Про «толстые» суда МИБ

На состоявшемся недавно Международном форуме “Riverport Expo 2019” генеральный директор Морского Инженерного Бюро (МИБ), профессор, доктор технических наук Геннадий Егоров представил доклад «Существующий и перспективный флот для пассажирских и грузовых перевозок по ВВП». Акцент в нем сделан на «сверхполных» судах, которые точно будут очень правильным выбором для украинского флота

Наиболее заметным явлением последних лет в воднотранспортной отрасли стала массовая постройка необычных для всей практики мирового судостроения судов с едиными «сверхполными» обводами:  танкеров смешанного река-море плавания пр.RST27 и созданных на их базе комбинированных судов (танкеров-площадок) пр.RST54, танкеров-химовозов пр.RST27M и RST12 и сухогрузных судов пр.RSD59 и RSD79.
С  2012 года были поставлены 68 теплоходов этих проектов, еще 50 находятся в постройке (заказаны). Такие темпы и такая массовая серия были характерны для лучших периодов советского судостроения. 

Британское Королевское общество корабельных инженеров RINA пять раз включала эти «сверхполные» суда в число лучших в мире: дважды пр.RST27 (Significant Ships of 2012 и Significant Ships of 2013), что само по себе случается очень редко; в 2014 году пр.RST54 (Significant Ships of 2014); в 2017 году пр.RST27M (Significant Ships of 2017) и в 2018 году пр.RSD59 (Significant Ships of 2018).

Однако не только увеличенный коэффициент полноты является особенностью нового поколения танкеров и сухогрузов. Есть ряд других принципиально важных характеристик, полученных Морским Инженерным Бюро в ходе научных исследований 2001-2017 годов и использованных в новых концептах. В их числе: обоснование главных размерений, выбора формы носовой и кормовой оконечностей, количества и типа движителей, способов формирования конструкции, особенностей архитектуры, снижения надводного габарита, нестандартного объединения функций судов, расширения типов предполагаемых к перевозке грузов и т.п.

Именно системный характер концептуального проектирования позволил дать такой заметный практический выход.

Благодаря этому МИБ в 2011 году предложил международной транспортной группе UCL Holding проект «сверхполного» танкера RST27 смешанного река-море плавания «Волго-Дон макс» класса с коэффициентом общей полноты 0,932.

Такой танкер, сохраняя по району плавания класс R2 и возможность круглогодичной эксплуатации (как у танкера типа «Армада» пр.RST22), получил существенно увеличенную грузоподъемность в реке.  Дедвейт при осадке 3,60 м составил 5420 тонн (против 4700 тонн у пр. RST22), что сделало его уникальным речным судном – при таком же дедвейте в море, как у пр.RST22 (7000 т). 

Таким образом, произошло редкое событие в современном гражданском судостроении, когда научный результат был получен самостоятельно и до появления конкретного заказа на постройку, а затем – вполне успешно реализован в виде большой серии судов.

Это было классическое научное исследование, с получением промежуточных выводов на каждом этапе НИР. Рассматривался ряд  вопросов:

А. Максимального использования фактических путевых условий (максимально возможные длина, ширина судна).

Б. Количества винтов на судне «Волго-Дон макс» класса.

В. Формы носовой оконечности «Волго-Дон макс» класса.

Было определено, что для судна «Волго-Дон макс» класса оптимальной является кормовая часть санной формы, приспособленная к двум винторулевым колонкам (ВРК) в качестве единого средства движения и управления (или к двум винтам фиксированного шага в насадках с двумя рулями).

Исследования с помощью методов вычислительной гидромеханики оптимальной формы носовых обводов для «Волго-Дон макс» нового поколения (с коэффициентом общей полноты около 0,90 и кормой в форме «саней») позволили сделать следующие выводы: 

1. В заданном диапазоне скоростей хода 9-12 узлов корпус с цилиндрическими носовыми обводами имеет лучшие показатели по критерию транспортной работы судна на единицу мощности, т.е. по экономическим показателям.
   2. Наибольшую скорость полного хода 12,11 узла при заданной мощности (две ВРК мощностью на гребных валах по 1200 * 0,85 = 1020 кВт) обеспечивает корпус с бульбообразными носовыми обводами. Скорость полного хода судна с цилиндрическими носовыми обводами составляет 12,07 узлов, с наклонным форштевнем – 11,85 узлов.

Г. Максимально возможная «полнота» обводов судов.

Чем больше водоизмещение судна, тем больше его дедвейт – при этом судно должно двигаться с приемлемой скоростью и с нормальным (вписывающимся в экономику) расходом топлива, показывать достаточные мореходные свойства (с возможностью работы в Черном, Каспийском, Балтийском, Средиземном морях) и достаточную ледопроходимость.

Суда смешанного плавания ,построенные до XXI века, имели корпуса c коэффициентом общей полноты 0,84…0,85, относительной длиной цилиндрической вставки до 0,60, носовой оконечностью в виде «острой ложки» и кормовой в виде «килеватой ложки».

Исследование обводов относительно полных судов проводилось неоднократно, но количественные решения завершались корпусами с коэффициентом общей полноты до 0,88 (!!!!).

Обводы корпусов нового поколения таких судов (проекты Морского Инженерного Бюро 005RST01, 006RSD02, 006RSD05, 007RSD07, RSD19, RSD49, RST22, RST22M, строительство которых началось в первом десятилетии XXI века) уже отличались более полными параметрами (0,88…0,90), более протяженной цилиндрической вставкой (0,68…0,70), что позволило, несмотря на увеличение толщин и рост массы металлического корпуса, обеспечивать дедвейт в реке при осадке 3,60 м около 4700-5000 тонн.

Эффективная эксплуатация с 2001 года теплоходов  с такими характеристиками полностью подтвердила принятые принципиальные решения. Иных судов «Волго-Дон макс» класса судовладельцы уже не заказывали, так как они гарантированно проигрывали по экономике успешно работающим «Армадам», «Гейдарам» и «Новгородам».

Возник вполне закономерный вопрос – а какой предел увеличения коэффициента общей полноты для судна смешанного река-море плавания?

Для этого был специально разработан теоретический корпус судна с рекордным коэффициентом общей полноты 0,932. Применена бульбообразная форма носовой оконечности, кормовая оконечность – транцевая, с полутоннелями и скегом.

На начальном этапе моделирование буксировочных испытаний выполнялось путем решения уравнений Рейнольдса конечно-объемным методом в расчетной области, внутрь которой помещена 3D модель корпуса судна. Уравнения движения жидкости замкнуты при помощи статистической модели турбулентности для случая несжимаемой жидкости. Расчеты выполнялись в масштабе натуры с намерением избежать влияния масштабных эффектов и процедур пересчета с модели на натуру.

Выяснилось – на скоростях около 10 узлов, основную роль играет трение и сопротивление формы. Волновое сопротивление при этом незначительно, но уже после 10 узлов роль этой составляющей резко вырастает. Результаты проверочных буксировочных испытаний в двух независимых друг от друга бассейнах показали, что величины коэффициента остаточного сопротивления при осадке судна в грузу и в балласте практически совпадают до значения числа Фруда ~0,13.

Анализ показал, что в грузу величина буксировочной мощности «сверхполного» судна отличается всего лишь на 4% от таких же данных судна с коэффициентом полноты около 0,90.

Таким образом, теоретически было доказано, что для типичных для судна смешанного река-море плавания скоростях 10 узлов влияние коэффициента полноты (для диапазона 0,88…0,93) незначительно.

Вывод был принципиально важен и означал, что можно увеличивать коэффициент общей полноты для судов смешанного река-море плавания до 0,932. Это и позволило дать «старт» для пр.RST27 – судна «Волго-Дон макс класса» со «сверхполными» обводами, бульбообразной носовой оконечностью и с двумя винтами фиксированного шага в насадках (полноповоротные ВРК в полутоннелях).

Д. Оптимизация массы корпуса судна.

При заданных путевыми условиями размерах судов смешанного река-море плавания их дедвейт определяется, по сути, полнотой самого корпуса и массой корпуса порожнем.

Металлоемкость и конструкцию корпусов судов смешанного плавания ССП диктуют класс судна по району плавания и ледовая категория.

Были обоснованы класс РС R2 для судов и барже-буксирных составов смешанного река-море плавания «Волго-Дон макс» класса, класс РРР «О-ПР 2.0» для судов и барже-буксирных составов «Волгомакс» класса (минимальный класс для эксплуатации в весеннее-летний сезон в Финском заливе и Азовском море), а также класс РРР М-СП 3.5 для судов северных речных пароходств.

Для танкеров море-река типа новых концептов  определили стандарт прочности, соответствующий требованиям более высокого класса R1 в эксплуатации, что позволит работать в зимний сезон на перевозках растительных масел и «легкой» химии, например, в Индийском океане и вдоль побережья Африки.

По ледовой категории выбраны класс Ice 1 (Лед 20 – Лед 30) у судов смешанного плавания, предназначенных для работы в Азовском и Каспийском морях зимой, класс Ice 2 (Лед 40) – у судов сибирских пароходств для обеспечения безопасного возврата судна после осуществления «северного» завоза на базу, Ice 2 – для работы в Балтийском море зимой, Ice 3 – для работы на порт Архангельск зимой.

Оптимизация конструкции достигнута за счет роста эффективной высоты сечения (применение развитых непрерывных надпалубных конструкций), применения продольной системы набора палубы, бортов и днища в средней части, сохранения толщин настилов и обшивок на уровне минимальных за счет рационального сочетания элементов основного и рамного набора.

По сути, концепт RST27 стал научным базисом для новой тенденции развития воднотранспортной отрасли по «расшитию» узких мест за счет новых технических решений.

Е. Увеличение провозоспособности за счет максимального использования фактических путевых условий и при экстремально-полных обводах, ранее не применявшихся в мировой практике.

Примером такого решения стала концепция комбинированных судов пр.RST54, которые получили «сверхполные» обводы и «устьевой» класс М-ПР 2,5.

Комбинированные танкера-площадки пр.RST54:
• обеспечивают загрузку в обе стороны (нефтеналив – в одну и сухогрузы – в обратную);
• позволяют снизить нагрузку на автодороги за счет перевозки 270-350 легковых автомобилей, которые обычно везут на грузовиках- автомобилевозах;
• обеспечивают перевозку 120 контейнеров с массами до 36 тонн, которые недопустимы для транспортировки автопоездами по условиям максимальной нагрузки на ось, в том числе до 45 рефрижераторных контейнеров.

Перевозка нефтеналивных грузов с ограничением по температуре вспышки паров выше 60°С осуществляется в десяти грузовых танках вместимостью 5446 м³ и двух отстойных танках на 207 м³.

Все танки отделены от наружной обшивки при помощи двойного дна и двойных бортов. Размеры двойных конструкций отвечают требованиям международной конвенции МАРПОЛ 73/78.

Для доставки сухих грузов, не боящихся подмочки (металл, щебень, контейнеры и т.п.) предназначено грузовое пространство на главной палубе, имеющее ограждение высотой 2,0 м. Настил главной палубы внутри грузовой площадки рассчитан на интенсивность распределенной нагрузки 5,5 т/м³, а также на работу грейфером. В качестве основного груза предусмотрена перевозка 4700 т щебня на открытой палубе.

Ж. Уникальные возможности для сухогрузов.

Новый «сверхполный» сухогруз пр.RSD59 по сравнению с пр.RSD49  (лучшим из ранее построенных «Волго-Дон макс») получил:
• дедвейт в реке при осадке 3,60 м 5320 тонн (у пр.RSD49 – 4507 тонн), что больше на 813 тонн;
• дедвейт при осадке 4,20 м 6944 тонн (у пр.RSD49 – 6021 тонна), что больше на 923 тонны;
• дедвейт при максимальной осадке 4,706 м 8144 тонн (у пр.RSD49 при максимальной осадке 4,70 м – 7143 тонны), что больше на 1000 тонн. 

Наличие на пр.RSD59 длинного трюма в 77,35 м (на пр.RSD49 – 52 м) позволяет перевозить проектные негабаритные грузы, промышленное оборудование, длинные рельсы и трубы. Высота этого трюма больше на 620 мм (9000 мм), чем на пр.RSD49, что дает возможность  транспортировать контейнеры высотой до 9,6 футов – «high cube containers» (3 в высоту).

Сопоставление технико-эксплуатационных характеристик пр.RSD59 с характеристиками других судов класса «Волго-Дон макс» показывает, что новый коцепт по энергозатратам на единицу транспортной производительности лучше, чем пр.RSD49 и 006RSD05, выполненные на основе популярных в начале XXI века обводов «Армад», и заметно лучше, чем сухогрузные суда типа «Волга» и «Русич». 

Таков далеко не полный перечень новых технических решений, реализованных и реализуемых на «сверхполных» судах.

Заставка: танкер пр.RST27 у достроечного причала «ХСЗ». Фото «СиС»