НТООрёл 
Российское научно-инженерное общество судостроителей
им. Алексея Николаевича Крылова

подсекция мореходных качеств судов в штормовых условиях
Сахалинское отделение

Исх.№ 4, от 2017-04-10
Свод проектных материалов
к созданию каботажного флота
для регулярных морских коммуникаций
Сахалино-Курильского края
(в редакции 19 апреля 2017 г.)

 

Сахалинским морским научно-техническим комитетом представляется заключение по строительству каботажного пассажирского судна для всесезонной и всепогодной навигации на регулярных линиях Сахалино-Курильского края, в штормовых и ледовых условиях Охотского и Японского морей, и в северо-западных акваториях Тихого океана.


Формализация и синтез ключевых инженерных решений
 

Исходя из заданных условий навигации установлены обязательные требования к мореходным качествам судна, обеспечиваемые реализацией инженерно-технических достижений целевого непротиворечивого проектирования и хорошей морской практикой экипажа при эксплуатации перспективного судна по его прямому предназначению:

- прохождение заданных океанских маршрутов в акваториях Сахалина и Курильских островов в любых гидрометеорологических или особых навигационных условиях;

- способность к маневрированию и удержания курса с заданной скоростью на глубокой воде в открытом море в условиях ураганных ветров и штормового волнения;

- корабельные обводы и общекорабельная архитектура служат стабилизации корпуса при минимуме всех видов качки на ходу судна; с обладанием свойством автоматического приведения судна на безопасный курс носом на волну при потере хода (в аварийных ситуациях).

 

Ключевые инженерные решения непротиворечивого проектирования корабля повышенной штормовой мореходности в полной мере приемлемы в случае традиционных водоизмещающих судов неограниченного океанского плавания:

1. Малые поперечные и продольные моменты инерции на уровнях переменных ватерлиний и вогнутость надводного борта

→ снижение воздействия волнения и сохранение ходкости;

2. Уменьшение надводных объемов корпуса в оконечностях и завал борта на уровне действующей ватерлинии

→ стабилизация и высокая скорость хода на волнении в режиме прорезания волн;

3. Завал форштевня и надводного борта, уменьшение ширины и непрерывной площади верхней палубы

→ исключение ударов волн по корпусу и возможность активного управления ходом судна;

4. Перенос основных надводных объемов в кормовую часть корпуса, а центра величины подводного корпуса – в нос

→ безопасное штормование в режиме носом на волну, в том числе в аварийных режимах и с остановленными машинами;

5. Сведение к одной вертикали центров гидростатических и гидро-динамических сил при типовых посадках и режимах хода

→ обеспечение управляемости, стабилизации качки и хорошей ходкости на волнении;

6. Уменьшение высоты и парусности надстроек

→ "Красота корабля определяется отсутствием на его борту ненужных вещей", и в том числе – недопустимостью пустых надводных объемов.


Концептуальные предпроектные условия и
технологические ограничения судостроителя –
Хабаровского судостроительного завода
 

1. Выбор скоростного режима устанавливается всепогодностью морских переходов в южной части Охотского моря, что при 9-11 узлах возможно в случае специального проектирования судна повышенной штормовой мореходности. Т.е. выбирается регулярность работы пассажирской линии, строго по расписанию с заданной проектной скоростью, в любых гидрометеорологических и ледовых условиях (отказываемся от высокоскоростных проектов с гигантским расходом топлива и многодневными ожиданиями у моря хорошей погоды, эту задачу – успешно решают самолеты).

2. Выбор чисто пассажирского или грузо-пассажирского варианта остается за заказчиком. В случае пассажирского судна уменьшается его стоимость, повышается комфортабельность и появляется возможность размещения общественных помещений: ресторанов, салонов для отдыха и. пр. В эпоху автомобилизации высока актуальность путешествий на джипах с жилыми блоками; на туристических автобусах с камбузами и бытовыми удобствами, для чего на судне необходима аппарель для выкатки колесной техники на простые курилоостровские и сахалинские рыбацкие причалы или слипы.

3. Главные размерения судна заданы судостроительным заводом - 75 х 16 х 4,3 м. Важным требованием является увеличение осадки до 5 м. для умерения качки, улучшения штормовых мореходных качеств, увеличения грузоподъемности, и обретения других полезных эксплуатационных свойств. Водоизмещение в этом случае составит порядка 3,5 тысяч тонн (пассажирское - накатно-пассажирское).

4. Количество пассажиров – 250 человек, с экипажем до 50 человек, ограничивается вместительностью спасательных шлюпок, где должны размещаться 50 % от общего числа пассажиров и экипажа по каждом борту. При заданной длине судна расположить по каждому борту можно расположить до трех 50-местных шлюпок, а также дежурный катер, не включаемый в число спасательных средств.


Общеархитектурное построение двух вариантов
пассажирского и накатно-пассажирского судна
 

С использованием предложений проекта технического задания, разработанного Хабаровским судостроительным заводом, по результатам экспертного изучения эксплуатационных и навигационных требований к новому перспективному судну, синтезируется свод характеристик и инженерно-технических решений для двух вариантов пассажирского и накатно-пассажирского судов:

 

1. Пассажирское / накатно-пассжирское судно предназначено для каботажных, до 1000 миль, регулярных морских и океанских линий Сахалина и Курильских островов, с возможностью горизонтальной загрузки колесной техники и попутных грузов;

 

2. Район плавания неограниченный, с возможностью активного маневрирования и штормовых и ледовых гидрометеорологических условиях на глубокой воде в открытом море и в прибрежных узкостях на подходах к морским портам Сахалина и Курильских островов;

 

3. Класс судна Российского Морского Регистра судоходства:

Вариант 1: КМ ® Arc4 AUT3-ICS RO-RO Passenger ship;

 

4. Архитектурно-конструктивный тип: судно со стальным корпусом и надстройками из морского алюминия, одновинтовое, с двухостровным расположением надстроек и открытой верхней палубой, оснащенное кормовой аппарелью для колесной техники и горизонтальной обработки попутных грузов;

 

5. Основные характеристики:
Длина наибольшая / по ватерлинии 77,2 / 75 м.
Ширина подводная / по ватерлинии / по верхней палубе   16 / 14,6 / 15 м.
Осадка (не менее) 5 м.
Высота верхней открытой палубы на миделе 3 м.
Коэффициент общей полноты d = 0.655
Площадь смоченной поверхности корпуса 1 566 м2
Объемное водоизмещение 3 601 м3

В правилах Морского Регистра по оборудованию морских судов РС 2015 г., часть II – спасательные средства, п.3.1.1 – спасательные шлюпки и плоты указывается, что на пассажирских судах требуется иметь спасательные шлюпки по каждому борту вместимостью 50% от общего количества находящихся на судне людей, или суммарно – 100%. П.3.1.2 – оговаривается необходимость размещения на каждом борту по одной дежурной шлюпке.

Таким образом, проектируемое пассажирское и накатно-пассажирское судно может принимать на борт до 300 человек (условно: 50 – членов экипажа; 250 – пассажиров).

 

6. Остойчивость и стабилизация штормового маневрирования:

Судно обладает ярко выраженной S-образностью диаграммы остойчивости на конструктивной осадке (красная линия) что необходимо для исключения аварийного опрокидывания судна в случае непредвиденного снижения начальной остойчивости;

При любых изменениях посадки, в том числе в условиях вертикальной качки в штормовом плавании, происходит увеличение начальной остойчивости на ровном киле, что свидетельствует о соблюдении требования безусловной остойчивости в штормовом плавании.

Судно предлагается оснастить активным кормовым успокоителем килевой и ботовой качки – штормовым аварийным движителем (Патент № RU 2384457 C2), устанавливаемом на рудерпосту непосредственно в зоне прямого действия потока от гребного винта.

Цифрами отмечены зоны активного вихреобразования вблизи борта на ходу судна. При должной оптимизации формы судовых обводов возможна гидродинамическая компенсация ходового дифферента на тихой воде, что благоприятно скажется на снижении силового воздействия штормовых волн в кормовой оконечности корабля.

Интенсивная бортовая качка судна среднего водоизмещения может вполне качественно компенсироваться удержанием существенно больших собственных периодов качки корпуса (малой начальной остойчивости), что в Охотском море должно проявляться с периодами – более 8-10 сек, в Тихом океане – более 15 сек.

Использование бортовых килей или активных бортовых крыльевых успокоителей качки – принципиально недопустимо.

 

7. Ходовые качества судна:

В расчетах волнового сопротивления традиционно определяется коэффициент Cw, необходимый для использования совместно с расчетами вязкого трения, либо более практичная величина R/D – отношение величины сопротивления к водоизмещению корпуса.

Моделирование и анализ корабельного волнообразования необходим для обоснованного выбора номинальной скорости хода проектируемого судна, и востребуется в предварительных экспертных оценках интенсивности силового взаимодействия корпуса корабля со свободными штормовыми волнами трохоидальной (Герстнеровской) природы.

Расчет ходкости.

Номинальная скорость судна (Fn=0.22 ~ 6 м/с) – 11,6 узлов

Форсированный или штормовой ход (Fn=0.27 ~ 7,2 м/с) – 14,0 узлов

 

Оценочный расчёт выполнен применительно к судну серии 1 (быстроходные контейнерные, трейлерные и т. п. суда) с бульбом. Сопротивление – в таблице.
Скорость, уз. 8 10 12 14 16
Сопротивление, кН 38 58 86 127 280

Применительно к экономически целесообразной скорости – 14 узлов, выбираются основные характеристики гребного винта:
Обороты винта в минуту 120 150 210 270
Диаметр винта, м 3,64 3,25 2,75 2,44
Мощность ГД, кВт 1300 1360 1480 1580

Это при прямой передаче мощности на винт. При электродвижении – на 10–15% больше.

При скорости – 12 узлов:
Обороты винта в минуту 120 150 180 210
Диаметр винта, м 3,30 2,95 2,69 2,50
Мощность ГД, кВт 770 810 850 890

Оценка парусности: боковая – 800 м2, лобовая – 240 м2. При встречном ураганном ветре (30 м/с) скоростной напор составляет – 56 кг/м2. Это значит, что лобовое сопротивление (без учёта коэффициента сопротивления, который условно принят 1,0, порывов ветра с большей скоростью и того факта, что при острых курсовых углах сопротивление может возрасти ещё до 40 %), дополнительное сопротивление только от ветра, без волн, может составить 120 кН, а это = сопротивлению при 14 узлов на спокойной воде. Таким образом, если говорить о штормовой мореходности, скорость 11,5 – 12 узлов представляется недостаточной.

Следует тщательнее проработать вопрос о движительной установке, при ориентации на один винт, как на рисунке. Условия его размещения в кормовом подзоре таковы, что диаметр сильно ограничен. Это ограничит и перерабатываемую мощность. Чтобы позволить себе увеличение скорости, надо или изменить форму кормового подзора, или предусмотреть два винта. При отношении ширины к осадке > 3 это реально.

Для скорости – 16 узлов получаются следующие характеристики гребного винта:
Обороты винта в минуту 150 200 250 300
Диаметр винта, м 3,96 3,44 3,09 2,84
Мощность ГД, кВт 3540 3810 4040 4250

При этом возникает проблема кавитации. Необходимому дисковому отношению не более 0,8–0,9 соответствует диаметр винта не менее 3,2–3,5 м, что и предусматривается проектом судна, как – 3,6 м. Специальное проектирование гребного винта допускает увеличение дискового отношения вплоть до 1,2, но все же эир в традиционной практике считается неприемлемым.

Итог: Гребной винт диаметром 3,6 м при 120-150 об/мин утилизирует оценочную мощность главного двигателя 1 300 кBт для достижения скорости хода 14 узлов. Тот же гребной винт на скорости хода 12 узлов требует порядка 770 кВт мощности, что существенно превышает 15% запас двигателя внутреннего сгорания для обеспечения форсированного или штормового хода. В случае применения гребного электродвигателя, задача экономичного варьирования мощностью нескольких одновременно работающих дизельных или турбинных электрогенераторов от 880 до 1500-1720 кВт представляется вполне реализуемой.

 

8.А. Архитектурное построение накатно-пассажирского судна

На среднетоннажном судне задействование кормовой аппарели для горизонтальной загрузки колесной техники востребует установку компактного маршевого электродвигателя в ограниченном по объему герметичном необслуживаемом отсеке – непосредственно в коротком тоннеле гребного вала.

Предельно короткий гребной вал и малогабаритность маршевого электродвигателя столь же актуальны для установки кормового подруливающего устройства с максимальным смещением в кормовую оконечность судна.

 

Востребованность электрогенераторов повышенной мощности определяется необходимостью обслуживания кормовой забортной аппарели и подволочных рельсовых тельферов, задействуемых в погрузочно-разгрузочных операция у причальной стенки, при остановленных маршевых электродвигателях (и работающих подруливающих устройствах в режиме динамического позиционирования), что формально служит иллюстрацией согласования принципов непротиворечивого проектирования сложной техники.

Малые инерционные характеристики короткого гребного вала с электродвигателем позволяют применить автоматическую защиту гребных винтов при возникновении ударных нагрузок при штормовом оголении лопастей, при плавании во льдах, и при необходимости позиционирования судна для удержания кормовой аппарели у берегового уреза без специально оснащенных слипов или десантных причалов.

 

Единое машинно-котельное и электрогенераторное отделение позволит объединить все энергетические ресурсы под контролем единого автоматического центра управления в непосредственной близости к жилым, бытовым и вспомогательным помещениям в зоне обитания экипажа – в носовой оконечности корабля.

В водонепроницаемом корпусе под верхней палубой располагается большая часть жилых помещений: с каютами для экипажа на баке и для пассажиров - вдоль автомобильного ангара и в комфортабельной кормовой надстройке.

Плановая пассажировместимость 250 человек обеспечивается каютами 1-2 класса, а также сидячими местами 3 класса в общих салонах.

 

Под главной палубой располагаются вспомогательные, хозяйственные и грузовые отсеки – трюма, разделенные водонепроницаемыми переборками в соответствии с требованиями Регистра России.

 

8.Б. Архитектурное построение пассажирского судна

В случае чисто пассажирского судна появляется возможность устройства на борту комфортабельных общественных помещений, рестораном и салонов для отдыха. Значительно снижается стоимость постройки и эксплуатации судна, возрастает стабильность работы регулярных пассажирских линий. В случае уменьшения ширины корпуса пассажирского судна, что вполне возможно при общем сокращении эксплуатационной функциональности, существенно возрастает эффективность штормового мореплавания и возможность маневрирования в сложных условиях вблизи морских портов и на морских рейдах.

На борту судна без кормовой аппарели может задействоваться схема общего размещения с традиционным кормовым машинно-котельным отделением.


Краткий обзор кораблестроительных и навигационных
особенностей современного мореплавания
 

В качестве традиционного прототипа накатного пассажирского судна , по которому отработаны международные сертификационные требования с обретением правил хорошей морской практики, рассмотрено близкое по характеристикам судно Немецкой постройки для коротких линий у побережья Сенегала: GL+100 A5 “RO-RO-Ship/Ferry/Passengership” + MC AUT; длина/ширина/осадка – 76/15,5/3,2 м; водоизмещением 2349 тонн. Судно имеет стальной корпус с надстройкой из морского алюминия, оснащено кормовой аппарелью. Экипаж 39 человек и 504 пассажира. Запасы на 120 м3 топлива и 100 м3 пресной воды. Грузоподъемность 520 т., с возможностью приема 6 пикапов, 3 грузовиков или 18 легких автомобилей. Объем грузового трюма 550 м2. Ресторан на 72 персоны. Возможно размещение повышенной комфортности, а также 100 мест второго класса и 258 сидячих мест третьего класса. Две спасательные шлюпки на 85 человек каждая.

Судно класса “76 m Ro-Pax Ferry”. По предложению Общества с ограниченной ответственностью «Морские инженеры», г. Владивосток, аналогичное судно может быть доработано с учетом региональных особенностей и в течение 9-12 месяцев построено на авторитетной верфи, имеющей непререкаемый опыт кораблестроения.

 

Сахалинские инновационные разработки и Российское кораблестроение

 

На базе Сахалинского регионального отделения и подсекции Центрального Правления по мореходным качествам судов в штормовых условиях Российского научн6о-техническго общества судостроителей имени Алексея Николаевича Крылова, при активном участии членов Морского научно-технического комитета на базе Сахалинского государственного университета, в рамках научно-инженерных планов становления и развития Российского кораблестроения и дальневосточного судоходства, выполнен подготовительный комплекс инновационных и авторских разработок, с опубликованием наиболее значимых достижений и результатов на корабельном инженерном портале в интернет: http://ShipDesign.ru/Invent/index.html:

  1.  «Корабль без бортовой качки на волнении». Патент № 2360827 от 2009-07-10.
  2.  «Корабль без килевой качки на ходу на волнении». Заявка, рег.№ 2007133625 от 2007-09-07.
  3.  «Корабль с плавниковым движителем». Патент № 2360831 от 2009-07-10.
  4.  «Активный стабилизатор килевой и бортовой качки корабля – штормовой аварийный движитель». Патент № 2384457 от 2010-03-20.
  5.  «Корабль гидрографической и патрульной службы». Патент № 2384456 от 2010-03-20.
  6.  «Корабль, остойчивый в штормовом плавании». Патент № 2487043 (СахГУ). 2013-01-20.
  7.  «Рыболовное судно северных морей». Патент № 2535382 (СахГУ) от 2014-12-10.
  8.  «Носовая оконечность быстроходного надводного корабля или относительно тихоходного гражданского судна повышенной штормовой мореходности и ледовой проходимости в автономном плавании» - Форштевень и скула корабля (Stem). Патент № 2607136 от 2017-01-10.
  9.  «Кормовая оконечность стабилизированного для штормового плавания корабля» - Ахтерштевень и кормовой подзор корабля (Stern). Патент № 2607135 от 2017-01-10.
  10.  «Универсальное транспортное судно» (Univer86). Патент № 2603709 (СахГУ) от 2015-07-03.
  11.  «Морской спасатель - научно-исследовательское судно» (A1202). Патент № 2603818 (СахГУ) от 2015-07-03.
  12.  «Каботажное пассажирское судно» (A1205). Храмушин В. Н. Заявка: № 2016150049 от 2016-12-19.
  13.  «Надводный борт и верхняя палуба корабля» (Deck). Храмушин В. Н. Заявка: № 2016150045 от 2016-12-19.
  14.  «Сверхмалое автономное гидрофизическое судно с плавниковым движителем». Патент ПМ № 65018 от 2007.01.18.
  15.  «Сверхмалое автономное гидрофизическое судно». Патент ПМ № 51586 от 2005.08.10.

 

Программы и базы данных:

  1. «Контекстная графика»   – (Window-Place) Контекстно-зависимая среда построения трехмерной графики OpenGL с использованием виртуальных процедур C++ и многооконного интерфейса Windows со стековым наложением графических и текстовых фрагментов. СахГУ № 2010615850 от 2010-09-08.
  2. «H u l l» – Построение аналитической формы корпуса корабля, расчеты волнового сопротивления, кривых элементов теоретического чертежа и диаграмм остойчивости морских судов. СахГУ № 2010615849 2010-09-08.
  3. © 2013 СПбГУ.  Тензор - «Программа для построения числовых объектов и функций трехмерной тензорной математики при реализации вычислительных экспериментов в гидромеханике» № 2013619727 от 2013-10-14.
  4. © 2013 СПбГУ.  Волна - «Интерактивный графический программный комплекс для построения и визуального анализа штормовой поверхности моря».   Дегтярев А. Б., Богданов А. В., Храмушин В. Н. № 2013619728 от 14 октября 2013 г. Заявка № 2013617543 от 20 августа 2013 г.;
  5. © 2015 СПбГУ.  Vessel - БД «Цифровые теоретические чертежи для проектного анализа гидростатических характеристик, остойчивости и ходкости корабля».   Богданов А. В., Храмушин В. Н. № 2015621368 от 8 сентября 2015 г., Заявка № 2015620664 от 5 июня 2015 г.;

 

В частности в декабре 2016 года в Роспатент представлена заявка на изобретение: «Каботажное пассажирское судно».

Каботажное пассажирское судно.

Форма корпуса и надстроек выбраны с учетом необходимости снижения силового взаимодействия со штормовым волнением, с возможностью пассивного штормования на курсе носом на волну при остановленных главных двигателях*).

В построении формы корпуса использовалась заниженная осадка и чисты завал борта без обратной кривизны шпангоутов на уровне действующей ватерлинии. Такое решение принималось из необходимости экспериментального подтверждения негативного виляния на штормовые мореходные качества судна заниженной осадки, а также недостаточности простого завала борта на уровнях действия переменных осадок в штормовом плавании.

В концептуальном проекте рассматривается двухвальное комфортабельное пассажирское судно, в целом удовлетворяющее основным требованиям для надежного обеспечения морских коммуникаций по относительно мелководным портам Сахалина и Курильских островов. В то же время, настоящим проектом проработан вариант особо компромиссных технических решений для минимизации технологических противоречий при строительстве и последующей эксплуатации судна в необустроенных морских акваториях Дальнего Востока России.


Заключение – об актуальности Сахалинского морского инженерно-изыскательского и учебно-тренажерного полигона в открытом море
 

Современный уровень вычислительный техники, компактность измерительных средств, доступность и быстрота телеобработки разнородной информации о состоянии и динамике корабля, атмосферы и океана, позволяют вернуться в морском деле к исторически выверенным началам единения теории и практики, возвращая авторитетным мореплавателям возможность непосредственного участия в целевом проектировании нового флота, и помогая корабельным инженерам оценивать маневренные и эксплуатационные качества перспективных судов в сложных и штормовых условиях «океанского» и прибрежного плавания с использованием опытовых моделей действующих и перспективных проектов судов.

Географические условия в южной части о-ва Сахалин, наличие крупных озер и морских причалов, ветра и прибрежное волнение в любые сезоны года, определяют наилучшие в России условия для проведения мореходных изысканий.

На базе Сахалинского морского и корабельного полигона естественным образом происходит слияние опыта хорошей морской практики авторитетных мореплавателей, с изначально опробуемыми ими новыми достижениями в области кораблестроительных наук, что автоматически привносится в теоретические курсы морского и морского инженерного образования.

В частности:

– Холмский филиал Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского может выполнять методическое обеспечение мореходных испытаний в соответствии с российскими правилами штурманской службы, одновременно включившись в совершенствование регламентирующих документов по штормовому мореходству, апробируя их в процессе подготовки дальневосточных судоводителей к управлению судном в сложных, ледовых и штормовых условиях мореплавания;

– Сахалинский государственный университет, как научное учреждение широкого профиля, сможет проводить фундаментальные исследования и глубокую проработку инженерных решений для новых проектов кораблей и судов на основе прямых вычислительных экспериментов в области гидроаэромеханики взаимодействия корабля со штормовым морем и атмосферой, поверяемым на телеуправляемых моделях в открытом море на морском полигоне.

Среди первоочередных планов Сахалинского морского и корабельного полигона определяются научные исследования в области проектирования перспективного флота повышенной мореходности, включающие экспериментальную отработку эффективных и безопасных методов штормового судовождения флота действующего.

 


 

Благодарности:

Авторы искренне благодарны авторитетным мореплавателям Сахалино-Курильского края за поддержку творческого поиска и синтеза инженерных решений в построении новых всепогодных судов, изначально ориентированных для работы в штормовых и ледовых морях северо-западной части Тихого океана: Юрий Станиславович Синев - формирование общекорабельной архитектуры для современной инфраструктуры действующих в Сахалинской области морских портов; Александр Евгеньевич Солдатенков - вопросы штормового судовождения и хорошей морской практики в дальневосточных морях России; Игорь Александрович Тихонов - формулирование эксплуатационных требований в особых навигационных условиях судоходства в акваториях Курильских островов; Владимир Михайлович Пищальник - гидрометеорологические  и ледовые особенности мореплавания в Охотском и Японском морях; Леонид Вадимович Гришин - вопросы комплектования судовых устройств и механизмов, общие организационные вопросы.

 

 

Документ составлен по результатам экспертных консультаций 4 апреля 2017 г.
Руководитель Сахалинского морского научно-технического комитета,
на базе Сахалинского государственного университета

Василий Николаевич Храмушин.
Профессор кафедры кораблестроения и океанотехники
Дальневосточного федерального университета

Сергей Владимирович Антоненко.