Автореферат представляемой диссертации.

На правах рукописи
Ионов Сергей Евгеньевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ И МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОХОДСТВА
НА ШЛЮЗОВАННЫХ СИСТЕМАХ
Специальность 05.22.19 – эксплуатация водного транспорта, судовождение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород
2013
1
Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФБОУ ВПО) «Волжская
государственная академия водного транспорта» (ВГАВТ) на кафедре «Экономики и менеджмента».
Научный руководитель:
Веселов Геннадий Васильевич
кандидат технических наук, доктор экономических наук, профессор, кафедра
«Экономики и менеджмента» ФБОУ ВПО
«Волжская государственная академия
водного транспорта» (ВГАВТ)
Официальные оппоненты:
Кожухарь Владимир Игнатьевич
доктор технических наук, профессор, кафедра «Управления транспортом» ФБОУ
ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта» (ВГАВТ)
Шишкин Александр Алексеевич
кандидат технических наук, Управляющий директор ОАО «Судоходная компания «Волжское пароходство»
Ведущая организация:
ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (НГАВТ)
Защита диссертации состоится «27» декабря 2013 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.01 при ФБОУ ВПО «Волжская
государственная академия водного транспорта» по адресу: 603950, г. Нижний
Новгород, ул. Нестерова, 5а, в зале заседаний диссертационного совета (ауд.
231).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта». Объявление о защите и
автореферат диссертации размещены на сайте ВАК Министерства образования и науки РФ: http://vak.ed.gov.ru и на сайте ВГАВТ: http://vgavt-nn.ru.
Отзывы на автореферат, заверенные печатью просим направлять по адресу ФБОУ ВПО ВГАВТ.
Автореферат разослан «26» ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент
Сустретова Н.В.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Повышение эффективности работы
различных видов транспорта является актуальнейшей проблемой в условиях
глобализации и острой конкуренции на рынке транспортных услуг. Экономическое состояние различных видов транспорта свидетельствует о дефиците инвестиционных ресурсов для обновления изношенных основных фондов,
о системном кризисе в отрасли.
Несмотря на постоянный рост тарифов, потенциал российских предприятий водного транспорта остается весьма низким. Значительная часть отечественных судоходных компаний находится в кризисном состоянии (около
40%).
Одним из путей выхода из такой ситуации является повышение конкурентоспособности российских судоходных компаний за счет внедрения новых технических средств и технологий доставки грузов, модернизации существующего флота.
Основной тенденцией развития транспортных средств в мире является
рост грузоподъемности (пассажировместимости) с целью снижения издержек
по доставке грузов (пассажиров). Вместе с тем, рост грузоподъемности и количества транспортных средств на водных путях ведет к увеличению плотности движения, особенно в прибрежных зонах и на ограниченных акваториях.
Соответственно возрастает вероятность возникновения различного рода аварий.
Анализ показывает, что 90% от общего числа аварий происходит именно
в подобных зонах судоходств. По данным ведущих специалистов, число происшествий с судами и составами на шлюзованных системах около гидротехнических сооружений доходит до 20% от их общего количества. Основная
часть аварий совершается в подходных каналах и при заходе в шлюз (более
50%) и приходится на долю крупногабаритного флота. При этом более 40%
всех аварий составляют навигационные (столкновения, удары, навалы), то
есть связанные с управляемостью транспортных средств на водных путях.
Учитывая, что на линии Астрахань – Санкт-Петербург протяженностью
3640 км шлюзы располагаются в среднем через 246 км, а на линии Ростов-наДону – Санкт-Петербург протяженностью 3730 км – через 132 км, то повышение грузоподъемности судов и составов, эффективности перевозок в условиях Волжско-Камского бассейна, развитие внешнеторговых перевозок в
центре России напрямую связано с обеспечением безопасности судоходства.
Проблема обеспечения необходимой управляемости судов занимает сегодня одно из важнейших мест в числе проблем повышения эффективности
перевозок и безопасности плавания, что подтверждается особым вниманием,
которое уделяется ей международными и национальными организациями
(Международной ассоциацией классификационных обществ, Российским
Морским Регистром Судоходства, Российским Речным Регистром и др.).
3
Увеличение количества транспортных средств при открытии Волги для
иностранного флота приведет к значительному повышению плотности движения на внутренних водных путях России. Учитывая это и устойчивую тенденцию роста грузоподъемности судов и составов, вероятность возникновения аварийных ситуаций резко возрастет.
Использование поворотных насадок вместо рулей улучшило управляемость судов и составов, но недостаточно, что особенно проявляется при неблагоприятной погоде и малых скоростях движения в каналах, при шлюзовании и т.д.
Для повышения безопасности перевозок (улучшения управляемости судов) грузовые теплоходы и танкеры стали оборудоваться средствами активного управления - носовыми подруливающими устройствами. Носовые подруливающие устройства, установленные на крупнотоннажных грузовых судах, при движении в порожнем состоянии оказались малоэффективны из-за
их малой мощности.
Анализ показывает, что строительство в последние годы новых грузовых теплоходов с увеличенной мощностью главных силовых судовых установок незначительно улучшает управляемость при эксплуатации их на шлюзованных водных системах из-за существенного ограничения скорости движения в каналах и местах выполнения маневров.
В аварийных ситуациях только хорошая управляемость судна и высокая
квалификация экипажа позволяют избежать навалов, ударов и различных повреждений. Даже заблаговременное торможение не исключает аварий, так
как тормозной путь крупнотоннажных составов достигает 400-800 м.
Для повышения безопасности, конкурентоспособности перевозок и эффективности судоходства за счет внедрения крупнотоннажных судов и составов необходимо кардинально улучшить их управляемость за счет оснащения носовыми подруливающими устройствами соответствующей мощности.
Степень разработанности проблемы. В процессе исследования автором анализировались и использовались труды Арсеньева С.П., Басина А.М.,
Белоглазова В.И., Бунеева В.М., Ваганова Г.И., Васильева А.В., Веселова
Г.В., Войткунского Я.И., Воронина В.Ф., Гофмана А.Д., Зачесова В.П., Захарова В.Н., Ивантера В.В., Кацмана Ф.М., Клементьева А.Н., Кожухаря В.И.,
Кузьмичева И.К., Лебедева Э.П., Малышкина А.Г., Минеева В.И., Павленко
В.Г., Персианова В.А., Першица Р.Я., Платова Ю.И., Русецкого А.А., Рыжова
Л.М., Соларева Н.Ф., Тихонова В.И., Токарева П.Н., Уртминцева Ю.Н. и др.
Значительный вклад в повышение безопасности эксплуатации крупнотоннажных судов и толкаемых составов внесли лауреат премии Совета Министров СССР, д.т.н., профессор Ваганов Г.И., лауреат Государственной
премии СССР, д.т.н., профессор Рыжов Л.М., а также д.т.н., профессора Клементьев А.Н., Малышкин А.Г., Соларев Н.Ф. и др.
Вагановым Г.И. разработаны и утверждены Минречфлотом РФ инструкции по соотношению размеров составов и габаритов судового хода.
Рыжовым Л.М., на основе многочисленных испытаний составов различной
4
грузоподъемности, определены зависимости мощности главных двигателей
толкача от силы ветра и водоизмещения состава.
В 70-80 годах исследования Ваганова Г.И., Рыжова Л.М. оказались
весьма эффективными для внедрения на перевозках толкаемых составов грузоподъемностью до 20000 тонн на внутренних водных путях.
Вместе с тем, проблема повышения эффективности преобладала над
безопасностью судоходства, не рассматривалась эксплуатация судов и составов, их управляемость на шлюзованных системах при ограниченных скоростях движения, неблагоприятных погодных условиях и при следовании в порожнем состоянии.
Из-за недостаточного внимания к проблеме управляемости порожних
судов и составов, отсутствия методов и рекомендаций по повышению безопасности судоходства за счет использования подруливающих устройств оптимальной мощности потери на ликвидацию последствий аварий являются
значительными, а также сдерживается внедрение на перевозках грузов более
экономичных судов и составов повышенной грузоподъемности.
Практически на всех крупнотоннажных толкаемых составах до сих пор
нет подруливающих устройств, и, следовательно, не обеспечивается безопасность судоходства.
Цель исследования состоит в развитии научно-методических основ
определения оптимальной мощности носового подруливающего устройства,
повышения безопасности и эффективности судоходства на шлюзованных
водных путях.
Реализация поставленной цели вызвала необходимость решения следующих задач:
- анализ современного состояния и перспектив развития грузовых перевозок внутренним водным транспортом России;
- анализ безопасности судоходства на внутренних водных путях России;
- анализ методов расчета и требований к мощности подруливающих
устройств для судов и составов;
- обоснование способа определения мощности носового подруливающего устройства для судов и составов на шлюзованных системах;
- разработка метода определения экономической эффективности оборудования судов и составов носовым подруливающим устройством;
- разработка рекомендаций по применению подруливающих устройств
оптимальной мощности на судах и составах при их эксплуатации на шлюзованных системах.
Объектом исследования является грузовой (пассажирский) флот внутреннего водного транспорта России.
Предметом исследования являются способы и методы определения оптимальной мощности подруливающих устройств для транспортных судов и
определения эффективности оборудования ими судов и составов.
Теоретической и методологической основами диссертационного исследования являются результаты исследований отечественных и зарубежных
5
ученых, материалы научно-практических конференций, монографий, пособия
по рассматриваемой теме, разработки ведущих мировых классификационных
обществ, статистические данные.
При разработке и обосновании основных положений диссертации применялись методы: индукции и дедукции, системного, логического и сравнительного анализа, метод моделирования, метод анализа, статистические методы и др.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в развитии и
совершенствовании положений по повышению безопасности и эффективности судоходства в современных условиях и заключается в следующем:
- выявлены причины снижения безопасности и эффективности судоходства на внутренних водных путях России;
- разработан универсальный способ определения мощности носового
подруливающего устройства для судов и составов, работающих на шлюзованных системах, в зависимости от условий их эксплуатации;
- разработан метод оптимизации мощности подруливающих устройств в
зависимости от условий перевозок и конструктивных особенностей судов;
- разработан аналитический метод определения экономической эффективности оборудования грузовых и составных теплоходов носовым подруливающим устройством в зависимости от условий эксплуатации.
Теоретическая значимость исследования состоит в развитии методических подходов к определению мощности носового подруливающего
устройства и ее оптимального значения в зависимости от условий перевозок
и типов судов, экономической эффективности их применения на судах и составах.
Практическая значимость исследования заключается в возможности
использования теоретических положений, направленных на повышение безопасности судоходства и эффективности работы внутреннего водного транспорта России.
Методические материалы по определению мощности носового подруливающего устройства могут быть использованы при разработке мероприятий
по повышению безопасности судоходства на водных путях и разработке требований к управляемости новых судов на стадии их технико-экономического
обоснования, разработке документов Российского Речного Регистра и Российского Морского Регистра Судоходства.
Определенные аспекты диссертационного исследования могут применяться в учебном процессе при подготовке судоводителей и специалистов по
эксплуатации водного транспорта.
Апробация выводов и результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международном форуме «Великие реки», XVI «Всероссийском конкурсе научных работ молодежи «Экономический рост России», научных семинарах Волжской государственной академии водного транспорта, научнопрактической конференции «Прохоровские чтения».
6
Публикации. Основные положения и результаты диссертационного исследования отражены в 6 опубликованных научных трудах автора, в том
числе две статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертационного исследования включает введение, три
главы, заключение, библиографический список из 189 наименований, 6 таблиц, 12 рисунков, 10 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и основные задачи, предмет и объект исследования. Показаны
научная значимость и практическая ценность работы, приведены сведения о
ее апробации.
В первой главе «Анализ современного состояния перевозок и безопасности судоходства в России» дан анализ современного состояния, эффективности, тенденций, перспектив развития перевозок и безопасности судоходства на внутренних водных путях России.
В Российской Федерации транспорт является одной из крупнейших отраслей экономики, важнейшей составной частью производственной инфраструктуры. Транспортный комплекс РФ объединяет более 3 млн. человек. О
месте и значении транспорта свидетельствует также его значительный удельный вес в основных производственных фондах страны (29%), существенная
доля транспортных услуг в валовом внутреннем продукте (7%).
За период с 2000 по 2012 гг. грузооборот российского транспорта общего пользования вырос с 3638 до 5055 млрд. ткм. За тот же период грузооборот внутреннего водного транспорта сократился на 21%, а по сравнению с
1980 годом снизился почти в 4 раза (табл. 1).
Таблица 1
Показатели работы внутреннего водного транспорта России
Год
1980
1990
2000
2005
2007
2008
2009
2010
2011
2012
Перевозки грузов, млн. тонн
481
562
117
134
153
151
97
102
128
127
Перевозки пассажиров, млн. чел.
103
90
28
21
21
20
17
16
14
14
Грузооборот, млрд. ткм
228
214
71
87
86
64
53
54
61
56
Пассажирооборот, млрд. пкм
5,3
4,8
1
0,9
1
0,8
0,8
0,8
0,7
0,6
Доля отечественного внутреннего водного транспорта в общем грузообороте транспорта страны снизилась с 5% до 1,1%. В США она десятилетиями остается стабильной на уровне 12-14%.
По данным Федеральной службы государственной статистики за период
с 2000 по 2011 гг. рентабельность грузовых перевозок снизилась с 14,7% до
3-5%. Около 40% предприятий отрасли убыточны, то есть расходы не покрываются доходами от своей деятельности.
Из-за низкой конкурентоспособности крупнейшую специализированную
российскую судоходную компанию «Волготанкер» (г. Самара) вытеснили не
7
только с внешнего, но и вытесняют с внутреннего рынка транспортных
услуг. В границах деятельности этой компании турецкая судоходная компания «Палмали» (г. Стамбул) в 2005 году перевозила уже 14 млн. тонн нефтегрузов и 1,4 млн. тонн сухогрузов.
В условиях инфляции, стабильного роста цен на энергоносители, недостатка прибыли, дефицита инвестиционных ресурсов судоходные компании
не в состоянии проводить обновление своих основных средств.
Из-за прекращения обновления флота современными конкурентоспособными судами износ подвижного состава достиг критических значений
(рис. 1). Столь резкое сокращение износа основных фондов в последние годы было достигнуто в основном за счет списания устаревших судов, а не
строительства новых.
Рис. 1. Износ основных фондов различных видов транспорта по данным Федеральной
службы государственной статистики
8
Необходимо отметить, что реальный износ существенно выше данных
официальной статистики. В возрастной структуре флота внутреннего водного
транспорта преобладают суда постройки 1965-1980 гг., то есть суда старше
35-45 лет. Такое положение с состоянием основных фондов ведет к техногенным катастрофам на транспорте.
Все это свидетельствует о системном кризисе на отечественном водном
транспорте, который грозит интенсивным вытеснением его с рынка транспортных услуг, ростом безработицы.
Анализ показывает, что в рамках Подпрограммы «Внутренний водный
транспорт» осуществляется строительство 85 единиц флота грузоподъемностью 5000 тонн для замены судов типа «Волго-Дон» и «Волгонефть». Бесспорно, отечественному флоту нужны новые суда смешанного плавания для
замены старых, развития экспортно-импортных перевозок. Тем не менее, подобное обновление флота предполагает путь экстенсивного развития судоходства, незначительное улучшение положения, которое было на протяжении
последнего времени.
В условиях глобализации и вступления России во Всемирную торговую
организацию для дальнейшего развития внутреннего водного транспорта в
европейской части страны, повышения его конкурентоспособности требуется
значительное увеличение доли крупнотоннажных судов и составов на перевозках. Однако для обеспечения эффективной, безаварийной эксплуатации
таких судов на шлюзованных системах европейской части страны необходимо улучшить их управляемость, особенно в порожнем состоянии, при неблагоприятных погодных условиях и при пониженных скоростях движения. Недостаточная управляемость судов при неблагоприятной погоде, особенно при
резких порывах ветра, приводит к тяжелейшим авариям.
Анализ транспортных происшествий с флотом в границах Волжского
бассейна показывает, что большинство из них приходится на удары, навалы,
посадки на мель, повреждения гидротехнических сооружений (рис. 2). Основной причиной возникновения аварийных ситуаций в Волжском бассейне
является недостаточная управляемость судов, неэффективность судовых
средств управления для выполнения маневров.
Анализ показывает, что наиболее опасные ситуации с порожними толкаемыми составами грузоподъемностью 9000-18000 тонн возникают в Волжско-Камском бассейне при шлюзовании и неблагоприятных погодных условиях, при выходе из камеры шлюза. При начальной скорости выхода состава
из шлюза равной нулю даже при наличии поворотных насадок курс состава
изменить практически невозможно, так как ширина состава почти равна
ширине шлюза, а его длина чуть меньше длины шлюза. В результате при
выходе состава из шлюза при слабом навальном ветре, даже при наличии малоэффективных подруливающих устройств, происходит дрейф, навалы, удары о стенки или суда, стоящие у направляющих стенок.
Такая же сложная ситуация возникает при подходе (отходе) порожнего
судна к причалу порта, расположенному в середине причального фронта.
9
50
Всего ТП в границах
Волжского бассейна
45
Посадки на мель
40
Столкновения
Количество транспортных происшествий, ед.
35
Повреждения ГТС
Удары, навалы
30
Затопления судов
25
20
15
10
5
0
2007
2008
2009
2010
2011
2012
Годы
Рис. 2. Транспортные происшествия по данным Администрации Волжского бассейна
10
Множество аварийных ситуаций возникает не только при шлюзовании,
швартовке порожних судов и составов при неблагоприятных погодных условиях, но также и в каналах из-за ограниченней скорости движения, при прохождении железнодорожных, автомобильных мостов (удары об устои моста,
реже столкновения), лимитирующих участков.
Из-за недостаточной управляемости порожние нефтеналивные толкаемые составы с теплоходом-толкачем мощностью 2400÷4860 л.с. и двумя секциями грузоподъемностью по 10000 тонн даже при слабом ветре на участке
от Горьковской ГЭС до г. Кстово, протяженностью 81 км, сопровождались
буксировщиком мощностью 600 л.с.
Способы повышения маневренных качеств судов, пути борьбы с авариями, возникающими из-за недостаточной управляемости судов, можно разделить на два направления. К первому относятся те, которые преследуют цель
выбора безопасной траектории движения, ко второму – направленные на
обеспечение возможности следования судна по выбранной траектории.
При внедрении крупнотоннажных судов наиболее актуальным является
второе направление, так как, учитывая слабую предсказуемость и внезапность воздействия внешних сил на судно (ветер, волнение и др.), даже правильный выбор курса следования еще не обеспечивает безопасности плавания, поскольку в конечном итоге важна не заданная траектория сама по себе,
а способность судна пройти по ней с наибольшей возможной точностью. В
зарубежных странах (США, Германии, Японии, Китае), где применение
крупнотоннажного флота нашло распространение, этому направлению придается исключительно большое значение.
Основными решениями по данному направлению в отечественном и зарубежном судоходстве являются: использование поворотных насадок, использование средств активного управления судами, применение вспомогательного флота и др.
Для улучшения управляемости строят грузовые теплоходы с повышенной мощностью главных двигателей. При практически одинаковой грузоподъемности и главных размерениях мощность судовых двигателей одиночных судов увеличилась в 2 раза с 1324 до 2650 кВт. Однако в современных
условиях судоходства в центре России улучшение управляемости судов таким способом не всегда экономически целесообразно.
В связи с ограниченностью пространства при выполнении большей части маневров (швартовые операции в портах, прохождение гидротехнических
сооружений и др.) наиболее актуальным и приемлемым решением является
использование средств активного управления судами - подруливающих
устройств. Особенностью этих устройств является их высокая эффективность
при малых скоростях движения судна, а также возможность его удержания
на заданном курсе при наличии течения, ветровых и волновых возмущений.
Проведенный анализ мощности подруливающих устройств на отечественных грузовых (пассажирских) теплоходах показал, что ее величина
сильно варьируется и определенной закономерности не имеет.
11
В последние годы наблюдается тенденция строительства новых грузовых судов с повышенной мощностью носовых подруливающих устройств и
незначительным изменением дедвейта при одновременном увеличении мощности главной судовой силовой установки (рис. 3). Очевидно, что принятие
решения о повышении мощности подруливающего устройства у ряда судов
было принято без достаточного основания и расчетов эффективности, интуитивно.
Рис. 3. Мощность подруливающих устройств на отечественных грузовых судах
Это свидетельствует о том, что до сих пор отсутствуют методы и способы определения оптимальной мощности подруливающих устройств для судов и составов определенных классов в зависимости от условий эксплуатации и, следовательно, не обеспечивается безопасность судоходства и внедрение более крупных и эффективных судов и составов.
Во второй главе «Особенности определения мощности подруливающего устройства для судов и составов на шлюзованных системах» проанализированы различные методы определения мощности подруливающего
устройства, требования к мощности подруливающих устройств; предложен
аналитический способ определения мощности носового подруливающего
устройства.
Основным недостатком предложений по применению подруливающих
устройств является отсутствие рекомендаций по определению их мощности и
эффективности использования для отдельных типов судов с учетом влияния
условий плавания.
В правилах и руководствах классификационных обществ по подруливающим устройствам предоставляются лишь рекомендации общего характера,
12
конкретные требования к мощности подруливающего устройства для грузовых и составных грузовых теплоходов, толкаемых составов и пассажирских
судов отсутствуют, за исключением Правил Российского Речного Регистра.
Границы потери управляемости для судов и составов устанавливаются в эксплуатационных режимах, а при маневрировании на малых скоростях таких
требований нет и оценку этих требований необходимо проводить с учетом
подруливающих устройств.
Согласно Правилам Российского Речного Регистра необходимая управляемость судов при ветре обеспечивается установкой носового подруливающего устройства с тягой не менее, кН:
- для грузовых теплоходов:
Тпу ≥ 0,03𝐿𝑇
(1)
- для пассажирских судов:
Тпу ≥ 0,04𝑆п (при 𝑆п 𝐿 < 20000 м3 )
(2)
где L – расчетная длина судна, м;
Т – осадка судна в полном грузу, м;
Sп – площадь парусности судна, м2;
0,03; 0,04 – удельная тяга носового подруливающего устройства соответственно для грузовых и пассажирских судов, кН/м2.
Из выражения (1) видно, что для грузовых теплоходов расчет тяги подруливающего устройства осуществляется только на основе данных о подводной части судна в полном грузу, однако, проверка управляемости при ветре,
согласно тем же Правилам Российского Речного Регистра, должна выполняться только для порожнего судна с 10% запасов и топлива, с балластом.
Учитывая, что на отдельных типах грузовых судов очень развита носовая часть, а у некоторых модернизированных судов высота комингсов увеличена до 2÷2,5 метров (то есть больше чем надводный борт судна), то наблюдается некоторое противоречие. Российский Речной Регистр рекомендует
проверять управляемость судов при ветре в условиях, когда влияние ветра на
надводную часть судна наибольшее (площадь парусности судна порожнем с
балластом, 10% топлива и запасов больше площади подводной части в полном грузу), но при этом, в случае потери управляемости, устанавливать подруливающее устройство с тягой, определенной на основе площади подводной
части судна в полном грузу.
Расчеты показывают, что давление ветра силой 6-8 баллов на надводную
часть судна существенно выше приведенных в Правилах Российского Речного Регистра минимальных значений удельной тяги подруливающего устройства. Это свидетельствует о значительном занижении Российским Речным
Регистром необходимых значений тяги подруливающего устройства для грузовых судов.
13
Кроме того, в Правилах Российского Речного Регистра приведены одинаковые требования к скорости ветра при оценке управляемости судов с подруливающим устройством различных классов («М» и «О»; «Р» и «Л»).
Формула (1) не распространяется на составные грузовые суда. Анализ
Правил Российского Речного Регистра показал, что требований к тяге или
мощности носового подруливающего устройства для составных судов в них
не содержится.
Расчет мощности носового подруливающего устройства сводится к решению трех основных задач:
- определение местоположения устройства на судне;
- расчет потребной тяги с учетом сил, действующих на судно;
- оценка мощности, которая требуется для обеспечения заданной тяги.
Выбор места размещения подруливающего устройства на конкретном
судне зависит от расположения остальных механизмов на этом судне. Для
максимизации вращающего момента носовое подруливающее устройство
необходимо размещать как можно дальше от миделя судна.
Расчет потребной тяги подруливающего устройства для всех судов и составов должен выполняться для наиболее опасных условий эксплуатации:
прохождение каналов, акваторий портов, гидротехнических сооружений при
неблагоприятных метеорологических условиях и для судов в порожнем состоянии при ограниченных скоростях движения, когда высока вероятность
возникновения аварийной ситуации (удара, навала, столкновения) из-за потери управляемости.
Проведенный анализ позволил выявить следующую зависимость для
определения тяги носового подруливающего устройства в зависимости от
сил, действующих на судно, состав, кН:
Тпу = 𝑓(𝑌вет , 𝑌теч , 𝑌волн , 𝑇з.т. , 𝑇з.к. )
(3)
где Тпу – тяга подруливающего устройства, кН;
Yвет – боковая составляющая силы ветра, кН;
Yтеч – боковая составляющая силы, создаваемой течением, кН;
Yволн – боковая составляющая силы, создаваемой волнением кН;
Тз.т. – сила засасывания, образующаяся в туннеле подруливающего
устройства, кН;
Тз.к. - сила засасывания, образующаяся на корпусе судна, кН.
Волнение вызывает периодические смещения и повороты судна, часто
нежелательные. Однако оно само по себе, меняя характер движения судна, но
благодаря переменности своего воздействия слабо отражается на управляемости судов. Испытания показывают, что поворотливость судна, практически
не меняется даже на сильном волнении.
Анализ внутренних водных путей России показывает, что на участках,
где выполняется большая часть маневров с использованием подруливающего
устройства (прохождение гидротехнических сооружений, каналов, акваторий
14
портов), течения, как правило, являются правильными или отсутствуют. Поскольку правильные течения в большинстве случаев совпадают с направлением судового хода, то их негативное воздействие на судно, состав преодолевается преимущественно главным движительно-рулевым комплексом.
При выполнении маневров на обозначенных участках пути скорость
движения судна сильно ограничена. В связи с этим сила засасывания, образующаяся в туннеле подруливающего устройства и на корпусе судна также
близка к нулю.
Таким образом, в расчетах мощности ПУ для судов и составов на шлюзованных системах учет усилий создаваемых волнением, течением, а также
силой засасывания малоцелесообразен и ими можно пренебречь. Значительное влияние на управляемость порожнего судна или состава будет оказывать
только ветер.
С учетом этого, автором разработаны следующие универсальные выражения для определения величины мощности носового подруливающего
устройства для различных типов судов, кВт:
- для одиночных грузовых (и пассажирских) судов:
𝐿
𝑁пу =
Д𝑚𝑎𝑥 𝛼в ( (𝐻б − 𝑇̅п + ℎк(ян) ) + ∑ 𝑆нн )
2
УТпу
(4)
- для составных грузовых теплоходов и толкаемых составов:
𝑁пу =
𝐿
𝑗
Д𝑚𝑎𝑥 𝛼в ( (𝐻б − 𝑇̅п + ℎк ) + 𝑘ф ∑𝑖=1 𝐿с (𝐻бс − ̅̅̅̅
𝑇пс + ℎкс ) + ∑ 𝑆нн )
2
УТпу
(5)
где Дmax – давление ветра на надводную часть судна в зависимости от класса
судна и условий его эксплуатации согласно Правилам плавания по внутренним водным путям Российской Федерации, Н/м2;
αв – коэффициент, учитывающий неравномерность воздушного потока
(принимается равным 0,9 ÷ 1 для всех типов судов);
kф – коэффициент, учитывающий форму счала состава;
j – максимальное количество несамоходных секций учаленных в кильватер, ед.;
L, Lс, – расчетная длина соответственно самоходного судна и несамоходной секции-приставки м;
Hб, Нбс – высота борта соответственно самоходного судна и несамоходной секции-приставки м;
̅̅̅п , ̅̅̅̅
Т
Тпс – средняя осадка порожнем соответственно самоходного судна и
несамоходной секции-приставки м;
hк(ян), hкс – высота соответственно комингсов (яруса надстройки пассажирского судна) самоходного судна и несамоходной секции-приставки м;
Sнн – площадь парусности элементов носовой части судна, неучтенных
выше, м2 (неучтенная площадь бака, устройств для перегрузки, упоров и т.д.)
УТпу – удельная тяга ПУ, Н/кВт.
15
В третьей главе «Обоснование оптимальной мощности носовых
подруливающих устройств для судов и составов на шлюзованных
системах» предложен аналитический метод определения экономической эффективности оборудования судов и составов носовым подруливающим устройством; произведена оптимизация мощности и оценка
эффективности применения носовых подруливающих устройств для
грузовых теплоходов и составных грузовых теплоходов.
При остром дефиците инвестиционных ресурсов для обновления
флота организация перевозок в составных, более экономичных судах
является одним из основных и актуальных направлений повышения
конкурентоспособности и реанимации водных перевозок в условиях
рынка, роста внутреннего товарообмена.
Одной из мер по повышению эффективности перевозок грузов в
европейской части России является внедрение составных грузовых теплоходов, грузоподъемность которых за счет секции-приставки увеличивается в 2 раза (строительная стоимость состава выше всего в 1,2 раза).
При этом стоимость содержания такого составного судна увеличивается
всего на 20-25% по сравнению с грузовым теплоходом, себестоимость
перевозок сокращается на 40-50%.
Главным препятствием внедрения эффективных составных грузовых теплоходов, как отмечалось выше, является недостаточная управляемость не только таких составов, но и одиночных грузовых теплоходов.
Анализ показывает, что из-за недостаточной управляемости порожних толкаемых составов при неблагоприятных метеорологических
условиях секции учаливали бортами. Однако такой вариант организации перевозок с использованием судов типа «Волго-Дон» отклоняется
из-за необходимости переформирования состава или раздельного шлюзования секции. Для повышения безопасности судоходства за счет
улучшения управляемости составных грузовых теплоходов необходимо
оборудовать носовым подруливающим устройством повышенной мощности носовую секцию-приставку.
Серьезным пробелом в исследованиях эффективности подруливающих устройств является отсутствие методов определения экономической эффективности оборудования ими судов и составов. Основной
экономический эффект от использования подруливающего устройства
достигается за счет возможности вождения секций-приставок, а также
сокращения времени рейса судна, полного или частичного отказа от
применения вспомогательного флота, сокращения затрат на ликвидацию последствий аварий, что будет способствовать снижению затрат по
доставке грузов и повышению конкурентоспособности перевозок.
16
В диссертации предлагаются для оценки экономической эффективности
оборудования судна или состава подруливающим устройством следующие
выражения:
∆𝜆
п (𝑛
)
(𝑛 + 𝑛п )(Кс + Кнс ) +
Эпу = С𝑛кр
∆𝑡
+
∆𝑡
+
∆𝑡
+
шл шл
пог
нк
100 шл
𝜓
Н𝑘
п
п
(6)
+𝑛кр
− ∑ Кпу
(𝑆до − 𝑆п )𝐺пр 𝑙пр +Трф 𝑡мп 𝑛кр
100
100
{
Ток
пу
= Кпу ⁄Эпу ≤ Тсл
пу
𝑘
где Эпу – эффект от использования подруливающего устройства, руб.;
С - среднесуточная стоимость содержания судна, состава, руб./сут.;
nкрп – количество круговых рейсов судна, состава после оборудования
подруливающим устройством за навигацию, ед.;
nшл, nп – количество шлюзов и портов за круговой рейс, ед.;
∆tшл – экономия времени на шлюзовании после оборудования судна, состава подруливающим устройством, сут.;
∆tпог – экономия времени на стоянке из-за неблагоприятных метеорологических условий за круговой рейс, сут.;
∆tнк – экономия времени на выполнении операций в начально-конечных
пунктах (подход/отход от пристани и т.д.), сут.;
∆λ – изменение вероятности возникновения транспортного происшествия при прохождении шлюзов и портов после оборудования судна, состава
ПУ, %;
Кпу, Кс, Кнс – соответственно стоимость подруливающего устройства,
самоходного судна и секции-приставки, руб.;
Sдо, Sп – себестоимость перевозки соответственно до и после оборудования грузового теплохода секцией-приставкой, руб./ткм;
Gпр – грузоподъемность приставки, т;
lпр – расстояние проходимое секцией-приставкой с грузом за круговой
рейс, км;
Трф – тариф за услуги вспомогательных судов, руб./судо-сут.;
ψ – вероятность возникновения неблагоприятных метеорологических
условий для рассматриваемого судна, %;
tмп – затраты времени на выполнение маневров за круговой рейс судном,
составом, сут.;
Нk – отчисления по подруливающему устройству на топливо и смазочные материалы, ремонт и т.д., %;
Тпуок, Тпусл – соответственно срок окупаемости и нормативный срок
службы ПУ, г.
Результаты расчетов по определению оптимальной мощности носового
подруливающего устройства для грузового теплохода проекта 05074 и составного грузового теплохода проекта 05074 соответственно грузоподъемностью 5000 и 10000 тонн приведены на рисунке 4. Результаты оптимизации
17
мощности подруливающего устройства, представленные на рисунке 4, получены с использованием программы MS Excel 2007.
Из рисунка 4 видно, что для одиночного теплохода оптимальная мощность носового подруливающего устройства составляет около 250 кВт, для
составного грузового теплохода – 500 кВт. Использование подруливающих
устройств с мощностью, отличной от оптимальной, не позволяет достигать
максимального экономического эффекта от их эксплуатации.
Подруливающие устройства с малой мощностью создают меньше сил
при преодолении (уравновешивании) сил, действующих на судно, то есть, по
сути, они не обеспечивают необходимую управляемость судна (состава), безопасность плавания при неблагоприятных условиях, при которых судно может и должно эксплуатироваться. Следовательно, судну либо потребуется
дополнительная тяга, либо оно будет вынуждено простаивать, пережидая неблагоприятные условия. Оба действия являются экономически невыгодными
и ведут к дополнительным затратам или авариям.
При использовании подруливающих устройств повышенной мощности
экономический эффект также будет ниже, чем при использовании подруливающего устройства оптимальной мощности. В данном случае подруливающее устройство, которое может обеспечить маневрирование судна при более
сложных метеоусловиях, но при которых эксплуатация судна не допускается,
следовательно, повышенная мощность не нужна и дополнительные затраты
судовладельца не окупятся.
Расчеты показывают, что для грузового теплохода проекта 05074 грузоподъемностью 5000 тонн при работе на водных путях европейской части
России срок окупаемости подруливающего устройства оптимальной мощности составит 11-13 лет, у составного грузового теплохода грузоподъемностью
10000 тонн – 5-6 лет.
Оценка эффективности оборудования указанных выше судов носовым
подруливающим устройством, проведенная с помощью математического
описания движения судна, показывает, что:
- угол ветрового дрейфа судна, состава сокращается в среднем на 10-12°
для грузового теплохода, на 14-16° - для составного грузового теплохода;
- угол перекладки органа управления судном, составом при опасном
направлении ветра по потребному углу перекладки органа управления сокращается на 7-9°;
- скорость выдерживаемого навального ветра при выполнении маневров
«привал» и «отвал» повышается почти в 2 раза для обоих типов судов.
Величина оптимальной мощности для некоторых других типов транспортного флота приведена в таблице 2.
Из данных таблицы 2 видно, что значения мощности подруливающего
устройства, полученные тремя способами, в большинстве случаев отличаются друг от друга и от мощности уже установленных подруливающих
устройств на рассматриваемых судах.
18
35
4000
30
3000
25
2000
1000
20
Мощность подруливающего устройства, кВт
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
15
-1000
-2000
10
Срок окупаемости подруливающего устройства, годы
Экономический эффект от использования подруливающего устройства, тыс. руб.
5000
Экономический эффект от
использования ПУ на
грузовом теплоходе (проект
05074)
Экономический эффект от
использования ПУ на
составном грузовом
теплоходе (проект 05074)
Срок окупаемости ПУ на
грузовом теплоходе (проект
05074)
Срок окупаемости ПУ на
составном грузовом
теплоходе (проект 05074)
-3000
5
-4000
-5000
0
Рис. 4. Результаты оптимизации мощности подруливающего устройства для условий Волжско-Камского бассейна
19
Таблица 2
Результаты сравнительных расчетов мощности подруливающего устройства судов и составов
№
Тип (класс), проект судна
Класс Регистра
Дедвейт,
т
Габариты судна,
состава (L x B x H)
Мощность
ГД, кВт
Мощность
установленных
ПУ, кВт
Мощность
ПУ по методу
подобия, кВт
Мощность ПУ на основе,
кВт:
Российского
Формулы
Речного
автора
Регистра
Самоходные грузовые суда
1
Проект RST11 (нал.)
М-СП 3,5
6586
128,6 х 16,5 х 5,5
2 х 736
65
239-269
97-105
240-260
2
"Волгонефть", проект № 1577, 550А (нал.)
О
6654
132,6 х 16,5 х 5,5
2 х 736
72
240-270
100-108
160-175
3
"Волго-Дон", проект № 1565, 507Б (сух.)
О
5650
135 х 16,5 х 5,5
2 х 662
72
241-270
102-110
160-175
4
Проект RSD35 (сух.)
М-СП 3,5
6192
135 х 16,5 х 5,5
2 х 810
72
237-266
102-110
250-270
5
Проект 05074 (сух.)
КМ Л4 IIСП
6100
135 х 16,5 х 5,5
2 х 883
95
242-273
102-110
240-260
6
"Волго-Дон макс", RSD44 (сух.)
М-ПР 2,5
5549
138,9 х 16,5 х 5
2 х 1200
120
226-254
105-113
230-250
7
"Волго-Дон макс", проект RSD20 (сух.)
КМ ЛУ2 IIСП А1
7162
133,2 х 16,5 х 6,2
1800
125
243-274
101-108
245-265
8
"Надежда", проект 006RSD02 (сух.)
КМ ЛУ2 IIСП А1
7078
133,8 х 16,5 х 6
2 х 1150
160
236-266
101-109
270-290
9
"Хазар", проект RSD19 (сух.)
КМ ЛУ2 IСП A1
7004
135,69 х 16,5 х 6
2 х 1200
200
248-279
103-110
275-300
10
"Волго-Дон макс", проект RSD49 (сух.)
КМ Ice2 IIСП AUT1
7154
135,74 х 16,5 х 6
2 х 1200
200
246-276
103-111
280-300
11
"Танаис", проект 007RSD07 (сух.)
КМ ЛУ1 IIСП А3
7215
135 х 16,5 х 6
2 х 1120
200
248-279
102-110
275-295
12
"Palmali Traider", проект 006RSD05 (сух.)
КМ ЛУ1 IIСП А1
6970
134 х 16,5 х 6
2 х 1120
230
244-275
101-109
270-290
13
Проект RST27 (нал.)
КМ Ice1 IIСП AUT1
7022
137,1 х 16,7 х 6
2 х 1200
230
245-276
104-112
280-300
Составные грузовые теплоходы
1
Проект 1566
О / О*
9700**
241 х 16,5 х 5,5/5,5
1324
72 / 72*
400-450
182-196
455-490
2
Проект 05074
О / О*
10000**
253 х 16,5 х 5,5/5,5
1766
95 / 95*
415-465
186-200
485-520
Толкаемые составы
1
Проект № 112 (Т) + 2 х проект № 81500 (Б)***
О
6000**
221 х 14,2 х 4,2
880
-
300-340
135-150
350-380
2
Проект № 428 (Т) + 2 х проект № 1787 (С)***
О
7500**
270 х 14,2 х 4,8
1470
-
380-420
230-250
410-450
*первое значение соответствует грузовому теплоходу, второе секции-приставке
**грузоподъемность
*** Т – толкач, Б – баржа, С - секция
20
Проведенные расчеты мощности подруливающего устройства на основе
рекомендаций Российского Речного Регистра, показывают значения мощности подруливающего устройства для грузовых теплоходов в пределах 97÷113
кВт, то есть по сравнению с результатами, полученными на основе оптимизации почти в 2,5 раза ниже.
Анализ мощности подруливающих устройств судов зарубежной постройки показал, что мощность их подруливающих устройств, адаптированная к габаритам отечественных судов с использованием метода подобия, составляет 226-283 кВт, то есть значения расчетной мощности подруливающих
устройств для существующих судов (табл. 2) имеют хорошую сходимость с
результатами расчетов автора.
Мощность установленных подруливающих устройств на судах более
ранней постройки в 2-3,8 раза меньше оптимальной.
Мощность подруливающего устройства, полученная по результатам оптимизации для составных грузовых теплоходов, превышает мощность уже
установленных подруливающих устройств в 4-6 раз.
Таким образом, подруливающие устройства на отечественных судах и
составах не способны обеспечить безопасность перевозок на шлюзованных
системах европейской части России. Для улучшения управляемости и обеспечения безопасности судоходства при неблагоприятных условиях эксплуатации и при движении в порожнем состоянии новые суда и составы необходимо оборудовать носовыми подруливающими устройствами оптимальной
мощности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации автором разработана совокупность методов, составляющих теоретические основы повышения безопасности и эффективности судоходства на шлюзованных водных системах европейской части России.
Основные результаты исследования и рекомендации заключаются в следующем:
1. Проанализировано современное состояние грузовых перевозок, флота
и безопасности судоходства на внутренних водных путях России.
Объемы перевозок грузов (пассажиров) отечественным внутренним водным транспортом сократились за период реформирования экономики страны
Около 40% предприятий водного транспорта убыточны (не покрывают
доходами свои расходы). Износ основных фондов отрасли достиг критических значений. Более 60% всего флота эксплуатируется за пределами срока
нормативного использования.
Из-за недостаточной управляемости судов и составов при движении в
порожнем состоянии и неблагоприятных условиях судоходства происходят
навалы, удары, посадки на мель, затопление судов, что сдерживает внедрение
крупнотоннажных транспортных средств, которые могут значительно повысить эффективность перевозок, особенно внешнеторговых грузов. Решение
21
данной проблемы заключается в использовании носовых подруливающих
устройств оптимальной мощности.
2. Разработан способ определения мощности носового подруливающего
устройства для судов разных классов и условий их эксплуатации. Расчеты
показали, что мощность носового подруливающего устройства:
- для судов типа «Волго-Дон», «Волгонефть» класса «О» должна составлять 160-175 кВт;
- для современных отечественных судов смешанного река-море плавания типа RSD, RST – 230-300 кВт.
Для составных грузовых теплоходов на базе судов типа «Волго-Дон»
класса «О» мощность подруливающего устройства в носовой несамоходной
секции должна составлять 460-520 кВт.
3. Выполненные сравнительные исследования по определению мощности подруливающего устройства для типовых судов по различным методам
(Российского Речного Регистра, автора и т.д.) показали, что по действующим
нормам Российского Речного Регистра по сравнению с автором мощность
носового подруливающего устройства:
- на судах типа «Волго-Дон» проектов 507Б класса «О», танкерах проектов 558, 1577 занижена в 2-2,5 раза;
- на современных отечественных судах смешанного река-море плавания
ниже на 20-30%.
4. Разработан метод определения экономической эффективности оборудования подруливающим устройством судов и составов в зависимости от
условий судоходства (наличия шлюзов, протяженности каналов и др.).
Проведенные автором расчеты показали экономическую целесообразность использования на судах и составах подруливающих устройств. При использовании одиночного грузового теплохода смешанного река-море плавания проекта 05074 грузоподъемностью 5000 тонн с подруливающим устройством мощностью около 250 кВт и составного грузового теплохода класса
«О» проекта 05074 грузоподъемностью 10000 тонн с подруливающим
устройством мощностью около 500 кВт на шлюзованных системах срок окупаемости устройства составит от 5 до 25 лет в зависимости от условий эксплуатации и типа судна (без учета расходов на ликвидацию аварий).
5. Разработанные методы позволяют выработать рекомендации по определению оптимальной мощности подруливающего устройства для новых
транспортных судов, особенно для крупнотоннажных толкаемых составов, с
целью повышения безопасности и эффективности судоходства. Только потенциальный годовой эффект при использовании составных грузовых теплоходов в расчете на 1 млрд. ткм грузооборота составит свыше 220 млн. рублей
за навигацию в зависимости от условий эксплуатации.
6. Проведенное диссертационное исследование выявило ряд недостатков
в нормативных публикациях Российского Речного Регистра и Российского
Морского Регистра Судоходства относительно безопасности судоходства,
которые нуждаются в корректировке.
22
ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России
1. Ионов, С.Е. Проблемы эффективности и безопасности судоходства на
внутренних водных путях / С.Е. Ионов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2013. - № 1 – С. 155-158. В соавторстве.
2. Ионов, С.Е. Безопасность и эффективность судоходства: проблемы и
решения / С.Е. Ионов // Речной транспорт (XXI век). – 2013. - № 4 (63). – С.
79-80. В соавторстве.
Материалы, вынесенные на научные конференции и другие печатные
издания
3. Ионов, С.Е. Анализ состояния перевозок водным транспортом в центральном бассейне России : сборник статей участников Девятых Прохоровских чтений «Инновационный путь развития транспортной отрасли» / С.Е.
Ионов. – Н. Новгород : Типогр. «Автор», 2013. – С. 128-129.
4. Ионов, С.Е. К вопросу повышения эффективности организации международных перевозок в коридоре Север-Юг-Север : сборник статей участников Девятых Прохоровских чтений «Инновационный путь развития транспортной отрасли» / С.Е. Ионов. – Н. Новгород : Типогр. «Автор», 2013. – С.
130-131. В соавторстве.
5. Ионов, С.Е. Повышение безопасности и эффективности судоходства
на шлюзованных системах центра России / С.Е. Ионов // Вестник ВГАВТ. –
2013. – № 34. – С. 129-132. В соавторстве.
6. Ионов, С.Е. Проблемы и перспективы развития грузовых перевозок в
коридоре Север-Юг-Север / С.Е. Ионов // Перспективные инновации в науке,
образовании, производстве и транспорте : сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. - Одесса : Черноморье, 2011. – Т. 1. – С. 20-23. В соавторстве.
23