3 Определение грузоподъемности, вместимости и мощности СЭУ

3.1 Вместимость

Вместимость судна определяется с помощью эпюры вместимости. Для построения ее необходимо рассчитать площади теоретических шпангоутов от основной линии до верхней палубы(см. таблицу1).

Поскольку в курсовой работе предусматривается наличие бака, то необходимо рассчитать площади шпангоутов в надстройке. Также для построения эпюры вместимости необходимо рассчитать площади в двойном дне и диптанке №1, а также площади комингсов. Расчет этих площадей осуществляется с помощью правила трапеции.

Расчет площади шпангоутов в двойном дне производим, учитывая, что высота двойного дна hдд = 1м.

уопi +уддi

Sддi = --------* hдд ,

2

где Sддi - площадь i-того шпангоута в двойном дне, м2;

уопi - соответствующая координата на основной плоскости (ОП) на i-том шпангоуте;

уддi - соответствующая координата на двойном дне на i-том шпангоуте.

Данный расчет приводим в таблице 2.

Таблица3

Расчет площадей шпангоутов на баке осуществляем, исходя из высоты бака hб = 2,4м.

Увпi +убi

Sбi = --------* hб ,

2

где Sбi - площадь i-того шпангоута на баке, м2;

уопi - соответствующая координата на верхней палубе (ВП) на i-том шпангоуте;

уддi - соответствующая координата на баке на i-том шпангоуте.

Расчет площадей шпангоутов на баке приведен в таблице 4.

Таблица 4

В трюме №1 предусмотрен диптанк, поэтому необходимо рассчитать площади шпангоутов в этом диптанке, учитывая, что hдт = 3,5м.

уопi +удтi

Sдтi = --------* hдт ,

2

где Sдтi - площадь i-того шпангоута в диптанке, м2;

уопi - соответствующая координата на основной плоскости (ОП) на i-том шпангоуте;

удтi - соответствующая координата на диптанке на i-том шпангоуте.

Данный расчет приводим в таблице 4.

Таблица 4

Для расчета площади комингсов задаем высоту комингса hл = 2,0м и определяем ширину:

bл = 0,75*B = 0.75*14 = 10.5м,

где bл - ширина люка, м;

B - ширина судна, м.

В этом случае площадь определим так:

Sл = bл * hл = 10,5*2 = 21 м2.

Эпюра вместимости представлена в приложении2.

Площадь эпюры вместимости между основной линией и верхней палубой представляет собой теоретический объем корпуса судна до верхней палубы. Площади между основной линией и кривой двойного дна представляют собой теоретический объем двойного дна. Площади эпюры вместимости, которые заключены между трюмными переборками, линией двойного дна и линиями люковых закрытий представляют собой теоретические объемы трюмов.

Для получения расчетной вместимости для насыпных и генеральных грузов необходимо уменьшить теоретический объем, отнять от него объем набора, настила из дерева и объемы, которые нельзя заполнить в первом случае сыпучими грузами, а во втором - штучным грузом.

Для генерального груза разница составляет приблизительно 12% от теоретического объема трюмов, а для насыпных грузов около 3% от теоретического объема. Разница для цистерн двойного дна - 3%, для форпика и ахтерпика - 4%, для диптанков - 1,5%.

Результаты расчетов по эпюре вместимости сведены в таблицу5 (для грузовых помещений) и в таблицу6 (для балластных танков)

Таблица 5

Таблица 6

3.2 Грузоподъемность

Чистая грузоподъемность судна Ргр определяется по полезным объемам всех грузовых помещений, поделив их на суммарный объем на заданный удельный погрузочный объем.

У Wтр*5259,32

Ргр = ---------------- = 2842,88 т,

q 1.85

где Ргр - чистая грузоподъемность судна, т;

У Wтр - суммарная киповая вместимость трюмов судна, м3;

q - удельный погрузочный объем, м3/т (задан равным 1.85 м3/т).

Дедвейт определяем поформуле:

DW = s*Ргр , т,

где s - коэффициент, значение которого приблизительно определяется по формуле:

2.5*10-6*R*Vs2 2.5*10-6*5050*15.82

s =1.02 + ------------ = 1.02 + ---------------- = 1.079

Ргр0.5 2842.880.5

где R - дальность плавания ( R = 5050 м.миль);

Vs - эксплуатационная скорость (Vs = 15,8 узлов).

Данный коэффициент должен составлять не менее 1,15, поэтому для расчета принимаем s = 1,15. Тогда определим дедвейт:

DW = 1,15*2842,88 = 3269,312 т

3.3 Водоизмещение и расчетная осадка

Водоизмещение судна Д определяется суммированием веса порожнего судна и дедвейта:

Д = LW + DW,

где LW - вес порожнего судна, определяемый по формуле:

LW = (0,176-0,0003*L)*L*B*D = (0,176-0,0003*98)*98*14*6,67 = 1341,57 т ,

где L - длина судна, м;

В - ширина судна, м;

D - высота борта, м.

Тогда определяем водоизмещение:

Д = 1341,57+3269,312 = 4610,882 т

Соответствующее значение осадки можно определить из уравнения плавучести в виде:

Д = г*сb*L*B*d,

где сb - коэффициент общей полноты, сb = 0,7

г - удельный вес морской воды, г = 1,025 т/м3.

3.4 Грузовой размер

Грузовой размер упрощенно может быть представлен в виде прямой линии, которая проводится через точку А, отстоящую от оси на высоте 0,12d, и точку В.Данный график представлен на рисунке1.

d,м

В

d

dконт

А

0 Дконт Д Д, т

рис.1

3.5 Мощность СЭУ и запас топлива

Мощность гребной установки

Мощность гребной установки определяется по формуле:

Nбукс

Ne = ----, кВт

зп

где Ne - мощность гребной установки, кВт;

Nбукс - буксировочная мощность (с учетом выступающих частей), кВт;

зп - пропульсивный коэффициент.

Буксировочная мощность

Буксировочная мощность определяется для эксплуатационной скорости Vэ так:

Nбукс = о* -- * Vэ2*Щ* -- *0,736, кВт

где с - массовая плотность морской воды (с = 104,5 кг*с2/м4);

Vэ = 15.8*0.514 = 8.12 м/с - эксплуатационная скорость судна в м/с;

Щ - смоченная поверхность, м2;

о - коэффициент полного сопротивления, который определяется по формуле:

о = оr + оf + оn + оa,

оf - коэффициент сопротивления трения, который определяется по графику согласно заданной скорости Vs = 15.8 узлов. оf = 1,62*10-3 = 0,00162;

оr - коэффициент остаточного сопротивления, определяемый по графикам работы Guldhmmer H.E. и Harvald S.V., на которых оr дан в виде функции коэффициента продольной полноты ср, числа Фруда Fr, а также отношения Lпп/3v?.

сb 0.7

ср = ---- = ---- = 0.71,

сm 0.985

где сm = 0,985 - коэффициент полноты мидель-шпангоута,

Vэ 8.12

Fr = -------- = -------- 0.262,

vgL v9.8*98

Тогда согласно графику оr = 1,8*10-3 = 0,0018.

Значение надбавки на шероховатость определяется по таблице 8:

Таблица 8

Таким образом, оn = 0,4*10-3 = 0,0004,

Надбавка на выступающие части оa принимается равной оa = 0,45*10-3 = 0,00045.

Тогда получим:

о = 0,0004+0,0018+0,00045+0,00162 = 0,00427;

Смоченная поверхность для судов с коэффициентом полноты сb > 0,65 определяется по формуле В.А. Семеки:

Щ = L*d*[ 2.0+1.37*( сb -0.274)*B/d] , м2

Щ = 98*4.684*[2.0+1.37*(0.7-0.274)*14/4.684]=1718.79 м2;

Пропульсивный коэффициент

Значение пропульсивного коэффициента может быть определено по формуле:

зп = з0 *зр* зk* зв ,

где з0 - практически достижимое значение ККД гребного винта на свободной воде для одновинтового судна, з0 = 0,98 - 0,55* сb = 0,595;

зв - значение КПД гребного вала при кормовом расположении машинного отделения, зв = 0,99;

зр - КПД редуктора, зр = 0,98;

зк - коэффициент влияния корпуса одновинтового судна, определяется по формуле:

1 - t 1 - 0.18

зк = -------- = -------- = 1.17

1 - w 1 - 0.3

причем w - коэффициент попутного потока, w = 0,5* сb - 0,05 = 0,3 - для винта, расположенного в диаметральной плоскости;

t -коэффициент засасывания для расчетного режима работы для гребного винта в диаметральной плоскости, t = 0.6*w = 0.18.

Таким образом, получим:

зп = 0,595*0,98*0,99*1,17 = 0,675.

Исходя из полученных данных, определим мощность гребной установки:

2014,752

Ne = -------- = 2984,818 кВт.

0,675

Запас топлива

Вес топлива и смазки Рт определяется по формуле:

N*R 2.9848*5050

Рт = ( 1+ж )*qт*0,85*-------- = ---------------- =165,424 т,

(Vs*103) 15,8*1000

где qт - удельный расход топлива и смазки на все нужды на ходу, который принимается равным 170 кг/(МВт*ч) для МОД;

ж - коэффициент резерва, который учитывает работу вспомогательных механизмов в портах, а также задержки в рейсе вследствие погодных и навигационных обстоятельств, принимается равным 0,2;

N - суммарная максимальная продольная мощность главных двигателей, МВт.

Экипаж, вода и провиант

Значение веса экипажа Рэ с запасами провианта и пресной водой принимается равным:

Рэ = (0,1+0,0065*R/ Vэ )*n = (0,1+0,0065*5050/15,8)*15 = 32,663 т,

где n- количество людей на судне.

4 Расчеты посадки и отдельных характеристик мореходности

Одним из важнейших навигационных качеств судна является остойчивость. В реальных условиях плавания, кроме силы тяжести и силы поддержания, на судно действуют дополнительные силы, например сила ветра на надводную поверхность судна.

Остойчивостью называют способность судна, отклоненного от положения равновесия действием внешних сил, возвращаться в первоначальное положение после прекращения действия этих сил. Различают поперечную и продольную остойчивость. Поперечная остойчивость характеризуется метацентрической высотой и углом крена, а продольная - углом дифферента.

Остойчивость при поперечных наклонениях, т.е. при крене, называют поперечной. Остойчивость зависит от формы корпуса и положения центра тяжести судна, поэтому путем правильного выбора формы корпуса при проектировании и правильного размещения грузов на судне при эксплуатации можно обеспечить достаточную остойчивость, гарантирующую предотвращение опрокидывания судна при любых условиях плавания.

Продольная остойчивость проявляется при наклонениях судна вокруг поперечной оси, проходящей через центр тяжести площади ватерлинии. Такие наклонения вызывают дифферент судна. Принято считать, что дифферент на нос имеет знак плюс, а на корму - знак минус. От дифферента зависят скорость судна и его маневренность. Угол дифферента поддерживается в определенных границах путем соответствующего распределения груза. Как правило, суда ходят на ровном киле или с легким дифферентом на корму.

Про остойчивость судна, которое проектируется, можно судить по совокупности характеристик начальной остойчивости и остойчивости на больших углах крена. О продольной остойчивости можно судить по углу дифферента.

4.1 Проверка остойчивости и удифферентовки судна при загрузке генеральным грузом

Метацентрическая высота судна с генеральным грузом проверяется только для случая осадки по проектную ватерлинию при наличии 10% судовых запасов (случай, когда метацентрическая высота близка к минимуму при наиболее полном использовании грузоподъемности). Прием балластной воды не предусматривается.

Расчеты аппликаты z_i составляющих нагрузки производятся с использованием эскиза общего расположения. При определении центра тяжести груза, который размещается в данном грузовом отсеке, за его аппликату приблизительно принимается возвышение центра тяжести объема отсека.

Положение центра тяжести гомогенного (однородного) груза по длине судна совпадает с положением центра тяжести объема этих отсеков (x_ri = x_wi);абсциссы центров объемов x_wi определяются по эпюре вместимости. Также находятся абсциссы центров тяжести жидких грузов.

При расчетах большое значение для достоверной оценки метацентрической высоты имеет как можно более точное определение расположения центра тяжести судна. Аппликата его определяется из соотношения:

(z_gпор/D) = 1,02-0,023*D,

Тогда получим:

z_gпор = (1,02-0,023*D)*D = (1.02-0.023*6.67)*6.67 = 5.78м.

Абсцисса центра тяжести порожнего судна x_gпор может быть определена согласно рекомендациям Л.М. Ногида.

x_gпор = -0,09*L_пп = -0,09*98 = -8,82м - при кормовом расположении машинного отделения.

При проектировании судна с заданными параметрами грузовые отсеки, т.е. трюм №1, трюм№2 и трюм №3 заполняются генеральным грузом с удельным погрузочным объемом q = 1.85м³/т. Таким образом, для расчета веса данного груза необходимо воспользоваться формулой:

У W_тр

Р_гр = -------- т,

1.85

рассчитав вместимость каждого трюма по эпюре вместимости. Но при реальных перевозках генеральный груз не может быть уложен под крышки комингсов, поэтому будем считать, что между верхним ярусом груза и крышкой существует зазор в 1м. Исходя из этих параметров, осуществляем пересчет вместимости грузовых помещений. Пересчет вместимости приведен в таблице9.

Таблица 9

Результаты расчетов абсцисс и аппликат отсеков приведены в таблице10.

Согласно результатам расчетов определяется метацентрическая высота по формуле:

h₀ = z_m - z_g -Дh_ж,

где z_m = z_c - r₀ - аппликата метацентра;

Дh_ж = 0,12 - поправка на влияние свободной поверхности жидких грузов.

Метацентрический радиус r₀ и аппликата центра величины определяются по соответствующим выражениям Л.Эйлера:

где УР_i = Д, а Р_i и z_i - составляющие нагрузки и аппликаты их центров тяжести.

Таким образом, метацентрическая высота составляет:

h₀ = 3,372 + 2,174 -0,12 -5,0001 = 0,426 м,

что удовлетворяет требованиям Регистра касательно метацентрической высоты сухогрузных судов (h₀ >0).

Удифферентовка судна проверяется для случая посадки судна по проектную ватерлинию сравнением абсциссы центра тяжести судна x_g с абсциссой центра величины x_с (x_с = 0). Абсцисса центра тяжести судна определяется по формуле:

Так угол дифферента отрицательный и не превышает -0,5° (при кормовом расположении машинного отделения), то можно считать, что судно удифферентовано.

4.2 Проверка остойчивости и удифферентовки судна при перевозке контейнеров

Остойчивость проверяется для перевозки контейнеров в трюмах и на палубе. При этом вес контейнеров в трюме составляет 14т, а на палубе - 5т.

При перевозке контейнеров, в том числе и палубных, для обеспечения остойчивости принимается водяной балласт, который размещается в форпике, двойном дне трюма №2 и трюма №3, а также в диптанке №1. Лбъем балластных помещений и абсциссы их центров тяжести определены по эпюре вместимости.

Таким образом, водоизмещение судна при перевозке контейнеров будет определяться величиной УР_i , а новое значение осадки будет составлять d_конт = 3,463м. Данные расчеты представлены в таблице11 и таблице12.

Для проверки остойчивости используется эскиз общего расположения с указаниями, где размещаются контейнеры. Остойчивость считается достаточной, если выполняются условия в отношении метацентрической высоты:

Апликата тяжести центра судна определяется по формуле:

Таким образом, метацентрическая высота составляет:

h₀ = 3,992 + 1,836 -0,12 -5,295 = 0,414 м >0,2.

Удифферентовка судна проверяется сравнением абсциссы центра тяжести судна x_g с абсциссой центра величины x_с (x_с = 0). Абсцисса центра тяжести судна определяется по формуле:

Так угол дифферента отрицательный и не превышает -0,5° (при кормовом расположении машинного отделения), то можно считать, что судно удифферентовано.

5 Определение наибольшего водоизмещения и валовой вместимости

5.1 Наибольшее водоизмещение, дедвейт и полезная грузоподъемность

Осадка по грузовую марку d_к приблизительно может быть определена путем увеличения проектной осадки с учетом базисного надводного борта:

d_к = D - F = 6,67 - 1,209 = 5,461м,

где F - надводный борт, который для судна длиной 98м составляет согласно правилам 1,209м

Так как у судна проектная осадка меньше осадки по грузовую марку, то необходимо определить наибольшее значение водоизмещения, дедвейта и полезной грузоподъемности. Водоизмещение при этой осадке определяется по формуле:

?_пред=?*(d_к /d)^1.14 = 4498.421*(5.461/4.684)^1.14 = 5358.548м³,

где ? - объемное водоизмещение.

Таким образом, водоизмещение (массовое) будет таким:

Д_пред = ?_пред*1,025 = 5358,548*1,025 = 5492,512 т

Наибольший дедвейт при этом водоизмещении составляет:

DW_пред = Д_пред - LW = 5492,512 - 1341.57 = 4150,942т.

При неизменной дальности плавания R и мощности СЭУ следствием увеличения осадки является сопротивления движению судна и, соответственно, времени на путь и запасов топлива и воды. Соответственно приблизительной оценки наибольшая чистая грузоподъемность составит:

Р_{г пред} = DW_пред - 1.15*Р_т = 4150,942 - 1,15*165,424 = 3960,704т.

5.2 Валовая вместимость

Важной характеристикой судна является его обмерная (регистровая) вместимость, которая определяется международной Конвенцией по обмеру судов.

Валовая вместимость GT определяется по формуле:

GT = V_E*a, рег.т,

где V_E = LBD = 98*14*6,67 = 9151,24;

а = f (V_E) = 0,342 - определяется линейной интерполяцией по таблице13

Таблица 13

Тогда валовая вместимость составит:

GT = 9151.24*0.342 = 3129.724 рег.т

Выводы

В результате работы было спроектировано судно - многоцелевой сухогруз, для которого предусмотрена возможность перевозки контейнеров. Выполнены соответствующие расчеты, которые подтверждают соответствие судна требованиям по минимальному надводному борту, остойчивости (продольной и поперечной) и другим характеристикам. Для данного судна предусмотрена дальность плавания 5050 морских миль. К расчетам прилагаются схема общего расположения, проекция «Корпус» и эпюра вместимости, которые дают более полное представление о конструкции судна, его особенностях и технических возможностях.

Литература

1. Ларкін Ю.М., Хільський В.П., Демідюк О.В. «Устрій і будова суден», Одеса, 2000.

2. Н.Г. Смирнов «Теория и устройство судна», Транспорт, 1992.

3. Р.Допатка, А.Перепечко «Книга о судах»,Судостроение, 1981.