Архитектурно-конструктивный тип судна и общие вопросы компоновки поперечного сечения судна

В предыдущем разделе были сформированы признаки, определяющие архитектурно-конструктивный тип судна и структуру конструктивного мидель-шпангоута судна.

Указанные факторы (назначение судна, род перевозимого груза, условий эксплуатации, особенности проведения грузовых операций и др.) задают не только общий вид судна, но и формируют структуру конструктивного мидель-шпангоута, определяют прочностные характеристики корпуса и эксплуатационные качества судна. При выполнении контрольной работы по конструкции корпуса судов студентам предлагается самостоятельно, исходя из назначения и заданных размерений судна, скомпоновать миделевое сечение. Достаточно подробно эти вопросы изложены в [1], [4]. Ниже рассмотрены конструктивные особенности наиболее распространенных типов судов.

Универсальные сухогрузные суда предназначены для перевозки генеральных тарно-штучных грузов, промышленного оборудования, металлоконструкций, иногда рефрижераторных и насыпных грузов. Для повышения конкурентоспособности и провозоспособности современные сухогрузные суда должны быть приспособлены для перевозки унифицированных грузов в пакетах и контейнерах. По архитектурно-конструктивному типу универсальные суда одно и двухпалубные, с кормовым, реже промежуточным расположением машинного отделения (МО) и жилой надстройки, с удлиненным баком. Наиболее устойчивым спросом на мировом рынке универсальных сухогрузов пользуются суда дедвейтом 2-5 и 5-10 тыс. т, которые в сумме обеспечивают 80-90% всех заказов на новые суда. Перспективны с этой точки зрения также суда дедвейтной группы 15-25 тыс. т. На рис. 1 показана конструктивно-компоновочная схема двухпалубного сухогрузного судна с двойным дном и двойными бортами при кормовом расположении МО.

Рис. 1. Конструктивно-компоновочная схема двухпалубного сухогрузного судна с двойным дном и двойными бортами при кормовом расположении МО

При определении числа палуб нужно исходить от назначения судна, вида перевозимого груза, имея ввиду максимальное использование как грузоподъемности, так и грузовместимости. Эффективность использования вместимости грузовых помещений зависит от удельного погрузочного объема перевозимых грузов, необходимости сепарации грузов по высоте, согласованности габаритных размеров грузов с размерами помещений судна. Так высота укладки генеральных грузов ограничивается требованиями к их транспортировки и прочностью тары, при перевозке контейнеров размеры трюмов и люков принимаются кратными размерам стандартных контейнеров с учетом необходимых зазоров между ними, размеры помещений для рефрижераторных грузов определяются прочностью тары и необходимостью поддержания в них определенного температурного режима и т.п.

Таблица 2

Высота трюмов и твиндеков сухогрузных судов, м

Судно	Трюм	Твиндек
Для генерального груза	4,0-6,0	2,5-4,0
Универсальные	3,2-6,0	3,0-4,5
С горизонтальной грузообработкой	3,5-6,0	3,5-6,0
Рефрижераторные	8,8-3,5	2,3-2,8

Как правило, высота трюмов в полтора-два раза превосходит высоту твиндеков. Это связано с тем, что условия транспортировки многих крупногабаритных грузов требуют их размещения в закрытых пространствах. Однако стремление удовлетворить эти требования приводит к неудовлетворительному использованию грузовместимости трюмов.

Данные о средней высоте грузовых помещений сухогрузных судов и необходимые минимальные высоты помещений при перевозке некоторых распространенных видов грузов приведены в таблицах 2 и 3.

При разработке компоновки поперечного сечения следует иметь ввиду, что современная тенденция в развитии универсальных сухогрузных судов состоит в замене многопалубных судов однопалубными, которые более приспособлены для перевозки грузов различного вида.

Поперечными переборками и палубами судно разбивается на отдельные помещения трюмы и твиндеки. К числу обязательных переборок относятся концевые (форпиковая и ахтерпиковая) и переборки, отделяющие МО от грузовых помещений. Указанные переборки, а также все аварийные переборки должны быть доведены до палубы переборок (верхней или второй сверху палубы). Минимальное число переборок регламентируется Правилами РС.

Для проведения погрузочно-разгрузочных работ в палубах сухогрузных судов устраиваются грузовые люки. На судах длиной до 150 м их располагают в один ряд посередине ширины судна, при большей длине применяют парные люки, идущие в два ряда симметрично ДП. Ширина центрального люка 0,5¸0,6 B м, парных люков –– 7¸8 м. Размеры люков нижних палуб обычно такие же как у ВП, однако могут и немного превышать их. Длина грузовых люков универсальных сухогрузных судов достигает 14—18 м. Суда новой постройки часто не имеют собственных грузовых устройств, либо оборудуются палубными грузовыми кранами.

Таблица 3

Минимальная высота грузовых помещений в свету

Груз	Высота груза, м	Минимальный зазор между грузом и набором палубы, м	Минимальная высо-та грузового поме-щения в свету, м
Пакеты и груз не поддонах	1,8	0,2	2,0
Блок-пакеты	2,5	0,3	2,8
Автомобили:
легковые	1,7	0,3	2,0
то же с подвес­ной палубой	1,7x2 = 3,4	0,3x2+0,2 = 0,8	4,2
грузовые	2,8	0,3	3,1
Контейнеры
в один ярус	2,5	0,40	2,9
в два яруса	4,9	0,50	5,4
Трейлеры	4,0-4,5	0,50	4,5-5,0

Для уменьшения массы палубных перекрытий на судах с центральными люками, особенно при перевозке палубных грузов, в трюмах под поперечными комингсами устанавливают по два пиллерса в ДП, часто совмещаемые с продоль­ными полупереборками, или одну грузовую колонну между парными люками. Установка в ДП продольных переборок на судах с парными люками при пере­возке насыпных грузов вместо опорных колонн препятствует смещению груза на один борт и повышает эффективность продольных межлюковых перемычек палуб в общем изгибе и увеличивает жесткость корпуса на кручение.

Рис. 2. Схема общего расположения судна открытого типа

Основным недостатком универсальных судов при традиционном вертикальном способе выполнения грузовых операций является необходимость штивки грузов, т.е. горизонтального перемещения груза для его попадания в просвет люка для захвата грузовым устройством. Устранение штивки достигается укрупнением грузовых мест и увеличением размеров люков. Размеры грузовых люков на судах открытого типа, рис. 2, принимают такими, чтобы расстояние по ширине от выреза до борта (наружного или внутреннего, если он предусматривается) составляло не более 1,2 м, а по длине от выреза до поперечной переборки не превышало 2,0—2,4 м. Коэффициент раскрытия палуб по ширине у таких судов k_B = Sb_л/B ³ 0,7, по длине –– k_L = l _л/ l _тр ³ 0,7.

Для повышения безопасности плавания и защиты морской среды от загрязнения, размещения топливных, масляных и балластных цистерн большинство современных судов строится с двойным дном, которое устраивается по всей длине корпуса между пиковыми переборками. Поперечными переборками и вертикальным килем междудонное пространство делится на цистерны левого и правого борта.

Суда открытого типа кроме двойного дна часто имеют и двойные борта. Наличие второго борта позволяет не только решить экологические проблемы, улучшить условия приема, размещения балласта и удифферентовки, но, что не менее важно, обеспечить необходимые прочностные качества при общем изгибе корпуса и кручении, которые заметно снижаются при большом раскрытии палубы. Рациональным конструктивным решением для судов открытого типа является проектирование корпуса судна с развалом бортов до 12¸15° от ДП на всей высоте или частично. В этом случае уменьшение площади верхнего пояска эквивалентного бруса компенсируется не за счет утолщения продольных связей, увеличением ширины ВП.

Рис. 3. Схемы поперечных сечений универсальных сухогрузных судов: а, б – с центральными люками; в – с парными люками и продольной переборкой; в – с парными люками и грузовой колонной; д – однопалубное судно открытого типа с центральным люком

Универсальные сухогрузы имеют, как правило, комбинированную систему набора, когда палуба и днище набираются по продольной системе набора, а бортовые перекрытия – по поперечной. Типовые поперечные сечения показаны на рис. 2.

Лесовозы относятся к однопалубным, с кормовым расположением машинного отделения судам, с большим раскрытием палуб, минимальным надводным бортом. Они предназначенные для перевозки леса и лесных материалов в трюмах и на верхней палубе преимущественно в пакетированном виде. В силу сезонности лесных грузов современные лесовозы проектируются с учетом возможной перевозки контейнеров и других грузов.

Для восприятия повышенных нагрузок от палубных грузов (около 1/3 всего груза) палубы лесовозов имеют повышенную прочность и ограждены высоким до 1,5 м фальшбортом.

Рис. 4. Схема общего расположения лесовоза-пакетовоза с парными люками и двойными бортами.

Для обеспечения остойчивости лесовозы даже в полном грузу обычно принимают балласт (около 10% от грузоподъемности), поэтому имеют балластные отсеки большой емкости, расположенные в двойном дне.

Развитие пакетных перевозок потребовало внесения ряда изменений в конструкцию корпуса судна. На новых пакетовозах предусматриваются двойные борта и значительно увеличены размеры грузовых люков, м. Двойные борта, отсутствие книц, пиллерсов и полупереборок в трюмах резко повышает производительность грузовых работ, рис. 4. Укладка груза становится возможной без каких-либо дополнительных приспособлений.

На пакетовозах дедвейтом свыше 10 тыс. т применяют парные люки. Конструктивная особенность трюмов этих судов — предусмотренная в ДП коробчатая балка. Переход к парным люкам на крупных судах вызывается в основном большими техническими трудностями при создании люковых закрытий шириной свыше 15 м. На пакетовозах практически вся ширина палубы, за исключением палубных стрингеров, занята люками, поэтому общая прочность и достаточная жесткость корпуса при скручивании обеспечиваются установкой двойных бортов и непрерывными комингсами люков.

Система набора лесовозов комбинированная. Типовые поперечные сечения показаны на рис. 5.

Рис. 5. Схемы миделевых сечений отечественных лесовозов: а – «Николай Новиков»; б – «Пионер Москвы»; в – «Игорь Грабарь»; г – «Василий Шукшин»

Суда для перевозки массовых грузов (балкеры) относятся к классу специализированных судов и используются для транспортировки навалочных и насыпных грузов (руда и ее концентраты, каменный уголь, бокситы, химические удобрения, цемент, зерно, сахар и т.п.). По архитектурно-конструктивному типу они являются полнонаборными однопалубными судами с кормовым расположением МО и надстройки, с двойным дном, с большими грузовыми люками, которые могут идти практически на всей длине грузовых помещений.

Новые строящиеся суда имеют двойной корпус, что значительно повышает их безопасность. Отличительной особенностью балкеров является наличие скуловых и подпалубных цистерн со скосами внутренних стенок. Наклонные стенки цистерн облегчают выполнение грузовых операций, обеспечивая самоштивку груза, предупреждают опасное смещение груза на один борт при качке. Установка на навалочных судах второго борта по высоте между скуловой и подпалубной цистернами упрощает зачистку трюмов, повышает живучесть и предохраняет от намерзания груза при плавании в северных морях.

Навалочники имеют большие емкости, отводимые под водяной балласт, необходимый для обеспечения безопасной осадки судна во время порожнего перехода. Вместимость балластных цистерн составляет около 40% грузовой вместимости судна. Балласт размещается в двойном дне и бортовых подпалубных цистернах.

При классификации навалочных судов следует иметь ввиду, что по Правилам РС к судам с одинарными бортами относятся такие навалочные суда, у которых один или несколько грузовых трюмов ограничены по бортам только наружной обшивкой или двумя водонепроницаемыми обшивками, одна из которых является наружной, и расстояние между которыми меньше чем 1000 мм (для судов, киль которых был заложен 1 января 2000 г. или позднее этой даты).

Рис. 6. Схемы загрузки навалочника при перевозке: а – бокситов; б – цемента

Суда, перевозящие особо тяжелые грузы –– руду, имеют увеличенную высоту междудонного пространства до 0,4 D и в грузу принимают балласт в подпалубные цистерны для повышения центра тяжести. Это снижает чрезмерную остойчивость и связанную с ней стремительную качку. Трюмы таких судов имеют утолщенный настил второго дна, что позволяет производить грузовые операции грейфером. Другим конструктивным решением этой проблемы является уменьшение грузовместимости путем установки двух продольных переборок с расстоянием между ними 0,4¸0,6 B и заполнением только центральных трюмов. Люк устаивается только в среднем трюме, боковые – снабжены горловинами для заполнения и осушения танков.

Универсальные навалочные суда имеют двойное дно умеренной высоты 0,12¸0,15 D и чередующиеся короткие и длинные трюмы. При перевозке тяжелых грузов (железная руда) загружаются нечетные (короткие) трюмы, а четные (длинные) остаются пустыми. При перевозке легких грузов (зерна), наоборот, необходимо увеличение грузовместимости, что достигается заполнением не только всех трюмов, коротких и длинных, но и подпалубных цистерн, которые имеют специальные люки для ссыпания груза в трюм. Схемы загрузки универсального навалочного судна при перевозке бокситов и цемента приведены на рис. 6.

а)		в)
г)	Рис. 7. Типовые поперечные сечения навалочных и нефтенавалочных судов: а, б – универсальные навалочные суда; в – рудовоз; е – комбинированное нефтенавалочное судно

В последние годы получили распространение комбинированные суда нефте-рудовозы, предназначенные для перевозки в одном направлении навалочных грузов, а в обратном – нефти. При этом для перевозки нефти используются обычно бортовые танки, для перевозки руды – средние трюмы.

При строительстве навалочников широко применяется сталь повышенного сопротивления, доля которой в составе корпуса составляет от 10% для судов дедвейтом 30-35 тыс. т до 70% у судов дедвейтом около 200 тыс. т. Система набора навалочных судов комбинированная или продольная, типовые поперечные сечения приведены на рис. 7.

Контейнеровозы относятся к однопалубным судам открытого типа с кормовым, реже с промежуточным расположением МО, предназначенные для перевозки стандартных контейнеров в несколько ярусов в трюмах и на палубе судна. Размеры контейнеров установлены международными соглашениями. Наиболее распространенные международные контейнеры[1] TEU, которые имеют размеры 2,44х2,44х6,1 м и FEU, размерами 2,44х2,44х12,2 м. Прочность контейнеров допускает их установку в несколько ярусов. В трюме контейнеры обычно устанавливают в пять-шесть ярусов, насколько позволяет высота трюма, и на палубе три-четыре яруса.

В соответствии с организацией контейнерных перевозок флот контейнеровозов делится на группы фидерных и магистральных судов. В свою очередь каждая группа делится на ряд подгрупп. В группу фидерных контейнеровозов, составляющих около 70% флота контейнеровозов, входят непосредственно фидерные суда («Feeder») вместимостью 100–499 TEU, суда «Feedermax» вместимостью 500–999 TEU и суда «Handy s y z e» вместимостью 1000–1999 TEU. Группа магистральных контейнеровозов делится на суда «s ub- p anamax» вместимостью 2000–2999 TEU, «p anamax» вместимостью 3000–3999 TEU и «p o s t- p anamax» вместимостью 4000 TEU и более.

Грузовые операции на контейнеровозах обычно проводятся с помощью береговых кранов. Практически полное раскрытие палубы исключает необходимость горизонтальное перемещение контейнеров при грузовых операциях. Укладка контейнеров в трюм на грузовое место осуществляется с помощью специальных направляющих стоек. Стержни направляющего каркаса выполняют из равнобоких угольников размером от 100х100 до 150х150 мм, образующих ячеистую рамную конструкцию. Контейнеры располагают в ячейках вдоль судна, чтобы уменьшить влияние качки на груз, не заполняющий, как правило, контейнер полностью. Чтобы исключить заклинивание при заводке и выгрузке контейнеров при допустимом наклоне 5° предусматривается зазор по торцам около 19 мм, по бокам – 12 мм. Стержни доводят до настила второго дна, который в этих местах подкрепляется снизу днищевыми стрингерами с поперечными бракетами, а сверху на настил привариваются короткие квадратные накладки. Вверху решетки, на уровне комингсов люков, полки угольников отгибают наружу, образуя тем самым раструб, который облегчает опускание контейнеров на штатное место. Соседние контейнеры крепятся по высоте и ширине с помощью специальных соединительных устройств – фитингов.

Рис. 8. Продольный разрез контейнеровоза на 1025 TEU

Люки на контейнеровозах могут быть как одинарные, так и спаренные, и закрываются крышками понтонного типа. При проведении грузовых операций крышки можно убирать кранами на берег. На современных больших контейнеровозах люковые закрытия в трюмах могут отсутствовать, а направляющие продолжаются над палубой. Вода, попадающая внутрь открытых трюмов во время дождя, заплескивания волн собирается в сточных колодцах и откачивается за борт судовыми средствами.

Для обеспечения жесткости бортов и корпуса в целом на контейнеровозах устанавливают двойные борта. Расстояние между наружными и вторыми бортами может достигать 4 м. В целях увеличения степени участия в общем продольном изгибе целесообразно, чтобы крайние продольные комингсы люков являлись продолжением второго борта. Тем самым бортовые подпалубные карманы ограничиваются вторыми бортами. Расстояние между внутренними бортами с учетом зазоров выбирают кратным ширине контейнеров, а между поперечными переборками длине контейнеров. Объемы в междудонном и межбортном пространстве используются для размещения различных цистерн. В верхней части межбортного пространства между ВП и первой платформой устраивается проход вдоль судна и размещаются магистрали трубопроводов.

Чтобы обеспечить полную грузоподъемность контейнеровозов, часть грузов размещается на верхней палубе. Однако это ухудшает остойчивость судна. Для понижения ЦТ судна приходится принимать большое количество балласта и уменьшать массу конструкций, расположенных в верхней части судна. Поэтому прочность связей ВП обеспечивается применением высокопрочных сталей.

Контейнеры на палубе соединяются с помощью фитингов между собой и с корпусом судна и раскрепляются растяжками, препятствующими смещению при качке. Усилия, возникающие во время качки, через направляющие передаются на борта и поперечные переборки. Для увеличения местной и поперечной прочности бортов, опирающихся на ослабленную большими вырезами палубу, посередине вырезов устанавливают коробчатые рамные шпангоуты и двойные поперечные переборки.

Рис. 9. Типовые поперечные сечения контейнеровозов: а – с парными люками и двумя ярусами контейнеров на палубе и люках; б – без люковых закрытий (с открытой палубой); в – с центральными люками и четырьмя ярусами контейнеров на палубе и люках

Система набора перекрытий комбинированная для фидерных контейнеровозов, для больших контейнеровозов применяется продольная система набора для всех перекрытий.

Типовые поперечные сечения контейнеровозов приведены на рис. 9.

Наливные суда. Танкеры перевозят нефть и нефтепродукты. Погрузку и выгрузку перевозимого груза производят с помощью насосов, поэтому на верхней палубе танкеров отсутствуют большие вырезы для грузовых люков. По архитектурно-конструктивному типу танкеры — однопалубные полнонаборные суда с МО, расположенным в корме. На многих танкерах применяют бульбообразные носовые обводы.

По тоннажу танкеры разделяют на несколько групп:

Super Tanker – дедвейт 30-70 тыс. т;

Mammoth Tanker – дедвейт 70-150 тыс. т;

VLCC (Very Large Crude Carrier) Tanker – дедвейт 150-300 тыс. т;

ULCC (Ultra Large Crude Carrier) Tanker – дедвейт свыше 300 тыс. т;

Грузовые помещения располагают в средней части судна и занимают до 60–70% его длины. Для уменьшения динамических явлений, связанных с перетеканием жидкого груза, корпус в этом районе разделяют одной-двумя, а иногда и тремя, продольными и несколькими поперечными нефтенепроницаемыми переборками на отдельные отсеки – грузовые танки. Переборки, образуя многочисленные отсеки, позволяют перевозить одновременно несколько разных сортов нефтепродуктов, они уменьшают свободную поверхность находящейся в них жидкости, что благоприятно сказывается на остойчивости и снижают инерционные нагрузки на ограничивающие танки конструкции. С той же целью в больших танках устанавливают дополнительные отбойные (проницаемые) переборки и подпалубные отбойные листы. При установке двух или трех продольных переборок ширина средних танков может превышать ширину бортовых в полтора-два раза. Набор продольных переборок выносят в узкие бортовые танки, которые при этом часто делаются двойной длины. При такой конструкции тяжелые вязкие нефтепродукты перевозят преимущественно в широких средних танках, мойка которых за счет гладких поверхностей переборок значительно проще. Узкие бортовые танки используют для перевозки легких сортов нефтепродуктов или приема балласта при порожних рейсах. На современных среднетоннажных танкерах в районе грузовых танков применяют гофрированные переборки. По сравнению с плоскими они имеют меньшую массу и трудоемкость при изготовлении, а благодаря меньшему количеству труднодоступных мест значительно облегчают мойку танков. Гофры продольных переборок располагают всегда горизонтально, поперечных – вертикально или горизонтально.

Грузовые отсеки на танкерах в противопожарных целях отделяют коффердамами от МКО и форпика. Заменой коффердамов могут служить насосные отделения, балластные и топливные цистерны. Протяженность коффердамов составляет одну шпацию, но не менее 600 мм. Из условий удифферентовки танкера с полным грузом топливные, балластные цистерны и сухогрузный трюм размещают в носу. В этом случае иногда предусматривают носовое насосное отделение, где устанавливают топливоперекачивающие, балластные и пожарные насосы.

Рис. 10. Расположение отсеков и схема загрузки двух корпусного танкера в прямом рейсе и балластном переходе

Согласно требованиям ИМО корпуса новых танкеров должны иметь двойное дно и двойные борта. У таких двухкорпусных судов объемы двойного дна и двойных бортов используются для устройства балластных танков, которые заполняются только в балластом переходе, оставаясь в грузу пустыми. Кроме того, MARPOL[2] требует, чтобы каждое судно для перевозки сырой нефти дедвейтом 20 тыс. т и более и каждый нефтепродуктовоз дедвейтом 30 тыс. т и более имели изолированные балластные танки для обеспечения безопасной посадки судна в балластном переходе. Объем балластных танков в соответствии с требованиями Конвенции составляет 30-35% от объема грузовых танков, рис 10. Конвенция ограничивает и объемы грузовых танков, установив, что максимальный вылив нефти во всех случаях не должен превышать 40 тыс. т. Вследствие этого на новых судах выросло число поперечных переборок и увеличилась масса корпуса.

Обычно в двухкорпусных танкерах для уменьшения площади коррозирующих связей набор вынесен в междубортное пространство. Установка, кроме того, в ДП продольной переборки коффердамного типа и расположение палубного набора над верхней палубой позволяют получить танки с абсолютно гладкими, лишенными набора стенками, что значительно упрощает осмотр и очистку танков.

В последние годы появились двухпалубные танкеры. Рекомендуется вторую палубу располагать ниже ватерлинии в грузу, чтобы при повреждениях в нижней части жидкий груз выдавливался забортной водой в танки, расположенные под верхней палубой.

а)		б)		в)
г)		д)
Рис. 11. Типовые поперечные сечения двух корпусных танкеров. Верхний ряд – с одной продольной переборкой: а – плоской, б – коффердамного типа, в – гофрированной с трапецеидальными опорами и наружным набором верхней палубы; нижний ряд – с двумя плоскими продольными переборками: г – с набором переборок и распоркой в бортовых танках, д – с набором переборок и распоркой в центральном танке

Корпус танкеров в средней части обычно набирают по продольной системе набора, а в оконечностях – по поперечной. При постройке средних и крупных танкеров широко применяют высокопрочные стали, объем которых в общей массе корпуса составляет от 30% у танкеров зарубежной постройки до 80% – у отечественных. Типовые сечения нефтеналивных судов приведены на рис. 11.