Проверка судна типа малого рыболовного бота на статическое воздействие буксирного каната

УДК 629.5.01.

ПРОВЕРКА СУДНА ТИПА МАЛОГО РЫБОЛОВНОГО БОТА НА СТАТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ БУКСИРНОГО КАНАТА

Е. А. Чуреев, И. И. Николаев, Д. В. Злыгостев, И. В. Якута CHECKING A SFB-TYPE VESSEL FOR STATIC IMPACT OF A TOW ROPE Е. А. Chureev, I. I. Nikolaev, D. V. Zlygostev, I. V. Yakuta

В статье выполнена проверка остойчивости малого рыболовного бота (МРБ) нового проекта при действии буксирного каната в соответствии с требованиями Правил классификации и постройки судов (ПКПС) Российского Речного Регистра. Проверочные расчеты показали, что максимальное статическое плечо восстанавливающего момента судна в два раза меньше плеча кренящего момента от действия на судно статически натянутого буксирного каната, рассчитанного в соответствии с ПКПС. Плечо кренящего момента от динамического действия на судно натянутого буксирного каната на порядок меньше плеча динамической остойчивости судна. Далее была проведена экспериментальная проверка модели МРБ707 на действие рывка буксирного троса в опытовом бассейне научно-исследовательского центра судостроения (НИЦС) КГТУ. Для проведения эксперимента эта модель была выбрана в масштабе 1:5. Расчетный случай нагрузки -наименьшая метацентрическая высота при эксплуатации. Модель не имеет гребного винта и пера руля. С помощью одного троса она набирала необходимую скорость хода, затем трос отпускался, и модель теряла ход. Второй трос в такой момент начинал натягиваться, это означало имитацию обгона буксируемого судна возом. В результате проведённого эксперимента установлено, что при увеличении скорости буксировки возрастала скорость разворота модели судна после натяжения второго троса. Только при скорости 7 уз борт модели вошел в воду, следовательно, можно сделать вывод о достаточной остойчивости судов данного типа, так как при таких высоких скоростях буксировку не проводят. Выполненные исследования позволяют утверждать, что формулы Правил требуют корректировки, при статическом действии буксирного каната палуба модели не входила в воду.

метацентрическая высота, модельный эксперимент, опыт кренования, кренящий момент, буксирный канат, остойчивость

The article has checked the stability of a small fishing boat (SFB) of a new project under the action of a tow rope in accordance with the requirements of the Rules for the Classification and Construction of Ships (RCCS) of the Russian River Register. Verification calculations have showed that the maximum statical lever of the recovery moment of the vessel is two times less than the upsetting lever from action on the vessel of a statically stretched tow rope calculated in accordance with RCCS. The upsetting lever from the dynamic action on the tow rope is by an order smaller than the dynamical-stability lever of the vessel. Next, an experimental verification of the model

«MRB707» (SFB) has been carried out on the effect of tugging of the towing rope in the experimental pool of the science-research center of shipbuilding (SRCS) of Kaliningrad State Technical University (KSTU). For the experiment, a model has selected on a scale of 1:5. The load case of the vessel has been the lowest metacentric height during operation. The model does not have a propeller screw and a rudder plate. With the help of a cable, the model gained the necessary speed, then the cable was released and the model lost its course. The cable at this moment began to stretch, it meant imitation of overtaking the towed vessel. As a result of the experiment, it has been established that the formulas of the Rules require adjustment. Under the static action of the tow rope, the model deck does not enter the water, it enters the water at a towing speed of 7 knots, but at such a high speed towing is not performed.

metacentric height, model experiment, inclining experiment, heeling moment, tow rope, stability

ВВЕДЕНИЕ

Малые рыболовные боты буксируют лодки с неводами, а после выборки улова загруженные им лодки - обратно [1]. Так как эти суда занимаются буксировкой, то в соответствии с Правилами классификации и постройки судов Российского Речного Регистра [2] считаются буксирами и к их остойчивости предъявляются дополнительные требования, в частности, МРБ должны быть проверены на статическое и динамическое действие буксирного каната.

ПРОВЕРКА ОСТОЙЧИВОСТИ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ПРАВИЛ РОССИЙСКОГО РЕЧНОГО РЕГИСТРА Согласно п. 3.1.1 ч. II Правил классификации и постройки судов Российского Речного Регистра [2] остойчивость всех судов, имеющих буксирное устройство, должна быть достаточной при статическом воздействии буксирного каната.

Кренящий момент от действия на судно статически натянутого буксирного каната Мс определяется по формуле

мс =F[Ur/B + fjfIf3 -о,бShjBl где F - коэффициент, принимаемый равным 1,12Рс; Pc - номинальная мощность главных двигателей, в нашем случае Рс =30 кВт; zr - отстояние точки приложения силы натяжения буксирного каната, измеренное по вертикали от основной плоскости, zr=1,87 м; B - ширина судна по действующей ватерлинии, В = 3,3 м; h'o - малая метацентрическая высота судна, вычисляемая с учетом поправки на влияние свободной поверхности жидких грузов, h'0 =0,755 м; f1, f2, f3 - коэффициенты, которые определяются по формулам, действительным в диапазоне 2,25<В/Т< 8,0; В 7=3,3/0,7=4,714.

f2 = 0,0053 (В/Г)3 - 0,0904 (Б/Т)2 - 0,3512 Б/Т — 0,3216:

f3 - коэффициент, который принимается равным 0,85 при условии, что xr>0,3L; где x'r - отстояние точки приложения силы натяжения буксирного каната от центра тяжести судна; x'r = 4,647 м; 0,3L=3,09 м;

4,647 м > 3,09 м, следовательно, условие выполняется.

Таким образом, кренящий момент от действия на судно статически натянутого буксирного каната Мс = 54,54 кНм. Плечо кренящего статического момента 4= 0,472 м.

Угол крена, град

Рис. 1. Диаграмма статической остойчивости для заданного случая нагрузки Fig. 1. Static stability diagram for a given load case

Как видно из рис. 1, максимальное статическое плечо восстанавливающего момента судна равно 0,22 м, что в два раза меньше плеча кренящего момента, рассчитанного в соответствии с п. 3.3.3 ч. 2 ПКПС [2].

Остойчивость судов с zr > 1,2 zg (zg - возвышение центра тяжести над основной плоскостью, zg = 1,27 м); (в нашем случае 1,870 > 1,2-1,27) следует проверять при динамическом действии буксирного каната.

Кренящий момент от динамического действия на судно натянутого буксирного каната Мр рассчитывается по формуле Мр = 1.35 wD{ к1к2):, где w - коэффициент, зависящий от номинальной мощности судна, определяется по формуле (3.3.8-2) [2]; w = 0,168; к1, k2 - коэффициенты, учитывающие влияние на кренящий момент инерционных и демпфирующих свойств судна, вычисляются по формулам:

где q1, q3 - находим по табл. 3.3.8 -3 [2]; q1 = 17,086; q3 = 0,133; q2 - параметр, определяемый при 2,25 < В/Т <8,0 по следующей формуле:

Кренящий момент от динамического действия на судно натянутого буксирного каната Мр=0,377 кНм. Плечо кренящего динамического момента 1р= 0,003 м.

о

с pq

^ 3

¡5 се § &

й

о К

0,2 0,175 0.15 0,125 од 0,075 0,05 0,025

-20

-10

10 20 30 40

Угол крена, град

50

60

70

80

Рис. 2. Диаграмма динамической остойчивости для заданного случая нагрузки Fig. 2. Dynamic stability diagram for a given load case

Плечо динамически приложенного момента на порядок меньше плеча динамической остойчивости судна (рис. 2), поэтому проверка по данному пункту пройдена.

ВЫБОР МОДЕЛИ И СЛУЧАЯ ЗАГРУЗКИ. ПОДГОТОВКА МОДЕЛИ

К ЭКСПЕРИМЕНТУ

Экспериментальная проверка модели МРБ707 на действие рывка буксирного троса производилась в опытовом бассейне НИЦС КГТУ.

Для проведения эксперимента был выбран масштаб модели 1:5. Случай нагрузки - наименьшая метацентрическая высота при эксплуатации. Модель не имеет гребного винта и пера руля. В табл. 1 приведены характеристики натурного судна и модели.

Таблица 1. Характеристики судна и его модели

Tabl el. Characteristics of the vessel and its model

№ Наименование Размер- Обозна- Судно Модель

п/п ность чение

1 Водоизмещение массовое т М 11,77 -

2 Водоизмещение объёмное 3 м V 11,77 -

3 Ширина корпуса м B 3,30 0,66

4 Длина по ватерлинии (ВЛ) м L 10,3 2,06

5 Абсцисса центра величины судна м -0,14 -0,028

6 Аппликата центра величины судна м 0,43 0,086

7 Исправленная метацентрическая высота м h 0,755 0,151

8 Осадка судна носом м Т ' к 0,520 0,104

9 Осадка судна кормой м т JK 0,880 0,176

Для данного эксперимента требовалось, чтобы модель была подобна натурному судну по следующим параметрам [3-5]:

- посадка;

- начальная остойчивость (метацентрическая высота it);

- момент инерции относительно продольный оси (/,,.).

Вначале модель была нагружена таким образом, чтобы посадка её соответствовала посадке судна. Для этого на модели были отмечены риски, обозначающие необходимую осадку носом и кормой (осадку см. в табл. 1).

Балластировка модели осуществляется грузами на стенде, исходя из кубического отношения объёма натурного судна и модели.

где Мм - масса модели с грузом, необходимая для подобия; рм - плотность воды в опытовом бассейне, рм = 999 кг/мэ;

Далее модель переносится в небольшой бассейн для удифферентовки по заданной посадке. После удифферентовки модель судна достается из воды и взвешивается на весах. Масса модели составила М-, = 39,7 кг. Отклонение массы от расчетного значения, определённого по формуле (1), равно 4,65%.

Чтобы начальная остойчивость модели и натурного судна были подобны, необходимо соблюдение следующего условия: h.: = h/5.

Для определения метацентрической высоты судна проводился опыт крено-вания, который осуществлялся в малом бассейне с помощью грузов и квадранта.

Опыт проводили следующим образом: два груза (каждый массой 2 кг) перемещали поочередно с одного борта на другой, для измерения угла крена применяли оптический квадрант (он позволяет фильтровать мелкие колебания судна, поэтому для определения угла крена не приходится ждать полного успокоения водной глади, в отличие от электронного инклинометра).

Масса, посадка и начальная остойчивость модели во время испытаний на действие рывка отличаются от их значений во время опыта кренования. Для определения метацентрической высоты модели необходимо снять излишний груз -грузы для кренования и квадрант. Их положения относительно основной плоскости модели известны, поэтому с помощью кривых элементов теоретического чертежа определяется центр тяжести модели без груза во время проведения эксперимента, а затем и метацентрическая высота.

После нахождения метацентрической высоты модели её необходимо привести к значению, подобному натурному судну [5]. Это выполняется с помощью поднятия или опускания груза по оси Z. По формуле (2) можно определить требуемое смещение.

Az = М  Az /М ;

где Мм - масса модели; Аzg - необходимое смещение центра тяжести модели; - перемещение относительного начального положения выбранного груза; - масса выбранного груза для смещения.

Продольный момент инерции 1у модели определяется эмпирическим методом. На специальном устройстве модель раскачивается, как на качелях, а затем полученные углы наклонения и период качки используются в расчётах.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА На рис. 3 представлена схема эксперимента.

Рис. 3. Схема испытаний: 1 - трос для разгона модели; 2 - имитация буксировочного троса;

3 - модель; 4 - стенки опытового бассейна; 5 - буксировочная тележка

Fig. 3. Test scheme: 1 - cable for accélération of the model; 2 - imitation of a towing rope;

3 - model; 4 - walls of the experimental basin; 5 - towing trolley

С помощью троса 1 модель набирала необходимую скорость хода. Затем трос отпускался, и модель теряла ход. Трос 2 в этот момент начинал натягиваться, так как тележка 5 имеет постоянную скорость, в отличие от модели судна 3. Когда трос 2 натягивался, это означало имитацию обгона буксируемого судна возом. При этом размеры буксируемого судна (воза) можно принять как бесконечно большие [4].

Испытания проводились на скоростях, представленных в табл. 2.

На рис. 4-8 показаны фото испытаний модели при скоростях от 3 до 7 уз. В результате проведённого эксперимента установлено, что при увеличении скорости буксировки возрастала скорость разворота модели судна после натяжения троса. Только при скорости 7 уз борт модели вошел в воду, следовательно, можно сделать вывод о достаточной остойчивости судов данного типа, так как при таких высоких скоростях буксировку не проводят.

Таблица 2. Скорость модели при испытаниях Table 2. The speed of the model during tests

№ п/п Скорость судна vs, уз Число Фруда Fr Скорость модели vM, м/с

1 3,00 0,153 0,690

2 4,00 0,205 0,919

3 5,00 0,256 1,149

4 6,00 0,307 1,379

5 7,00 0,358 1,609

Рис. 4. Испытание модели при скорости буксировки 3 уз Fig. 4. Model test at a towing speed of 3 knots

Рис. 5. Испытание модели при скорости буксировки 4 уз Fig. 5. Model test at a towing speed of 4 knots

Рис. 6. Испытание модели при скорости буксировки 5 уз Fig. 6. Model test at a towing speed of 5 knots

Рис. 7. Испытание модели при скорости буксировки 6 уз Fig. 7. Model test at a towing speed of 6 knots

Рис. 8. Испытание модели при скорости буксировки 7 уз Fig. 8. Model test at a towing speed of 7 knots

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные теоретические исследования остойчивости МРБ на статическое и динамическое действие буксирного каната показали, что судно выдерживает кренящий момент от действия динамически натянутого каната, а вот кренящий момент от статического воздействия буксирного каната в два раза больше плеча восстанавливающего момента.

В результате проведенного эксперимента установлено, что формулы Правил [2] требуют корректировки: при статическом действии буксирного каната палуба модели не входила в воду. Она вошла в нее при скорости буксировки 7 уз, а при такой высокой скорости буксировку не выполняют. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что суда типа МРБ представляют собой буксиры с достаточным запасом остойчивости.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Батуев, А. Д. Статическое действие буксирного каната на бот / А. Д. Батуев // VI Международный Балтийский морской форум [Электронный ресурс]: материалы форума. - Калининград: Изд-во БГАРФ, 2018. - С. 87-90. URL: http://www.klgtu.ru/upload/science/conferences/bmf/2018/mat_forum/2_staty.pdf (дата обращения 15.03.2019).

2. Правила классификации и постройки судов (ПКПС), ч. 2. Российский речной регистр, Москва, 2015 [Электронный ресурс]. URL: https://www.rivreg.ru/assets/Uploads/rules2015/rules062018.pdf (дата обращения 15.03.2019).

3. Гайкович, А. И. Теория проектирования водоизмещающих кораблей и судов: моногр.: в 2 т. / А. И. Гайкович. - Санкт-Петербург: МОРИНТЕХ, 2014. - Т. 2 -872 с.

4. Войткунский, Я. И. Справочник по теории корабля: в 3-х т. / Я. И. Войткун-ский. - Ленинград: Судостроение, 1985. - Т. 2. Статика судов. Качка судов. - 440 с.

5. Гальчук, В. Я. Техника научного эксперимента / В. Я. Гальчук, А. П. Соловьев. - Ленинград: Судостроение, 1982. - 256 с.

REFERENCES

1. Batuev A. D. Staticheskoe deystvie buksirnogo kanata na bot [Static effect of the tow rope on the boat]. VI Mezhdunarodnyy Baltiyskiy morskoy forum [VI International Baltic Maritime Forum]. Kaliningrad, 2018, pp. 87-90, available at: http://www.klgtu.ru/upload/science/conferences/bmf/2018/mat_forum/2_staty.pdf (Accessed 15 March 2019).

2. Pravila klassifikatsii i postroyki sudov (PKPS), chast' 2. Rossiyskiy rechnoy registr [Rules for the classification and construction of ships (RCCS), Part 2. Russian River Register]. Moscow, 2015, available at: https:// www. rivreg.ru/assets/Uploads/rules2015/rules062018.pdf (Accessed 15 March 2019).

3. Gaykovich A. I. Teoriya proektirovaniya vodoizmeshchayushchikh korabley i sudov [Theory of the design of displacement ships and vessels]. Saint-Petersburg, MORINTEKH, 2014, 872 p.

4. Voytkunskiy Ya. I. Spravochnik po teorii korablya: v trekh tomakh. Tom 2. Statika sudov. Kachka sudov [Ship theory handbook: in three volumes. Volume 2. Statics of ships. Ship motions]. L., Sudostroenie, 1985, 440 p.

5. Gal'chuk V. Ya., Solov'ev A. P. Tekhnika nauchnogo eksperimenta [Science Experiment Technique]. L., Sudostroenie, 1982, 256 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Чуреев Евгений Андреевич - Калининградский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры кораблестроения;

E-mail: e.chureev@klgtu.ru

Chureev Evgeniy Andreevich - Kaliningrad State Technical University; Senior Lecturer of the Department of Shipbuilding; E-mail: e.chureev@klgtu.ru

Николаев Игорь Игоревич - Калининградский государственный технический университет; инженер-конструктор КБ научно-исследовательского центра судостроения; E-mail: igor.nikolaev@klgtu.ru

Nikolaev Igor Igorevich - Kaliningrad State Technical University; Design Engineer at the Design Bureau of the Shipbuilding Research Center; E-mail: igor.nikolaev@klgtu.ru

Злыгостев Денис Валерьевич - Калининградский государственный технический университет; директор научно-исследовательского центра судостроения; E-mail: denis.zlygostev@klgtu.ru

Zlygostev Denis Valerievich - Kaliningrad State Technical University; Director of the Shipbuilding Research Center; E-mail: denis.zlygostev@klgtu.ru

Якута Ирина Владимировна - Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота; кандидат технических наук; доцент кафедры безопасности мореплавания; E-mail: kaf-bm@bga.gazinter.net

Yakuta Irina Vladimirovna - Baltic Fishing Fleet State Academy; PhD in Engineering, Associate Professor at the Department of Navigation Safety;

E-mail: kaf-bm@bga.gazinter.net