АО «ИЦС» совместно с ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (ФГУП «КГНЦ») выполнило цикл работ, направленных на создание грузовых водоизмещающих судов нового архитектурно-конструктивного типа – судов с воздушной каверной на днище ( Air cavity ships ).

Основной отличительной особенностью таких судов является устройство для создания на плоском участке днища единых воздушных каверн (УСЕК).

Принципиальная схема УСЕК

1. источник сжатого воздуха;
2. трубопроводы;
3. ограничительные бортовые кили;
4. промежуточные продольные кили;
5. редан;
6. поперечные козырьки;
7. каверна с волновым профилем;
8. кормовой свод

Принцип действия УСЕК 

Воздух от компрессора (воздуходувки) 1 по системе трубопроводов 2 подается в рецесс (углубление) в плоской части днища. Для речных судов воздух может подаваться только к редану 5, для судов смешанного плавания (ССП) и морских судов, испытывающих качку, воздух подается к редану 5 и к поперечным козырькам 6.

Внутри рецесса устанавливаются промежуточные продольные кили 4, разделяющие рецесс на отдельные, изолированные друг от друга секции, и поперечные козырьки 6. Назначение продольных килей – повышение остойчивости судна. Главное назначение поперечных козырьков – сохранение энергосберегающего эффекта при движении судна на волнении, при котором единая каверна распадается на систему отдельных каверн, образованных за реданом и козырьками.

По бортам рецесс ограждается ограничительными бортовыми килями 3. Нижние кромки бортовых и продольных килей незначительно выступают за основную плоскость днища.

В кормовой части днище рецесса с помощью кормового свода 8 вновь переходит в основную плоскость днища.

На стоянке при посадке судна «на ровный киль» поверхность каверны совпадает с основной плоскостью днища.

При движении судна внутри каждой продольной секции рецесса образуются единые каверны с волновым профилем 7, покрывающие практически всю площадь рецесса. Осадка судна при этом изменяется незначительно.

Создание внутри рецесса в днище судна единой воздушной каверны, изолирующей большую часть днища от контакта с водой, обеспечивает снижение гидродинамического сопротивления и повышение пропульсивных качеств судна.

Ниже приведены основные результаты последних исследований по использованию УСЕК на морском навалочнике-контейнеровозе и сухогрузном судне смешанного «река-море» плавания.

Концептуальный проект универсального навалочника контейнеровоза дедвейтом ок. 70 000 т с УСЕК

Основные характеристики судна

• Длина по ватерлинии LWL , м - 228,6
• Ширина В, м - 32,2
• Осадка с грузом угля DMAX , м - 13,0
• Осадка с грузом зерна Dmin , м - 8,28
• Высота борта УНК c УСЕК, м – 19,2
• Высота борта УНК без УСЕК, м – 18,2
• Коэффициент общей полноты – 0,846
• Мощность ГД УНК с УСЕК, кВт – 13 560
• Мощность ГД УНК без УСЕК, кВт – 17 250
• Мощность компрессора СПВ, кВт – 315
• Скорость эксплуатационная
• (при 85% МДМ), узл. – 15
• Диаметр гребного винта, м - 6,5
• Размеры рецесса в днище: длина - 131,25 м, ширина - 28,4 м, глубина - 1,0 м 

Технический проект сухогрузного судна типа "река-море" дедвейтом ок. 8000 т с УСЕК

Основные характеристики судна

• Длина наибольшая, м – 140,2
• Ширина, м – 16,6
• Высота борта, м:
  • - судна с УСЕК – 16,6
  • - судна без УСЕК – 16,0
• Осадка в реке, м – 3,6
• Осадка в море, м:
  • - судна с УСЕК - 4,86
  • - судна без УСЕК – 4,7
• Мощность ГД, кВт – 2 х 1200
• Мощность воздуходувки СПВ, кВт – 55,0
• Эксплуатационная скорость (при 85% МДМ), узл.:
  • - судна с УСЕК – 11,2
  • - судна без УСЕК – 10,7
• Диаметр гребных винтов, м – 2,7
• Коэффициент общей полноты – 0,917
• Размеры рецесса в днище:
  • длина – 96,1 м 
  • ширина – 14,7 м
  • глубина – 0,6 м

Проектная документация разрабатывалась АО "ИЦС", модельные испытания проводились в ФГУП "КГНЦ", технико-экономический анализ выполнялся ЗАО "ЦНИИМФ".

Использование энергосберегающего устройства на навалочнике-контейнеровозе дедвейтом ок. 70 000 т:

При движении на тихой воде и на волнении силой до 4 баллов включительно потребная мощность главного двигателя снижается в зависимости от вида перевозимого груза:

• при скорости 12 уз. - на 23,1-27,3%,
• при скорости 15 уз. - на 21,5-24,8%.

Экономия топлива с учетом дополнительных затрат на подачу воздуха (1,2 т/сутки) при перевозке различных грузов составляет: при скорости 12 уз. – на 5,8÷6,3 т/сутки, при скорости 15 уз. – 12,5÷13,4 т/сутки.

На волнении силой 5 баллов и более эффективность энергосберегающего устройства по сравнению с движением судна на тихой воде уменьшается: на волнении в 5 баллов на 17÷20%, на волнении в 6 баллов примерно на 40%, на волнении в 7 баллов примерно на 90%.

При более интенсивном волнении следует ожидать небольшой отрицательный эффект.

В процессе эксплуатации судна с УСЕК энергосберегающий эффект возрастает за счет значительного снижения негативного влияния коррозии и обрастания корпуса, этот дополнительный эффект при эксплуатации судна в теплых морях может быть весьма значительным. 

При использовании УСЕК масса судна порожнем возрастает по сравнению с традиционным аналогом примерно на 60 т, строительная стоимость увеличивается менее чем на 1% (с учетом меньшей массы и стоимости главного двигателя).

Грузоподъемность УНК с УСЕК при сохранении осадки по традиционному аналогу может быть увеличена на 250 т за счет уменьшения запаса топлива.

Уровень безопасности плавания судна с УСЕК повышается за счет снижения амплитуды бортовой качки, повышенной высоты надводного борта и большей защищенности днища рецесса от повреждений. Маневренные характеристики судна не ухудшаются.

Использование энергосберегающего устройства обеспечивает также значительный экологический эффект за счет снижения выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива. 

Основные результаты использования энергосберегающего устройства на сухогрузном судне «река-море» плавания дедвейтом ок. 8000 т  класса «КМ Ice 2 [1] R 2- RSN AUT 1- C»

При движении на тихой воде и на волнении силой до 3 баллов включительно потребная мощность главного двигателя судна с УСЕК при использовании 85% МДМ снижается примерно на 18-25%.

Экономия топлива с учетом дополнительных затрат на подачу воздуха (0,28 т/сутки) составляет при этом: при эксплуатации в море (осадка 4,7 м) – 1,75 тонн в сутки, при эксплуатации на ВВП (осадка 3,6м) – 1,50 тонн в сутки, в балластном переходе (осадка 3,4 м) примерно 2,0 т/сутки.

На волнении в 3 балла экономия топлива составляет 1,7 тонн в сутки, в 4 балла – около 1,0 тонны в сутки.

При волнении в 5 и 6 баллов расход топлива судна с УСЕК возрастает на 0,4÷0,6 тонны в сутки.

Среднегодовая экономия топлива сохраняется на достаточно высоком уровне при эксплуатации судна на любых линиях, соответствующих его классу.

В процессе эксплуатации судна с УСЕК энергосберегающий эффект возрастает за счет снижения негативного влияния обрастания, коррозии и деформации корпуса.

При использовании УСЕК масса порожнем возрастает по сравнению с традиционным аналогом примерно на 66 т (2,3%), строительная стоимость увеличивается менее чем на 2%.

Грузоподъемность судна с УСЕК при работе в реке снижается примерно на 50 т и составляет 4260 т, при работе в море возрастает на 315 т за счет меньшего запаса топлива и большей на 0,16 м осадки (ввиду наличия избыточного надводного борта) и составляет 7330 т.

Уровень безопасности плавания судна с УСЕК повышается за счет снижения амплитуды бортовой качки, повышенной высоты надводного борта и большей защищенности днища рецесса от повреждений. Маневренные характеристики судна не ухудшаются.

Использование энергосберегающего устройства обеспечивает также значительный экологический эффект за счет снижения выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива. 

сновные научные результаты по обеспечению проектирования судов с устройством для создания единых каверн (усек):

• Создан уникальный пакет компьютерных программ для определения оптимальных параметров устройства для заданного судна с учетом формы обводов корпуса, скорости хода, ходового дифферента и прогиба днища судна;
• Разработаны методики проведения модельных испытаний судов с УСЕК и пересчета их результатов на натурное судно (для судов с традиционной и повышенной полнотой обводов);
• Определены особенности выполнения расчетов осадки, надводного борта, непотопляемости и прочности судов с УСЕК, разработана компьютерная программа расчета остойчивости судна при наличии воздуха в рецессе;
• Разработан приближенный метод определения потребного расхода воздуха для создания и поддержания единых воздушных каверн и выбора характеристик источника сжатого воздуха натурного судна;
• Отработаны оптимальные схемы системы подачи воздуха в рецесс для судов различных типов;
• Созданы «Ноу – Хау» в части конструкции корпуса, обеспечивающие минимизацию роста массы корпуса судна при использовании УСЕК;
• Разработаны конструкции устройств для защиты гребных винтов одновальных и двухвальных судов от попадания пузырьков воздуха, уносимых из каверны;
• Разработаны конструкции, обеспечивающие снижение гидродинамического сопротивления судна с УСЕК при движении в аварийном режиме (без каверн в рецессе).

Основные выводы

Многолетние экспериментальные исследования и проектные проработки, выполненные ФГУП «Крыловский государственный научный центр» и АО «Инженерный центр судостроения», позволяют уверенно рекомендовать судоходным компаниям энергосберегающее устройство для создания на днище водоизмещающих судов единых воздушных каверн.

Использование этого устройства (УСЕК) обеспечивает значительный, не достижимый другими известными технологиями, топливосберегающий и экологический эффект.

Применение УСЕК на речных, типа «река-море» и морских судах при движении на тихой воде и на умеренном волнении позволяет снизить расход топлива судовой энергетической установкой (с учетом затрат на поддув воздуха) на 15-20%.

При движении в условиях интенсивного волнения эффективность УСЕК снижается, однако среднегодовая экономия топлива сохраняется на достаточно высоком уровне при эксплуатации судна на любых линиях, соответствующих его классу.

В процессе эксплуатации судна топливосберегающий и экологический эффект возрастают за счет меньшего негативного влияния обрастания, коррозии и деформации корпуса.

При использовании УСЕК строительная стоимость судна возрастает не более чем на 2%.

Грузоподъемность речных судов и судов типа «река-море» при эксплуатации в реке близка к традиционным аналогам (снижение грузоподъемности в пределах 50÷70 т).

Грузоподъемность морских и «река-море» судов при эксплуатации в море в ряде случаев может быть повышена за счет большей высоты борта, уменьшения запасов топлива и массы главных двигателей по сравнению с традиционными аналогами. 

Уровень безопасности плавания судов с УСЕК повышается за счет снижения амплитуды бортовой качки, повышенной высоты надводного борта и большей защищенности днища рецесса.

Устройство может быть использовано как на вновь строящихся, так и на существующих судах.