Выбор числа гребных валов для морского транспортного судна повышенной скорости хода

УДК 629. 5. 01/03

ВЫБОР ЧИСЛА ГРЕБНЫХ ВАЛОВ ДЛЯ МОРСКОГО ТРАНСПОРТНОГО СУДНА

ПОВЫШЕННОЙ СКОРОСТИ ХОДА

Гаврилов В.В., д.т.н. , профессор кафедры «Теории и конструкции судовых двигателей внутреннего сгорания», ФГБОУВО «ГУМРФ

имени адмирала С. О. Макарова»

Белых К. А., инженер кафедры «Судовые двигатели внутреннего сгорания и дизельных установок», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский

морской технический университет»

Анализ показал, что расчётная скорость морских транспортных судов растёт, несмотря нарост цен на судовое топливо. Поэтому вопрос выбора числа гребных валов для этих судов становится всё более актуальным. Важно установить предел расчётной скорости судна, в случае превышения которого целесообразно при проектировании перейти от одного гребного винта к двум винтам. Это позволит избежать значительного снижения коэффициента полезного действия винта и, следовательно, снижения эффективности работы главной энергетической установки. В практике проектирования в качестве критерия выбора числа валов используется удельная нагрузка на гребной винт. Анализ показал непригодность применения этого критерия. Применению критериев экономического характера препятствует недостаток надёжных прогнозов цен на судовое топливо. Предлагаемая в статье методика выбора числа гребных валов при проектировании главной энергетической установки основана на использовании комплексного критерия «суммарные затраты на покупку оборудования и эксплуатацию пропульсивного комплекса в течение расчётного срока». В полном объёме указанный комплексный критерий может быть использован при наличии обоснованного прогноза цен на топливо для главной энергетической установки. При отсутствии надёжного прогноза следует сравнивать варианты проектов судна по пропульсивному коэффициенту, разумеется, наряду со сравнением по всевозможным другим признакам. В методике учтены пропульсивный коэффициент, расходы средств на эксплуатацию энергетической установки, капитальные затраты на покупку основного оборудования установки. В статье приведены результаты расчёта скорости проектируемого судна, при превышении которой целесообразно перейти от одного гребного вала к двум валам.

Ключевые слова: повышенная скорость судов, практика выбора числа валов, критерии выбора винтов; пропульсивный коэффициент, капитальные и эксплуатационные затраты.

THE CHOICE OF THE NUMBER OF SCREW SHAFTS FOR MARINE VESSELS

WITH INCREASED SPEED

Gavrilov V., Doctor of Technical Sciences, professor of the Theory and design of ship's internal combustion engines chair, FSEIHE «Admiral

Makarov State University of Maritime and Inland Shipping» Belykh K., Engineer of the Marine internal combustion engines and diesel plants chair, FSEI HE «Saint-Petersburg State Marine Technical

University»

The analysis showed that the estimated speed of the ships is growing, despite the rise in prices for marine fuel. Therefore, the issue of selecting the number of screw shafts on these ships is becoming increasingly important. It is important to set the value of the design speed of the vessel in case of exceeding of which it is desirable in the design to change from one screw on the two screws. This will avoid a significant reduction in the efficiency of the propeller and thereby improve the efficiency of the propulsion system. In the practice of design as a criterion for determining the number of shafts used the specific load on the screw. The analysis showed the unsuitability of its use. Application of the criteria of an economic nature is hampered by absence of reliable forecasts of the price of marine fuel. The method of selecting the number of screw shafts when designing a propulsion system based on the use of complex criterion "Total cost ofpurchases of equipment and operation of the energy complex for the settlement period". While fully specified complex criterion can be used in case ofpresence of reasonable forecast fuel prices for the propulsion system. In the absence of reliable forecast should compare the designs efficiency of screw, of course, along with a comparison of various other indicators. The method takes into account the propulsive coefficient, the cost of funds for the operation of the propulsion system, the capital cost of acquisition of the main equipment installation. The article presents the results of calculating the design speed of the vessel, in case of exceeding of which makes sense to move from one to two screw shafts.

Keywords: high speed vessels, the practice of selecting the number of shafts, selection criteria of screws; the propulsive coefficient, capital and operating costs.

Введение

Основными тенденциями развития морского транспортного флота являются снижение стоимости перевозок и сокращение времени доставки груза [1]. Эти показатели существенно зависят от грузоподъёмности и скорости хода судна. Средний размер судов и скорость их хода в течение последних двух десятилетий значительно выросли. Новые суда способны развивать скорость до 25 - 30 узлов [2]. Тенденция повышения расчётной скорости движения чётко прослеживается, в частности, в отношении и контейнеровозов и ролкеров[3]. В настоящее время строятся суда четвертого поколения вместимостью 3 - 4 тысячи контейнеров и скоростью около 16 узлов, а также контейнеровозы с меньшей контейнеровместимостью, но со скоростью хода 35 - 40 узлов [4]. Современные контейнеровозы серии Emma Maersk дедвейтом 157 тысяч тонн способны развивать скорость хода до 26 узлов, серии Maersk Mc-Kinney Moller дедвейтом более 194 тысяч тонн -до 25 узлов [5]. Один из крупнейших в мире ролкеров MV Tonsberg, построенный фирмой Mitsubishi Heavy Industries дедвейтом 44 тысячи тонн могут двигаться со скоростью более 22 узлов [6]. В последние годы в ряде стран были построены серии крупнотоннажных быстроходных танкеров. К ним относятся танкеры типа Texaco Ghent дедвейтом 22500 т, со скоростью 19,5 узла, два танкера типа Agip Bari дедвейтом 47700 т, со скоростью 19 узлов, серия танкеров типа Mobil Comet дедвейтом 97400 т, развившие на испытаниях скорость более 18 узлов, танкеры типа Esso Pembrokshire и Esso Spain со скоростью хода на испытаниях также 18 узлов[7].

Очевидно, что рост тоннажа транспортных судов и скорости их хода объясняется стремлением судовладельцев получить максимальную прибыль за счёт, с одной стороны, увеличения массы перевозимого груза, с другой стороны, за счёт сокращения времени его доставки по назначению. Однако, увеличение скорости хода, как известно, требует весьма существенного увеличения мощности судовой главной энергетической установки (ГЭУ), соответственно, при этом значительно растут затраты на покупку топлива. Это заставляет принимать сниженную, экономически оправданную скорость хода [8].

Наряду с обоснованием размеров проектируемого судна и его скорости принципиально важным вопросом является выбор числа гребных валов. Зачастую суда, близкие по тоннажу и скорости, оснащают и одним валом, и двумя. Например, упомянутые выше контейнеровозы, построенные одной фирмой, оборудованы: суда типа MaerskMc-Kinney Moller - одним валом, а суда Emma Maersk - двумя. На наш взгляд, в настоящее время не вполне ясны принципы выбора числа гребных валов, которыми следует руководствоваться при про-

ектировании пропульсивного комплекса (ПК). Очевидно, что при значительной скорости судна необходимо учитывать разумный предел мощности, передаваемой через один гребной винт. Поэтому цель настоящего исследования состоит в формулировании общих принципов выбора числа гребных валов для морского транспортного судна повышенной скорости хода и разработке основных положений методики комплектования пропульсивного комплекса.

Методы и материалы

Анализ практики принятия решения о числе гребных валов для рассматриваемых судов [3], показывает, что при выборе числа валов учитывают следующие основные факторы: осадку судна (которая, в частности, определяется районом плавания), требуемые уровни надёжности главной энергетической установки (ГЭУ) и управляемости судна, приемлемые массогабаритные показатели ГЭУ, возможность исключения уклона валопровода (который иногда вводят для получения желательного «заглубления» гребного винта), возможность размещения грузового пути в районе машинного отделения (при наличии кормовой грузовой аппарели на ролкере), желательность минимальной длины машинного отделения, удобство размещения главных двигателей и наиболее полного использования внутреннего объёма корпуса судна под грузовые помещения, благоприятные условия для работы гребного винта (в частности, за счёт надлежащего выравнивания потока воды в диске винта) и др. При этом известные рекомендации, как правило, неконкретны и зачастую противоречивы.

Распространена точка зрения о том, что для транспортных судов оптимальной по экономичности является одновальная установка с винтом фиксированного шага (ВФШ). Такая установка отличается простотой и удобством обслуживания, позволяет получать высокий пропульсивный коэффициент (КПД гребного винта при его работе за корпусом судна), хорошие массовые и габаритные показатели. Считается, что наибольшая мощность, передаваемая на винт, работающий с частотой вращения100. . . 110 мин-1при достаточно высоком пропульсивном коэффициенте, составляет (3,0.. .3,5)104 кВт. При этом диаметр винта достигает 9 м[9]. Утверждается, что многовальную установку целесообразно использовать на судах большой грузоподъемности и скорости с мощностью установок от 5000 до 10000 кВт:когда необходимая мощность ГЭУ не может быть эффективно переработана одним винтом;когда осадка судна ограничивает диаметр винта; когда требуется обеспечить судну высокие маневренные качества, в частности, его управляемость на заднем ходу; при необходимости повышения живучести ГЭУ [9].

Как видим, перечисленные выше факторы весьма многочисленны, их влияние на принятие решения может быть неоднозначным и противоречивым. Из отмеченного многообразия учитываемых факторов следует соответствующее многообразие возможных критериев выбора числа валов. Поэтому в каждом конкретном случае, очевидно, следует использовать не один какой-либо критерий, а их систему. Однако, по нашему мнению, системный подход к решению обсуждаемого вопроса в настоящее время применяется недостаточно.

Тем не менее, в специальной литературе встречаются отдельные попытки предложить критерии обобщающего характера. Рассмотрим целесообразность выбора числа гребных винтов по допустимой удельной нагрузке гребного винта при расчётном режиме его работы [10,11]:

AN

р = е

уд

< R

nDi

уд.доп

где

^е - эффективная мощность главного двигателя, кВт;

- диаметр гребного винта, м; УД-Д°П - 260 кВт/м2 - допустимая удельная нагрузка на гребной винт (для «небуксирных» судов) [11]. Считается, что в случае превышения указанного расчётного значения удельной нагрузки может быть принято решение об увеличении числа винтов.

Прежде всего следует получить ответ на вопрос о приемлемости использования указанного критерия для современных морских транспортных судов повышенной расчётной скорости хода. Для решения этой задачи нами проанализированы параметры ПК судов, которые построены в мире в течение последнего десятилетия [3].

кВт/м'

1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100

p

10 /

/

9

V

ь

4 TV

Ь 11 —1

i L

\ 11

13 15

1 s

6 \ 16 "Л

2 14 0

3 <i\ to

V

V 1 'уд.доп Jfi

X кВт/м ^

*

14 16 18 20 22 24 26

о - одновальные суда Vs' х - двухвальные суда

Рис. 1. Удельная нагрузка на гребной винт современных морских транспортных судов повышенной скорости хода: 1 - танкер Barcelona Knutsen; 2- танкер Aramon; 3- танкер Glenda Meridith; 4 - контейнеровоз CAPINES; 5 - балкер Anangel Dawn; 6 -контейнеровоз LOG-IN Jacaranda; 7 - танкер SOYO; 8 - танкер Astir Lady; 9 - контейнеровоз APL Southampton; 10 - контейнеровоз CMA CGM Marco Polo; 11 - контейнеровоз Humburg Express; 12 - контейнеровоз MSC Altamira; 13 - ro-ro Ulusoy-14; 14 - танкер Astomos Earth; 15 - контейнеровоз CAP Aknauti; 16 - контейнеровоз Maersk Mc-Kinney Moller.

уд.доп

Чтобы оценить целесообразность использования критерия применительно к современным судам, ответим на вопрос, за-

висит ли принятая для рассматриваемых судов удельная нагрузка от расчётной скорости судна? Для этого данные о современных

судах представим в виде диаграммы (см. рис. 1), на которой в координатах «скорость судна - удельная нагрузка на винт» показаны точки, номера которых соответствуют номерам судов в подрисуночной надписи.

Рисунок наглядно показывает следующее. Во-первых, в большинстве современных судов удельная нагрузка на винт существенно пре-

Р Р

вышает упомянутую выше допустимую нагрузку УД-Д°П это означает, что в современных условиях значение УД-Д°П = 260 кВт/м2 не может быть использовано в качестве рекомендованного предела. Во-вторых, явно видна зависимость удельной нагрузки используемых винтов от расчётной скорости судна. В-третьих, значительный разброс точек на рисунке свидетельствует о нецелесообразности применения только одного рассматриваемого критерия при выборе числа гребных валов. Тем не менее, в предстоящих исследованиях следует

Р

убедиться в полезности оценки ^ для предварительного выбора параметров ПК.

Результаты

Выполненный анализ подтверждает высказанное в данной статье предположение о необходимости разработки и использования при проектировании ПК некоторого комплексного критерия выбора числа валов. Одним из важнейших критериев оценки вариантов комплектования ПК должен быть пропульсивный коэффициент, который характеризует качество решения исключительно с технической стороны. Однако вариант ПК, обеспечивающий высокий пропульсивный коэффициент, может быть невыгодным с экономической или какой-либо другой точки зрения, например, нерациональным по капитальным затратам на постройку судна. Поэтому, на наш взгляд, может оказаться полезным, критерий, объединяющий и пропульсивный коэффициент, и затраты на реализацию проекта судна. Таким критерием могут оказаться суммарные затраты на покупку оборудования и эксплуатацию пропульсивного комплекса в течение расчётного срока[4].

В случае использования указанного критерия в предварительном выборе комплектации ПК следует выделить основные составляющие суммарных затрат, которые существенно зависят от выбора самого дорогого элемента ГЭУ - главного двигателя (ГД), и опустить осталь-

згл зт

ные. Опыт показывает, что таких составляющих две: затраты на покупку главного двигателя ( д ) и затраты на топливо ( ). С учётом изложенных соображений применим рассматриваемый критерий в виде формулы

Зх=Згд+Зт=£х,*гд+24x10 6 х i д х /лет х txom х Цт х Вч

'гд

где '" - масса ГД, т; -к- удельная стоимость главного двигателя, тыс. ивБ/т;

- Р- число рабочих дней "в море" в течение года; 'лет

- расчетный срок в годах;

- х°Да - доля рабочего времени, соответствующая режиму хода судна (безразмерная величина); Дт

- цена топлива, ивБ/т;

Вч

- часовой расход топлива, кг/ч.

Существенная проблема в использовании формулы (2) состоит в том, что невозможно достаточно достоверно спрогнозировать цену

топлива ^1 на предстоящий период времени лет . Очевидная причина - весьма значительные колебания мировой цены на нефть, которые показаны на рис. 2 . На рисунке представлено изменение мировой цены(в долларах США за баррель)на нефть маркиВгегйпо годам.

Учитывая такой характер изменения цены, следует сделать вывод о том, что предложенный критерий предварительной, грубой оценки вариантов комплектации ПК.

USD/barrel

может быть применён лишь для

160 140 120 100 80 60 40 20 0

1

К ,

[1

Ш1 J f J ! F

A А/ •A

E3 [Eg / V

/ Г Iii

Рис. 2. Изменение мировой цены на нефть по годам

Рассмотрим возможность оценки проектируемого ПК по более строгому критерию - по часовому расходу топлива в ГЭУ. Часовой расход зависит от двух факторов. Первый фактор - мощность ГД, потребная для обеспечения заданной скорости судна. Эта мощность, в

п

свою очередь, зависит от пропульсивного коэффициента ', т. е. от того, насколько эффективна работа данного гребного винта за корпусом рассматриваемого судна. Второй фактор - удельный эффективный расход топлива в ГД на расчётном режиме его работы, при указанной потребной мощности. Очевидно, что числовые значения обоих факторов можно рассчитать достаточно точно. Поэтому при использовании любых комплексных критериев оценки проектируемого ПК целесообразно в обязательном порядке оценивать часовой расход топлива на расчётном режиме.

В качестве примера представим результат исследования изменения пропульсивного коэффициента в зависимости от расчётной скорости хода для одно- и двухвальной установок ролкера типа Сергей Киров.

Исследуемое судно дедвейтом 7000 т двухвальное, имеет спецификационную осадку 7,15 м, расчётную скорость хода 17 уз.

Исследование выполнено с применением нашей методики [12]. Расчётом определено, что при диаметре штатного гребного винта 4,0 м (56% от осадки судна), при частоте его вращения 170 мин1 пропульсивный коэффициент равен 0,66. Рассчитаны два варианта ПК с одно- и двухвальными ГЭУ. Соотношение диаметров вариантов гребного винта принято в соответствии с широко известными рекомендациями. Двухвальная установка рассмотрена при диаметре винта 4,28 м, одновальная - при диаметре 4,65 м. Полученная зависимость пропульсив-

п

ного коэффициента 1 от расчётной скорости судна представлена на рис. 3. Отметим, что для каждой расчётной точки графиков найден оптимальный по шаговому отношению гребной винт.

Л 0,70 0,69 0,68 0,67 0,66 0,65 0,64 0,63 0,62

9 11 13 15 17 19 21 V v, уз 1 вал -•- 2вала

Рис. 3. Зависимости пропульсивного коэффициента от расчётной скорости судна при одно- и двухвальной главной энергетической

установки

Из рисунка следует, что в рассматриваемом судне с точки зрения энергетической эффективности при расчетной скорости судна менее 16,4 уз целесообразно использование одновальной установки, а при более высокой скорости - двухвальной.

Обсуждение

При комплектовании ПК транспортного судна в зависимости от объёма и качества исходной информации могут быть использованы либо оба описанных выше подхода к выбору числа гребных валов (при наличии данных о ценах), либо один из них - анализ пропульсив-ных качеств вариантов судна.

Для предварительной, грубой оценки вариантов следует использовать первый подход. В этом случае можно воспользоваться хорошо отработанными до 2000 г. методиками технико-экономических расчётов, но при этом принять уровень цен на топливо, в четыре раза превышающем соответствующий уровень периода с 1990 по 2000 гг.

Более точные результаты и вполне строгое их объяснение позволяет получить анализ пропульсивных качеств вариантов судна. Так, из представленного выше примера расчёта следует, что при сниженных скоростях движения судна (менее 16,4 уз. ) одновальная установка

п

обладает более высоким 1 . Этому преимуществу способствуют два основных фактора: во-первых, диаметр винта одновальной установки на 9% больше, во-вторых, на этот винт, расположенный в диаметральной плоскости судна, благоприятно влияет его корпус, из-за интенсивного попутного потока воды в зоне работы винта. Кроме того, при сниженных скоростях имеет место умеренная удельная нагрузка на лопасти винта, что способствует некоторому улучшению его КПД.

п

В диапазоне повышенных скоростей результат противоположный: одновальная установка проигрывает по уровню 1. Это объясняется тем, что при одновальной установке винт обеспечивает эффективную тягу, в два раза превышающую тягу, приходящуюся на каждый винт двухвальной установки. Примерно такое же соотношение (если при грубой оценке не учитывать разницу в коэффициенте влияния корпуса) имеет место для упоров винтов. Таким образом, при одновальной установке винт нагружен больше. Удельная нагрузка этого винта особенно высока на больших скоростях движения судна, винт работает при сниженной относительной поступи. Поэтому при одно-вальной установке эффективность ПК ниже. Итак, выполненный анализ свидетельствует о том, что при повышении расчётной скорости проектируемого судна целесообразен переход от одновальной энергетической установкик двухвальной.

Выводы

При комплектовании пропульсивного комплекса морского транспортного судна, в частности, при выборе числа гребных валов могут быть использованы разнообразные критерии оценки принимаемого решения. В практике проектирования в качестве критерия выбора числа валов используется удельная нагрузка на винт. Анализ показал, что указанный критерий носит частный характер, не отражает зависимости допустимого его значения от расчётной скорости судна, а рекомендованные исследователями его значения устарели.

Целесообразно использовать совокупность критериев, включающую в себя пропульсивный коэффициент рассматриваемых вариантов судна и суммарные затраты на покупку оборудования и эксплуатацию пропульсивного комплекса в течение расчётного срока.

В полном объёме указанная совокупность критериев может быть использована при наличии обоснованного прогноза цен на топливо для главной энергетической установки. При отсутствии надёжного прогноза следует сравнивать варианты проектов судна по пропульсивному коэффициенту, разумеется, наряду со сравнением по всевозможным другим признакам.

Анализ показал, что, несмотря на наблюдающийся в последние два десятилетия рост цен на судовое топливо, тенденция роста скорости морских транспортных судов сохраняется. В виду этих обстоятельств вопрос выбора числа гребных валов для этих судов становится всё более актуальным. Для каждого проектируемого судна может быть установлен предел скорости его движения, при превышении которого становится целесообразным переход от одновинтового судна в двухвинтовому. В случае одновинтового судна превышение некоторого предела его скорости вызывает снижение эффективности работы гребного винта из-за чрезмерного снижения его относительной поступи.

Предложенная нами методика выбора числа гребных валов при проектировании пропульсивного комплекса, основанная на использовании комплексного критерия «суммарные затраты на покупку оборудования и эксплуатацию пропульсивного комплекса в течение расчётного срока» включает в себя:

- учёт пропульсивного коэффициента, определяющего эффективность гребного винта за корпусом;

- расходы средств на эксплуатацию энергетической установки (затраты на покупку топлива);

- капитальные затраты на постройку судна, в частности, затраты на покупку основного оборудования установки.

Литература:

1. Основные тенденции в развитии морского транспорта. [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://poznayka. org/s80643t1. html (дата обращения: 21. 11. 2017) - 16 p

2. Развитие мирового судоходства. [Электронный ресурс]. - режим доступа: http://maritime-zone. com/articles/razvitie%20mirovogo%20 sudohodstva/ (дата обращения: 21. 11. 2017) - 7 p

3. Samantha Fisk, Nick Savvides, Sandy Defraine. Significant Ships: A publication of The Royal Institution of Naval Architects. : London, UK, 2009 - 2013 гг

4. Перевозка грузов укрупненными грузовыми местами. [Электронный ресурс]. -http://do. gendocs. ru/docs/index-9144. html (дата обращения: 22. 11. 2017) - 36 p

5. М. Спасская. Гиганты международных контейнерных перевозок. [Электронный ресурс]. - http://ventalife. ru/2014/10/giganty-mezhdunarodnyx-kontejnernyx-perevozok/ (дата обращения: 20. 11. 2017) - 6 p

6. MV Tшnsberg Roll-On / Roll-Off Vessel. [Электронный ресурс]. - http://www. ship-technology. com/projects/mv-tonsberg-roro-vessel/ (дата обращения: 23. 11. 2017) - 4 p

7. Скорость хода [Электронный ресурс]. - http://baltsudoservice. com/tankers/skorost-hoda. html (дата обращения: 22. 11. 2017) - 3 p

8. Соловьёв С. П. Влияние скорости хода транспортного судна на его экономическую эффективность / С. П. Соловьёв // Вологодские чтения: сб. трудов конф. - Владивосток: Дальневосточный федеральный университет, 2007. - С. 99 - 100.

9. Обоснование выбора типа СЭУ. [Электронный ресурс]. - https://lektsii. org/8-32701. html(дата обращения: 23. 11. 2017)- 10 p

10. Обоснование типа судовой энергетической установки / А. Г. Даниловский, Д. А. Андронов, М. А. Орлов, И. А. Боровикова. - СПб. : СПбГУВК, 2009. - 149с.

11. Проектирование судов внутреннего плавания / Н. К. Дормидонтов, В. Н. Анфимов, П. А. Малый и др. - Л. : Судостроение, 1974. - 335 с.

12. Ачкинадзе А. Ш. Автоматизированное проектирование пропульсивного комплекса морского транспортного судна: учеб. пособие / А. Ш. Ачкинадзе, В. В. Гаврилов, И. Э. Степанов // СПб. : Изд. центр СПбГМТУ, 2000. - 75 с.