Подводный танкер

1 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Анализ скорости хода В техническом задании на проектирование подводного танкера задана полная подводная скорость судна Обычно, крейсерская скорость () меньше максимальной и равна, т. е. Как показывает статистика [1], максимальная скорость подводного хода современных боевых подводных лодок находится в пределах от 18 до 35 узлов, т. е. уровень предлагаемой в техническим заданием максимальной подводной скорости уже достигнут в подводном судостроении. Как показывают опубликованные источники [2], для популярных (арктических) линий считается экономически целесообразной максимальная скорость в 19−20 узлов и заданная в техническом задании полная скорость является экономически оправданной.

Что касается безопасности движения с данной скоростью в полярных областях, где возможны встречи с айсбергами и другими опасностями, нужно отметить, что при движении с крейсерской скоростью, судно каждую секунду будет проходить путь в 10 — 11 метров. Средняя реакция человека при возникновении опасности занимает, примерно 60 сек, то навигационную опасность следует обнаружить как минимум за 600−660 метров, следовательно, рекомендуется выбрать гидроакустическую станцию с надежной дальностью обнаружения навигационной опасности не менее 0,6 км.

Вывод: скорость, предложенная техническим заданием, приемлема и экономически оправдана для проектируемого подводного танкера.

1.2 Анализ формы обводов Круговые обводы характерны для скоростных судов, потому что у них наиболее выгодное соотношение смоченной поверхности и охватывающего её объёма, и в случае достаточно тихоходного судна (по техническому заданию) они не дают большой выгоды. Но с другой стороны, подобные обводы позволяют упростить конструкцию корпуса, обеспечить более высокие уровни механизации корпусно-сборочных работ при постройке судна, к тому же эти конструкции обладают меньшей массой единицы объёма — всё это в итоге уменьшает строительную стоимость. Кроме того, расчеты по теории корабля табулированы только для круговых обводов.

Однако при круговой форме обводов следует иметь в виду, что они приводят к большой осадке в надводном положении при одинаковом значении водоизмещения, следовательно, потребуются более глубокие построечные места, более глубокие акватории для постановки в док, и более глубокие порты и гавани для размещения погрузо-разгрузочных терминалов во время эксплуатации. Кроме того, для корпусов с круговой формой более сложно обеспечивается поперечная остойчивость, сложно создать расширительные шахты.

Вывод: несмотря на существующие недостатки, круговая форма обводов обладает и рядом положительных свойств — принимается требование технического задания о круговой форме корпуса.

1.3 Анализ глубины погружения В техническом задании задана предельная глубина погружения. Следовательно, расчетная глубина погружения, а рабочая .

Большинство современных подводных лодок имеют предельную глубину погружения в пределах 300 — 500 м, т. е. в этом случае требование технического задания находится на нижнем пределе величины предельной глубины погружения и может быть выполнено на современном уровне подводного судостроения.

Если же начать исследовать эту величину во взаимодействии с другими ограничениями (природными, эксплуатационными, конструктивными и т. д.), то надлежит отметить следующее. С точки зрения безопасности плавания в подводном положении заглубление танкера (по глубиномеру центрального поста) должно быть не менее 40 метров, т.к. наибольшее надводное судно — «Мару» имеет осадку в грузу. Если рассматривать плавание в полярных областях, где паковый лёд порой заглубляется на 5 -6 метров, а ледовые кили («бороды») имеют заглубление 30 — 40 метров, а в отдельных случаях 100 и более метров, рабочий коридор глубин 150 — 250 метров (с учетом время реакции на опасность не более 60 сек) будет наиболее приемлемым с точки зрения безопасности плавания.

Вывод: в техническом задании величина предельной глубины погружения с точки зрения безопасности плавания — оптимальна.

1.4 Анализ автономности плавания В техническом задании задана автономность — 50 суток. При крейсерской скорости, дальность плавания равна:

Пробуем оценить требуемую автономность. Если принять в качестве расчетного рейс из района Штокмановского месторождения до портов Японии через Арктические моря и Берингов пролив (не более 9 000 км или 4 860 миль) при средней крейсерской скорости 20 узлов в прямом и обратном направлении время:

.

С учетом времени разгрузочно-погрузочных работ при и средней производительности насосов при выгрузке за одни сутки примерно 2 — 3 суток, общая продолжительность рейса составит не более 30 суток.

Вывод: автономность в техническом задании несколько завышена, но позволяет осуществлять перевозки между любыми точками Мирового океана.

1.5 Анализ численности экипажа В техническом задании предложена численность экипажа — 35 человек. Количество членов экипажа зависит в первую очередь от уровня автоматизации, во-вторых, от внутренней организации службы на судне. На плавающих боевых атомных подводных лодках в зависимости от типа и водоизмещения по опубликованным данным численность экипажа составляет от 22 до 160 человек. т. е., требование технического задания лежит в пределах существующей практики. В тоже время при трехсменном графике вахт из 35 человек команды к несению вахт по уставу торгового флота России могут быть привлечены 30 человек (без капитана, помощника по грузу, врача и кока с помощником). С другой стороны, для управления ППУ в сутки требуется минимум 3 человека, для управления турбинной установкой также требуется минимум 3 человека, для управления судном на ходу требуется 9 человек (3 чел. — на горизонтальных рулях, 3 чел. — на вертикальном руле, 3 чел. — штурманов), для управления системой «погружение-всплытие» — 3 чел., для управления электроэнергетической системы 3 чел., на гидроакустической системе -3 чел., вахта на посту обслуживания гидронавигационных приборов 3 чел., вахтенные трюмные — 3 человека. Также необходим вахтенный начальник в центральном посту, им может быть главный механик. Также необходим боцман.

Вывод: прямой счет показывает, что для нормальных условий эксплуатации численность экипажа должна быть равной не менее, чем 37 человек, но эта разница может быть скомпенсирована за счет более высокой степени автоматизации, поэтому численность экипажа остаётся равной 35 человек и требования технического задания позволяют безопасно эксплуатировать подводный танкер.

1.6 Анализ запаса плавучести Что касается требований по запасу плавучести 10%, то необходимо отметить, что эта величина у плавающих боевых подводных лодок лежит в пределах от 10% до 35%, т. е. заданное значение лежит в информационном поле статистических данных. Нельзя не отметить, что, вероятно, судно должно отвечать требованиям по надводной непотопляемости («при затоплении одного отсека и двух цистерн с одного борта судно должно оставаться на плаву…»). В этом случае при коэффициенте утилизации по грузоподъемности нормальное водоизмещение для нашего судна будет:

а запас плавучести (т.е. объём ЦГБ):

Даже не учитывая дополнительную плавучесть груза:

можно объём каждого отсека в первом приближении принимать равным VOTC < 780 м³, что вполне достаточно для размещения как ППУ, так и ПТУ, учитывая, что энерговооруженность на современных атомных подводных лодках лежит в пределах 25 — 90 л.с./м3.

Вывод: требование надводной непотопляемости может быть выполнено, т. е. относительная величина запаса плавучести 0.1 позволяет это сделать.

1.7 Анализ плотности груза Техническим заданием задана плотность груза. Такую плотность имеет авиационный бензин и при определенных условиях природный сжиженный газ (либо под давлением, либо глубоко охлажденный), а также керосин. Очевидно, что такого вида груз может быть получен лишь при определенной заводской переработке нефти (авиационный бензин, керосин) или после предварительной подготовки газоконденсата.

Вывод: этот факт, будет влиять на выбор района эксплуатации судна. В нашем случае будем полагать, что судно будет загружаться именно на таких терминалах.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ МОДЕЛЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТАНКЕРА Исследования российских геологов, проводившиеся под руководством академика Игоря Грамберга, показывают, что акватория Северного Ледовитого океана может стать крупнейшей нефтегазоносной провинцией на земле. Под толщей океанской воды и льдов, по предварительным оценкам, ждут своего часа 100 миллиардов тонн условного топлива. На одном только Штокмановском газоконденсатном месторождении в Баренцевом море можно добывать в год 50 миллиардов кубометров газа (для сравнения: на богатом Ковыктинском месторождении в Иркутской области добывается 25 миллиардов кубометров газа в год, на Заполярном в Ямало-Ненецком автономном округе — 32.5). А есть еще богатые Русановское и Ленинградское газовые месторождения, расположенные в южной части Карского моря, крупное нефтяное месторождение Приразломное в Печорской губе. В данный момент они не разрабатываются. При этом, как утверждают специалисты Всероссийского научно-исследовательского института геологии и минеральных ресурсов Мирового океана, разработка этих месторождений в полной мере решит энергетическую проблему России на несколько десятков лет вперед.

Однако насколько привлекателен арктический Клондайк, настолько он и труден в освоении, — говорит заведующий отделом нефтегазоносности Арктики и Мирового океана упомянутого института доктор геолого-минералогических наук, профессор Олег Супруненко. — Например, Штокмановское месторождение расположено в 600 километрах от Кольского полуострова, где глубина моря доходит до 360 метров. При этом акватория Баренцева моря известна своими суровыми климатическими условиями, окно хорошей погоды здесь составляет один-два месяца в году, а температура воды редко когда поднимается выше девяти градусов, да и ледяной покров не редкость для этих мест. Чем дальше к полуострову Ямал, тем дела обстоят хуже, в тех краях можно натолкнуться на айсберги или дрейфующие ледовые поля, да и климат здесь пожестче" .

Подводными путями груз может доставляться к месту назначения в два раза быстрее, чем надводными маршрутами. Загруженные под завязку танкеры могут отправиться через Атлантику в Америку, а по северному трансполярному маршруту через Берингов пролив в Тихий океан к берегам Японии.

Изготовление подводных мегатанкеров уже сегодня готов взять на себя северодвинский завод «Севмаш». Во времена своего расцвета это предприятие выпускало шесть стратегических подводных лодок в год. Сегодня «Севмаш», испытывающий недостаток заказов, берется построить судно за три года, а стоимость его может составить ориентировочно 200 миллионов долларов.

Специалисты провели сравнительный анализ энергетических установок разного типа. Они проанализировали работу в условиях ограниченного подводно-подледного пространства электрохимических установок, дизельного и ядерного оборудования и пришли к выводу, что для производства и жизни людей в регионах Севера атомная энергетика наиболее приемлема. Долгие годы Кольская и Билибинская атомные станции бесперебойно обеспечивают энергией города, крупные промышленные и оборонные объекты. Флот атомных ледоколов освобождает ото льда Северный морской путь в течение всего года. Разумеется, возникает вопрос обеспечения безопасности, однако Евгений Велихов уверен, что, «случись трагедия с подводной лодкой, заправленной дизельным топливом, мы бы имели катастрофу почище Чернобыля» .

Развитие подводного флота на Арктике перспективно при следующих условиях. Во-первых, порты должны находиться в устьях крупных рек: Оби, Енисея и Лены, и на побережье Арктики, где глубины позволяют проходить подводным лодкам. Во-вторых, подводный флот будет ориентирован на судоходство под льдами Арктики. Он может выполнять как каботажные рейсы, так и трансарктические, а также рейсы с выходом в порты других стран. Наиболее перспективен выход в порты Северной Европы и Юго-Восточной Азии. В-третьих, подводные суда скорее всего будут ориентированы на перевозки контейнеров и наливных грузов. Хотя, возможно использование лодок для перевозок сыпучих грузов.

Подводный флот, при всех его затратах и повышенном риске, тем не менее позволяет разрешить кардинальным образом главную проблему СМП — необходимость ледовой проводки и краткосрочность навигации. Для подводного судна, идущего подо льдом, не нужен ледокол, и навигация подводного флота может быть круглогодичной, что является решающим для создания полноценного выхода Сибири в мировые морские коммуникации.

Исходя из вышесказанного, модель транспортировки нефти проектируемым танкером выглядит следующим образом:

Подводный танкер загружается авиационным бензином, сжиженным газом, либо керосином в порту Мурманска или любом другом подходящем порту региона. Загрузка производится в надводном положении средствами порта.

Танкер в надводном положении выходит из порта с помощью буксиров, следует по определенному маршруту по Северному морскому пути. Войдя в зону сплошных льдов, он погружается и далее идет на крейсерской скорости 17 узлов (около 31 км/час) на глубине 150−200 м к пункту назначения — этот режим хорошо отработан атомными подводными лодками.

В случае необходимости, а также недостаточных глубин, происходит изменение глубины плавания и уменьшение скорости движения. Наиболее опасным участком является район Берингова пролива.

Расчетным пунктом назначения являются порт Иокогама в Японии и порт Шанхай в Китае. При подходе к району порта происходит всплытие на поверхность, с помощью портовых буксиров производится швартовка к нефтяному терминалу, производится выгрузка груза судовыми средствами.

Танкер выходит из порта и следует в место погрузки обратным маршрутом.

Приблизительная длина маршрута Мурманск — Иокогама 9800 км, Мурманск — Шанхай — 11 900 км.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ И ПОСТОЯННОГО ПЛАВУЧЕГО ОБЪЕМА

3.1 Определение постоянного плавучего объема Постоянный плавучий объем определяется из уравнения:

где ;

коэффициент, учитывающий удельный объём дифферентных и уравнительных цистерн, ;

коэффициент, учитывающий удельный объём конструкций, трубопроводов, устройств, остаточной воды, расположенных снаружи прочного корпуса, .

— объём жилых и служебных помещений;

— плотность перевозимого груза;

— коэффициент учитывающий объём корпусных конструкций, трубопроводов;

— удельный объём насосных помещений;

удельная энергонасыщенность отсеков ЭУ, определяемая из соотношения:

Ne — мощность энергетической установки судна, определяемая приближенно по формуле:

где — адмиралтейский коэффициент, принимаемый по рекомендациям;

— скорость судна по техническому заданию;

л.с.

VППО=66 480

3.2 Определение водоизмещения Водоизмещение судна определяем из уравнения:

где — вес корпусных конструкций, т;

— измеритель массы корпуса;

— вес главной и вспомогательной ЭУ, т;

— измеритель массы ЭУ;

— вес оборудования, т;

— измеритель веса оборудования;

— вес твёрдого балласта;

— измеритель веса твёрдого балласта;

+Pтдедвейт судна, т;

— вес команды и судовых запасов, принимаемых на один рейс;

— масса экипажа;

n=35 чел — численность экипажа;

— масса запасов определяемая по формуле:

A=50 суток — автономность.

DW=40 180

Dн=67 950

Погрешность оценим по формуле:

Д=-0,003

Как видно условие выполнено.

4. НАГРУЗКА И ОБЪЕМЫ СУДНА

4.1 Объем голого корпуса (без учета выступающих частей) Объём жилых и служебных помещений принимаем .

Объём помещений грузовых насосов определим по формуле:

Объём помещений ГЭУ

VГЭУ=2260

Объём уравнительных и дифферентных цистерн, конструкций внутри прочного корпуса:

.

Объём легких и прочных грузовых танков определим из соотношения:

.

найдём из соотношения:

.

.

Объём конструкций и других устройств принимаем в размере 0.03 от :

.

Объём цистерн главного балласта определим по формуле:

.

Объём проницаемых частей:

Расчёт объёмов голого корпуса представлен в табл. 4.1.

Таблица 4.1 — Объёмы голого корпуса

4.2 Нагрузка масс судна Масса корпуса судна определяется по формуле:

Масса механизмов:

Масса оборудования:

где: относительный измеритель массы оборудования, .

Масса твёрдого балласта:

где относительный измеритель массы твёрдого балласта,

Масса груза по техническому заданию .

Масса экипажа и запасов

Расчёт нагрузки представлен в табл. 4.2.

Таблица 4.2 — Расчёт нагрузки масс

5. ГЛАВНЫЕ РАЗМЕРЕНИЯ И КОМПОНОВКА

5.1 Определение главных размерений Длину судна и максимальный диаметр будем находить по рекомендациям где длина цилиндрической части;

или или где коэффициент общей полноты оконечностей и цилиндрической части соответственно, для обводов Янга и т. к обводы круговые;

длинна оконечностей и цилиндрической части соответственно;

Принимаем длину носовой оконечности

Кормовой оконечности

5.2 Обводы корпуса и эпюра ёмкости В соответствии с заданными отношениями диаметров корпуса и максимального диаметра, соответствующими форме обводов оконечностей по Янгу, определяем значения диаметров корпуса (шпангоутов) в оконечностях.

Строим обводы корпуса, учитывая что:

шпация по Янгу для носовой оконечности будет:

шпация по Янгу для кормовой оконечности будет:

Расчёт по определению диаметров шпангоутов представлен в таблице 5.1.

Для построения эпюры ёмкости определяем площади шпангоутов по формуле где: диаметр соответствующего шпангоута.

Результаты вычислений площадей шпангоутов представлены в таблице 5.1 Обводы корпуса и эпюра ёмкости представлены на рисунке 5.1.

подводный танкер посадка водоизмещение рулевой

Таблица 5.1 — Площади шпангоутов

5.3 Размеры прочного корпуса Так, как минимальная высота межбортового пространства равна, то диаметр прочного корпуса будет не более:

Из соображения по остойчивости веса, прочный корпус рекомендуется сместить ближе к надстройке, так чтобы расстояние между нижними частями прочного и легкого корпуса было 1.2−1.5 м. Расстояние между верхней точкой прочного корпуса и верхней точкой легкого корпуса примем равным 0.8 м.

Тогда длинна прочного корпуса будет:

где площадь сечения прочного шпангоута,

.

5.4 Положение носовой и кормовой переборок Для размещения носовой и кормовой переборок последуем рекомендациям:

Тогда длина прочного корпуса будет:

Теоретическая шпация равна:

По эпюре ёмкостей проводим проверочный расчёт непроницаемого объёма. Данный расчёт производится в таблице 5.2.

Таблица 5.2 — Объём непроницаемых частей

В результате расчёта получаем объём непроницаемой части .

Оценим погрешность:

5.5 Расположение отсеков внутри прочного корпуса (общее расположение) В кормовой и носовой частях прочного корпуса расположены цистерны вспомогательного балласта. Их объём определим по формуле:

где удельный объём цистерн вспомогательного балласта:

Тогда объём кормовых цистерн вспомогательного балласта будет:

Объём носовых цистерн вспомогательного балласта:

Длинна цистерн вспомогательного балласта будет:

В нос от кормовых цистерн вспомогательного балласта разместим энергетический отсек. Длинна энергетического отсека будет:

В нос от энергетического отсека разместим помещение грузовых насосов. Их дина будет:

В корму от цистерн вспомогательного балласта разместим жилые и служебные помещения. Их длинна будет:

Оставшаяся часть корпуса будет приходится на прочные грузовые танки.

5.6 Расположение отсеков снаружи прочного корпуса Цистерны главного балласта делятся на три группы: носовую, среднюю и кормовую. Объёмы всех трёх групп принимаем равными:

Согласно эпюре ёмкости длина каждой группы цистерн будет:

Объём кормового и носового лёгких танков принимаем одинаковыми, т. е.:

Эскиз общего расположения представлен на рисунке 5.1.

6. УДИФФЕРЕНТОВКА СУДНА Судно считается удифферентованным при определяем интегрированием эпюры ёмкости, приведённым в таблице 6.1

По результатам расчёта, приведённого в таблице 5.1 имеем:

По результатам расчёта, приведенного в таблице № 5.2 имеем:

и совпадают.

На аппликату центра тяжести накладывается ограничения по остойчивости:

где

определяем по результатам расчёта, приведённого в таблице 6.2

условие выполняется.

Таблица 6.1 — Объём непроницаемых частей

Таблица 6.2 — Расчёт центра тяжести

7. РАСЧЁТ ПОСАДКИ И ОСТОЙЧИВОСТИ Расчёт остойчивости производим при следующих допущениях:

— отсутствие дифферента

— равномерное затопление всех ЦГБ

— погружение и всплытие производится за один приём.

По ординатам теоретических шпангоутов, таблица 7.1, вычисляются гидростатические характеристики с помощью программы САПР «Проект 1», представленные в таблице 7.2.

Для построения кривой необходимо рассчитать гидростатические элементы ЦГБ.

Дальнейшие расчёты представлены в таблице 7.3, по которой строятся кривые гидростатических элементов ЦГБ, представленные на рисунке 7.1. В таблице 7.4 определяются аппликаты центра тяжести ПЛ при погружении всплытии.

Координаты шпангоутов задаются аналитически:

8. НАДВОДНАЯ НЕПОТОПЛЯЕМОСТЬ По ординатам теоретических шпангоутов рассчитываем масштаб Бонжана, приведённый в таблице 7.1 и на рисунке 7.1.

Задаёмся осадками:;; ;

И рядом углов дифферента:.

Находим для каждой посадки по масштабу Бонжана водоизмещение и абсциссу центра величины. Результаты приведены в таблице № 7.2. По таблице строится диаграмма надводной непотопляемости, представленная на рисунке № 7.2.

Не аварийная посадка в грузу:

Аварийная посадка (считаем затопленным энергетический отсек, его коэффициент проницаемости)

По диаграмме надводной непотопляемости:

Та < Dмах, следовательно подводный танкер остаётся на плпву при затоплении энергетического отсека

Таблица 7.1- Условные массы по расчётным шпациям (масштаб Бонжана)

Рисунок 8.1 — Масштаб Бонжана Таблица 8.2 — Расчёт диаграммы надводной непотопляемости

9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КРПУСА Предельная глубина погружения ;

Диаметр прочного корпуса ;

Материал прочного корпуса — сталь АК — 25

Расчётное давление:

Толщина обшивки:

где радиус прочного корпуса,

Принимаем

Шпация:

Площадь поперечного сечения шпангоута:

Минимальный момент инерции поперечного сечения шпангоута:

Таблица 9.1 — Расчет момента сопротивления шпангоута

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВОГО КОМПЛЕКСА Диаметр винта определим по формуле:

Общая площадь двух вертикальных, симметрично горизонтальной плоскости, кормовых рулей:

Общая площадь двух горизонтальных, симметрично вертикальной плоскости, кормовых рулей:

Общая площадь двух горизонтальных, симметрично вертикальной плоскости, носовых рулей:

Общая площадь двух горизонтальных, симметрично вертикальной плоскости, кормовых стабилизаторов:

Исходя из полученных площадей ДРК, определяем размеры рулей и стабилизаторов. В результате расчета получили следующие габариты ДРК:

— стабилизаторы (ГСК) :4,8 х 9

— вертикальный (ВКР): 7,0×9,4 м

— горизонтальный кормовой руль (ГКР):9,4×10,7 м

— горизонтальный носовой руль (ГНР): 6,11×8,4 м

10.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРАТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ПОДВОДНОГО ТАНКЕРА Сопротивление судна определяется по формуле:

где

коэффициент трения эквивалентной пластины, число Рейнольдса, максимальная длина подводной лодки, коэффициент кинематической вязкости, площадь смоченной поверхности, принимаем

где:

Необходимая мощность ЭУ:

где пропульсивный КПД, КПД валопровода, КПД передачи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спроектированный подводный танкер удовлетворяет требованиям технического задания.

Расхождения весового и объемного водоизмещений находится в пределах установленных норм.

Из диаграммы надводной непотопляемости видно, что лодка при затоплении МО удовлетворяет условиям непотопляемости.

1. Теория подводной лодки. Под ред. В. Ф. Дробленкова — М.: Воениздат, 1975 г.

2. Ефимьев Н. Н. Основы теории подводных лодок — М.: Воениздат, 1965 г.

3 Грамузов Е. М. Специальные главы теории корабля — Н. Новгород, НГТУ 1991 г.