Теория устройства судна

[leoDeg]

Тема создана для пополнения копилки знаний в данной области :honoring:

1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ СУДНА

1) ПРЕДМЕТ "ТЕОРИЯ СУДНА" И ЕГО РОЛЬ В ПОДГОТОВКЕ СУДОВОДИТЕЛЕЙ
Ответственные задачи стоят перед работниками морского флота по
обеспечению грузовых и пассажирских потоков. Эти задачи могут быть
решены только благодаря качественному улучшению флота, т.е.заменой
старых судов новыми судами современной постройки, специализированными
судами и т.д.
Для эксплуатации современных судов морского флота необходимы
высококвалифицированные кадры моряков. Предмет "Основы теории судна"
является одним из профилирующих в учебном плане подготовки
судоводительских кадров.
Теория судна - одна из древнейших наук. Первый основной закон,
положивший начало изучению мореходных качеств судна был открыт греческим
ученным Архимедом более 2000 лет назад. Это закон плавучести - закон о
действии силы давления воды на погруженное в нее тело.
Огомный вклад в развитие этой науки внесли русские мореходы и ученые С.О.Макаров, А.Н.Крылов, Н.К.Жуковский и многие другие.
Знания в области теории судна позволяют предвидеть и грамотно оценить
поведение судна при его эксплуатации и избежать аварии в сложных
условиях плавания. Выдающийся русский академик А.Н.Крылов говорил:
"Часто истинная причина аварии лежала не в действии неотвратимых и
непреодолимых сил природы, не в "неизбежных случайностях на море", а в
непонимании основных свойств и качеств корабля, несоблюдении правил
службы и самых простых мер предосторожности, непонимании опасности,
которую корабль ставится, в небрежности, неосторожности, отсутствии
предусмотрительности".
Теория судна - это наука о равновесии и движении плавающего судна. Она изучает законы, определяющие мореходные качества судна.
Мореходные качества судна условно можно разделить на две группы.
Первую группу, объединяющую такие мореходные качества, как плавучесть,
остойчивостьи непотопляемость, изучают путем рассмотрения статических
положений судна на спокойной воде, не касаясь его движения при переходе
из одного положения в другое. Поэтому этот раздел теории судна
называется статикой судна.
Основная задача этого раздела - изучение равновесия судна, неподвижного относительно спокойной воды.
При изучении второй группы мореходных качеств определяющими являются
поступательное, вращательное на циркуляции и колебательное движения
судна Этим определяется название второго раздела теории судна - динамика судна.
Основная задача этого раздела - изучение движения судна под действием приложенных к нему внешних сил и моментов.
2) ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОРЕХОДНЫХ КАЧЕСТВАХ СУДНА
Мореходные качества определяют надежность и конструктивное
совершенство судна. К мореходным качествам относятся: плавучесть,
остойчивость, непотопляемость, мореходность, ходкость, управляемость
судна.
Плавучестью называется способность судна плавать в требуемом положении относительно поверхности воды при заданной загрузке.
Остойчивость - способность судна, отклоненного
действием внешних сил из положения равновесия, возвращаться в исходное
положение равновесия после прекращения действия этих сил.
Непотопляемостью называется способность судна сохранять достаточную плавучесть и остойчивость после затопления одного или нескольких отсеков.
Мореходность - способность судна противостоять воздействию морского волнения с колебаниями возможно меньшей частоты и амплитуды.
Xодкость - способность судна перемещаться с заданной скоростью.
Управляемостью называется способность судна удерживать заданное направление движения или изменять его в соответствии с желанием судоводителя.
3) ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА СУДНА.
Эксплуатационные качества (измерители судна) определяют транспортные возможности и экономические показатели судна.
Эксплуатационные качества судна определяются его грузоподъемностью,
грузо и пассажировместимостью, скоростью, маневренностью, дальностью
и автономностью плавания.
Грузоподъемность - вес различного рода грузов,
которые может перевезти судно при условии сохранения проектной посадки.
Существует чистая грузоподъемность и дедвейт.
Чистая грузоподъемность - это полный вес перевозимого
судном полезного груза (вес в трюмах и вес пассажиров с багажом и
запасы провизии, воды) при загрузке судна по расчетную осадку (DЧ)
Дедвейт - (иногда говорят - полная грузоподъемность)
это общий вес перевозимого груза, а также запасов топлива, котельной
воды, масла, экипажа с багажом, запасов всей воды и балласта, т.е.
дедвейт - сумма всех переменных грузов. Величина дедвейта для каждого
судна является постоянной и определяется общим весом переменных грузов,
принятых на судно по расчетную осадку (Dw).
Водоизмещение порожнем - сумма всех постоянных весов,
из которых слагается вес конструкции построенного судна (корпус,
механизмы, судовые устройства, системы и оборудование, инвентарное
снабжение, вес запасов топлива, масла в системе для запуска двигателя и
твердый балласт на некоторых судах) (Do).
Полное водоизмещение - водоизмещение порожнем плюс дедвейт (или водоизмещение в полном грузу).
D = Do + Dw ,
где D - полное водоизмещение,
Do - водоизмещение порожнем,
Dw - дедвейт.
У современных судов дедвейт составляет 65 - 75 % от полного водоизмещения, у танкеров - 82-85 %.
Грузовместимость - суммарный объем всех грузовых помещений, измеряется в м3
Зерновая вместимость - равна теоретическому объему
грузовых помещений за вычетом объема набора корпуса и других конструкций
внутри помещения (4-5 %).
Киповая вместимость - вместимость по штучному грузу и обычно на 8-10% меньше вместимости по сыпучему г рузу.
Регистровая вместимость (или регистровый тоннаж) -
дает единообразную оценку размеров судна, размеров помещения в мировой
практике. За единицу объема принимают регистровую тонну, равную 2,83 м3 (или 100 куб. футов). Эта мера объема, которую нельзя путать с обычной тонной - мерой веса веса.
Существует валовая вместимость (брутто) и чистая вместимость (нетто).
Валовая вместимость - объем помещении судна,
определяемый по специальным правилам обмера. Этот объем, служащий для
расчета сборов в портах и статистического учета флота, включает полный
объем корпуса судна и его надстроек, за исключением объема двойного дна,
не используемого для размещения топлива, объема помещений, не полностью
защищенных от попадания забортной воды, и некоторых других особо
оговоренных помещений.
Чистая вместимость - условный объем помещений
судна, предназначенных для перевозки грузов или пассажиров, т.е. коммерчески эксплуатируемых помещений.
Измеряется валовая и чистая вместимость в регистровых тоннах. Данные,
полученные в результате обмера судна, заносятся в его мерительное
свидетельство и в списки (регистровые книги) судов.
Скорость хода - эксплуатационное качество судна,
обеспечивающее экономическую эффективность транспортных операций. Чем
выше скорость, тем выше провозная способность судна. Растет скорость с 9
-14 узлов до 30 узлов.
Дальность плавания - расстояние, которое судно может
пройти с заданной скоростью без пополнения запасов. Сейчас суда могут
совершать рейсы 15 000 - 20 000 миль и более.
Автономность плавания - определяется временем работы
судна без пополнения запасов топлива, смазки, провизии и воды. Сейчас от
1 до 2 месяцев. Ледоколы, спец. суда - до 1 года.
Маневренность - способность судна выполнять заданные маневры, изменять направление и скорость движения.
Живучесть - способность судна при получении повреждении сохранять свои мореходные и эксплуатационные качества.

2. Плавучесть

Плавучестью называется способность судна плавать по определенную ветерлинию, неся всю положенную нагрузку.
На судно, как на плавающее тело, постоянно действуют две кагетрии сил;
силы тяжести (вес судна) и силы давления воды (гидростатические силы).
Равнодеиствующая сил тяжести, которая представляет собой сумму сил
тяжести всех элементов судна, определяет вес судна Р. Сила веса при
любых положениях судна всегда направлена вертикально вниз. Точка
приложения силы веса называется центром тяжести судна и обозначается буквой G.
Равнодействующая гидростатических сил является результирующей всех
сил, возникающих вследствие давления воды на поверхность корпуса судна.
Она называется силой плавучести или силой поддержания D'. Сила
плавучести направлена по вертикали вверх. Точка приложения силы
плавучести называется центром величины. Эта точка обозначается буквой С и находится в центре тяжести подводного объема корпуса.

3. ПОПЕРЕЧНАЯ ОСТОЙЧИВОСТЬ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.
Остойчивость - одно из важнейших мореходных качеств
судна, с которым связаны чрезвычайно важные вопросы, касающиеся
безопасности плавания. Утрата остойчивости почти всегда означает гибель
судна и очень часто экипажа. В отличие от изменения других мореходных
качеств уменьшение остойчивости не проявляется видимым образом, и экипаж
судна, как правило, не подозревает о грозящей опасности до последних
секунд перед опрокидыванием. Поэтому изучению этого раздела теории
корабля необходимо уделять самое большое внимание.
Для того чтобы судно плавало в заданном равновесном положении
относительно поверхности воды, оно должно не только удовлетворять
условиям равновесия, но и быть способным сопротивляться внешним силам,
стремящимся вывести его из равновесного положения, а после прекращения
действия этих сил - возвращаться в первоначальное положение.
Следовательно, равновесие судна должно быть устойчивым или, другими
словами, судно должно обладать положительной остойчивостью.
Таким образом, остойчивость - это способность судна, выведенного из состояния равновесия внешними силами, вновь возвращаться к
первоначальному положению равновесия после прекращения действия этих сил.
Остойчивость судна связана с его равновесием, которое служит
характеристикой последней. Если равновесие судна устойчивое, то судно
обладает положительной остойчивостью; если его равновесие безразличное,
то судно обладает нулевой остойчивостью, и, наконец, если равновесие
судно неустойчивое, то оно обладает отрицательной остойчивостью.
В этой главе будут, рассматриваться поперечные наклонения судна в плоскости мидель-шпангоута.
Остойчивость при поперечных накпонениях, т.е. при возникновении крена,
называется поперечной. В зависимости от угла наклонения судна поперечная
остойчивость делится на остойчивость при малых углах наклонения ( до
10-15 град), или так называемую начальную остойчивость, и остойчивость
при больших углах наклонения.
Наклонения судна происходят под действием пары сил; момент этой пары
сил, вызывающий поворот судна вокруг продольной оси, будем называть кренящим Мкр.
Если Мкр, приложенный к судну, нарастает постепенно от нуля до конечного
значения и не вызывает угловых ускорении, а следовательно, и сил
инерции, то остойчивость при таком наклонении называется статической.
Кренящий момент, действующий на судно мгновенно, приводит к
возникновению углового ускорения и инерционных сил. Остойчивость,
проявляющаяся при таком наклонении, называется динамической.
Статическая остойчивость характеризуется возникновением
восстанавливающего момента, который стремится возвратить судно в
первоначальное положение равновесия. Динамическая остойчивость
характеризуется работой этого момента от начала и до конца его действия.

4. ПРОДОЛЬНАЯ ОСТОЙЧИВОСТЬ

ПОНЯТИЕ О ПРОДОЛЬНОЙ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА
Остойчивость, которая проявляется при продольных наклонениях судна, т.е. при дифференте, называется продольной.
Несмотря на то, что углы дифферента судна редко достигают 10 град.,
а обычно составляют 2-3 град, продольное наклонение приводит к
значительным линейным дифферентам при большой длине судна. Так, у судна
длиной 150 м угол наклонения 1 град. соответствует линейному дифференту,
равному 2,67 м . В связи с этим в практике эксплуатации судов вопросы,
относящиеся к дифференту, более важны, чем вопросы продольной
остойчивости, поскольку у транспортных судив с нормальными соотношениями
главных размерений продольная остойчивость всегда положительна.
При продольном наклонении судна па угол ψ вокруг поперечной оси Ц.В.
переместится из точки С в точку C1 и сила поддержания, направление
которой нормально к действующей ватерлинии, будет действовать под углом ψ
к первоначальному направлению. Линии действия первоначального и нового
направления сил поддержания пересекаются в точке.
Точка пересечения линии действия сил поддержания при бесконечно малом наклонении в продольной плоскости называется продольным метацентром М.
Радиус кривизны кривой перемещения Ц.В. в продольной плоскости называется продольным метацентрическим радиусом R, который определяется расстоянием от продольного метацентра до Ц.В.
Формула для вычисления продольного метацентрического радиуса R аналогична поперечному метацентрическому радиусу; R = IF / V , где IF
момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной оси,
проходящей через ее Ц.Т. (точка F); V - объемное водоизмещение судна.

5. НЕПОТОПЛЯЕМОСТЬ

1) ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ
Непотопляемостью называется способность судна
сохранять плавучесть и остойчивость при затоплении одного или нескольких
отсеков, образованных внутри корпуса судна водонепроницаемыми
переборками, палубами и платформами.
Поступление забортной воды в корпус судна, в результате его
повреждения или намеренного затопления отсеков, приводит к изменению
характеристик плавучести и остойчивости, управляемости и ходкости.
Перераспределение сил плавучести по длине судна вызывает дополнительные
напряжения в корпусе судна, который должен сохранить при этом
достаточную прочность. Кроме того, решение задачи об обеспечении
непотопляемости транспортного судна затрагивает ряд очень важных
технико-эксплуатационных показателей.
В процессе расчета непотопляемости определяют посадку судна и
остойчивость судна после затопления одного или нескольких
водонепроницаемых отсеков. Если оказывается, что аварийный крен,
минимальная высота аварийного надводного борта и остойчивость
поврежденного судна лежат в пределах, предусмотренных требованиями к
непотопляемости, то непотопляемость судна считается обеспеченной. В
противном случае принимают меры к улучшению аварийной посадки и
остойчивости.
2) СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ
Непотопляемость, которая является одним из важнейших качеств судна,
обеспечивается конструктивными и предупредительными
организационно-техническими мероприятиями.
Конструктивно непотопляемость обеспечиваю, разделяя корпус судна на
ряд отсеков с помощью водонепроницаемых переборок, палуб и платформ.
Палубу, до которой доходят главные водонепроницаемые переборки, принято
называть палубой переборок. Конструктивно
непотопляемость судна обеспечивается также устройством на судне
осушительных систем, мерительных труб, водонепроницаемых закрытий и т.п.
Большое значение дпя обеспечения запаса плавучести, остойчивости и
прочности судна после затопления отсеков имеет также правильный выбор
соотношений главных размерений судна.
Не менее важное значение для обеспечения непотопляемости имеют
предупредительные организационно-технические мероприятия. Наиболее
важными из них являются: правильная организация личного состава в борьбе
за непотопляемость; систематическая и тщательная подготовка по вопросам
непотопляемости; поддержание в исправном состоянии всех
водонепроницаемых закрытий (дверей, люков, горловин, иллюминаторов);
строгое соблюдение инструкции по приему и расходованию жидких грузов,
балластировки судна в условиях штормовой погоды и устранению свободных
поверхностей жидких грузов; регулярный контроль водонепроницаемости
корпуса судна путем замеров уровней жидкости в льяльных колодцах и
танках двойного дна.
В аварийной ситуации личный состав борется с распространением воды и
добивается восстановления остойчивости и спрямления поврежденного судна
(уменьшение его крена и дифферента). Особенно важно сохранить
достаточную положительную остойчивость после аварии. Известно, что
потеря судном плавучести в результате постепенного затопления является
процессом относительно медленным; опрокидывание же судна вследствие
потери остойчивости происходит неожиданно и обычно влечет за собой
гибель судна и человеческие жертвы.
Таким образом, обеспечение непотопляемости транспортного судна
охватывает большой комплекс вопросов как теоретического, так и
практического характера, решение которых представляет значительные
трудности.
В зависимости от характера затопления различают три категории
затопленных отсеков: отсек первой категории, затопленный полностью;
отсек второй категории, затопленный частично (имеющий свободную
поверхность жидкости), но не сообщающийся с забортной водой; отсек
третьей категории, затопленный частично и сообщающийся с забортной водой
через пробоину в наружной обшивке.
Наиболее просто выполняются расчеты посадки и остойчивости
поврежденного судна после затопления отсеков первой и второй категории.
Так при
затоплении отсеков первой категории проникшая в них забортная вода
может рассматриваться как принятый на судно твердый груз; тогда элементы
посадки и остойчивости судна могут быть определены по формулам, по
которым определяют эти элементы при приеме твердого груза.
В случае затопления отсеков второй категории вода в них может
рассматриваться как жидкий груз, принятый на судно. При этом должно быть
учтено влияние его свободной поверхности на остойчивость.
Особенно сложны расчеты при затоплении отсека третьей категории,
имеющего свободную поверхность и сообщающегося с забортной водой через
пробоину. В этом случае количество воды в отсеке изменяется при
изменении посадки судна, а посадка, в свою очередь, зависит от
количества влившейся воды. Такие расчеты выполняются только в процессе
проектирования судна.
3) РОЛЬ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМЫХ ПЕРЕБОРОК В ОБЕСПЕЧЕНИИ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ
В процессе проектирования транспортных судов вопрос об их
непотопляемости, в конечном счете сводится к проверке правильности
выбора количества и мест расположения водонепроницаемых переборок. Такая
проверка имеет своей целью установить соответствие их размещения тем
требованиям, которые предъявляются регистром. Для морских транспортных
судов нормирование посадки после затопления одного или группы отсеков
производится по предельную линию погружения, которая проходит по борту
ниже бортовой линии палубы переборок на расстоянии 76 мм (3 дюйма) по
всей длине судна. Установить предельную линию погружения необходимо,
т.к. нельзя допустить, чтобы запас плавучести судна был вовсе потерян.
Таким образом, критерием непотопляемости судна после затопления одного
или группы отсеков является положение ватерлинии ниже предельной линии
погружения. Решение вопроса об удовлетворении этому критерию сводится к
установлению такой предельной длины затопления в различных частях
корпуса судна (предельной длины отсека), при которой указанное условие
будет соблюдено. Придельной длиной затопления
называется длина некоторого условного отсека, при затоплении которого
действующая ватерлиния касается предельной линии погружения, не превышая
ее.

6. БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА

1) ЗАПАС ПЛАВУЧЕСТИ СУДНА.
Для обеспечения безопасности плавания судно должно обладать определенной потенциальной плавучестью - запасом плавучести,
характеризуемой величиной непроницаемого для воды объема корпуса,
расположенного выше действующей ватерлинии. Следовательно, запасом
плавучести можно считать то количество грузов (или воды), которое судно
может принять сверх уже находящихся на нем до полной потери плавучести.
Запас плавучести обычно выражается в процентах от водоизмещения судна с
полным грузом, т.е. является относительным запасом плавучести. Если
непроницаемый для воды надводный объем корпуса обозначить через VН, то относительный запас плавучести выразится отношением:
A = ( VH / V ) × 100%
Относительный запас плавучести различен у судов разных типов и
составляет: для пассажирских судов - около 80 %, сухогрузов - 25 - 50 % и
танкеров - 15 - 25 %.
Сохранение запаса плавучести и его конструктивное обеспечение имеют
жизненно-важное значение для всякого судна. Достаточный запас плавучести
в процессе проектирования и постройки судна достигается рядом
конструктивных мероприятий, к числу которых относятся: обеспечение
достаточной высоты надводного борта, устройство водонепроницаемых
закрытий и разделение судна на отсеки прочными водонепроницаемыми
переборками и палубами. При отсутствии последних, любое повреждение
подводной части судна может привести к полной потере запаса плавучести и
гибели судна. Запас плавучести в этом случае конструктивно не
обеспечен.
2) ВЕЛИЧИНА НАДВОДНОГО БОРТА
Запас плавучести непосредственно связывают с высотой надводного
борта: чем она больше, тем больше запас плавучести. Поэтому высоту
надводного борта судна принимают в качестве основного измерителя запаса
плавучести и регламентация запаса плавучести в определенной степени
сводится к нормированию минимальной высоты надводного борта, допускаемой
с точки зрения обеспечения плавучести судна.
Допустимая высота надводного борта, именуемая в "Правилах о грузовой марке морских судов" (1974 г.) минимальным надводным бортом,
обеспечивает судну запас плавучести, который считается достаточным для
безопасного плавания в определенных районах и в определенное время года.
Высоту безопасного надводного борта устанавливают для каждого судна в
зависимости от его длины, коэффициента общей полноты, седловатости
(продольной погиби) палубы, погиби бимсов и других факторов. При
назначении судну минимального надводного борта принимается во внимание
также его прочность и наличие эффективных средств защиты самого судна и
его личного состава от воздействия среды (закрытия люков, отверстий в
бортах, палубах и надстройках; средства доступа в судовые помещения;
леерные ограждения).
3) ГРУЗОВАЯ МАРКА
Чтобы избежать перегрузки судна при эксплуатации, установленное
значение надводного борта фиксируют путем нанесения на каждом борту
судна грузовой марки, состоящей из палубной линии, знака грузовой марки и марок, применяемых со знаком грузовой марки.
Различают обычную международную грузовую марку и специальные грузовые
марки, которые наносят на борт некоторых судов помимо обычных марок
(лесовозы, пассажирские суда загран. плавания) или взамен них (наливные
суда, морские суда внутреннего плавания).
В международную грузовую марку входит следующий ряд марок:
1. Летняя грузовая марка Л (S - summer) - минимальный надводный борт для летнего плавания судна в морской воде.
2. Зимняя - З (w - winter) - зимний надводный борт, который получают увеличением летнего на 1/48 летней осадки.
3. Зимняя грузовая марка для северной Атлантики -
ЗСА (WNA - winter north atlantic). У судов длиной более 100,5 м этот
минимальный борт совпадает с нормальным зимним. У судов дайной менее
100,5 м он увеличен на 50 мм, т.к. условия плавания судов сравнительно
малых размеров более тяжелые.
4. Тропическая - Т (Т- tropical) - получена путем уменьшения летнего надводного борта на 1/48 летней осадки.
5. Грузовая марка для пресной воды - П (F -
fresh
water) - положение этой марки по высоте определяется вычитанием из
летнего надводного борта значения изменения осадки судна при переходе из
морской воды в пресную.
6. Тропическая марка для пресной воды - ТП (ТF -
tropical fresh water) - ее получают уменьшением тропического надводного
борта на величину изменения осадки при переходе из соленой в пресную.
Буквы Р С на марке обозначают - регистр СССР.
Для лесовозов существует специальная лесная грузовая марка, которая наносится левее знака грузовой марки. Она уменьшает надводный борт, т.к. лес придает судну дополнительную плавучесть.
Пассажирские марки обозначаются литерами С1, С2, СЗ и т.д., расположены перпендикулярно вертикальной линии в корму.
Существует специальная грузовая марка для судов внутреннего плавания.
Назначение минимального надводного борта этих судов зависит от района плавания этих судов.
Судам, совершающим международные рейсы, регистром выдается
''международное свидетельство о грузовой марке", которое составляется на
русском и английском языках.
4) ТРЕБОВАНИЯ РЕГИСТРА К ОСТОЙЧИВОСТИ МОРСКИХ СУДОВ. НОРМЫ ОСТОЙЧИВОСТИ
Цель нормирования остойчивости судов - обеспечение необходимой и
достаточной остойчивости для безопасного плавания судов в
эксплуатационных условиях.
Остойчивость судна промеряют по основному и дополнительным критериям.
По основному критерию остойчивости безопасность плавания проверяют в
штормовую погоду. Судно должно, не опрокидываясь, противостоять
одновременному действию динамически приложенного давления ветра и
бортовой качки при наихудшем в смысле остойчивости варианте нагрузки.
Остойчивость судов считается достаточной, если динамически приложенный
кренящий момент давления ветра МКР равен опрокидывающему моменту Мопр или меньше него, т.е. безопасность судна гарантирована при МКР≤Мопр.
Отношение МКР / Мопрназывается критерием погоды К и должен быть равен
K = МКР / Мопр≤ 1
Кренящий момент от давления ветра вычисляется но формуле:
МКР = 0,001 × РВ Sn Zn
где РB - условное расчетное давление ветра, Па;
Sn - площадь парусности, м2;
Zn - отстояние центра парусности от плоскости действующей ватерлинии, м.
Давление ветра РВ определяется по таблицам "Правил
классификации и постройки морских судов" Регистра в зависимости от
района плавания и значения Zn.
Опрокидывающий момент Мопр определяется по диаграмме
динамической или статической остойчивости, рассчитанной с учетом влияния
свободной поверхности жидких грузов.
Остойчивость проверяется при всех вариантах нагрузки. Для судов тех
типов, по которым отсутствуют специальные указания, в число вариантов
нагрузки, подлежащих проверке, входят следующие: судно с полным грузом и
полными запасами; судно с полным грузом и 10% запасов; судно без груза с
полными запасами; судно без груза с 10% запасов.
Критерий погоды К считается основным, так как он в какой-то степени
связывает значение остойчивости с оценкой действующих на судно внешних
сил.
Помимо критерия погоды К Правила Регистра регламентируют параметры
диаграммы статической остойчивости. Согласно требованиям Правил,
максимальное плечо диаграммы статической остойчивости морских судов всех
типов должно быть не менее 0.25 м (при длине судна менее 80 м) и не
менее 0,2 м (при длине судна более 105 м) при угле крена более 30 град.
Предел положительной статической остойчивости, характеризуемый углом
заката диаграммы, должен быть не менее 60 град. У судов с отношением В/T
более 2,0 возможно некоторое уменьшение угла заката, соответствующего
максимальному плечу диаграммы.
В качестве дополнительного условия достаточной остойчивости угол максимума диаграммы должен быть более 30 град.
Также правила требуют, чтобы исправленная (с учетом влияния свободной
поверхности жидких грузов) метацентрическая высота у всех судов при всех
возможных вариантах нагрузки была положительной.
Помимо рассмотренных общих критериев остойчивости Правила
предусматривают ряд дополнительных критериев, обусловленных типом судна.
Так, остойчивость пассажирских судов определяют для случая скопления
пассажиров на одном борту и при повороте судна под действием руля (крен
на циркуляции). Остойчивость буксиров проверяют при поперечном рывке
буксирного троса. Таким образом, коротко требования Регистра к
остойчивости морского неповрежденного судна можно выразить так:
K = MКР / Mопр ≤ 1;
lст ≥ 0,25 м (при L ≤ 80 м);
lст ≥ 0,2 м (при L ≥ 105 м);
h > 0;
θmax ≥ 30°;
θзах ≥ 60°.
5) ИНФОРМАЦИЯ ОБ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ДЛЯ КАПИТАНА
В условиях плавания любое судно, отвечающее нормам достаточной
остойчивости, можно поставить в опасное положение или привести к
опрокидыванию из-за неправильной эксплуатации или загрузки.
Ответственность за остойчивость судна в процессе эксплуатации
возлагается на капитана, которому, согласно требованиям Регистра,
выдается "Информация об остойчивости судна".
"Информация" в систематизированной форме содержит: сведения об
остойчивости судна при типовых, предусмотренных заранее, вариантах
загрузки; общие рекомендации и конкретные указания относительно
эксплуатационных ограничений, которые необходимо выдерживать, чтобы
обеспечить безопасность судна в отношении опрокидывания (здесь же
приводятся мероприятия по улучшению остойчивости судна); различного рода
вспомогательные графики, таблицы, шкалы, диаграммы и другие материалы,
необходимые для оценки остойчивости при возможных в эксплуатации, но не
предусмотренных заранее, вариантах нагрузки.
"Информация" составляется по материалам опытного кренования судна.
Данные, характеризующие остойчивость судна в типовых условиях нагрузки,
позволяют судоводителю без всяких расчетов количественно оценить
остойчивость при наиболее часто встречающихся в эксплуатации состояниях
нагрузки или же при известном состоянии нагрузки сопоставить
остойчивость судна с близкой к нему и заранее рассчитанной
остойчивостью. В "Информации" имеются специальные стандартные бланки для
каждого типового случая нагрузки, содержащие схему нагрузки судна,
таблицу нагрузки масс, диаграмму статической остойчивости и таблицу
остойчивости судна. В последней указаны нижние пределы основного (по
условиям погоды) и дополнительных критериев остойчивости, при которых
эксплуатация судна считается безопасной.
Указания капитану содержат необходимые рекомендации по управлению судном
на циркуляции и в штормовую погоду, по приему и расходованию жидких
грузов, сведения о мерах предосторожности при перевозке пассажиров, а
также насыпного и лесного грузов.
Материалы для расчета остойчивости при нетипичных случаях нагрузки
содержат: диаграмму предельных допускаемых моментов; диаграмму
предельных возвышений Ц.Т. судна; универсальную диаграмму остойчивости;
чертеж размещения грузов на судне; таблицу для оценки остойчивости судна
по периоду бортовой качки; диаграммы осадок носом и кормой.
6)СПОСОБЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА
Для оценки остойчивости судна в эксплуатационных условиях Региср
рекомендует применять специальные приборы. Существует много различных
конструкций таких приборов. В основу одних положен принцип
кинематической связи различного рода деталей приборов (маховичков,
роликов, шестерен и т.п.) с нанесенными шкалами или диаграммами,
рассчитанными в конструкторском бюро и учитывающими индивидуальные
особенности данного судна. Другие приборы основаны на принципе
моделирования нагрузки судна с помощью масштабных грузов или напряженных
пружин. К последним можно отнесли и электрические приборы, основанные
на электрическом моделировании нагрузки судна.
Все приборы, предназначенные для контроля остойчивости судна, делятся на две основные группы.
К первой группе относятся приборы для определения показателей
остойчивости до начала загрузки судна. Исходными данными для приборов
этой группы являются величины, входящие в состав нагрузки масс судна:
дедвейт или водоизмещение, моменты водоизмещения по высоте Мz и по длине Мх,
массы принимаемых или снимаемых грузов, значения аппликат их центров
тяжести. Кроме того, обязательно вносят поправки, учитывающие влияние
свободных поверхностей жидких грузов.
На основании указанных исходных данных с помощью приборов определяют
следующие характеристики остойчивости: осадки носом, кормой и среднюю,
угол заката и угол максимального плеча диаграммы статической
остойчивости, максимальное плечо, поперечную метацентрическую
высоту.
К наиболее распространенным приборам первого типа относятся: прибор
остойчивости и дифферента Благовещенского, прибор остойчивости и
дифферента Козлова, прибор ПКЗОC-1, шведский прибор "Сталодикатор".
Вторую группу составляют приборы, позволяющие контролировать,
остойчивость во время рейса. Основанные на измерении периодов качки
судна или углов крена, эти приборы имеют следящую систему для получения
исходных данных и счетно-решающую часть, обрабатывающую эти данные с
последующей выдачей результатов вычислений.
Исходными данными обычно служат углы крена судна при искусственно
заданном кренящем моменте или период собственных колебании судна. С
помощью таких приборов получают значение аппликаты центра тяжести и
метацентрической высоты и по этим данным по пантокаренам приборы
"вычерчивают" всю диаграмму статической остойчивости или ее начальный
участок.
Наиболее распространены приборы, основанные на измерении периода колебании судна.
Принцип действия приборов другого типа основан на зависимости между
угловым ускорением при бортовой качке и метацентрической высотой. К
таким приборам относятся, например, маятниковые приборы.
В настоящее время большинство вопросов, связанных с загрузкой судна,
расчетом посадки и остойчивости судна и т.п. могут быть автоматизированы
с помощью персональных компьютеров при наличии соответствующих
программ. Использование персональных компьютеров дает большие
возможности и в значительной мере упрощает процесс расчетов. Главное,
чтобы в этой ситуации не происходил "эффект передоверия прибору".
Имеется в виду, что человек, использующий вычислительную технику, должен
сам в совершенстве владеть теми вопросами, которые он пытается решить с
помощью прибора.

7. УПРАВЛЯЕМОСТЬ

1) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Управляемостью называется
способность судна сохранять заданное направление движения, т.е. быть
устойчивым на курсе или изменять его по желанию судоводителя под
действием руля. Таким образом, управляемость объединяет два качества
судна - устойчивость на курсе и поворотливость.
Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять прямолинейное направление движения в соответствии с заданным курсом. Поворотливость - это способность судна изменять направление движения и двигаться по заранее выбранной судоводителем криволинейной траектории.
В море на судно, совершающее поступательное движение, оказывают
влияние многие факторы: ветер, волнение, течение, неравномерность работы
гребных винтов и руля и т.п. их действие трудно поддается
количественному учету, но все они стремятся внести возбуждение в режим
движения судна. Практически способность судна держаться па курсе
достигается путем периодической перекладки руля. При этом, чем меньше
углы перекладки руля и число перекладок в единицу времени, тем большей
устойчивостью на курсе обладает судно.
Анализируя понятие устойчивости судна па курсе и требования по ее
обеспечению, можно установить, что это качество судна находится в
некотором противоречии с другим его качеством - поворотливостью. Как
известно всякое улучшение устойчивости на курсе связано с ухудшением
поворотливости и наоборот. Потому при проектировании судна для
обеспечения наилучшей управляемости стремятся найти наиболее
целесообразное сочетание устойчивости судна на курсе и его
поворотливости, соответствующее техническому заданию, т.е. назначению
судна и условиям его плавания.
Управляемость судна обеспечивается специальными средствами
управления, назначение которых - создавать силу (перпендикулярную ДП),
вызывающую боковое смещение судна (дрейф) и поворот его вокруг
продольной (крен) и поперечной (дифферент) осей.
Средства управления подразделяются на основные и вспомогательные.
Основные средства - рули, поворотные насадки, крыльчатые движители -
предназначены для обеспечения управляемости судна во время его движения.
Вспомогательные средства обеспечивают управляемость судна на предельно
малых ходах и при движении по инерции с неработающим г. д. К этой
группе относятся подруливающие устройства различных типов, активные
рули. При проектировании рулевого устройства необходимо учитывать
назначение судна. Так, суда дальнего плавания проходят значительные
расстояния, придерживаясь одного направления, в то время как суда,
совершающие частые заходы в порты, а также портовые и другие суда,
работающие на ограниченных акваториях, проходят небольшие расстояния при
частых реверсах и переменах курса. Очевидно, что для судов первой
группы основным требованием является хорошая устойчивость на курсе, а
для второй группы - хорошая поворотливость. Следует подчеркнуть, что для
судов, особенно транспортных, сохранение устойчивости на курсе - это
фактор, обеспечивающий их экономические показатели, так как плохая
устойчивость на курсе непроизвольно удлиняет рейсовое время, которое
служит одним из основных эксплуатационных показателей транспортных
судов.
2) ДЕЙСТВИЕ РУЛЯ НА СУДНО.
При движении судна в результате перекладки пера руля
на угол a, на нем, под действием потока воды будет возникать
результирующая разности давлений со стороны потока на внутреннюю и
внешнюю поверхности крыла. Кроме сил давлений на всю поверхность крыла
вдоль хорды профиля действуют силы сопротивления, обусловленные
вязкостью жидкости.
Результирующие всех сил давления и сил сопротивления можно заменить
одной равнодействующей Р, которая называется равнодействующей
гидродинамических сил, действующих на крыло. Силу Р принято
характеризовать ее проекциями на направление скорости невозмущенного
потока и направление, перпендикулярное ему. Проекция силы Р на
направление скорости потока V0 называется лобовым сопротивлением Рх, а проекция той же силы на направление, перпендикулярное скорости потока - подъемной силой Ру .
Очевидно, что сила лобового сопротивления Рх, направленная в
сторону, противоположную движению судна, вызывает торможение судна и
уменьшение, таким образом, его скорости. Сила Рy направлена перпендикулярно ДП и вызывает на переднем ходу смещение кормы судна влево. Сила Рy - полезная сила, обеспечивающая разворот судна при перекладке руля.
При перекладке пера руля на угол, больший 35°, подъемная сила Ру становится незначительной, а сила лобового сопротивления Рх, уменьшающая скорость судна, увеличивается. Поэтому на практике угол перекладки руля, как правило, не бывает больше 35°.
Практика плавания показывает, что управляемость на заднем ходу всегда
значительно хуже, чем на переднем, а во многих случаях суда
почти не
управляются даже в условиях спокойной воды.

8. КАЧКА

1) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Качкой судна называются колебательные движения, совершаемые судном
относительно положения равновесия. В основном качка возникает под
действием гидродинамических сил, обусловленных возмущающим эффектом
ветрового волнения.
Цель изучения качки судна и ее законов - выявить вредные последствия
качки и разработать рациональные мероприятия по предотвращению или
смягчению этих последствий. Степень подверженности судна качке
характеризуется его мореходностью: чем меньше судно подвержено качке,
тем оно более мореходно.
К вредным последствиям качки относятся: уменьшение скорости судна
вследствие увеличения сопротивления воды движению судна и ухудшения
режима работы движителей; возникновение добавочных усилий, вызванных
силами инерции и ударами волн, что может привести к местным разрушениям
корпуса и отдельных устройств судна; нарушение нормального режима работы
механизмов, устройств и различных приборов вследствие воздействия сил
инерции; заливание палубы, затрудняющее обслуживание механизмов и
отдельных устройств, расположенных на палубе и выше нее; ухудшение
условий обитаемости судна, вредное физиологическое воздействие на людей,
находящихся на судне.
Опасными последствиями качки являются: опрокидывание судна из-за
потери остойчивости в результате появления больших углов крена или
значительное уменьшение остойчивости вследствие смещения грузов, приема
большого количества воды на палубу и т.д.; разрушение (излом) корпуса
из-за потери общей продольной прочности.
При изучении колебательных движений судна различают качку на тихой
воде и качку на волнении. Свободная качка на тихой воде происходит после
прекращения действия сил, которыми судно было выведено из равновесия, а
затем предоставлено самому себе. Такие колебания быстро затухают
вследствие действия сил сопротивления воды. Однако некоторые параметры и
характеристики качки судна на тихой воде существенно влияют на
параметры вынужденной качки на волнении, поэтому их необходимо изучать.
Вынужденная качка вызывается периодически изменяющимися силами давления,
возникающими при повышении и понижении уровня воды у бортов судна при
плавании на взволнованной поверхности воды.
В зависимости от направления колебаний судна относительно устойчивого положения равновесия различают три вида качки: бортовую - вращательные колебательные движения в поперечной плоскости; килевую - вращательные колебательные движения в продольной плоскости; вертикальную - поступательные колебательные движения относительно плоскости ватерлинии, соответствующей статическому равновесию.
Такое разделение качки облегчает и упрощает ее изучение, позволяет
установить основные зависимости и получить необходимые для практических
целей выводы.
Качку судна, как всякое колебательное движение, характеризуют следующие параметры: амплитуда качки θ - наибольшее отклонение судна от положение равновесия; размах качки - удвоенная амплитуда или полное перемещение судна из одного крайнего положения в другое; период качки Т - время, в течение которого судно совершает одно полное колебание; частота качки n - число полных колебаний судна за время 2π сек. Период и частота качки связаны соотношением: Т = 2π/n.
2) КАЧКА СУДНА НА ТИХОЙ ВОДЕ
Качка судна на тихой воде, которая происходит после прекращения
действия некоторого начального возмущения, представляет собой
собственные (свободные) колебания. Рассмотрим три основные виды качки,
которые на спокойной воде теоретически могут существовать независимо
друг от друга: бортовую, килевую и вертикальную.
Бортовая качка. Бортовой качкой на тихой воде
называют вращательное колебательное движение судна вокруг продольной оси
с попеременным креном на левый и правый борта. Такую качку можно
вызвать перебежкой людей по палубе с борта на борт, быстрым выносом
груза стрелой или краном за борт ...
Бортовая качка судна на тихой воде характеризуется амплитудой бортовой качки θm и периодом собственных колебании Тθ:
Тθ = 2 × C × B / √h,
Где С = 0,36 - 0,43 - коэффициент, значение которою зависит от типа
судна; В - ширина судна; h - метацентрическая высота. Это выражение
называется капитанской формулой. Хотя ее точность
относительно невелика, она, благодаря своей простоте, широко
применяется, например, для определения метацентрической высоты судна по
периоду бортовой качки Тθ.
Анализируя эту формулу, можно сделать вывод, что период бортовой качки
на тихой воде не зависит от ее амплитуды. При этом увеличение
остойчивости судна уменьшает период качки судна, т.е. чем больше
метацентрическая высота h, тем меньше период качки Тθ.
Килевая и вертикальная качка. Килевой качкой судна на
тихой воде называют вращательные колебательные движения судна
относительно поперечной оси, вызывающие попеременный дифферент на корму и
на нос.
Физическая сущность, продольных колебаний при килевой качке остается
такой же, как и при бортовой, хотя продольные колебания имеют, некоторые
особенности, например: они быстро затухают из-за большого сопротивления
воды.
Как показывают опытные данные, до полной остановки судна при килевой качке на тихой воде требуется лишь 3 - 5 размахов.
Килевая качка характеризуется амилтудой θψ и периодом собственных колебании Тψ :
Тψ = 2,4√T, где Т - осадка судна.
Следует иметь ввиду, что эта формула является весьма приближенной.
Вертикальной качкой судна на тихой воде называют
поступательные движения судна вдоль вертикальной оси, вызывающие
попеременное уменьшение и увеличение осадки.
Вертикальная качка, как самостоятельный вид колебательных движений,
возможна только в том случае, если Ц.Т. входящего в воду слоя будет
находиться на одной вертикали с Ц.Т. судна. Это условие практически
неосуществимо, пэтому вертикальная качка обязательно сопровождается
килевой. Периоды собственных колебаний вертикальной и килевой качки на
тихой воде практически равны.
3) КАЧКА СУДНА НА РЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ
Бортовая качка. Бортовая качка судна на регулярном
волнении может быть представлена как сумма двух гармонических колебаний
- собственных колебании с частотой nθ бортовой качки на тихой воде без учета сопротивления воды и вынужденных колебании с частотой волны σ и амплитудой качки θm.
На регулярном волнении, которое имеет место, например, при мертвой
зыби или при качке модели судна в опытовом бассейне, на искусственно
создаваемых регулярных волнах, собственные колебания быстро затухают
вследствие влияния сопротивления воды, и колебания судна по истечении
некоторого времени становятся чисто вынужденными. Амплитуда вынужденных
колебаний при бортовой качке без учета сопротивления воды, согласно
выводам линейной теории качки, может быть вычислена по формуле:
θm = a0 / (1 - σ2 / nθ2). Так как σ = 2π/τ, а nθ = 2π / Tθ,
то θm = a0 / (1 - Tθ2 / τ2) или θm/ a0 = 1 / (1 - Tθ2 / τ2) (1),
где θm - амплитуда качки;
a0 - наибольший угол волнового склона;
Tθ - период собственных колебаний судна;
τ - период волны.
Отношение , θm / a0 принято называть относительной амплитудой, зависимость которой от отношения Tθ / τ.
Из уравнения (1) следует, что по мере приближения периода волны τ к периоду собственных колебании Tθ
относительная амплитуда вынужденных колебаний возрастает и при
отсутствии сил сопротивления воды становится бесконечно большой (при τ -
Tθ). Такое явление называется резонансом.
В действительности, резонанс, хотя и не приводит к возникновению
бесконечно больших амплитуд, вызывает появление резонансных максимальных
амплитуд. Из сравнения кривых, приведенных на рисунке видно, что
влияние сопротивления воды на относительную амплитуду вынужденных
колебаний существенно лишь в том случае, когда отношение периодов
находится в интервале 0,70 ≤ Tθ / τ ≤ 1,3 ; вне этой области влияние сопротивления незначительно.
Рассматриваемый случай качки является наиболее опасным. Если судно не
обладает достаточной динамической остойчивостыо, то резонанс может
привести к потере остойчивости и к опрокидыванию судна. Именно поэтому
при нормировании остойчивости морских судов оценивают углы, возникающие
не только от действия динамически приложенного давления ветра, но и углы
крена при бортовой качке, исходя из предположения, что судно находится
на регулярном волнении в условиях резонанса при положении лагом к волне.
Килевая и вертикальная качка. Если судно распологается
вразрез волне, то оно испытывает килевую качку. Физическая сущность
явлений, происходящих при килевой и бортовой качке, практически
одинакова, т.к. характер движения судна не меняется, а силы, действующие
на него, по своей природе остаются теми же.
Однако условия килевой качки судна на волнении отличаются от условиий
бортовой качки. При килевой качке сопротивление окружающей среды
значительно больше, чем при бортовой. Поэтому свободные колебания при
килевой качке затухают быстрее. Практически килевую качку можно считать
состоящей из одних вынужденных колебаний.
Исследование килевой качки осложняется тем, что одновременно возникает
вертикальная качка, причем их взаимное влияние друг на друга и на
характеристики колебаний судна существенно.
Поскольку даже при резонансе амплитуды килевой качки относительно
невелики, можно утверждать, что практическое значение для судна имеет не
столько сама качка, сколько связанные с ней заливаемоеть палубы и
надстроек и появление слемминга - гидродинамических ударов носовой
частью судна о воду. Указанные явления, а также ухудшение работы гребных
винтов из-за периодического обнажения винто-рулевой группы приводят к
значительному (до 50 %) уменьшению скорости судна, что неблагоприятно
сказывается на его экономических показателях. Явление слемминга
ощущается на протяжении от 1/10 до 1/8 длины судна. Удары о воду
сопровождаются сотрясениями корпуса, переходящими в вибрацию. По мере
увеличения крутизны волны сила ударов возрастает, что нередко приводит к
повреждениям днища. Поэтому при возникновении сильных ударов
судоводитель вынужден уменьшать, скорость или изменять курс судна.
Успокоителями качки принято называть устройства, которые применяются для уменьшения амплитуды качки судна.
Действие установленных на судне успокоителей качки состоит в том, что
они создают переменный стабилизирующий момент, противоположный по знаку
возмущающему моменту волны. В настоящее время применяются успокоители
только бортовой качки. Уменьшить амплитуды килевой и вертикальной качки с
помощью успокоителей практически трудно, т.к. еще не созданы
успокоители, способные развивать значительно большие, чем при бортовой
качке, стабилизирующие моменты.
4. Успокоители качки
Успокоители качки делятся на пассивные и активные. Действие рабочих
органов пассивных успокоителей основано на создании стабилизирующего
момента за счет колебательных движений судна во время качки, т.е. при их
использовании отпадает необходимость в специальных источниках энергии. В
активных успокоителях переменный стабилизирующий момент создается
принудительно с помощью особых механизмов, управляемых специальным
регулирующим устройством, которое, в свою очередь, реагирует на
колебания судна. Активные успокоители более эффективны, но на их работу
нужно затрачивать дополнительную мощность.
Пассивные успокоители. К числу пассивных успокоителей качки относятся скуловые кили и пассивные успокоительные цистерны.
Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством
уменьшения бортовой качки и потому находят самое широкое применение.
Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: закрытого, не
сообщающегося с забортной водой (I рода) и открытого, сообщающегося с
забортной водой (II рода). Цистерны наполовину заполнены водой
(иногда, топливом) и соединены каналами. Пассивные успокоительные
цистерны наиболее эффективны при резонансной качке. При некоторых
условиях и режимах нерегулярного волнения такие успокоители могут
привести к увеличению амплитуд качки. Наличие свободной поверхности
жидкости в цистернах также неблагоприятно влияет на остойчивость
судна. Вследствие указанных причин пассивные цистерны в настоящее время
практически не используются.
Активные успокоители. К активным успокоителям качки
относятся бортовые управляемые рули, активные успокоительные цистерны и
гироскопические успокоители-стабилизаторы.
Бортовые
управляемые рули являются весьма эффективным средством уменьшения
бортовой качки и получили широкое распространение на транспортных и
особенно на пассажирских судах. Они размещены на специальных приводах,
обеспечивающих изменение углов атаки по определенному закону, выдвижение
их из корпуса и уборку внутрь корпуса.
Практика показывает, что бортовые рули целесообразно применять при
скоростях, превышающих 10-15 узл. В этом случае бортовые рули приводят к
значительному (в несколько раз) снижению амплитуд бортовой качки.
Активные успокоительные цистерны обычно выполняют в виде цистерн I
рода. Для регулирования движения воды применяют либо насосы,
установленные в водяном канале, либо воздуходувы, расположенные в
воздушном канале. Управление насосом или воздуходувкой осуществляется с
помощью специальной автоматики таким образом, чтобы можно было
регулировать подачу воды из одной цистерны в другую и обеспечивать
требуемое изменение стабилизирующего момента. Эффективность установки не
зависит от скорости судна: цистерны одинаково умеряют качку на ходу и
на стоянке. Недостатки активных цистерн: сложность конструкции, высокая
стоимость, применение сложной регулирующей аппаратуры, снижение
грузоподъемности судна необходимость затрат дополнительной энергии.
Гироскопический успокоитель качки представляет собой
мощный гироскоп, вращающийся на оси в раме. Гироскоп устанавливают
вертикально. Крен судна при бортовой качке вызывает поворот оси
гироскопа - так называемую прецессию гироскопа. Вследствие этого
возникает гироскопический момент, который является стабилизирующим
моментом успокоителя. Гироскопические успокоители могут быть как
пассивными, так и активными. У пассивного успокоителя прецессия
возникает как реакция на качку судна. В активных успокоителях прецессия
создается принудительно за счет передачи внешней энергии
электродвигателю, управляемому автоматическим регулятором, реагирующим
на режим качки судна. Недостатки: значительная масса, большая стоимость,
сложность устройства и эксплуатации.

9. ХОДКОСТЬ И ДВИЖИТЕЛИ

1) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Ходкостью называется способность судна развивать заданную скорость под действием приложенной к нему движущей силы.
Учение о ходкости судна принято делить па две части - сопротивление
окружающей среды (воды, воздуха) движению судна и судовые движители.
Первая часть посвящена: выявлению физической сущности возникновения
сил сопротивления среды движению судна; изучению законов, отражающих
изменение этих сил; определению количественной зависимости между формой
обводов корпуса, силами сопротивления, скоростью судна и необходимой
мощностью энергетической установки.
Во второй части изучаются типы движителей, принципы их выбора и методы
расчета. Конечной целью исследования является выбор такого сочетания
элементов движителя, при которых для достижения заданной скорости судна
затрачивается минимальная мощность судовой энергетической установки.
2) СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СУДНО ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ
При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические
силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна,
можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой
трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна.
Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим
результирующую сил трения - сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая - волновое сопротивление RB зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВ.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:
R = RТР + RB + RФ+ RВ.Ч. + RВОЗ (1)
Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:
R = C × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ), (2)
где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
SВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:
C = CТР + CB + CФ+ CВ.Ч. + CВОЗ или C = CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ
где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:
R = (CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ) × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ) (3).
3) ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ДВИЖЕНИЮ СУДНА
Сопротивление трения. В результате опытов было
установлено, что при обтекании тела (судна) потоком жидкости вблизи его
поверхности образуется тонкий слой жидкости, называемый пограничным
слоем. В пределах этого, слоя скорости частиц жидкости изменяются от
нуля на поверхности тела (частицы прилипают к поверхности) до значении
скорости
набегающего потока на внешней границе пограничного слоя. Изменение
скорости в этом слое обусловлено интенсивным проявлением сил вязкости.
Движение частиц жидкости внутри пограничного слоя может быть ламинарным
или турбулентным. Режим движения жидкости внутри пограничного
слоя определяется числом Рейнольдса R:
Re = V × L / ν,
где V - скорость движения жидкости, м/с;
L- длина судна, м;
ν - коэффициент кинематической вязкости, м/с.
При значительно небольших значениях Re (при Re<4×105) в
пограничном слое наблюдается ламинарный режим течения жидкости. При
таком режиме отдельные слои жидкости движутся в плоскостях,
приблизительно параллельных поверхности тела, и никакого переноса частиц
жидкости из слоя в слой не происходит; отдельные слои жидкости как бы
скользят друг по другу, вызывая вследствие действия молекулярных сил
сцепления силы трения, а, следовательно, и изменение скоростей в
поперечном сечении пограничного слоя.
При так называемом критическом числе Reкрит = 5×105 происходит переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Турбулентный режим
характеризуется тем, что частицы потока, двигаясь по главному
направлению - вдоль тела, совершают дополнительное движение - поперек
пограничного слоя. В этом случае происходит перенос жидкости из одного
слоя в другой, который приводит к интенсивному перемешиванию масс
жидкости и, как следствие, выравниванию скоростей потока в пределах
слоя, что вызывает соответствующее увеличение сил трения. Таким образом,
при турбулентном режиме обтекания силы трения значительно больше, чем
при ламинарном.
Турбулентный режим обтекания поверхности корпуса судна возникает из-за
шероховатости этой поверхности. Судовая поверхность не является
технически гладкой, а имеет значительную шероховатость различного
происхождения, влияние которой на сопротивление трения судна необходимо
учитывать. В целом шероховатость обусловлена: качеством окраски;
волнистостью наружной обшивки; наличием местных неровностей в виде
валиков сварных швов; заклепочных соединений и коррозионных разрушений
листов наружной обшивки. Обрастание подводной поверхности судна очень
сильно увеличивает шероховатость и тем самым уменьшает скорость судна.
Интенсивность обрастания зависит от многих факторов: температуры воды,
ее солености, времени года, района плавания, соотношения количества
ходовых и стояночных дней, скорости судна, состояния обшивки и т.п. В
отдельных случаях уже через год после докования при плавании в средних
широтах потеря скорости составляет 10-15 %.
Наиболее эффективным средством борьбы с обрастанием является
периодическое докование судна с обязательной очисткой подводной части
корпуса и покрытием его противообрастающими красками. Зачистка подводной
части корпуса судна может производиться и без докования судна на воде
водолазами. Обрастание судна в этом случае начнется значительно быстрее,
так как корпус не был вскрыт соответствующими красками.
Сопротивление формы. У плохо обтекаемых корпусов
потери энергии потока из-за действия сил вязкости настолько велики, что
частицы жидкости вблизи корпуса, не доходя до ахтерштевня, теряют
скорость, а под действием возрастающего давления могут начать двигаться
против набегающего потока.
Возникающий встречный поток жидкости оттесняет пограничный слой от
поверхности судна, приводит к срыву потока и образованию вихрей. Точка
А, в которой начинается оттеснение пограничного слоя, называется точкой
отрыва пограничного слоя.
Интенсивное вихреобразование в кормовой части судна еще в большей
степени снижает давление в этом районе и увеличивает разность
результирующих давлений, действующих на носовую и кормовую оконечности,
т.е. приводит к росту сопротивления формы.
Естественно, что сопротивление формы в значительной степени зависит от
положения точки отрыва пограничного слоя по длине судна: чем ближе к
носовой оконечности находится эта точка, тем больше сопротивление. В
свою очередь, положение точки отрыва определяется формой корпуса. У
судов с большим удлинением (L / В > 6), т.е. у хорошо обтекаемых
корпусов, отрыва пограничного слоя не наблюдается, поэтому эти суда
имеют относительно небольшое сопротивление формы (порядка 15-20% полного
сопротивления). У некоторых типов барж с тупой кормой сопротивление
формы достигает 50 % полного сопротивления.
Волновое сопротивление. Распределение
гидродинамических давлений вдоль корпуса движущегося судна неравномерно и
характеризуется повышением в оконечностях и понижением в районе миделя.
Вследствие этого форма поверхности воды искажается: там, где давление в
потоке выше атмосферного, образуется бугор, а где оно ниже атмосферного
- образуется впадина. Выведенные из положения равновесия частицы
жидкости под действием сил тяжести и сил инерции стремятся вернуться в
свое первоначальное положение. Это приводит к возникновению
колебательного движения воды, внешним проявлением которого являются так
называемые корабельные волны, образующиеся на спокойной поверхности
воды.
Установлено, что корабельные волны имеют два очага возникновения: у
форштевня развивается носовая система волн, у ахтерштевня - кормовая. В
каждой из них можно выделить расходящиеся и поперечные волны. На
создание этой волновой системы судном затрачивается энергия и происходит
потеря скорости, что и принято называть волновым сопротивлением.
Сопротивление выступающих частей. Выступающими
частями судна считаются рули, кронштейны и выкружки гребных валов,
рудерпост, скуловые кили и т.д. Выступающие части создают добавочное
сопротивление RВЧ которое определяется вязкостными
составляющими. Если выступающие части рационально спроектированы и
правильно расположены относительно корпуса, то их сопротивление
вызывается силами трения. При нарушении этих требований резко возрастает
сопротивление формы. Величина RВЧ определяется экспериментально,
путем сравнительных буксировочных испытаний модели судна с выступающими частями и без них в опытовых бассейнах.
Воздушное сопротивление. Сопротивление воздуха RВОЗ
движению судна слагается из сопротивления надводной части корпуса,
надстроек, рубок и других палубных сооружений. Основную часть
сопротивления (до 60-80 %) создают надстройки, которые по своей
конфигурации приближаются к плохо обтекаемым телам.
4) НАЗНАЧЕНИЕ СУДОВЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ. ГРЕБНОЙ ВИНТ. ШАГ ВИНТА. В Р Ш
Судовыми движителями называются специальные
устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую
силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды
движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к.
они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых
рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную
движению судна.
В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные
типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и
водометный движители.
Гребной винт служит основным типом движителя
для
морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на
ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей
гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций
кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта
принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных
судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные
винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с
поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш).
Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта
называется расстояние, на которое переместится точка винта за один
полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные
винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают
левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов
регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной
оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной
мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме
движения судна.
Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических
характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей),
обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном
режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные
характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному -
наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных
двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом:
возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу
упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного
переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет
использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в
обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За
счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы
упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается
дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества
судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по
конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш
имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что
усложняет их крепление.

P.S. Тема переработана и лишние расчёты убраны за ненадобностью.
Спасибо тем кто прочитал до конца :honoring: .

[AHTOXA_MOCKBA]

И зачем тут куча пустых повторяющихся пунктов?

[HARD_roker]

последние 9 спойлепров оставьте, а остальные в топку

[Sergius_Grey]

Из учебника какого то скопипастил ? Оформление отвратительное.

[___KOT_B_TAHKE___]

Господи, ТС ты зачем столько текста написал? Можно было просто кратко. Сейчас думаешь все будут читать этот огромный текст? Да времени жалко ведь пожалел бы себя и людей.

Ты как будто то бы лекцию читаешь на 4 часа.

[VirusPro]

Спасибо, информативно  :honoring:

[HARD_roker]

wegasPRO (04 Авг 2013 - 20:51) писал:

Спасибо, информативно  :honoring:

уж не Мартиросяна-ли твинк?

[leoDeg]

___KOT_B_TAHKE___ (04 Авг 2013 - 20:50) писал:

Господи, ТС ты зачем столько текста написал? Можно было просто кратко. Сейчас думаешь все будут читать этот огромный текст? Да времени жалко ведь пожалел бы себя и людей.
Ты как будто то бы лекцию читаешь на 4 часа.

Сократил как мог,короче будет- смысл потерят

[anonym_5RShMaj6bzTx]

постарался хорошо, кое-что вспомнил +

[HARD_roker]

leoDeg (04 Авг 2013 - 20:55) писал:

Сократил как мог,короче будет- смысл потерят

чесслов, оглавление лишнее

[leoDeg]

XAPDPOKEP (04 Авг 2013 - 21:01) писал:

чесслов, оглавление лишнее

Убрал

[anonym_Skr0bgnjSyVL]

Как по мне, то формулы тут не нужны.  Никто не станет в этом разбираться без  особой цели. У нас тут на форуме, в большей степени, историки, а не инженеры.  :eyesup:

[_KAIOT_]

Познавательно, но не совсем полно.

[Tan4ik]

тс, оформление поправьте и будет ок

[xDimsonx]

Мастер копиаста

[sid2508]

неосилил

[Angmara]

Спасибо, несмотря на довольно большое количество текста, все же было интересно прочитать, но в следующий раз, хоть картинок добавьте :wink:

[leoDeg]

Gamerandrei (04 Авг 2013 - 22:08) писал:

Как по мне, то формулы тут не нужны.  Никто не станет в этом разбираться без  особой цели. У нас тут на форуме, в большей степени, историки, а не инженеры.  :eyesup:

Я почти все формулы убрал и половину разделов, оставил только начальные формулы для ознакомления

[anonym_ik6kk40LPfVg]

Абсолютно не читабельно, слишком много текста

[leoDeg]

akscorp (05 Авг 2013 - 08:26) писал:

Абсолютно не читабельно, слишком много текста

Кому интересно, тот прочитает