Обоснование оптимальных параметров основных элементов СЭУ грузовых судов

В условиях перехода России к экономике рыночного типа остро встал вопрос о необходимости наиболее рационального использования финансовых, материальных, энергетических и трудовых ресурсов. Это касается и речного транспорта, прежде всего работы судовых энергетических установок (СЭУ).

Экономически выгодные параметры СЭУ и режимы их эксплуатации во многом определяются затратами на горючесмазочные материалы. Основными потребителями этих материалов на речном флоте являются грузовые, пассажирские и вспомогательные суда внутреннего и смешанного «река-море» плавания с мощностью главной и вспомогательной СЭУ от 50 до 3500 кВт. Транспортные суда различных типов и назначений имеют при этом суммарную грузоподъемность более 15 млн.т. Из них около 12% составляют суда смешанного «река-море» плавания.

С сокращением объемов речных перевозок в 1995 году в 4,5 раза по сравнению с 1989 годом судоходные компании направили свои усилия на рост внешнеторговых перевозок грузов. В прошлом году в заграничном плавании находилось уже 675 судов «река-море» плавания и объем перевозок составил свыше 25 млн.тонн. Это не только компенсировало недостаток российских морских судов, возникший в связи с отходом значительной части флота под юрисдикцию Украины, Грузии и стран Прибалтики, но и позволило активно использовать для внешнеторговых перевозок внутренние порты России.

Однако пополнение речного флота новыми судами за последнее десятилетие явно не соответствовало конъюнктуре перевозок. Это привело к тому, что более 25% транспортных самоходных судов эксплуатируются уже за пределами срока службы, а средний возраст наиболее эффективно работающих судов смешанного плавания составляет 17,5 лет при предельном сроке службы около 20 лет. I.

Общеизвестно что через 10−15 лет объем ремонта судна и его элементов, включая СЭУ, резко возрастает. В связи с тем, что продолжается эксплуатация устаревших морально и изношенных физически механизмов и оборудования СЭУ, значительно выросли расходы на топливо и смазочные материалы, увеличились простои судов, связанные с ремонтом машин и механизмов. При этом в общем балансе расходов на эксплуатацию СЭУ резко увеличилась составляющая расходов на топливо и смазочные масла. Так, показатель топливоиспользования (отношение количества израсходованного топлива к выполненной транспортной работе), выраженный в кг условного топлива на 1000 т-км, за 10 лет с 1985 по 1995 годы вырос с 10,8 до 16,2 то есть в 1,5 раза.

В значительной степени этим объясняется увеличение себестоимости перевозок. Рост расходов на топливо и смазочные масла, а также на ремонт судовых машин и механизмов в настоящее время значительно опережает рост даже такой крупной составляющей себестоимости содержания в эксплуатации судов, как заработная плата экипажа. Во все большей степени здесь сказывается и возросший расход энергии на экологические мероприятия, а также на более полное удовлетворение современных требований по условиям обитания на судах экипажа и пассажиров.

Рост заграничных перевозок судами «река-море» плавания, потребность в которых удовлетворяется не полностью, будет сдерживаться в ближайшие годы отсутствием требуемого парка этого флота.

По меркам нормальной эксплуатации к настоящему времени подлежат списанию около половины судов речного транспортного флота. Потребность в новых транспортных судах смешанного '^река-море" плавания достигла свыше 350 единиц суммарным дедвейтом 1,5 млн. т, необходимые инвестиции на строительство которых составят около 1 млрд долл. Отсрочка списания устаревших судов речного флота, особенно судов смешанного плавания, не спасает положение, так как резко снижается их конкурентоспособность в условиях все более ужесточающихся требований безопасности международного судоходства, а также обеспечения чистоты окружающей среды при транспортировке грузов и пассажиров, непосредственно при использовании горюче-смазочных материалов в СЭУ.

С целью обеспечения политической и экономической независимости России во внешней торговле, а также потребностей страны в перевозках в каботажном и заграничном плавании на основе обновления и пополнения флота Правительством Российской Федерации 8 октября 1993 года № 996 утверждена федеральная программа «Возрождение торгового флота России» на 1993;2000 годы. Программой предусматривается построить и приобрести 364 судна «река-море» плавания.

Наряду со строительством нового флота предусматривается проведение работ по дооборудованию и реконструкции ряда существующих универсальных судов («Волго-Дон» проект 5075 и 1565, «Волжский» проект 0574 М, «Омский» проект 1743 и др.).

Однако в связи со сложившимися экономическими условиями в последние годы резко сократились объемы инвестиций на строительство нового и реконструкцию действующего флота.

Обосновать кредит на строительство нового судна можно только при его высокой эффективности и сроке окупаемости не более 7−8 лет. Поэтому выбор оптимальных характеристик судов и их элементов, прежде всего СЭУ, при проектировании флота имеет исключительно важное значение.

В то же время анализ конструктивных особенностей существующих и предлагаемых в настоящее время к постройке судов «река-море» плавания позволяет сделать вывод, что со времен появления первых таких судов и по настоящее время не существует какой-либо единой концепции их создания и эксплуатации. Прослеживаются порой необъяснимые фантазии проектантов и отсутствие конкретных требований со стороны заказчиков. Этим можно объяснить многообразие главных размерений судна и размеров отдельных элементов предлагаемых судов (высота борта, размеры трюмов, компоновка СЭУ и т. д.). Не случайно, что ряд судов с момента постройки были не эффективными и в рыночных условиях работать не могут.

Одним из главных направлений исследований в области экономии топлива является выбор экономически выгодных параметров СЭУ транспортных грузовых судов и режимов их эксплуатации.

В разные годы весомый научный вклад в решение проблемы обоснования параметров СЭУ транспортных и вспомогательных судов и скоростей их движения внесли С. П. Арсеньев, П. И. Бажан, Г. Е. Гуревич, И. В. Капитонов, В. А. Кутыркитн, Н. В. Лукин, В. П. Миронов, В. И. Рудницкий, Е. П. Роннов, С. Г. Эренбург и другие ученые и специалисты. Однако возросшие требования к экономичности дизелей и их надежности, изменение главных критериев, по которым оцениваются экономические показатели, соотношение цен на внутреннем рынке России потребовали дополнительных исследований в данном направлении.

В последние годы возрос интерес отечественных судостроителей и судоходных компаний к одновальным речным грузовым судам как внутреннего, так и смешанного «река-море» плавания, что также потребовало детального рассмотрения в работе. В результате сравнения двух вариантов энергетических установок отдано предпочтение судну с одновальным вариантом движительно-рулевого комплекса, позволяющему ему достичь большей скорости при равном с 2х — вальным вариантом мощности главного двигателя и имеющего меньшую насыщенность машинного отделения оборудованием, трубопроводами, арматурой. Как показывают проведенные исследования и мировая практика, одновальный вариант в наибольшей степени отвечает требованиям эксплуатации с минимальной численностью экипажа. Управляемость и маневренность судна при этом обеспечиваются с помощью специальных рулей и носового подруливающего устройства.

На судах с одновальной СЭУ и гребным винтом фиксированного шага признано предпочтительным использовать в качестве главного двигателя более надежные нереверсивные ДВС.

Целью диссертационной работы является разработка методов обоснования экономически выгодных параметров СЭУ грузовых транспортных судов и режимов их работы при изменении экономических критериев эффективности перевозок, условий эксплуатации, показателей эффективности и качества двигателей и движителей, а также и сопротивления внешней среды. Важнейшей особенностью исследования ставится тщательный учет всех положительных и отрицательных сторон рассматриваемого технического предложения и на этой основе экономическое обоснование целесообразности того или иного решения.

В соответствии с обозначенной целью основными задачами, поставленными в диссертации, являются обоснование параметров СЭУ и решение главных вопросов, возникающих при проектировании судна и составлении бизнес-плана на его постройку, а именно: исследование натуральных и безразмерных показателей качества топливоиспользования на речном флотерешение, так называемой, внешней многофакторной задачи проектирования судна, когда выбираются рациональные значения характеристик мощности главных двигателей и скорости движения суднавыбор главного двигателя из представленного ряда претендентов с учетом стоимостных показателей, расхода топлива и смазки, ресурса, быстроходности и др. технических особенностейобоснование числа движителей (вальности) судна с учетом пропульсивного к.п.д. и условий обтекания бортовых винтов и винта в ДП, расхода топлива, трудоемкости обслуживания однои многовинтового судна и др.факторов.

Решение таких обобщенных задач невозможно без анализа отдельных частных вопросов, к которым следует отнести: обоснование оптимальных скоростей движения имеющихся I судов при различных ограничениях, вызванных наличием флота, объема грузооборота, путевых условий, фактического состояния СЭУ и движительно-рулевого комплексаисследование режимов работы СЭУ при повреждении одного из винтов и разработка методики расчета допустимой загрузки судна при сохранении номинальной скорости движенияобоснование допустимых сроков временной границы работы с поврежденными винтами.

Все поставленные задачи в диссертации решены. При этом использовались теоретические и экспериментальные методы исследований и привлекался математический аппарат теории корабля, гидродинамики судов, теории рабочих процессов дизелей и многий других отраслей знания.

Научная новизна работы состоит в следующем: разработана экономико-математическая модель эксплуатации судна в зависимости от его скорости движенияпроведено теоретическое сравнение одновальных и двухвальных компоновок СЭУ применительно к судам смешанного «река-море» плаванияисследованы режимы работы СЭУ при повреждении гребных винтовразработана экономико-математическая модель эксплуатации главных двигателей грузовых судов, учитывающая стоимостные показатели, расход топлива и смазки, ресурс, надежность машин, ремонтнопригодность, быстроходность и другие технические особенностипостроены регрессионные зависимости мощности главных двигателей от параметров судна, а также расхода топлива от I частоты вращения и мощности двигателя.

Практическая ценность диссертации заключается в создании ряда методов, обеспечивающих повышение эффективности судов как на стадии проектирования так и в эксплуатации, а именно: выбора главных двигателей из представленного ряда претендентоврасчета допустимых сроков работы с поврежденными винтамирасчета оптимальных скоростей движения судов.

Апробация работы. Работа докладывалась на совещании специалистов ВГАВТ с представителями АО «Волжское речное пароходство» и АО пароходство «Волготанкер» .

III.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

В выполненной диссертационной работе предложено новое решение актуальной научной задачи обоснования основных параметров СЭУ: выбор вальности судна и главных двигателей из ряда претендентов, а также скорости движения в условиях изменения стоимостных и внешних физических факторов, что обеспечивает высокую эффективность эксплуатации судна.

Выполненные исследования и рекомендации позволяют сделать расчеты эффективности разрабатываемого предложения на ранних стадии проектирования, исключить подбор неэффективных главных двигателей для данного проекта, при эксплуатации новых и имеющихся судов использовать оптимальные скорости при перевозке грузов, принимать эффективные решения при повреждении гребных винтов.

Конкретные итоги работы заключаются в следующем.

1. Получены расчетные формулы для оценки мощности главных двигателей и удельного расхода топлива на ранних стадиях проектирования и в технико-экономических расчетах.

2. Предложен новый безразмерный показатель топливоиспользования в транспортном процессе, позволяющий обосновать совершенствование технических средств и повышение эффективности их использования.

3.Создана экономико-математическая модель эффективности эксплуатации судов, позволяющая прогнозировать влияние изменения затрат на топливо и оплату труда экипажей.

4. Проведено сравнение работы одно и двухвальных речных судов, в результате чего определена экономическая граница целесообразности применения того или иного технического решения.

5. Разработана экономико-математическая модель выбора главных двигателей с учетом их стоимости, топливной экономичности, ремонтопригодности и надежности.

6. Обоснованы оптимальные скорости движения судов, учитывающие реальную конъюнктуру рынка и наличие флота у судовладельца.

7. Разработан метод расчета режимов движения судна при повреждении гребного винта.

8. Разработан метод оценки степени уменьшения загрузки судна для сохранения заданной скорости его движения при повреждении гребых винтов, обоснованы временные границы целесообразности кессонирования в этом случае.