Разработка методики проектирования скоростных многокорпусных судов, сочетающих статическое и динамическое поддержание

В1. Объект и цели исследования" научная новизна и практическая ценность V Объектом исследования является совокупность скоростных пассажирских и пассажирско-автомобильных паромов, взаимосвязь их общепроектных, эксплуатационно-экономических, гидродинамических, компоновочных, конструктивно-прочностных и технологических характеристик, методики их анализа и сопоставления. Целью исследования является разработка методики анализа и обоснования проектных характеристик скоростных пассажирских и пассажирскоавтомобильных катамаранов с акцентом на оптимизацию гидродинамических параметров и тех общепроектных характеристик, с которыми они наиболее тесно связаны. К важным задачам исследования относятся: обзорно-статистический анализ проектных, построечных и методических работ по катамаранам, отбор рациональных целевых функций, выделение и ранжирование подсистем в проектной, построечной и эксплуатационной логико — математических моделях. В исследовании реализованы также способы и методы решения локальных проектных задач: построение теоретического чертежа, обоснование соотношений главных размерений и коэффициентов формы корпуса, решение архитектурно — компоновочных задач. Основными новыми научными результатами диссертационного исследования являются: формулирование методики, обеспечивающей для катамаранов нахождение гармоничного сочетания общепроектных, гидродинамических и конструктивных решений при условии достижения наибольшей экономичности в процессе эксплуатацииобоснование выгодных параметров других типов судов, сочетающих статическое и динамическое поддержаниеобоснование рационального типа, проектирование, постройка пассажирского катамарана для конкретных линий Черноморского и Балтийского бассейновпроектирование высокоскоростного катамарана с продольными и поперечными реданами, построенного в качестве ?1^ буксировщика экспериментальных моделейразработка опорных вариантов для формирования сетки типоразмеров паромов — катамарановформулирование способа комплексного обоснования рациональной длины катамаранов, получение данных о взаимовлиянии корпусов многокорпусных судов в переходном режиме и при глиссировании и формулирование ^ рекомендаций для выбора горизонтального клиренса для переходного и, глиссирующего режимовобеспечение рациональной компоновки пассажирских помещений на основе учёта требований комфортабельности, соответствующих конкретным уровням мореходностиприменение модульного подхода при создании пассажирских салонов с возможностью модификаций и с обеспечением виброи звукоизоляциисоздание на основе экспериментального поиска, отработки рациональной формы обводов и соотношений размерений катамаранов комплекта теоретических чертежей, обеспечивающих благоприятную ходкость и достижение высокой скорости при минимально возможных в конкретном скоростном диапазоне энергетических затратах- '"* обеспечение выбора рациональных проектных характеристик пропульсивного комплекса катамаранов с гребными винтами путём использованием оригинального метода расчёта располагаемых упоров для ^ уточнённого определения достижимой скорости на ранних стадиях проектного обоснованияформулирование для проектируемых катамаранов условий снижения инерционных нагрузок и линейных ускорений за счёт выбора параметров обводов и стабилизирующих устройств.^Гк J) и Практическая значимость диссертационного исследования состоит в проектном обеспечении постройки на основе разработанных методик реальных судов-катамаранов, в создании ряда перспективных проектных предложений, а также в применении полученных методов и способов в практике работы, А конструкторских организаций. На основе методов, разработанных в диссертационном исследовании, V спроектированы и построены морской скоростной пассажирский катамаран и катамаран — буксировщик. В2. Обоснование актуальности Среди скоростных пассажирских и пассажирско-автомобильных паромов почти половину составляют катамараны. Реально это означает около тысячи судов, эксплуатируемых, главным образом, на линиях Европы, Юго-Восточной Азии и Австралии. С учётом внутренних линий катамараны используются и российскими судовладельцами, некоторый опыт применения катамаранов имеется на Черном море. По своему научно — инженерному потенциалу Россия •^ могла бы занять и более значительное место в проектировании, постройке и экспорте скоростных пассажирских катамаранов. Интенсивное практическое развитие этой группы судов недостаточно подкреплено теоретическими обоснованиями проектных характеристик, хотя специалисты-кораблестроители J) Санкт-Петербурга и Е[ижнего Новгорода в прошлые годы успешно вели как А) исследования, так и практические разработки в этой области. Зарубежных проектно-исследовательских работ и публикаций немного, преобладают конкретные полурекламные описания новых проектов. Как можно судить по этим описаниям, выбор габаритных характеристик катамаранов часто подчиняется задачам компоновки, что может приводить к неоптимальным ^ показателям ходкости и качки. Особенно важным вопросом является обоснование рациональной длины, которая наиболее сильно влияет на самые важные показатели качеств и эффективность катамаранов. Во многих случаях в проектах катамаранов слишком развиваются боковые поверхности, что вполне S j коррелируется с благоприятной остойчивостью катамаранов, но может вызвать трудности с управляемостью. Дискуссионным является вопрос о рациональном типе движителя, поскольку в характерном для катамаранов диапазоне скоростей конкурентоспособны обычные, суперкавитирующие и частичнопогруженные гребные винты, а также водомёты. Требует оптимизации вопрос о выборе режима движения и, соответственно, о рациональном сочетании статических и динамических подъёмных сил, то есть либо о сохранении стабильного переходного режима, либо о применении глиссирования. По упомянутым вопросам некоторый практический опыт накоплен фирмами >^ Австралии, Японии, Южной Кореи, России, Норвегии, Германии, Италии,. США, Англии. Сопоставление практических решений и расчётных методик специалистов перечисленных стран имеет важное методологическое значение. Таким образом, разработка методики проектирования катамаранов в качестве характерных представителей судов, сочетающих статические и динамические силы поддержания, является весьма актуальной. — С «^ ВЗ. Публикации, апробация, внедрение По теме диссертационнного исследования имеется 28 публикаций в журналах Судостроение и Морской Вестник, в Трудах Ленинградского и Николаевского кораблестроительных институтов, в Трудах Ленинградского f института водного транспорта, а также в сборниках докладов Международных о конференций по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех» и в сборниках НТО им. акад. А. Н. Крылова, а также имеется 20 патентов на изобретения. По основным разделам диссертационного исследования делались доклады на научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного «^ морского технического университета и Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в период с 1979 по 2003 годы, а также на международных конференциях по морским интеллектуальным технологиям 1997, 1999 и 2001 годов, на научно — технических семинарах и в НТО кораблестроителей им. акад А. Н. Крылова, Проектные предложения по разработанному на основе методики типоразмерному ряду скоростных многокорпусных судов были представлены на международных научнотехнических выставках и семинарах в Санкт — Петербурге, Лондоне, Брюсселе, •'^ Гамбурге, Осло, Пирее (Греция), Котке (Финляндия), Лиме (Перу) с 1993 по 1999 годы. На основе методов, разработанных в диссертационном исследовании, спроектированы и построены морской скоростной пассажирский катамаран типа «Сокол» для линий Туапсинского порта на Черном море, в настоящее ,^ время переведенный для работы на линии Котка (Финляндия) — Выборг J Санкт-Петербург, катамаран — буксировщик для Нижегородского филиала ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. Подготовлен также ряд перспективных проектных предложений. Разработанные методики использованы в практике работы Нижегородского филиала ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, Средне Невского завода, Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций и Санкт-Петербургского государственного морского г технического университета. В4. Общая постановка задачи диссертационного исследования Диссертационное исследование направлено на разработку методики О анализа и обоснования проектных характеристик скоростных пассажирских и q пассажирско-автомобильных катамаранов с акцентом на оптимизацию гидродинамических параметров и наиболее тесно связанных с ними общепроектных характеристик. Результаты разработки и практического внедрения методики анализа и обоснования проектных характеристик скоростных катамаранов смогут принести большую практическую пользу при разработке проектной документации в конструкторских бюро. Для обоснования методики выполнены проектные и экспериментальные исследования, позволяющие сформулировать принципы проектного анализа на начальных этапах создания пассажирских и пассажирско-автомобильных катамаранов, а также методы детальной разработки формы обводов, параметров теоретического чертежа, характеристик компоновки, ходкости, энергетики, остойчивости, качки, экономичности и других характеристик, обосновываемых на практических этапах создания ^ проектной документации. Непосредственная постановка задачи диссертационного исследования заключается в том, чтобы на основе сложившихся в теории проектирования судов оптимизационных подходов (с учётом принципов доминантности) разработать конкретную методику обоснования проектных характеристик ^ скоростных пассажирских катамаранов. Апробация методики проводилась параллельно с её разработкой в ходе выполнения проектных и построечных работ для конкретных заказчиков. В математическом плане в диссертационном исследовании дана общая формулировка оптимизационной задачи в рамках математического программирования и совокупность проектировочных формул и логико-математических процедур, позволяющих наполнить оптимизационную задачу практическим содержанием. Математическая постановка отдельных блоков оптимизации дается в соответствующих разделах.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Особенности оптимизации проектных характеристик скоростных пассажирских судов / Труды ЛКИ: Проектирование морских судов и плавучих технических средств. 1987, с. 106−110.

2. Корректировка коэффициентов полноты корпуса остроскулого судна при проектных вариациях его главных размерений / Труды ЛКИ: Проектирование морских судов, 1988, с. 82−85.

3. Схема проектного обоснования рациональной ширины и центровки глиссирующих судов / Труды ЛКИ: Перспективные направления в проектировании судов, 1983, с. 79−83.

4. Ходовые качества малого судна. Сопротивление движению малого судна / В кн.: Справочник по малотоннажному судостроению. Л., Судостроение, 1987, с. 73−119.

5. Выделение области оптимальных значений главных размерений при проектировании глиссирующих судов / Труды ЛКИ: Оптимизация проектируемых судов, 1985, с. 82−86 (В соавт. с Разумовым С.В.).

6. Учёт перегрузок по ускорениям в структуре критерия мореходности при проектировании скоростных судов / Труды ЛКИ: Актуальные вопросы проектирования судов, 1986, с. 79−82 (В соавт. с Разумовым С.В.).

7. Сопоставление эффективности проектных вариантов скоростных пассажирских судов. Судостроение, № 12, 1985, с. 3−4 (В соавт. с Голубом И.С.).

8. Экспериментальное исследование гидродинамики скоростных катамаранов // Тезисы докладов Третьей научно-технической конференции «Алферьев-ские чтения», Нижний Новгород, изд. ГИИВТ-а, 1990, с. 77 — 79.

9. Экспериментальное исследование буксировочное сопротивления плавучих объектов с плохообтекаемыми обводами // Труды ЛКИ: Средства и методы повышения мореходных качеств судов, 1989, с. 44 — 47 (В соавт. с Весело-вой Л.Г.).

10. Отработка форм обводов корпуса и пропульсивного комплекса грузового теплохода для Волжского бассейна // Тезисы докладов Третьей научно-технической конференции «Алферьевские чтения», Нижний Новгород, изд. ГИИВТ-а, 1990, с. 47 — 48 (в соавт. с Сахновским Б. М., Белкиным А. Б., Васильевым А. Е., Мишкевичем В.Г.).

11. Оптимизационные аспекты перспективного проектирования судов / Труды Никол. Кораблестр. Инст.: Проектирование и конструкции судов, 1984, с. 43−48 (В соавт. с Царевым Б. А., Игольниковым А.И.).

12. Концептуальная модель судов с доминированием требований к скорости и мореходности / Сб. докладов конфер. «Моринтех — 97», СПб, ТОО — Мо-ринтех, с. 211−213 (В соавт. с Ермилкиным А.П.).

13. Опыт проектирования, постройки и испытаний пассажирского катамарана «Капитан Корсак» / Сб. тезисов регион, конфер. 1997 г., СПб, СПбГМТУ, 1998, с. 67 (В соавт. с Ермилкиным А.П.).

14. Особенности гидродинамики и основных конструктивных решений судов на гидролыжах / Труды ЛЕСИ: Обоснование характеристик проектируемых судов, 1984, с. 148−151.

15. Некоторые результаты исследования ходкости и мореходности глиссирующих катамаранов / В сб. Материалы по обмену опытом НТО им. Акад. Крылова, Вып. 300, JL, Судостроение, 1979, с.107−115 (В соавт. с Городецким А.З.).

16. О ходкости и мореходности глиссирующих катамаранов и однокорпусных судов / Труды ЛИВТ, 1982, вып. 175, с. 39−42 (В соавт. с Городецким А.З.).

17. Экспериментальное исследование ходкости скоростного двухкорпусного судна / Сб. НТО им. Акад. А. Н. Крылова, вып. 441, с. 42−47 (В соавт. С Чу-пайло В.Л.).

18. Проектные особенности скоростных катамаранов / Тезисы докл. Конфер. «Моринтех — 99», Спб. НИЦ-Моринтех, с. 53−54 (В соавт. с Даняевым А. А, Ермилкиным А. П, Трубниковым В.Г.).

19. Гидродинамическая доминантность в логико-математических моделях проектирования скоростных судов. / Сборник тезисов докладов конференции Моринтех-2001, СПб, НИЦ «Моринтех», 2001, с.21−22.

20. Доминантные модели оптимизационного сопоставления быстроходных судов по энергосберегаемости и навигационной безопасности / Сборник докладов конференции ОПТИМ — 2001, СПб, ЦНИИ ТС, 2001 г., с.249−253 (в соавт. с Борисовой Е. В., Любимовым Е. В., Селезнёвым А. А., Царевым Б.А.).

21. Влияние длины морских пассажирских катамаранов на структуру нагрузки, мореходные качества и эффективность. / Сборник докладов конференции «Кораблестроение и океанотехника», Владивосток, ДВГТУ, 2001.(в соавт. с Царевым Б.А.).

22. Проектные аспекты гидродинамического совершенствования скоростных судов. / Морской вестник, 2002, № 1, стр.49−56 (в соавт. с Царевым Б.А.).

23. Каким быть парому Санкт-Петербург — Хельсинки? // Судостроение, 2002, № 3, с. 11 — 16 (в соавт. С Дубровским В.А.).

24. Новые подходы к концепции гидродинамического проектирования надводных кораблей. / Сборник докладов конференции «Моринтех-2003», СПб, НИЦ «Моринтех», 2003, стр. 263 — 269 (В соавт. с Дубровским В. А. и Половинкиным В.Н.).

25. Sokolov V.P., Dubrovsky V.A. Future Surface Ships and Boats/ Military Parade, 2004, № 5, September-November, p.p. 28−29- № 6, November-December, p.p. 25−26.

26. Sokolov V.P., Sutulo S.V. Study of the Seakeeping of a Fast Displacement Catamaran Equipped With Above-Water Bow Antipitching Fins / Transactions CRF'96 Conference, June 1996, St. Petersburg State Marine Technical University, vol.2, p. 487−514.

27. Sokolov V.P. Sokol Family — new patrol boats for new century / ARMS. Russian Defens Technologies. 6 (7). 2001. p.p. 26, 27.

28. Sokolov V.P. Family of Fast Displacement-type Craft / Military Parade, 1999, November-December, p.p. 24−26.

Заключение

.

Общее направление исследований и разработок, выполняемых по изложенным направлениям является перспективным, поскольку даёт возможность развивать быстроходный, мореходный и экономичный тип пассажирских и автомобильно — пассажирских паромов. Параллельно на основе разработанных материалов могут быть созданы как эффективные катамараны, так и суда с аутригерами и однокорпусные объекты спортивного, патрульного, экологического, таможенного, лоцманского и спасательного назначений.

На основе представленной методики или её элементов разработаны следующие проекты скоростных судов:

• скоростное судно-катамаран повышенной мореходности проекта 23 107 «Сокол» для пассажирских перевозок со скоростью 30 узлов на волнении до 4 баллов включительно, водоизмещением 100 т на 150 мест. Построено головное судно. В течение 1995 — 2004 годов судно успешно эксплуатировалось в порту Туапсе на Чёрном море для пассажирских и круизных перевозок. В настоящее время судно переведено на Балтику для работы на линии Котка (Финляндия) — Выборг — Санкт-Петербург. Выполнены научная разработка, эскизный технический и рабочий проекты.

• скоростное автомобильно-пассажирское судно проекта 23 305 «Виктория-S», предусматривающее перевозку на скорости 32 узлов и 500 пассажиров в креслах авиационного типа и 40 легковых автомашин. Выполнен технический проект.

• скоростное автомобильно-пассажирское судно проекта 23 306 «Виктория-С», предусматривающее перевозку на скорости 32 узлов 270 пассажиров в каютах и 40 легковых автомашин. Выполнено техническое предложение.

• скоростной катер-катамаран повышенной мореходности проекта 23 111 «Тритон» водоизмещением 20 т на 60 человек с туристско-экскурсионной и грузовой модификациями (проекты 23 112, 23 113). Выполнена стадия технического предложения;

• скоростной патрульный катер-катамаран повышенной мореходности «Персей» по заказу Ярославского судостроительного завода для министерства рыболовства Греции со скоростью 25 (20) узлов. Выполнено техническое предложение;

• скоростной катер-катамаран повышенной мореходности «Макрель» для перевозки 40 пассажиров или 3,5 тонн груза со скоростью 25 (20) узлов. Выполнена стадия технического предложения;

• скоростной глиссирующий катер повышенной мореходности «Кайман» водоизмещением 40 тонн для перевозки пассажиров или выполнения функций лоцманского, пожарного, легководолазного, спасательного со скоростью 45 (40) узлов. Выполнено техническое предложение;

• мореходная лодка Анаконда повышенной экономичности и мореходности грузоподъёмностью 3,0 тонны для работы в прибойной океанской зоне. Выполнена стадия технического предложения.

Разработан ряд новых конструктивных решений для судов различного назначения, за 15 лет автором получено 20 авторских свидетельств и патентов.

В процессе диссертационного исследования решён ряд конкретных проектных задач и показаны наиболее важные направления оптимизационного проектирования пассажирских и пассажирско-автомобильных катамаранов и близких к ним других типов скоростных судов.

Получены конкретные данные взаимовлияния корпусов многокорпусни-ков, в том числе при глиссировании, и рекомендации для определения оптимального горизонтального клиренса.

На основе изучения вихре — волнового взаимодействия выявлены обводы г наивысшего гидродинамического качества.

Найден способ гармоничного сочетания общепроектных, гидродинамических и конструктивных решений.

Получены данные для оценки изменения посадки и сопротивления скоростного судна на мелководьи.

Разработана программа для поиска оптимальных режимов бескавитацион-ной работы гребных винтов до скоростей 35 — 40 узлов с обеспечением максимально достижимых КПД при оптимальных передаточных отношениях редукторов.

Создана серия оптимальных по ходкости теоретических чертежей СК 1 -г СК 11, и на основе их характеристик в процессе проектирования применён учёт сопротивления с повышенной точностью.

Спроектирован и построен катамаран — буксировщик с продольными и поперечными реданами.

Решены задачи уменьшения вертикальных линейных ускорений за счёт выбора рациональных размерений, модификации обводов и применения стабилизирующих устройств.

Применён модульный подход при создании пассажирских салонов с возможностью модификаций и с обеспечением вибро — и звукоизоляции.

Наиболее важными новыми результатами, полученными соискателем, являются следующие:

1. Формулирование методики, обеспечивающей для катамаранов гармоничное сочетание общепроектных, гидродинамических и конструктивных решений при выполнении требований экономичной эксплуатации;

2. Обоснование рационального типа пассажирского катамарана для конкретных линий Черноморско-Азовского и Балтийского бассейнов;

3. Проектирование катамарана с продольными и поперечными реданами, построенного в качестве буксировщика экспериментальных моделей;

4. Обоснование выгодных параметров других судов, сочетающих статическое и динамическое поддержание, — мореходных глиссеров и судов на гидролыжах;

5. Обеспечение компоновочной рациональности пассажирских помещений на основе учёта реальных требований комфортабельности, соответствующих конкретным уровням мореходности;

6. Применение модульного подхода при создании пассажирских салонов с возможностью модификаций и с обеспечением виброи звукоизоляции;

7. Формирование опорных вариантов для сетки типоразмеров скоростных пассажирских и пассажирско-автомобильных паромов-катамаранов и судов с аутригерами;

8. Создание на основе экспериментального поиска и отработки рациональной формы обводов и соотношений размерений катамаранов ряда теоретических чертежей, обеспечивающих благоприятную ходкость и достижение высокой скорости при минимально возможных в конкретном скоростном диапазоне энергетических затратах;

9. Обеспечение выбора проектных характеристик пропульсивного комплекса катамаранов с гребными винтами, обеспечивающими бескавитационную работу до 35 узлов и максимальный КПД за счёт выбора рационального передаточного отношения редукторов;

10. Формулирование для проектируемых катамаранов условий снижения инерционных нагрузок и линейных ускорений за счёт выбора параметров обводов и стабилизирующих устройств.

11. Формулирование метода оценки взаимовлияния корпусов многокорпусни-ков, в том числе при глиссировании, и способа определения оптимального горизонтального клиренса;

12. Разработка проектной методики оценки изменения посадки и сопротивления скоростных судов на мелководье.

Применение перечисленных подходов позволяет создавать проекты экономичных, быстроходных и мореходных судов различных гидродинамических компоновок с параметрами, оптимальными для конкретного функционального назначения. В то же время, проектная оптимизация и исследование рассмотренных вопросов должны быть продолжены в направлении поиска ещё более эффективных решений.