Внешние силы действующие на корпус судна классификация. Силы и моменты действующие на судно силы

Воздействие ветра и течения на судно вызывает основную нагрузку на якорную цепь при стоянке и определяет статический момент сопротивления на валу электродвигателя в процессе съемки с якоря, когда судно подтягивается к месту заложения якоря.

На стоянке при совпадении по направлению ветра и течения возникает наибольшее воздействие внешних сил на судно и обобщенная сила для винтовых судов определяется арифметической суммой трех составляющих

F’ = FB + F’T + F’Г

где FB - сила ветрового воздействия на надводную часть судна;

F’T – сила течения действующая на подводную часть судна;

F’Г - сила течения действующая на неподвижные винты.

Сила ветрового воздействия на надводную часть судна FB зависит от скорости и направления ветра, формы надводной части корпуса, размеров и расположения надстроек. Расчетное значение усилия от ветра можно определить по формуле, Н

FB = Кн ∙ рв ∙ Sн

где Кн = 0,5 ÷ 0,8 – коэффициент обтекания надводной части корпуса

рв = ρV2 / 2 – давление ветра, Па;

ρ = 1,29 – плотность воздуха, кг/м3;

V – скорость ветра, м/с

рв =1,29*102/2=64,5Па

Площадь проекции надводной части судна на миделевое сечение, м2:

B – ширина судна, м;

H – высота борта, м;

T – осадка, м;

b, h – соответственно ширина и высота судовых надстроек, м.

Sн=11,6*(3,5-2,5)+11*2,5+10,5*5=91,6 м2

FB=0,5*64,5*91,6=2954,1 Н

Сопротивление корпуса, обусловленное течением, учитывается только сопротивлением трения, так как все другие виды сопротивления (волновое, вихревое) практически отсутствуют вследствие малой скорости течения, Н

(1)

где КТ = 1,4 – коэффициент трения;

Sсм = L∙(δ∙B + 1,7∙T)

– площадь смачиваемой поверхности судна, м2

Здесь δ = 0,75 ÷ 0,85 – коэффициент полноты водоизмещения;

L, B, T – главные размерения судна, м;

Sсм=78*(0,84*11,6+1,7*2,5)=1055,34 м2

VT – скорость течения воды, м/с.(1,38м/с)

F’T=1,4*1055,34*1,381,83=2663,7 Н

(2)

где ZГ – число гребных винтов;

CГ = 200 ÷ 300 – параметр, увеличивающийся с возрастанием дискового отношения гребного винта, кг/м3;

DВ – наружный диаметр гребного винта (насадки), м.

F’Г=2*200*1,52*1,382=1713,96 Н

F’=2954,1+2663,7+1713,96=7331,96 Н

Биогаз
Представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз относится к топливам, получаемым из местного сырья. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, к...

Определение приводных усилий в дисковом тормозном механизме
Рисунок 3.2 - Расчетная схема дискового тормоза r1 - внутренний радиус тормозного диска, м; r2 - наружный радиус тормозного диска, м; rср - средний радиус рабочей поверхности, м; dрц - диаметр рабочего цилиндра, м. Тормозные накладки выполнены в форме кольцевого сектора. Принимаем Момент трения дискового тормоза с кольцевой накладкой, Н...

Расчёт на отрыв гребня
Рисунок 8 – К расчету замка на прочность. Считаем, что лопатки расположены параллельно, т. е. b=0°. Rц.т.об. – радиус центра тяжести обода. Рц.об. – центробежная сила, действующая на обод. σраст. – растягивающее напряжение, действующее на гребень. Rц.т.об. = 0,296 м. Вывод: Рассчитанные значения напряжений смятия и растяжения не пре...

Все силы (нагрузки), действующие на корпус судна, можно разделить на две категории:

-Постоянные , действующие в течение всего периода эксплуатации.

-Случайные , действующие в течение какого-либо промежутка времени или периодически.

По характеру воздействия на корпус постоянные или случайные силы могут быть статическими илидинамическими.

Также на судно действуют нагрузки (во время эксплуатации):

Силы тяжести – Силы (постоянные), действующие на судно всё время. К ним относятся силы тяжести корпуса, механизмов, грузов, запасов.

Силы гидростатического давления (силы поддерживания) – постоянные силы, уравновешивающие силы тяжести, величина сил поддерживания зависит от осадки судна.

Силы сопротивления воды (при движении судна) – постоянные силы, величина которых зависит от скорости и осадки судна.

Инерционные силы – случайные силы, возникновение которых зависит от эксплуатационных условий, например, при качке.

Реакция кильблоков (при постановке судна в док) – случайные силы, величина которых зависит от распределения нагрузки по длине судна в момент докования и количества кильблоков под днищем судна.

Прочие эксплуатационные силы – случайные, преимущественно динамического характера: удары о пирс при швартове, посадка на мель, удары волн о корпус, заливание палубы водой при шторме.

Для противодействия вышеперечисленным нагрузкам и предотвращения остаточных деформаций корпус судна должен обладать общей продольной, поперечной и местной прочностью.

А) Общая продольная прочность:

При плавании судна в спокойной воде на его корпус действуют силы тяжести и силы поддерживания. Эти нагрузки условно приводятся к плоской системе сил, приложенных к вертикальной плоскости, проходящей вдоль судна через середину его ширины. Силы тяжести по длине судна распределены неравномерно, в зависимости от типа судна, расположении МО по длине судна, количества груза в трюмах, количества и распределения судовых запасов, балласта. Распределение сил поддерживания по длине судна пропорционально подводному объёму корпуса, т.е наибольшее гидростатическое давление воды будет действовать по средней части длины корпуса с плавным уменьшением к оконечностям.

Чтобы рассчитать общую продольную прочность корпуса судна, его делят на 20 теоретических отсеков. Посчитывают величину сил тяжести корпуса, механизмов, грузов, оборудования, приходящуюся на каждый теоретический отсек, а затем в принятом масштабе строят кривую сил тяжести. Полученная ступенчатая кривая наглядно показывает величину си тяжести в каждом теоретическом отсеке и характер распределения этих сил по длине судна. Вычисляют также величину сил поддержания, приходящуюся на каждый теоретический отсек и строят её кривую. Эта кривая может быть ступенчатой, что удобней для её сравнения с кривой сил тяжести, или плавной, так как изменение подводного объёма по длине происходит плавно. Кривые строят в одном масштабе, что даёт возможность сложить их. Получается кривая нагрузки. Иногда может иметь место избыток сил поддержания, тогда распределение нагрузки вызовет перегиб судна, при котором в палубевозникнут напряжения растяжения или напряжения сжатия. Если нагрузка на судно будет распределена по-иному, т.е в средней части судна будет избыток сил тяжести, а в конечностях - сил поддержания, то судно будет испытывать прогиб, и напряжения в палубе изменят знак.

Б) Местная прочность:

Местная прочность – способность отдельных районов или мест корпуса выдерживать действующие на них нагрузки. При рассмотрении местной прочности корпус судна разбивают на ряд конструктивных элементов: перекрытия, шпангоутные рамки, баки, пластины.

- Перекрытия – система пересекающихся продольных и поперечных балок набора, соединенных обшивкой и опирающихся на жёсткий опорный контур (борта, переборки, палубы).

Различают перекрытия: днищевые, бортовые, палубные, переборки. Балки, входящие в состав перекрытия, делятся на балки главного направления – часто расставленные балки одного направления, и перекрёстные связи – мощные балки, пересекающие балки главного направления и поддерживающие их.

- Шпангоутная рамка – образуется поперечными балками днища, борта и палубы, лежащими в одной вертикальной поперечной плоскости. Методами строительной механики корабля определяют деформации напряжения в балках и узлах рамки.

- Пластина – это часть обшивки, которая находится между балками и опирается на них. Пластины корпуса непосредственно воспринимаю нагрузку, и передают её балкам судового набора. Определённая часть двух соседних пластин входит в состав балки набора как присоединенный поясок. Таким образом, балка набора состоит из вертикальной стенки, свободного пояска и присоединённого пояска, т.е имеет вид двутавра.

20. Основные элементы корпуса судна : Нос(передняя часть или носовая оконечность), Корма (задняя часть или кормовая оконечность), Днище, Второе дно (на крупных судах), Междудонное пространство (между днищем и настилом второго дна), Борта (правый и левый), Палуба (закрывает корпус сверху), палубы: верхняя – главная, а также вторая, третья и т.п.(счёт палуб идёт сверху вниз) , Твиндек – пространство между палубами, внутри корпус судна разделён поперечными продольными переборками на ряд Отсеков, Форпик – первый носовой отсек, Ахтерпик – последний кормовой отсек, Надстройки и Рубки располагаются на палубе (могут быть одно- и многоярусными) , Бак – носовая надстройка (хранятся концы, танки с топливом и пресной водой, балласт), Ют – кормовая надстройка, Средняя надстройка – располагается между баком и ютом, Элементы судовых устройств располагаются на главной палубе и на палубах бака и юта. Элементы судовых устройств – комплекс конструкций, изделий и механизмов, который обеспечивает нормальную, безопасную эксплуатацию судна. Морские суда обычно имеют рулевое, якорное, швартовное, буксирное, спасательное, мачтовое, грузовое, тентовое и леерное устройства.

21/ 22/ 23- основные системы каркаса корпуса судна :

поперечная система набора корпуса: при этой системе балки главного направления во всех перекрытиях (бимсы – в палубных, шпангоуты – в бортовых, флоры – в днищевых расположены поперёк судна. Расстояние между ними определяется по правилам Регистра и в зависимости от длины судна колеблется в пределах 500-800 мм. Поперечная система набора выгодна на ледоколах и судах ледового плавания, т.к. хорошо обеспечивает устойчивость листов днища при поперечном сжатии судна льдами. Преимущества: простота конструкции, лёгкость стыковки секции на стапеле, без большого числа продольных связей легче обеспечить непроницаемость поперечных переборок. Недостаток: большое число гибочных работ.
Продольная система набора корпуса судна: при данной системе набора во всех перекрытиях в средней части длины корпуса балки главного направления расположены вдоль судна. Оконечности судна при этом набираются по поперечной системе, т.к. в оконечностях продольная система неэффективна. Применение продольной системы в средней части длины судна позволяет обеспечить высокую продольную прочность. Поэтому данная система применяется на длинных судах, испытывающих действие большого изгибающего момента.Большое число продольных рёбер жёсткости обеспечивает хорошую устойчивость продольных рёбер палубы и днища при продольных сжимающих нагрузках, что позволяет применять листы из высокопрочной низколегированной стали меньшей толщины. В результате увеличивает грузоподъёмность судна. Малое число гибочных работ. Недостатки: установка высокого рамного набора, загромождающего трюмы, большое количество отверстий в поперечном наборе для прохода продольных рёбер жёсткости, сложность стыковки секций на стапеле.
Комбинированная система набора корпуса: при диной системе набора палубные и днищевые перекрытия в средней части длины корпуса набираются по продольной системе набора, а бортовые перекрытия в средней части и все перекрытия в оконечностях судна – по поперечной системе набора. Такое комбинирование систем набора перекрытий позволяет более рационально решить вопросы общей продольной и местной прочности корпуса, а также обеспечить хорошую устойчивость листов палубы и днища при их сжатии. Комбинированная система применяется на крупнотоннажных сухогрузных судах и низкобортных танкерах. Применение данной системы приводит к увеличению грузоподъёмности судна, т.к. из-за рационального размещения балок набора в поперечном сечении корпуса можно снизить толщину листового и профильного проката.
стр. 45, 46, 47 – рисунки.

Конструкция днища :

Днище судна состоит из днищевых перекрытий, которые представляют собой части днища, заключённые между бортами и переборками. В процессе эксплуатации судна днищевые перекрытия испытывают следующие нагрузки: гидростатическое давление воды, равномерно распределённое или сосредоточенное давление груза в трюме, сосредоточенные и вибрационные нагрузки в МО, гидродинамическое воздействие волн в оконечностях судна, усилия от общего продольного изгиба, реакции кильблоков при постановке судна в док, гидростатическое давление испытательного набора.
Днищевое перекрытие без второго дна, набранное по поперечной системе набора. Днищевой набор состоит из балок таврового поперечного сечения. Балки имеют вертикальную стенку и горизонтальный поясок. В диаметральной плоскости вдоль всего судна установлен вертикальный киль. Параллельно ему на расстоянии 1100-2200 мм. Расположены днищевые стрингеры. Поперёк судна в каждом шпангоуте установлены сплошные флоры. Во флорах и стрингерах выполняют круглые или овальные вырезы для уменьшения массы перекрытия.Между вырезами на стенки флоров приваривают рёбра жёсткости. В стенках поперечного и продольного набора у днища вырезают голубницы- отверстия для протока воды и прохода выступающих валиков стальных швов. Такое днище используется на небольших сухогрузных судах.
днищевое перекрытие без второго дна, набранное по продольной системе набора. Такая конструкция обычно применяется в танка нефтеналивных судов. Характерная особенность – наличие большого количества продольных днищевых рёбер жёсткости. В нижней части продольных рёбер жесткости делают прорези в виде гребёнки, что улучшает условия приварки балок к днищу и обеспечивает сток нефтепродуктов к какому-либо борту. В районе скуловой части днищевые продольные ребра жесткости на длинных судах пропускают через поперечные переборки, не разрезая. В диаметральной плоскости устанавливают высокий вертикальный киль.
днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по поперечной системе. Настил второго дна обеспечивает общую продольную прочность корпуса, удобство укладки груза и обслуживания трюма, препятствует проникновению воны внутрь судна при получении пробоины в днище. Образовавшееся междудонное пространство служит для хранения жидких судовых запасов и приёма балласта. В диаметральной плоскости установлен вертикальный киль. Параллельно килю с каждого борта идут днищевые стрингеры. Поперёк судна устанавливают сплошные, непроницаемые, бракетные или облегчённые флоры. Непроницаемые флоры выгораживают междудонные отсеки. На некоторых судах настил второго дна у борта может подгибаться наверх или подходить к борту горизонтально.
днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по продольной системе набора. Применяется на крупных сухогрузных судах, в последнее время и на танкерах. В середине ширины судна устанавливают вертикальный киль, днидщевые стрингеры в данном случае могут быть поставлены несколько реже, чем при поперечной системе набора, но количество их с каждого борта также зависит от ширины судна и колеблется от одного до трёх. По днищу и под настилом второго днарасполагают днищевые продольные рёбра жёсткости второго дна. По настилом второго дна ставят сплошные и водонепроницаемы флоры.

Рис. Стр. 49-52

Конструкция борта : борт судна состоит из бортовых перекрытий, которые представляют собой участки борта, заключённые между поперечными переборками, палубой и днищем.

1. бортовое перекрытие набранное по поперечной системе набора. (сухогрузные суда, ледоколы и низкогабаритные танкеры. Бортовая обшивка поддерживает обыкновенными шпангоутами.

2. днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по продольной системе набора. Такая конструкция применяется на крупнотоннажных танкерах и нефтерудовозах.

При прямолинейном равномерном движении на судно действуют две равные по величине и противоположно направленные силы: сила упора движителей (движущая сила) F Д и сила сопротивления R .

F Д = R; a= 0

При неустановившемся прямолинейном движении к этим двум силам добавляется сила инерции, компенсирующая алгебраическую разность этих сил.

При ускоренном движении судна, когда движущая сила F Д больше силы R , сила инерции выступает в роли сопротивления, а при замедленном движении, когда движущая сила F Д меньше силы сопротивления R , - в роли движущей силы.

F Д > R ; F Д < R; a 0 .

6.1.2. Характеристики сил, действующих на судно при криволинейном движении.

Криволинейное движение судна осуществляется с помощью соответствующей перекладки руля или поворотной накладки. При этом на руле возникает гидродинамическая сила руля Р р (рис. 6.1), которую можно разложить на продольную Р х , направленную параллельно диаметральной плоскости, и боковую (рулевую) Р у – перпендикулярную ей. Первая увеличивает силу сопротивления и тем самым уменьшает скорость движения судна, вторая – вызывает боковое перемещение судна в сторону своего действия и, кроме того, образует момент относительно центра тяжести (ЦТ), который осуществляет первоначальный поворот судна с угловой скоростью ω 1.

М р = Р у L к (6.1)

Р х = Р р · Cosα

Р у = Р р · Sinα

где Р у – составляющая гидродинамической силы руля по оси У;

L к - расстояние (плечо) от ЦТ до точки приложения силы Р р;

α – угол перекладки руля.

Наличие бокового перемещения судна вызывает отклонение его вектора скорости V от ДП на угол дрейфа β (рис.6.1).

Угол дрейфа при криволинейном движении (β) есть угол между ДП судна и вектором линейной скорости его в данной точке криволинейного движения.

Боковое перемещение судна и поворот нарушают симметричность обтекания подводной части корпуса судна, и на нем возникает гидродинамическая сила R Г , направленная под определенным углом к диаметральной плоскости судна. Эту силу можно разложить на две составляющие: боковую R УГ (рис. 6.1) и

продольную R ХГ . Сила R УГ направлена в сторону, обратную силе Р У , и, кроме того, создает вращающий момент относительно центра тяжести судна М Г.

Рис.6.1 Силы, действующей на судно при криволинейном движении.

М Г = R УГ L R (6.2)

R ХГ = R Г · Cosδ

R УГ = R Г · Sinδ

где R УГ – составляющая гидродинамической силы по оси У;

L R – расстояние (плечо) от центра приложения гидродинамических сил (ЦГ) до ЦТ.

δ - угол между ДП и направлением действия гидродинамической силы Р Г.

Момент М Г также осуществляет поворот судна с угловой скоростью ω 2. Моменты М Р и М Г в данном случае совпадают и создают суммарный поворачивающий момент М П, который будет осуществлять поворот судна с угловой скорость ω.

М П является алгебраической суммой моментов М Р и М Г

М П = М Р + М Г (6.3)

Составляющая R Х представляет собой силу, препятствующую движению судна.

По истечении некоторого времени после перекладки руля судно опишет криволинейную траекторию. При этом, как и у любого твердого тела, у него возникнут два ускорения: нормальное а п (центростремительное), направленное к центру кривизны траектории, и касательное а τ , совпадающее с линией вектора скорости V . При этом на судно будут действовать соответствующие силы инерции. Сила инерции I Ц (рис. 6.1), вызванная появлением нормального ускорения, будет пропорциональна этому ускорению и направлена в противоположную сторону. Она носит название центробежной силы инерции. Сила инерции I τ , вызванная касательным ускорением, направлена в сторону, обратную этому ускорению.

Центробежная сила инерции I Ц будет действовать все время, пока судно движется по кривой, а сила I τ – только при изменении скорости движения (на установившейся циркуляции, когда скорость движения постоянна этой силы не будет).

ИНЕРЦИОННО-ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

Силы и моменты, действующие на судно.

Система уравнений движения судна в

Горизонтальной плоскости.

Маневренные характеристики судна.

Требования к содержанию информации о

Маневренных характеристиках судна.

Общие сведения об инерционно-тормозных

Свойствах судна.

7. Особенности реверсирования различных видов

Движительных установок судов.

Торможение судна.

Судно как объект управления.

Транспортное морское судно совершает движение на границе двух сред: воды и воздуха, испытывая при этом гидродинамические и аэродинамические воздействия.

Для достижения заданных параметров движения, судном необходимо управлять. В этом смысле судно является управляемой системой . Каждая управляемая система состоит из трех частей: объекта управления, средства управления и управляющего устройства (автомата или человека)

Управление – это такая организация процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели, соответствующей задаче управления.

При плавании судна в открытом море, задача управления заключается в обеспечении его перехода из одной точки в другую по прямолинейной траектории, удерживая заданный курс и периодически корректируя его после получения обсерваций. В этом случае курс является управляемой координатой, а процесс поддержания его постоянного значения является целью управления.

Мгновенное значение ряда координат определяет состояние судна в данный момент. Такими координатами являются: курс, скорость, угол дрейфа, поперечное смещение относительно генерального курса и т.п. Они являются выходными координатами . В отличие от них координаты, являющиеся причинами управляемого движения, называются входными . Это угол перекладки руля и частота вращения гребного винта . При выборе значений входных координат, управляющее устройство (авторулевой, судоводитель), руководствуются значениями выходных координат. Такая связь между следствием и причиной называется обратной связью.

Рассмотренная управляемая система является замкнутой, т.к. в ней действует управляющее устройство (судоводитель). Если же управляющее устройство перестанет функционировать, то система становится разомкнутой и поведение объекта управления (судна) будет определяться тем состоянием, в котором зафиксированы средства управления (угол перекладки руля, частота и направление вращения гребного винта).

В дисциплине «Управление судном» изучаются задачи управления судном, движение которого происходит в непосредственной близости от препятствий, т.е. на расстояниях, сопоставимых с размерами самого объекта управления, что исключает возможность рассматривать его как точку (например, как в курсе «Навигация»).

Силы и моменты, действующие на судно

Все силы, действующие на судно, принято разделять на три группы: движущие, внешние и реактивные .

К движущим относят силы, создаваемые средствами управления для придания судну линейного и углового движения. К таким силам относятся: упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления (САУ) и т.п.

К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы в большинстве случаев создают помехи при маневрировании.

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна . Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей судна. По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные . Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений – линейного, углового, центростремительного. Инерционная сила всегда направлена в сторону, противоположную ускорению . При равномерном прямолинейном движении судна инерционные силы не возникают.

Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью забортной воды, следовательно, являются гидродинамическими силами и моментами. При рассмотрении задач управляемости используется связанная с судном подвижная система координат с началом в его центре тяжести. Положительное направление осей: Х – в нос; Y – в сторону правого борта; Z – вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрелке, однако, с оговорками в отношении угла перекладки, угла дрейфа и курсового угла ветра.

За положительное направление перекладки руля принимают перекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т.е. перекладку на правый борт (перо руля разворачивается при этом против часовой стрелки).

За положительный угол дрейфа принимается такой, при котором поток воды набегает со стороны левого борта и, следовательно, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе судна. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

Общий случай движения судна описывается системой из трех дифференциальных уравнений: двух уравнений сил по продольной Х и поперечной Y осям и уравнением моментов вокруг вертикальной оси Z.

1. Общие понятия и определения

Управляемость - способность судна двигаться по заданной траектории, т.е. удерживать заданное направление движения или изменять его под действием управляющих устройств.

Главными управляющими устройствами на судне являются средства управления рулем, средства управления движителем, средства активного управления.

Управляемость объединяет два свойства: устойчивость на курсе и поворотливость.

Устойчивость на курсе - это способность судна сохранять направление прямолинейного движения. Устойчивость на курсе может быть автоматической, когда судно способно удерживаться на курсе без работы средства управления (рулей), и эксплуатационной, когда удержание судна на заданном курсе осуществляется при помощи средств управления.

Поворотливость - способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны.

Поворотливость и устойчивость на курсе соответствуют главному назначению любого средства управления: поворачивать судно и обеспечивать его движение в постоянном направлении. Помимо этого любое средство управления должно обеспечивать противодействие влиянию внешних силовых факторов. В соответствии с этим Р.Я. Першицем введено определение такого важного составляющего управляемости, как послушливость.

Послушливость - способность судна преодолевать сопротивление маневрированию при заданных внешних воздействиях. При отсутствии внешнего воздействия его роль может играть собственная неустойчивость на курсе.

Коме послушливости введено понятие чувствительности ,под которой подразумевается способность судна как можно быстрее реагировать на действие средства управления, в частности, на перекладку руля.

Тяга винта. Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему необходимо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой: Nп = R V, где R - сила сопротивления; V - скорость движения.

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно. Затрачиваемая мощность на вращение винта составляет: Nз= M n, где М - момент сопротивления вращению винта; n- частота вращения винта.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус-движитель:

h = RV/ M n

Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения. Мощность же силовой установки (эффективная мощность Ne) судна должна быть больше затрачиваемой мощности на вращение винта, поскольку имеются потери в валопроводе и редукторе:

Ne = RV/ h hв hр,

где hв, hр - коэффициенты полезного действия валопровода и редуктора.

Поскольку при равномерном прямолинейном движении сила тяги винта равна силе сопротивления, приведенную формулу можно использовать для ориентировочной оценки тяги винта в режиме полного хода (Vo):

Ре = Ne h hв hр / Vo,

где пропульсивный коэффициент определяется по формуле Лаппа:

где L - длина судна между перпендикулярами:

n- частота вращения винта, с -1 .

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме - примерно на 10% больше тяги винта в режиме полного хода.

Сила тяги винта при работе на задний ход примерно составляет 70-80% от тяги винта в режиме полного хода.

Сопротивление движению судна

Вода обладает свойствами вязкости и весомости, которые вызывают два вида сопротивления при движении судна: вязкостное и волновое. Вязкостное сопротивление имеет две составляющих: трения и формы.
Сопротивление трения зависит от площади и шероховатости смоченной поверхности корпуса. Сопротивление формы зависит от обводов корпуса. Волновое сопротивление связано с образованием судовых волн при взаимодействия корпуса движущегося судна с окружающей его водой.

Для решения практических задач сопротивление воды движению судна принимают пропорциональным квадрату скорости:

R = k V² ,

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от осадки судна и степени обрастания корпуса.

Как указано в предыдущем разделе, силу сопротивления на полном ходу можно рассчитать по следующей формуле:

Ro = Ne h hв hр / Vo.

Промежуточные значения сопротивления (R) для любой скорости хода определяются:

Инерция судна и присоединенных масс воды

Равенство сил сопротивления среды движению судна и тяги винта определяет равномерное поступательное движение судна. При изменении частоты вращения винта это равенство сил нарушается.
С увеличением тяги скорость судна возрастает, с уменьшением - падает. Изменение скорости происходит продолжительное время, до тех пор, пока не будет преодолена инерция судна и силы тяги винта и сопротивления не уравняются вновь. Мерой инерции является масса. Однако инерция судна, движущегося в водной среде, зависит не только от массы самого судна.

Корпус судна вовлекает в движение прилегающие к нему частицы воды, на что тратится дополнительная энергия. В результате, чтобы придать судну некоторую скорость потребуется более длительная работа силовой установки.
При торможении необходимо погасить не только кинетическую энергию, накопленную судном, но и энергию вовлеченных в движение частиц воды. Такое взаимодействие частиц воды с корпусом аналогично увеличению массы судна.
Эта добавочная масса (присоединенная масса воды) у транспортных судов составляет от 5 до 10 % от их водоизмещения при продольном движении судна и примерно 80% от водоизмещения при поперечном перемещении.

2. Силы и моменты, действующие на судно при его движении

При рассмотрении движения судна используется связанная с центром тяжести судна прямоугольная система координат XYZ. Положительное направление осей: Х - в нос; Y - в сторону правого борта; Z - вниз.

Все силы, действующие на судно, разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

К движущим относятся силы , создаваемые средствами управления: сила тяги винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления.

К внешним силам относятся силы давления ветра, волнения моря, течения.

К реактивным относятся силы, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Они разделяются на инерционные - обусловленные инертностью судна и присоединенных масс воды и возникающие только при наличии ускорений. Направление действия инерционных сил всегда противоположно действующему ускорению.

Неинерционные силы обусловлены вязкостью воды и являются гидродинамическими силами.

При анализе сил, действующих на судно, оно рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля относительно диаметральной плоскости (ДП).

Применительно к судну, основные свойства крыла формулируются следующим образом:

если судно перемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то помимо силы лобового сопротивления , направленной противоположно движению, возникает подъемная сила , направленная перпендикулярно набегающему потоку. В результате равнодействующая этих сил не совпадает с направлением потока. Величина равнодействующей сил пропорциональна углу атаки и квадрату скорости набегающего потока;

точка приложения равнодействующей силы смещена по ДП от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого смещения тем боьше, чем острее угол атаки. При углах атаки близких к 90 градусам, точка приложения равнодействующей силы совпадает с центром парусности (для надводной части судна) и центром бокового сопротивления (для подводной части);

применительно к подводной части корпуса судна: угол атаки является углом дрейфа , а для надводной части - кусовым углом (КУ) кажущегося ветра ;

центр бокового сопротивления обычно совпадает с центром тяжести судна, а положение центра парусности зависит от расположения надстроек.

При отсутствии ветра и прямом положении руля первое диффенциальное уравнение движения судна можно представить в виде:

где Мх - масса судна с учетом присоединенной массы воды.

Равномерное движение: ускорений нет, поэтому инерционная сила Мх dV/dt=0. На судно действуют две равные и противоположно направленные силы: сила сопротивления воды и сила тяги винта .

При изменении силы тяги винта нарушается равенство сил тяги винта и сопротивления движения судна; это вызывает появление инерционных сил, появляется ускорение и судно начинает двигаться ускоренно или замедленно. Инерционные силы направлены против ускорения, т.е. препятствуют изменению скорости движения.

При увеличении силы тяги на судно действует 3 силы: сила тяги винта - вперед, сила сопротивления - назад, сила инерции - назад.

При уменьшении силы тяги: сила тяги - вперед; сила сопротивления - назад; сила инерции - вперед

При маневре стоп: с ила сопротивления - назад; сила инерции - вперед;

При реверсе:

а) до остановки судна: сила сопротивления - назад; сила тяги - назад; сила инерции - вперед.

б) после остановки и начале движения назад: сила сопротивления - вперед; сила тяги - назад; сила инерции - вперед.

Примечание: вперед - направление к носу судна; назад - направление к корме судна.

Силы, действующие на судно при поворотах

Повороты судна происходят под действием переложенного руля. Если удерживать переложенный на борт руль в течении определенного промежутка времени, то судно будет совершать движение, называемое циркуляцией. При этом центр тяжести судна будет описывать циркуляционную кривую, по форме близкую к окружности.
За начало циркуляции принимается момент начала перекладки руля. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа.
Процесс циркуляции принято делить на три периода: маневренный -продолжается в течении времени перекладки руля; эволюционный - начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения; установившийся - начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в переложенном положении.

Руль судна рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля. Поэтому при его перекладке возникает подъемная сила - боковая сила руля Рр.

Приложим к центру тяжести судна две равные Рру и противоположно направленные силы Р"ру и Р""ру. Эти две силы взаимно компенсируются, т.е. не оказывают влияния на корпус судна.

Тогда на судно действуют следующие силы и моменты:

сила лобового сопротивления руля Ррх - уменьшает скорость судна;

момент сил Рру Р""ру - разворачивает судно в сторону переложенного руля;

сила Р"ру - перемещает центр тяжести в сторону, обратную повороту.

Силы, действующие на судно в эволюционный период циркуляции

Разворот судна под действием момента сил Рру Р""ру приводит к появлению угла дрейфа. Корпус судна начинает работать как крыло. Появляется подъемная сила - гидродинамическая сила R. Приложим к ЦТ судна две равные Ry и противоположно направленные силы R"y R""y .

Тогда дополнительно к силам и моментам, действующим в маневренном режиме циркуляции появляются:

сила лобового сопротивления Rx - еще более уменьшает скорость судна;

момент сил Ry R"y - способствует развороту; угловая скорость поворота увеличивается;

сила R""y - компенсирует силу Р"ру и траектория искривляется в сторону поворота.

Силы, действующие в установившийся период циркуляции

Как только судно начало движение по криволинейной траектории появляется центробежная сила Rц. Каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра О свою траекторию.
При этом каждая точка имеет свой угол дрейфа, значения которого возрастают по мере удаления в сторону кормы. В соответствии со свойствами крыла, точка приложения гидродинамической силы R смещается в корму за центр тяжести судна.

В результате:

сила Рцх - уменьшает скорость судна;

сила Рцу - препятствует изменению радиуса циркуляции;

момент, создаваемый гидродинамической силой Rу - препятствует увеличению угловой скорости поворота;

все параметры циркуляции стремятся к своим установившимся значениям.

Геометрически траектория циркуляции характеризуется:

Резолюцией ИМО А.751 (18) «Промежуточные стандарты маневренных качеств судов» для вновь строящихся судов предложены величины:

1) прямое смещение (advance) - не более 4.5 длин судна;

2) тактический диаметр (tactical diameter) – не более 5 длин судна.

Управляемость судна при следовании задним ходом

При движении судна задним ходом с переложенным рулем на судно действуют следующие силы и моменты (см. рисунок):

поперечная сила руля Рру;

момент сил Рру и Рру разворачивает судно в сторону, обратную переложенному рулю;

гидродинамическая сила Rу образует момент, препятствующий развороту;

косое набрасывание воды на руль уменьшает эффективный угол перекладки руля на величину, равную углу дрейфа и, следовательно, уменьшается значение боковой силы руля.

Приведенные факторы обусловливают худшую управляемость судна на заднем ходу по сравнению с передним.

Силы и моменты, связанные с воздействием ветра

При рассмотрении сил и моментов, связанных с воздействием ветра, используется кажущаяся скорость ветра.

В соответствии со свойством крыла, при воздействии ветра появляется аэродинамическая сила А.

Раскладывая аэродинамическую силу на продольную и поперечную составляющие и приложив к ЦТ две равные и противоположно направленные силы Ау и А"у получим:

сила Ах - увеличивает скорость судна;

момент сил Ау и А"у - разворачивает судно в правую сторону;

сила А""у - вызывает боковое перемещение, что приводит к появлению угла дрейфа a и гидродинамической силы R;

продольная составляющая гидродинамической силы Rх - уменьшает скорость судна;

момент сил Ry R""y, действуя в одном направлении с моментом сил Ау и А"у, еще более разворачивает судно;

сила R"у вызывает боковое перемещение, противоположное перемещению от силы А""у.

Для удержания судна на курсе необходимо перекладывать руль на некоторый угол для создания момента боковой силы руля Рру, компенсирующего моменты аэро- и гидродинамических сил.

Работающий гребной винт совершает одновременно поступательное движение со скоростью судна V относительно невозмущенной воды и вращательное движение с угловой скоростью w= 2p n. Каждая лопасть винта рассматривается как отдельное крыло.

При набрасывании водяного потока на винт, на каждой его лопасти создается сила, пропорциональная квадрату скорости потока и величине угла атаки. Раскладывая эту силу по двум перпендикулярным друг другу направлениям, получим: силу тяги, направленную вдоль оси вращения винта и силу лобового сопротивления, действующую в плоскости диска винта по касательной к окружности, которую описывают точки на лопасти винта при его вращении.

Поскольку работающий винт расположен за корпусом судна, то при его движении водяной поток натекает на лопасти винта с неодинаковыми скоростями и под различными углами. В результате наблюдается неравенство сил тяги и лобового сопротивления для каждой лопасти, что приводит к появлению помимо тяги винта боковых сил, влияющих на управляемость одновинтового судна.

Основными причинами появления боковых сил являются:

попутный поток воды, увлекаемый корпусом при его движении;

реакция воды на работающий винт;

неравномерное набрасывание водяной струи от работающего винта на руль или корпус судна.

Рассмотрим влияние этих причин на работу винтов фиксированного (ВФШ) и регулируемого (ВРШ) шага правого вращения.

Влияние попутного потока

В верхней части винта скорость попутного потока воды из-за формы обводов корпуса будет больше, чем в нижней его части, что приводит к увеличению угла атаки потока воды на верхнюю лопасть. Это можно показать, рассмотрев движение элемента лопасти, расположенного на радиусе r от оси вращения винта.

Элемент лопасти при работе винта принимает участие во вращательном движении с линейной скоростью, равной 2pr●n, и поступательном движении со скоростью судна V.

Фактическая скорость поступательного движения участка лопасти винта уменьшается на величину DV скорости попутного потока. В результате увеличивается угол атаки до значения aф, что приводит к возрастанию сил dРх и dРу.
Проинтегрировав dРх и dРу по длине лопасти получим значения сил тяги (Р1) и лобового сопротивления (Q1), создаваемых лопастью винта в верхнем положении. Эти силы будут больше сил Р3 и Q3, создаваемых лопастью в нижнем положении. Неравенство сил Q1 и Q3 вызывает появление боковой силы DQ = Q1 - Q3, которая стремится развернуть корму судна влево в сторону большей из сил.

Реакция воды на винт

На работу винта оказывает влияние близость поверхности воды. В результате наблюдается подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта. При этом верхние лопасти испытывают меньшую силу реакции воды, чем нижние. Вследствие этого возникает боковая сила реакции воды, которая всегда направлена в сторону вращения винта - в рассматриваемом случае вправо.

При вращении винта закрученный поток воды натекает на перо руля в его нижней и верхней части под разными углами атаки. В нижней части утол атаки меньше, чем в верхней.

В результате возникает боковая сила, которая стремится повернуть корму вправо.

Общее влияние винта: для большинства судов с ВФШ и ВРШ силы или взаимно.

В этом случае попутный поток сохраняется. Однако в отличие от рассмотренного выше случая попутный поток уменьшает угол атаки.

Следовательно уменьшается сила лобового сопротивления dPy на каждом элементе лопасти. В верхнем положении такое уменьшение выражено сильнее, чем в нижнем, т.к. в нижней части скорость попутного потока меньше. Поэтому результирующая сила лобового сопротивления лопастей для ВФШ будет направлена влево.

У абсолютного большинства судов ВРШ левого вращения. Для ВРШ при перемене режима работы с переднего на задний ход направление вращения сохраняется, изменяется только шаг винта: винт левого шага становится винтом правого шага. Следовательно, результирующая сила лобового сопротивления лопастей также как и судов с ВФШ правого шага будет направлена влево.

Реакция воды на винт

Боковая сила реакции воды на винт, как было сказано выше, всегда направлена в сторону вращения винта: и как для ВФШ так и для ВРШ - влево.

Винтовая струя набрасывается на кормовую часть судна.

В результате создается повышенное гидродинамическое давление и корма будет смещаться: как для ВФШ так и для ВРШ - влево.

Общее влияние винта: корма идет влево.

Судно движется назад, винт вращается назад.

С началом движения судна назад попутный поток исчезает.

Реакция воды на винт : влево.

: влево.

Общее влияние винта: корма идет влево.

4. Влияние гребных винтов на управляемость многовинтового судна

Большинство современных пассажирских судов, ледоколов, а также быстроходных судов крупного тоннажа оснащаются двух- или трех вальными силовыми установками. Главная особенность многовинтовых судов по сравнению с одновинтовыми судами - это их лучшая управляемость.
Гребные винты у двухвинтовых, а также бортовые винты у трех винтовых судов расположены симметрично относительно диаметральной плоскости и имеют противоположное направление вращения, обычно одноименное с бортом. Рассмотрим управляемость многовинтовых судов на примере двухвинтового судна.

При одновременной работе винтов вперед или назад боковые силы, вызванные попутным потоком, реакцией воды на винт и струей от винтов, набрасываемой на руль или корпус взаимно компенсируются, поскольку винты имеют противоположное направление вращения. Поэтому отсутствует тенденция уклонения кормы в ту или иную сторону, как у одновинтового судна.

Один винт работает вперед, другой стоп.

Воспользовавшись известным приемом, приложить к ЦТ две равных силе тяги винта Рл (на рисунке работает винт левого борта) и противоположно направленных силы, получим:

сила Р""л вызывает движение судна вперед;

момент сил Рл и Р"л разворачивает корму в сторону работающего винта;

из гидродинамики известно, что работающий винт ускоряет поток воды, обтекающей кормовые обводы, и гидродинамическое давление со стороны работающего винта падает. За счет разницы давлений образуется сила Рд. Приложив к Цт судна две равные Рд и противоположно направленные силы Р"д и Р""д, получим: - момент сил Рд и Р""д разворачивает корму в сторону работающего винта; сила Р"д - смещает ЦТ судна в сторону работающего винта.

Таким образом, рассматриваемое движение двухвинтового судна примерно аналогично движению одновинтового судна с переложенным рулем.

Один винт работает назад, другой стоп.

Проведя аналогичные предыдущему разделу постоения и рассуждения, можно получить общий вывод о том, что корма судна уклоняется в сторону противоположную работаюшему назад винту. При этом необходимо отметить, что сила Рд в рассматриваемом случае создается за счет струи от работающего назад винта, набрасываемой на кормовую часть корпуса.

Разворот судна на месте при работе винтов враздрай

Двухвинтовое судно может разворачиваться практически на месте при работе винтов враздрай (один винт работает передним, а другой задним ходом). Частота вращения подбирается таким образом, чтобы силы тяги винтов были одинаковыми по величине.
Примерное равенство сил достигается, когда на машине, работающей вперед, дают ход на одну ступень меньше, чем на машине, работающей назад. Например: малый ход вперед - средний ход назад.
Разворачивающий момент создается не только за счет расположения винтов по разные стороны от ДП, но и за счет разности давлений воды у бортов кормового подзора, создаваемой противоположно направленными струями от винтов.

К недостаткам двухвинтовых судов следует отнести пониженную эффективность расположенного в ДП руля. Поэтому на малых скоростях, когда основная часть силы, возникающей на руле при его перекладке, создается за счет струи воды, набрасываемой винтом на руль, главным способом управления является маневр машинами.

Трехвинтовые суда объединяют в себе положительные маневренные качества одно- и двухвинтовых судов и имеют более высокую маневренность в том числе и на малых скоростях. На переднем ходу средний винт повышает эффективность руля за счет набрасываемой на него винтовой струи. На заднем ходу средний винт обеспечивает поступательное движение, а развороты осуществляются работой бортовых винтов.

5. Основные факторы, влияющие на управляемость судна

Конструктивные факторы.

Отношение длины к ширине судна (L/ B). Чем больше это отношение, тем хуже поворотливость судна, что связано с относительным увеличением сил сопротивления боковому перемещению судна. Поэтому широкие и короткие суда обладают лучшей поворотливостью, чем длинные и узкие.

Коэффициент общей полноты (d). С увеличением коэффициента d поворотливость улучшается, т.е. чем полнее обводы судна, тем лучше его поворотливость.

Конструкция и расположение руля. Конструкция руля (его площадь и относительное удлинение) мало влияют на улучшение поворотливости судна. Существенно большее влияние оказывает его расположение. Если руль расположен в винтовой струе, то скорость натекания воды на руль возрастает за счет дополнительной скорости потока, вызванной винтовой струей, что обеспечивает значительное улучшение поворотливости.

На двухвинтовых судах руль, расположенный в ДП, обладает относительно малой эффективностью. Если же на таких судах установлены два пера руля за каждым из винтом, то поворотливость резко возрастает.

Скорость судна

Форма циркуляции, ее главные геометрические характеристики (выдвиг, прямое смещение, обратное смещение) зависят от исходной скорости судна. Но диаметр установившейся циркуляции при одинаковом угле перекладки руля остается постоянным и не зависит от исходной скорости.

При ветре управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем большее влияние ветра на управляемость.

Элементы посадки судна

Дифферент. Увеличение дифферента на корму приводит к смещению центра бокового сопротивления от миделя в сторону кормы, поэтому возрастает устойчивость судна на курсе и ухудшается его поворотливость.
С другой стороны, дифферент на нос резко ухудшает устойчивость на курсе - судно становится рыскливым, что усложняет маневрирование в стесненных условиях. Поэтому судно стараются загрузить так, чтобы оно в течении рейса имело небольшой дифферент на корму.

Крен. Крен судна нарушает симметричность обтекания корпуса. Площадь погруженной поверхности скулы накрененного борта становится больше соответствующей площади скулы приподнятого борта.

В результате судно стремится уклониться в сторону, противоположную крену, т.е. в сторону наименьшего сопротивления.

Осадка. Изменение осадки приводит к изменению площади бокового сопротивления погруженной части корпуса и площади парусности. В результате, с увеличением осадки улучшается устойчивость судна на курсе и ухудшается поворотливость, а с уменьшением осадки - наоборот.
Кроме того уменьшение осадки вызывает увеличение площади парусности, что приводит к относительному усилению влияния ветра на управляемость судна.