Обоснование эксплуатационно-технических характеристик грузовых судов внутреннего плавания на основе критерия энергоэффективности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат наук Васильева Оксана Юрьевна

• Васильева Оксана Юрьевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Васильева Оксана Юрьевна

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Проблема эксплуатационного обоснования характеристик грузовых судов внутреннего плавания

1.1. Постановка задачи эксплуатационного обоснования характеристик грузовых судов внутреннего плавания

1.2. Анализ существующих методов расчёта мощности главных двигателей

1.3. Анализ существующих методов расчёта расхода топлива главными двигателями

Глава 2. Разработка метода расчёта скорости и мощности главных двигателей грузовых судов внутреннего плавания

2.1. Анализ методов расчёта сопротивления воды движению судна

2.2. Разработка метода расчёта сопротивления воды движению судна по прототипу

2.3. Разработка метода расчёта эффективной мощности главных двигателей

Глава 3. Разработка методов обоснования эксплуатационных характеристик грузовых судов внутреннего плавания

3.1 Обоснование критерия энергоэффективности судна

3.2. Разработка метода определения основных эксплуатационно-технических характеристик нового судна

3.3. Разработка метода оценки экономической эффективности новых судов при работе на конкретных участках водных путей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечень сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А Таблица А.1 - Изменение цен на дизельное топливо в России за 2008-2021 гг

Приложение Б Таблица Б.1 - Данные по судам с коэффициентом полноты 8 > 0,8

Приложение В Таблица В.1 - Расчёт времени следования и расхода топлива на конкретных участках водного пути

Приложение Г Таблица Г.1 - Коэффициенты остаточного сопротивления по данным модельных испытаний грузовых судов из разных источников

Приложение Д Программный код функции для расчёта сопротивления

Приложение Е Таблица Е.1 - Погрешность расчёта эффективной мощности ГД при движении в полном грузу различными методами

Приложение Ж Таблица Ж.1 - Данные по грузовым судам из справочников судов

Приложение И Основные эксплуатационные характеристики судна при работе на Северном направлении

Приложение К Основные эксплуатационные характеристики судна при работе на Южном направлении

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование эксплуатационно-технических характеристик грузовых судов внутреннего плавания на основе критерия энергоэффективности»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Согласно Стратегии развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года (в ред. распоряжения Правительства Российской Федерации № 327-р от 29.02.2016 г.) для решения проблем внутреннего водного транспорта, таких как: снижение конкурентоспособности речного транспорта из-за роста цен на топливо, высокий износ речного транспортного флота, необходимо совершенствовать технологию речных перевозок за счет введения в строй новых судов с техническими характеристиками, обеспечивающими повышенную энергоэффективность работы судна в конкретных эксплуатационных условиях.

В связи с этим повышается значимость предпроектного обоснования судов, одной из главных задач которого является оценка и оптимизация показателей энергетической и экономической эффективности нового судна.

Между тем в составе существующих методов обоснования характеристик грузовых судов расход топлива учитывается весьма приближённо или вообще не учитывается, что является существенным недостатком этих методов в условиях высоких цен на энергоносители. Так как расходы на топливо составляют более 40% всех прямых эксплуатационных расходов по грузовому флоту, то большие погрешности расчёта этих расходов при предпроектном обосновании характеристик судов не отвечают современным требованиям к повышению энергоэффективности новых судов.

Другой недостаток существующих методов обоснования выражается в усреднённом учёте условий плавания. Переменный характер условий плавания и режим движения судов на внутренних водных путях существенно влияет на эксплуатационные расходы, а усреднение условий приводит к заметным погрешностям в оценке как ходового времени, так и расхода топлива. Необходимость более точной оценки энергоэффективности, а также экономической эффективности требует использования более подробных данных о

глубинах и течениях тех участков водных путей, на которых предполагается эксплуатация нового судна.

Таким образом, существует необходимость совершенствования и разработки методов эксплуатационного обоснования характеристик грузовых судов внутреннего плавания для повышения качества оценки экономической эффективности судна на стадии предпроектного обоснования.

Степень изученности и научной разработанности проблемы. Общая задача эксплуатационного обоснования затрагивалась в работах Анфимова В.Н., Арсеньева С.П., Вицинского В.В. Дормидонтова В.Н., Егорова Г.В., Краева В.И., Малышкина А.Г., Пашина В.М., Поспелова В.И., Роннова Е.П., Сахновского Б.М., Союзова А.А., Фомкинского Л.И., Papanikolaou A., Shneekluth К

Значительные усилия со стороны Басина А.М., Ваганова Г.И., Звонкова В.В., Карпова А.Б., Павленко В.Г., Сироткина Е.М., Фомкинского Л.И. и многих других были посвящены разработке методов тяговых расчётов, позволяющих определять основные эксплуатационные характеристики судов. Были созданы различные инженерные методы (ИМ), позволяющие вычислять сопротивление судна, эффективного упора гребного винта, потребляемой винтом мощности, а также коэффициентов взаимодействия корпуса и движителей. Однако почти все эти методы, разработанные в основном до середины 80-х годов XX века, во многих аспектах устарели.

Большинство существующих методов расчёта сопротивления, описанных в литературе, не предназначено для расчёта современных судов с полными обводами (5 > 0,87). Для распространенных сегодня винто-рулевых колонок вообще не существует инженерных методов расчёта.

Всё это указывает на необходимость корректировки существующих методов тяговых расчётов. Новые методы, пришедшие на смену ИМ, основанные на вычислительной гидродинамике, трудно применимы для задачи эксплуатационного обоснования не только в силу большого объёма вычислений, но и из-за того, что для их применения требуется знание детальной формы

корпуса судна, характеристик винта и т.д., то есть той информации, которая становится известна лишь на стадии проектирования судна.

Вопросы эксплуатационного обоснования характеристик судов освещались в диссертационных работах Анисимовой В.В., Безугловой М.Б., Злобина Д.С., Китаева М.В., Коваленко М.В., Кочнева Ю.А., Нестерова О.Л., Сахновского Б.М., Сиротиной Г.Н., Burger R., Hekkenberg R. G., Tillig F., Olle Valentin.

Однако, как это будет показано в диссертации, все эти работы отличает недостаточная для современных условий проработка вопросов, связанных с оценкой экономической эффективности новых судов.

В частности, в составе существующих методов обоснования характеристик судов учёт расхода топлива главными двигателями (ГД) либо отсутствует, либо упрощен, что является их существенным недостатком в условиях высоких цен на энергоносители. Поскольку расходы на топливо составляют значительную долю всех прямых эксплуатационных расходов, то недостоверный учёт этих расходов при обосновании характеристик судов означает неприменимость таких методов для современных условий.

Поэтому, несмотря на значительный практический и теоретический задел, имеется ряд практических проблем при обосновании характеристик судов, требующих своего разрешения.

Цель и задачи работы. Целью настоящего исследования является разработка совокупности методов обоснования эксплуатационно-технических характеристик грузовых судов внутреннего плавания на основе критерия энергоэффективности с учётом наиболее важных условий эксплуатации судна для повышения его экономической эффективности.

Для достижения поставленной цели в диссертационном исследовании необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать и обобщить имеющиеся данные модельных и натурных испытаний для использования в исследовании;

• проанализировать существующие методы расчёта эффективной мощности и расхода топлива ГД, расчёта сопротивления воды движению судна, вычисления стоимости судна;

• повысить точность расчёта сопротивления воды движению судна с полными обводами при использовании ИМ;

• повысить точность расчёта эффективной мощности ГД;

• разработать метод определения основных эксплуатационно -технических характеристик судна на основе максимизации энергетической эффективности судна;

• разработать метод оценки экономической эффективности нового судна при его работе на конкретных участках водных путей;

• выполнить программную реализацию методов и проверить их точность, путем сравнения результатов с данными имеющихся модельных и натурных испытаний.

Объектом исследования работы согласно паспорту специальности 05.22.19 является эксплуатация основных фондов на водном транспорте.

Предметом исследования является совокупность методов обоснования основных эксплуатационных характеристик грузных судов внутреннего плавания на основе критерия энергоффективности.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. обоснована необходимость учёта условий эксплуатации судна на стадии предпроектного обоснования;

2. предложен усовершенствованный метод расчёта сопротивления воды движению судна на основе данных испытаний близких прототипов;

3. разработан метод расчёта эффективной мощности ГД на основе регрессионной зависимости между критериями подобия;

4. разработан метод расчёта расхода топлива ГД при работе судна на конкретных участках водных путей;

5. предложено использование удельной предельный цены нового судна для оценки его экономической эффективности.

Теоретическая и практическая значимость работы. В работе показано, что при эксплуатационном обосновании грузовых судов необходимо учитывать переменный характер условий плавания на внутренних водных путях (глубин, течений, а также ограничения скоростей), так как усреднение этих условий приводит к значительной погрешности в значениях эксплуатационных расходов.

Исследование сопротивления воды движению судов с полными обводами показало, что влияние коэффициента общей полноты водоизмещения на значение коэффициента остаточного сопротивления незначительно.

Полученные результаты могут применяться в различных проектных организациях, НИИ для эксплуатационного обоснования характеристик судов при разработке технического задания на проектирование нового судна.

В перспективе применение разработанных методов позволит существенно улучшить обоснование эксплуатационно-технических характеристик нового судна на основе учёта всей совокупности предполагаемых условий его эксплуатации. Программная реализация позволит автоматизировать процесс применения методов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в процессе исследования были использованы следующие методы: математическое моделирование для построения регрессионных моделей; оптимальное программирование для получения и оптимизации результатов; методы математической статистики для анализа и обработки полученных результатов; визуализация результатов посредством построения графических зависимостей.

Положения, выносимые на защиту

•Метод расчёта сопротивления воды движению судна на основе данных модельных испытаний близких прототипов;

•метод расчёта эффективной мощности ГД на основе регрессионной зависимости между критериями подобия комплекса корпус-двигатель-движители (КДД);

•метод определения основных эксплуатационных характеристик судов на основе максимизации критерия энергетической эффективности судна;

•метод оценки экономической эффективности нового судна при его работе на конкретных участках водных путей.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается посредством применения современных методов обработки и анализа результатов с использованием вычислительной техники и программных средств.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях различного уровня: Международной научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, специалистов и студентов «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек» в рамках Международного научно-промышленного форума «Великие реки» (2018-2020 гг., Н. Новгород); Всероссийской научно-практической конференции XIV Прохоровские чтения: «Транспорт как фактор организации экономического пространства» (2018 г., Н. Новгород); Национальной научно-практической конференции «Актуальные проблемы гуманитарных, инженерных и социально-экономических наук в свете современных исследований» (2018г., Н. Новгород), II международной научно-практическая конференция «Экологическая безопасность и устойчивое развитие урбанизированных территорий» (2019г., Н. Новгород), Национальной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы инновационного развития России: теория и практика» (2019г., Н. Новгород), 1-м международном форуме «Транспорт. Горизонты развития» (2021г., Н. Новгород).

Публикации. По теме диссертационного исследования автором опубликовано 14 работ, из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах из

перечня ВАК, 2 - в изданиях, входящих в международные базы данных публикаций на платформах Web of Science и SCOPUS.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений объемом 129 страниц. Работа содержит 29 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 103 наименований.

Глава 1. Проблема эксплуатационного обоснования характеристик грузовых судов внутреннего плавания

1.1. Постановка задачи эксплуатационного обоснования характеристик

грузовых судов внутреннего плавания

Одной из проблем современного грузового флота является устаревание судов. Согласно статистике, обнародованной в докладе генерального директора Морского инженерного бюро Г.В. Егорова на конференции «SЫppmgRu — 2017», средний возраст сухогрузных судов типа «Волжский» проекта 05074 — 27,7 лет, судов типа «Волго-Дон» проекта 1565 — 40,4 года, судов пр. 507Б — 44 года. Из 166 единиц этих судов 35, то есть 21%, в неудовлетворительном техническом состоянии [13].

Согласно Стратегии развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года (в ред. распоряжения Правительства Российской Федерации № 327-р от 29.02.2016 г.) [54] решение проблемы устаревания флота государство видит во введении в строй новых судов. По данным Морского инженерного бюро, с 2000 года было введено в строй более 327 единиц грузовых самоходных судов различных типов. Основная масса из них, а именно 232 судна, строилась на российских предприятиях, остальные — в Турции, в Китае, а также на украинских верфях.

Можно отметить технические тенденции, которые наблюдаются при строительстве и модернизации сухогрузного флота в настоящее время:

• предпочтение отдаётся судам с полными обводами (5 < 0,99);

• применение винто-рулевых колонок;

• меньшая численность экипажа за счёт более высокой автоматизации;

• ориентация на международные перевозки и как следствие повышение энергоэффективности и экологичности судов.

При этом габаритные размеры судов остались прежними, ибо они ограничены пропускными возможностями шлюзов. Грузоподъёмность судов осталась в пределах 1500-5000 т. Скорости судов также существенно не изменились и находятся в пределах 10-21 км/ч.

Кроме этого, как видно из таблицы 1 заметно повысилась экономичность судовых двигателей.

Таблица 1 - Рост экономичности судовых двигателей

Марка двигателя Начало при-ия на речных судах Мощность, кВт Частота вращения, об/мин Удельный расход топлива, г/кВт-ч

Д50 1950 662 720 248,4

Г70-5 1957 736 1000 234,6

Г60 1965 662 375 222,3

6УББ29-24 1998 1320 1000 183,6

6Ь20 2011 1200 1000 211,2

Еще одна современная тенденция - это рост цен на топливо. Динамика роста цен показана на рисунке 1 . Данные Росстата, использованные для построения графической зависимости представлены в приложении А. Согласно прогнозам Министерства энергетики РФ, в ближайшие 5 лет цены продолжат расти.

Год

Рисунок 1 - Динамика изменения цен на дизельное топливо в России в период с 2008 по 2021гг.

Необходимость массового обновления грузового флота позволяет утверждать, что задача проектирования новых судов будет в ближайшие годы весьма актуальной. Современные реалии требуют при этом более внимательного отношения к энергоэффективности новых судов, которая имеет техническое, экономическое и экологическое измерение. В силу сказанного возрастает актуальность эксплуатационного обоснования характеристик новых судов — стадии жизненного цикла судна, предшествующей стадии проектирования.

Задача эксплуатационно-экономического обоснования характеристик судов в законченной форме была определена впервые А.А. Союзовым в 1953 г., но, как свидетельствовал сам А.А. Союзов, этому предшествовала большая исследовательская работа, начатая в 1929 г. В.В. Звонковым [51].

Согласно А.А. Союзову, задача эксплуатационно-экономического обоснования характеристик судна включает следующие подзадачи:

• расчёт строительной стоимости судов;

• расчёт эксплуатационных расходов в зависимости от параметров судов;

• расчёт экономических и эксплуатационных показателей перевозок;

• обоснование основных характеристик судов: скорости, мощности ГД, грузоподъёмности, главных размерений и др.

Итогом этой работы является техническое задание на проектирование нового судна.

В [2; 10; 23; 39] выделяются от двух до четырёх стадий проектирования судов, но при этом всегда выделяется особый этап, на котором определяются основные характеристики нового судна, в то время как детальное проектирование осуществляется на основе результатов предварительной стадии. В зарубежной практике [63; 90] также выделяется предварительная стадия проектирования (preliminary design), имеющая тот же характер.

Следуя терминологии [39], выделим две группы задач эксплуатационного обоснования характеристик судов, которые будут предметом рассмотрения в данной работе:

1. определение эксплуатационно-технических характеристик (грузоподъёмности и скорости судна, мощности ГД, главных размерений судна);

2. определение эксплуатационно-экономических характеристик и экономических показателей (эксплуатационных расходов, себестоимости перевозок, стоимости строительства судна, рентабельности судна).

При этом ключевыми методами являются:

• метод расчёта эффективной мощности ГД судна;

• метод расчёта расхода топлива, а также других эксплуатационных расходов;

• метод определения экономической эффективности судна.

В общем виде метод расчёта эффективной мощности Ие главных двигателей сводится к задаче вычисления следующей функции:

Ме=Г(у,Б), (1)

где V - скорость судна, м/с; 5 — набор эксплуатационных характеристик судна.

Метод расчёта расхода топлива сводится к задаче вычисления функции часового расхода топлива в:

С = /(у,5,и)1 (2)

где и - набор условий плавания.

Как правило, такая функция вычисляется на основании (1), хотя существуют и независимые способы. Этот метод будет составлять ядро для вычисления эксплуатационных расходов.

Метод определения экономической эффективности судна может быть формализован как вычисление функции предельной стоимости судна:

С = /(5, Е, и), (3)

где Е — набор экономических условий, в которых будет работать судно.

Вопросы обоснования судов рассматривались в диссертациях [1; 5; 16; 19; 20; 22; 32; 47; 49; 67; 72; 99; 101]. При этом можно заметить, что научная работа по обоснованию эксплуатационно-технических параметров новых судов по

научной специальности «Эксплуатация водного транспорта, судовождение» за почти 30 лет существования рыночных условий была только одна [16].

В указанных работах рассматривались и решались разные актуальные вопросы. Однако в этих работах не нашёл должного отражения ряд следующих проблем, обусловленных современными реалиями.

Во-первых, ИМ расчёта сопротивления воды движению судна и характеристики гребных винтов, разработанные отечественной наукой в советское время, в большинстве своем имеют область применимости, ограниченную коэффициентом полноты водоизмещения 8 < 0,87. Методы расчёта характеристик винто-рулевых колонок отсутствуют в законченном виде.

Во-вторых, в тех случаях, когда существующие методы расчёта ходкости применимы, они демонстрируют в общем случае большие погрешности в расчёте эффективной мощности ГД. Вероятно, решением проблемы погрешности могут быть современные методы вычислительной гидродинамики, однако, в силу своей высокой трудоёмкости и отсутствия части исходных данных для проведения расчётов, их применение на стадии эксплуатационного обоснования нецелесообразно.

В-третьих, поскольку структура эксплуатационных расходов изменяется в сторону увеличения расхода топлива, то требуется уделить повышенное внимание вопросам энергоэффективности новых судов. Вместе с этим, существующие методы, предназначенные для расчёта этой важнейшей части эксплуатационных расходов, можно считать неудовлетворительными в силу своей высокой погрешности.

В-четвёртых, спецификой перевозок по внутренним водным путям является переменный характер условий плавания, в первую очередь глубин и течений. Однако эта специфика в существующих методах обоснования либо не отражается вовсе, либо отражается в упрощенной форме в виде усреднения условий плавания.

В-пятых, существующие методы оценки стоимости новых судов имеют особенности, делающие их трудно применимыми на стадии эксплуатационного обоснования. Такие методы представляют собой либо эмпирические регрессии, которые имеют ограниченное время существования из-за переменной экономической ситуации, либо это методы покомпонентного расчёта, что выводит их из сферы компетенции заказчика судна в сферу компетенции судостроителя. Только судостроитель, знакомый с технологиями, которые он применяет, может дать подобную оценку.

Таким образом, существует актуальная проблема совершенствования методов эксплуатационного обоснования грузовых судов внутреннего плавания применительно к современным тенденциям развития отрасли.

1.2. Анализ существующих методов расчёта мощности главных двигателей

Наибольшее внимание в задачах первой группы эксплуатационного обоснования характеристик судов уделялось расчёту эффективной мощности ГД.

Одним из первых и простых методов, позволяющих осуществить расчёт эффективной мощности Ие ГД по минимальному набору исходных данных, является метод адмиралтейских коэффициентов (МАК), выражаемый эмпирической формулой:

= —(4) е с

где Б - водоизмещение судна, т; у - скорость судна, км/ч; С - адмиралтейский коэффициент, вычисляемый на основании данных близкого прототипа.

Появление формул типа (4) связано с появлением первого винтового парохода в 1836 году [59]. В современной литературе по проектированию морских судов [90] до сих пор предлагаются различные вариациии адмиралтейских формул, а также эмпирические графики. По речным судам в отечественной литературе [27] имеется формула В.А. Лесюкова.

Адмиралтейский коэффициент имеет хорошее эмпирическое обоснование: известно, что потребляемая мощность ГД при движении с относительными скоростями, соответствующими числам Фруда Fr <0,2 почти пропорциональна кубу скорости. Кроме того, этот коэффициент практичен, так как для его вычисления нужны легко определяемые данные.

Пересчёт с близкого прототипа в принципе позволяет решить проблемы погрешности сопротивления. Но при этом известны недостатки адмиралтейских коэффициентов. Во-первых, можно отметить отсутствие объективных критериев выбора близкого прототипа. Во-вторых, коэффициент С не является гидродинамическим критерием и потому не отражает в полной мере «физику» явлений.

Проблемы, к которым приводит первый недостаток, можно проиллюстрировать следующим образом.

Для дальнейших расчётов в диссертации будут использованы данные натурных испытаний 56 судов с коэффициентом полноты 8 > 0,8, составленные на основе [45; 46], а также данных Волжского пароходства (приложение Б).

Из этого набора выберем некоторый прототип, например судно проекта 507Б, и рассчитаем мощность ГД судов, близких к этому прототипу.

Степень близости будет оцениваться по соотношениям главных размерений корпуса: Ь/В, В/Т и коэффициенту общей полноты водоизмещения 8.

Прототип 507Б характеризуется парамтерами Ь0/В0 = 8,18, В0/Т0 = 4,74 и 80 = 0,85. Эффективная мощность ГД при скорости 20,2 км/ч составляет 1680 л.с.

По первому параметру близким к прототипу будет судно проекта 576Т. По второму - проект 576, по третьему - 1577, а по сумме отношений всех трех параметров близкий к прототиипу проект Р25А.

Кроме этого, были добавлены данные по современному судну проекта Я8Т27 (8 = 0,99), которое ближе по первому параметру и очень близко по второму.

Погрешность расчёта мощности ГД показана в таблице 2. Очевидно, возможная ошибка при расчёте мощности ГД с помощью адмиралтейского коэффициента не может быть признана удовлетворительной вне заивисимоти от выбора критерия близости к прототипу.

Таблица 2 - Погрешности расчёта мощности ГД судов, близких к проекту 507Б

Проект (L/B)/(L0/B0) (B/T)/(B0/T0) S/S0 Ne/Ne0, %

576Т 1,008 0,929 1,013 19,4

576 0,833 0,994 0,985 15,5

1577 0,953 1,009 0,994 16,06

Р25А 0,831 1,193 0,984 27,8

RST27 1,003 0,978 1,165 40,98

В литературе описаны другие варианты формул, подобные (4), которые имеют вид:

Qa1ya2

~с

Ne (5)

где аг и а2, а также С представляют собой коэффициенты регрессии.

Ряд таких формул приводится в работе [16] и рекомендуется для расчёта мощности судна. Однако проверка этих формул на данных натурных испытаний судов из приложения Б показала, что самая лучшая из них имеет среднюю погрешность 19,2% при максимальной погрешности 97%.

Начиная с 30-х годов XX века были созданы более совершенные методы расчёта пропульсивных качеств судна, разработанные такими учеными как Авдеев Г.К., Алферьев М.Я., Басин А.М., Ваганов Г.И., Веледницкий И.О., Вьюгов В.В., Звонков В.В., Карпов А.Б., Кузьменко Ю.Н., Ливен Л.Э., Павленко В.Г., Папмель Э.Э., Рудин С.Н., Сандлер Л.Б., Сироткин Е.М., Фомкинский Л.И., Шимко К.Н., Holtrop J., Lackenby H., Mennen G., Oortmerssen G. и другими.

Как можно видеть по отечественным [2; 15; 18; 27; 59] и зарубежным [71; 79; 103; 85; 90; 95] публикациям, в целом методы расчёта ходкости сложились уже в 50-х годах и до настоящего времени принципиально не изменились. Следует отметить, что зарубежные авторы [65; 74; 75; 76; 86] в основном уделяют внимание морским судам.

В основе всех этих разработок лежат обычные уравнения баланса сил и мощности, поэтому метод, основанный на последних, будем называть далее гидромеханическим методом (ГМ).

Для определения мощности главных двигателей в ГМ используются следующие два уравнения баланса:

Я(у) = г(1 — 1)Р(п, у(1 — \р)),

(6)

Лп^е = г2ппМр(п,у(1 — ф)), где Я - сопротивление воды движению судна, кН; г - количество движителей; t -коэффициент засасывания; Р - упор винта (или винта в насадке), кН; п - частота вращения винта, об/мин; у - скорость судна, км/ч; 'ф - коэффициент попутного потока; цп - к.п.д. передачи.

Для вычисления Я, Р, Мр, t в ГМ используются эмпирические зависимости, выведение которых и составляет содержание научных разработок в этом направлении.

Использование эмпирических зависимостей отличает ГМ от более современных и сложных методов, в основе которых лежат методы конечных разностей для уравнений математической физики. Трудоёмкость этих методов и отсутствие части исходных данных делает их применение на стадии эксплуатационного обоснования нецелесообразным.

Однако, на наш взгляд, ГМ не вполне отвечает специфике эксплуатационного обоснования, так как требует знания характеристик гребного винта, которые можно найти, решив задачу оптимизации с рядом параметров: числа лопастей, дискового отношения, шага, а также параметров насадки, если таковая предусмотрена. Эта задача оказывается встроенной в более общую задачу

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васильева Оксана Юрьевна, 2022 год

судов из разных источников

Проект Ь, м ь/в В/Т 8 Бг ^ • 103

92-040 112,4 8,65 3,25 0,837 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,45 0,45 0,70 0,90 1,20 1,60

81530 120,0 9,09 3,52 0,847 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,45 0,49 0,65 1,05 1,45 2,25

1677 140,6 8,47 4,15 0,868 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,60 0,60 0,70 1,02 1,30 1,80

81365 62,9 6,20 5,79 0,897 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,90 0,93 1,16 1,60 2,15 2,70

81630 77,3 5,09 8,44 0,914 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 1,10 1,10 1,10 1,10 1,45 1,95

81820 71,2 7,02 5,07 0,879 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 1,10 1,10 1,20 1,70 2,12 3,30

ск-2000к 67,9 4,85 7,69 0,864 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 1,15 1,15 1,15 1,60 2,10 2,66

19620 83,6 6,97 6,67 0,848 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,87 0,87 1,00 1,15 1,45 1,90

Р77 105,0 7,09 5,92 0,821 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 1,17 1,20 1,25 1,43 1,65 2,05

0225 123,0 7,83 6,28 0,884 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,70 0,70 0,70 0,75 1,18 1,63

630 134,0 8,12 4,44 0,854 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,63 0,66 0,76 0,99 1,30 2,00

2177 136,0 8,10 4,54 0,850 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,62 0,62 0,73 0,99 1,40 1,95

1557 110,5 8,46 3,71 0,816 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,60 0,65 0,75 0,93 1,20 1,70

507 135,0 8,18 5,16 0,851 0,10 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,60 0,82 0,98 1,30 1,70 2,30

558 128,6 7,80 6,90 0,847 0,10 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,60 0,60 0,80 1,15 1,65 2,40

791 110,2 8,48 3,94 0,816 0,10 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,78 0,84 0,89 1,05 1,36 1,95

576 90,0 6,93 4,65 0,836 0,10 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,80 1,00 1,12 1,25 1,63 2,30

765 62,0 6,74 5,45 0,810 0,10 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 1,30 1,40 1,59 2,00 2,45 3,02

821 42,0 6,00 6,70 0,806 0,10 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 1,43 1,50 1,70 2,13 2,60 3,20

Проект Ь, м Ь/В В/Т 8 Бг ^ • 103

21-88 100,0 8,20 4,36 0,818 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19 0,21 0,63 0,66 0,72 0,93 1,18 1,63

573 77,2 7,02 4,90 0,830 0,10 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,65 0,75 0,90 1,36 1,80 2,40

Приложение Д

Программный код функции для расчёта сопротивления

Function Resistance(method R As Integer, v As Double, L As Double, B As Double, T As Double, delta As Double, h As Double) As Double Dim O As Double, Fr As Double, Re As Double

Dim tC As Double, nu As Double, Cf As Double, dCF As Double, cAP As Double, cR As Double

If L = 0 Or B = 0 Or T = 0 Or delta = 0 Then Resistance = 0: Exit

Function

tC = 15

nu = 0.00000178 / (1# + 0.0337 * tC + 0.000221 * tC * tC)

Re = v * L / nu

Cf = 455# / (Log(Re) / Log(10)) Л 2.58

dCF = 0.3 cAP = 0.1 * 2

Fr = v / Sqr(L * 9.8)

O = wetted_area(L, B, T, delta)

cR = 259.1 * (0.222 + 0.094 * B/T) * (1 + 114.8 * (Fr - 0.139) Л2)

cR = cR * 2 * Fr * delta / (1.36 + 1.13 * delta * B/T) / (L/B)

Resistance =0.0005 * kH * ((Cf + dCF + cAP) * v^2 + cR * v2Л2) *O End Function

Приложение Е

Таблица Е.1 - Погрешность расчёта эффективной мощности ГД при

движении в полном грузу различными методами

Проект Р. км/ч Негр, кВт ГМ МФ Метод на основе (36)

т л. с. Негр, Пог- Негр, Пог- Негр, Пог-

кВт ть, % кВт ть, % кВт ть, %

11 2000 750 17,8 559,36 470,43 15,90 665,96 19,06 598,88 7,07

11 2000 800 17,4 606,46 399,02 34,21 578,36 4,63 556,95 8,16

11 2000 800 18,0 577,02 499,35 13,46 698,07 20,98 627,51 8,75

11 2000 1050 18,3 713,92 517,46 27,52 698,25 2,20 695,60 2,57

Р25А 1850 800 18,3 568,19 423,35 25,49 689,97 21,43 578,72 1,85

Р32 2500 1320 18,7 956,80 810,20 15,32 1173,89 22,69 1035,94 8,27

Р40 1000 800 18,0 610,88 537,49 12,01 1118,02 83,02 790,59 29,42

Р86А 1000 450 13,8 323,84 227,58 29,72 371,39 14,68 262,32 19,00

272А 800 600 16,7 390,08 272,77 30,07 495,11 26,92 409,22 4,91

272Б 800 800 17,6 607,20 308,70 49,16 632,95 4,24 510,26 15,96

276 700 600 18,4 463,68 206,05 55,56 305,99 34,01 350,57 24,39

2-95 2700 1400 21,3 1012,00 865,65 14,46 1307,56 29,21 1256,31 24,14

414Н 600 380 15,3 276,00 165,99 39,86 241,07 12,65 207,60 24,78

414А 600 450 16,5 334,88 193,00 42,37 323,12 3,51 272,40 18,66

507Б 5300 1800 20,2 1236,48 1134,80 8,22 1575,32 27,40 1423,32 15,11

507А 5300 2000 20,0 1472,00 1108,97 24,66 1542,77 4,81 1389,34 5,62

576 2000 750 18,7 552,00 508,15 7,94 806,55 46,11 719,44 30,33

576 2000 800 18,8 557,89 515,79 7,55 775,23 38,96 763,43 36,84

576 2000 800 18,7 559,36 481,58 13,91 741,59 32,58 735,33 31,46

576 2000 1000 19,3 717,60 568,49 20,78 861,94 20,11 841,80 17,31

576 2000 1000 19,8 743,36 664,79 10,57 1010,34 35,91 936,09 25,93

576 2000 1100 19,8 772,80 610,09 21,05 1016,66 31,56 892,04 15,43

585 350 450 16,1 331,20 143,82 56,58 238,12 28,10 221,10 33,24

585 350 600 18,9 423,20 254,16 39,94 484,99 14,60 423,29 0,02

765 600 280 15,8 209,76 223,47 6,54 381,03 81,65 286,84 36,75

765 600 300 15,6 217,12 178,98 17,57 295,44 36,07 228,97 5,46

765 600 360 16,2 253,92 206,06 18,85 327,51 28,98 255,13 0,48

765 600 380 16,5 257,60 213,74 17,03 360,75 40,04 277,98 7,91

791 2700 1320 20,7 964,16 795,88 17,45 1190,29 23,45 1130,81 17,28

912А 350 450 16,5 334,14 209,67 37,25 437,44 30,91 357,59 7,02

1557 2700 1320 19,5 956,80 658,41 31,19 949,57 0,76 911,77 4,71

1814 1700 1400 21,2 1074,56 738,26 31,30 1106,21 2,95 1245,45 15,90

тфп2 1000 800 18,3 596,16 351,70 41,01 534,49 10,34 511,34 14,23

тфп 700 840 19,9 596,16 469,62 21,23 748,78 25,60 731,09 22,63

576Т 2800 1000 18,0 717,60 512,89 28,53 704,33 1,85 676,83 5,68

587 3300 1000 18,0 699,20 639,54 8,53 824,80 17,96 743,01 6,27

2 Теплоход финской постройки

Проект Р. км/ч Негр, кВт ГМ МФ Метод на основе (36)

т л. с. Негр, кВт Пог- ть, % Негр, кВт Ошиб ка, % N "прог, кВт Ошиб ка, %

866 600 280 15,6 213,44 171,29 19,75 277,52 30,02 220,70 3,40

866 600 380 16,6 257,60 205,45 20,24 342,45 32,94 269,68 4,69

866 600 450 17,0 309,12 224,55 27,36 387,56 25,38 300,74 2,71

1553 2885 1320 20,3 971,52 774,26 20,30 1131,82 16,50 1065,74 9,70

1577 4800 2000 19,7 1310,08 1305,97 0,31 1734,51 32,40 1286,86 1,77

1754 1000 800 17,6 544,64 378,73 30,46 589,56 8,25 494,07 9,29

1754Б 1500 800 17,6 559,36 401,34 28,25 625,96 11,91 512,91 8,30

Р25Б 1800 1156 18,6 852,29 465,22 45,42 770,36 9,61 634,50 25,55

Р32А 2500 1320 19,3 938,40 842,44 10,23 1300,50 38,59 1144,30 21,94

Р97 1930 600 15,6 398,91 345,63 13,36 526,84 32,07 416,68 4,45

Р97 1930 600 15,3 440,13 448,73 1,95 580,66 31,93 420,63 4,43

414В 600 600 16,6 419,52 212,29 49,40 343,94 18,02 285,95 31,84

576 2000 800 18,0 529,92 432,60 18,36 640,29 20,83 642,12 21,17

Р42 500 450 16,0 327,52 155,75 52,45 243,68 25,60 223,69 31,70

Р42М 600 450 15,9 323,84 158,26 51,13 226,99 29,91 227,70 29,69

Р77 2150 1320 20,0 949,44 793,19 16,46 1175,96 23,86 1076,76 13,41

866М 600 450 15,6 320,16 177,59 44,53 291,32 9,01 254,79 20,42

1570 2885 1320 20,4 971,52 793,15 18,36 1153,27 18,71 1084,64 11,64

Я8Б44 5319 3260 22,0 2128,51 1576,84 25,92 2254,26 5,91 2016,61 5,26

Я8Т27 5388 3260 16,7 1365,28 1051,41 22,99 1272,63 6,79 968,59 29,06

Приложение Ж

Таблица Ж.1 - Данные по грузовым судам из справочников судов

Номер проекта к к « о £р т О о п « о и Е- Ф 6 ч а" о я щ 5= ЕТ И к о, сг И к о, о м о, м о Е-^Г Экипаж, чел. Автономность, сутки Объем трюмов, м3 Запас топлива, т м м м А Насадка (1-есть, 0-нет) Дедвейт, т

1565 1968 5000 1800 20,0 21,2 3,53 2,15 20 15 6650 122,0 135,0 16,5 0,851 1,80 1 5152

19610 1986 4950 2640 21,0 - 3,70 1,35 18 20 6875 294,6 134,0 16,4 0,825 1,80 1 5885

488-АМ/2 1982 3000 1740 20,5 21,2 3,75 3,05 23 10 4700 57,0 112,5 13,2 0,845 - - 3811

1743 1972 2100 1400 19,5 20,0 2,51 1,24 11 15 4370 70,0 105,0 14,8 0,827 1,70 0 2190,3

2-95АК 1973 2700 1400 20,0 21,9 3,56 1,27 20 15 4750 110,6 110,0 13,0 0,825 1,65 1 193,3

791 1962 2700 1320 18,7 20,2 3,35 2,47 17 14 4510 90,0 110,2 13,0 0,816 1,60 1 2780

1557 1967 2700 1320 19,6 20,7 3,50 2,58 20 10 4295 94,3 110,5 13,0 0,818 1,60 1 2835

92-040 1983 2800 1440 16,5 17,4 4,00 1,64 20 15 4064 157,0 112,4 13,0 0,837 1,70 0 3160

292 1980 1990 1800 20,5 21,0 2,50 2,25 17 15 4811,7 231,6 124,0 15,4 0,824 1,70 0 3050

781 1962 2000 1000 18,6 20,0 3,34 2,57 15 15 3467 96,0 92,0 13,0 0,780 1,60 1 2121

21-88 1962 2000 1050 20,0 22,3 2,81 0,83 12 12 3500 68,4 100,0 12,2 0,818 1,54 1 80

576 1956 2000 1100 19,2 20,6 2,85 1,59 28 12 3152 50,0 90,0 13,0 0,837 1,42 1 2072

Р25А 1968 1300 800 18,0 20,0 2,05 0,85 11 15 3000 55,0 85,0 12,5 0,836 1,20 1 52,85

1810ДВТ 1966 1700 1400 21,7 22,8 3,30 2,12 18 14 2931 80,0 84,0 12,2 0,795 1,90 0 110

Р168 1983 1410 880 18,0 19,3 2,50 1,80 12 10 2260 55,0 83,0 12,0 0,857 1,70 0 816,36

289 1972 1400 1740 22,5 23,5 3,50 2,60 21 10 2550 73,0 77,7 11,8 0,744 1,80 0 100

19620 1982 1300 1400 18,5 19,5 2,56 1,88 12 10 2230 65,6 83,6 12,0 0,848 1,70 0 -

936 1964 1300 1050 21,0 23,0 2,50 0,95 13 10 1850 47,5 83,7 11,0 0,794 1,50 1 100,55

559Б 1963 1200 800 15,2 16,6 1,71 0,95 12 6 690 28,0 79,9 15,0 0,797 1,40 1 29,27

81110 1984 1200 600 14,0 - 1,60 0,80 9 8 597,6 25,0 78,0 15,0 0,883 1,00 1 32,75

Я8Б-44 2010 5319 3260 22,0 22,6 3,52 2,45 9 10 7086 - 138,9 16,5 0,891 1,90 1 5439

225 1980 3345 1800 18,5 - 3,20 - 17 - 5432 226,0 121,7 15,6 0,884 1,76 0 4130

570 1959 3398 1600 21,3 - 3,43 - 24 - - - 120,0 16,1 0,760 1,64 0 4016

16510 05074А Номер проекта

1994 1993 Год постройки

2500 3800 Ст

2447 2400 Аденом, Л.С.

21,8 21,2 17гр, км/ч

■ ■ 1?пор, КМ/Ч

4,06 Ттр, м

■ Тцор, м

о\ Экипаж, чел.

Автономность, сутки

4010 4706 Объем трюмов, м3

■ 175,0 Запас топлива, т

99,0 103,8 1, м

Д м

0,791 0,813 8

2,20 Ъо о 0Р, м

о о Насадка (1-есть, 0-нет)

2686 3972 Дедвейт, т

о

§

то а к

то £

к -к

СУ

ю

Приложение И

Основные эксплуатационные характеристики судна при работе на

Северном направлении Таблица И.1 - Основные эксплуатационные характеристики судна при

грузоподъёмности 5300 т.

0, т 5300 5300 5300 5300 5300 5300 5300 5300 5300

Угр,км/ч 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Neном, кВт 419,6 520,1 638,2 777,3 941,4 1136,2 1368,9 1651,8 2009,4

Ь, м 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0 135,0

В, м 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,3 15,7

Тгр, м 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5

5 0,896 0,904 0,914 0,925 0,938 0,954 0,973 0,990 0,990

Вр, м 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,436 1,456 1,48 1,56

#егр, кВт 390,3 483,7 593,6 722,9 875,5 1056,6 1273,1 1536,1 1868,7

тр, тыс. руб./т 436,46 450,55 462,64 472,73 480,75 486,476 489,75 490,02 486,09

Таблица И.2 - Основные эксплуатационные характеристики судна при скорости

20 км/ч.

0, т 2300 3300 4300 5300 6300

Ргр, км/ч 20 20 20 20 20

Neном, кВт 803,1 970,2 1156,3 1368,9 1641,4

Ь, м 104,2 118,4 134,4 135,0 135,0

В, м 11,7 13,3 15,1 15,2 17,8

Тгр, м 3,2 3,5 3,5 3,5 3,5

5 0,800 0,800 0,800 0,973 0,990

Вр, м 1,19 1,24 1,34 1,45 1,59

#егр, кВт 746,9 902,3 1075,4 1273,2 1526,5

тр, тыс. руб./т 425,37 471,12 485,60 489,75 487,92

Приложение К

Основные эксплуатационные характеристики судна при работе на

Южном направлении Таблица К.1 - Основные эксплуатационные характеристики судна при

грузоподъёмности 5300 т.

0, т 5300 5300 5300 5300 5300 5300 5300 5300 5300

Угр,км/ч 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Neном, кВт 419,6 520,1 638,2 777,3 941,4 1136,2 1368,9 1651,8 2009,4

Ь, м 135 135 135 135 135 135 135 135 135

В, м 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,2 15,3 15,7

Тгр, м 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5

5 0,897 0,905 0,914 0,926 0,939 0,954 0,973 0,990 0,990

Вр, м 1,37 1,38 1,39 1,40 1,41 1,43 1,45 1,48 1,56

#егр, кВт 390,5 483,7 593,6 722,9 875,5 1056,6 1273,1 1536,1 1868,7

тр, тыс. руб./т 266,19 274,46 281,08 285,99 289,04 289,98 288,57 284,18 275,48

Таблица К.2 - Основные эксплуатационные характеристики судна при скорости

20 км/ч.

0, т 2300 3300 4300 5300 6300

Угр,км/ч 20 20 20 20 20

Neном, кВт 803,1 970,2 1156,3 1368,9 1641,4

Ь, м 104,2 118,4 134,4 135,0 135,0

В, м 11,7 13,3 15,1 15,2 17,8

Тгр, м 3,2 3,5 3,5 3,5 3,5

5 0,800 0,800 0,800 0,973 0,990

Вр, м 1,19 1,24 1,34 1,45 1,59

#егр, кВт 746,9 902,3 1075,3 1273,1 1526,5

тр, тыс. руб./т 191,69 249,87 275,80 288,62 293,42