледоколов, так как для них важны объемы дифферентных и креновых цистерн наряду с большой номенклатурой цистерн для топлива, пресной воды, а также балластных цистерн.
6.Проведен проектный анализ ледопроходимости и установлена её конкретная взаимосвязь со скоростью на свободной воде, проистекающая из единого источника энергии, определяемого мощностью двигателей, передаваемой на гребные винты.
7.Предложены новые практические рекомендации и формулы для проектного учета изменения массы корпуса из-за ледовых усилений применительно к вновь созданным классам судов арктического плавания.
8.Для ледовых гребных винтов сформулированы рекомендации по их размещению и по проектным обоснованиям параметров, в том числе, по их взаимосвязи с мощностью и осадкой.
9.Выявлена четкая дискретность ширины ледоколов и систематизированы вопросы о рациональных диапазонах изменения коэффициентов формы корпуса и предпочтительных интервалах главных размерений, а также соотношений этих размерений друг с другом.
10.На конкретных примерах проанализированы особенности, количественные характеристики, преимущества и недостатки двухрежимного судна ледового плавания, имеющего корму, приспособленную для использования в функции ледокольного носа; в то же время высказаны рекомендации об изменении компоновки и типа двигательно-движительного комплекса для такого судна, о необходимости повышения уровня надёжности и резервирования. Для этих судов рассмотрены особенности обеспечения условий благоприятного обзора из ходовой рубки для двух режимов движения.
11.При формировании базы данных по прототипам проведена реконструкция недостающей информации на основе способа восстановительного проектирования В.В. Ашика.
12.В процессе экономических обоснований по ледокольно-транспортным судам выявлены особенности оценки эксплуатационных показателей для ледового и неледового режимов при плавании в Арктике, а также для сопоставления с показателями эксплуатации вне Арктики.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:
а) в рецензируемых научных журналах и изданиях:
1.Обзор тенденций развития ледоколов в современных условиях / Апалько Т.А., Дианова Е.Д. Обзор тенденций развития ледоколов в современных условиях // Морск. Вестник, 2007, Спецвып. № 3 (6), с. 15-18 (Автор 50 %).
2.Апалько Т.А. Исследовательские задачи при проектном обосновании ледоколов // Морской Вестник, 2008, № 3 (27), с. 120-122 (Автор 100 %).
3.Сопоставление моделей проектного анализа ледоколов / Апалько Т.А., Царев Б.А. Сопоставление моделей проектного анализа ледоколов // Морской Вестник, 2010, № 3, с.100-104 (Автор 50 %).
б) в других изданиях:
4.Роль российских ученых в проектировании и постройке арктических ледоколов / Апалько Т.А., Шагиданов В.И. Роль российских ученых в проектировании и постройке арктических ледоколов // Материалы регион. конфер. с междун. участием Кораблестр. образование и наука, СПб., СПбГМТУ, 2005, с. 15-19 (Автор 50 %).
5.Апалько Т.А. Обзор характеристик, требующих обоснования при проектировании ледоколов // Сборник докладов междунар. конфер. молодых ученых Моринтех-Юниор-2006, СПб., НИ - Моринтех, 2006, с. 15-17 (Автор 100 %).
6.Разработка формы судовых обводов и вопросов остойчивости на основе идей Эйлера / Апалько Т.А., Беркис Д.С., Сучков А.И. Разработка формы судовых обводов и вопросов остойчивости на основе идей Эйлера // Материалы междун. конфер. Леонард Эйлер и современная наука, СПб., РАН, 2007, с. 351 - 356 (Автор 33 %).
7.Апалько Т.А. Задачи изучения эволюции проектных элементов ледоколов и их эксплуатационных характеристик // Сборник докладов междунар. семинара Суда Будущего, СПб., НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова, 2007, с. 17 - 19 (Автор 100 %).
8.Апалько Т.А. Общепроектный параметр степени ледовой защиты гребных винтов ледоколов // Сборник докладов междунар. семинара Суда Будущего, СПб., НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова, 2007, с. 44 - 46 (Автор 100 %).
9.Особенности эволюционного совершенствования проектных характеристик сложной морской техники / Апалько Т.А., Демидов Н.А., Царев Б.А., Шагиданов В.И. Особенности эволюционного совершенствования проектных характеристик сложной морской техники // Доклады первой секции на Круглом Столе по проблеме конкурентоспособности судостроительной промышленности, СПб., НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова, 2008, с. 21 - 23 (Автор 25 %).
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям