Зовнішні сили класифікація, що діють на корпус судна. Сили та моменти чинні на судно сили

Вплив вітру та течії на судно викликає основне навантаження на якірний ланцюг при стоянці та визначає статичний момент опору на валу електродвигуна в процесі зйомки з якоря, коли судно підтягується до місця закладання якоря.

На стоянці при збігу за напрямом вітру та течії виникає найбільший вплив зовнішніх сил на судно та узагальнена сила для гвинтових суден визначається арифметичною сумою трьох складових

F' = FB + F'T + F'Г

де FB – сила вітрового впливу на надводну частину судна;

F'T – сила течії, що діє на підводну частину судна;

F'Г - сила течії, що діє на нерухомі гвинти.

Сила вітрового впливу на надводну частину судна FB залежить від швидкості та напрямку вітру, форми надводної частини корпусу, розмірів та розташування надбудов. Розрахункове значення зусилля від вітру можна визначити за формулою Н

FB = Кн ∙ рв ∙ Sн

де Кн = 0,5 ÷ 0,8 – коефіцієнт обтікання надводної частини корпусу

рв = ρV2/2 – тиск вітру, Па;

ρ = 1,29 – густина повітря, кг/м3;

V – швидкість вітру, м/с

рв = 1,29 * 102/2 = 64,5 Па

Площа проекції надводної частини судна на міделевий переріз, м2:

B – ширина судна, м;

H – висота борту, м;

T - осаду, м;

b, h – відповідно ширина та висота суднових надбудов, 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

Опір корпусу, обумовлений перебігом, враховується лише опором тертя, оскільки всі інші види опору (хвильове, вихрове) практично відсутні внаслідок малої швидкості течії, Н

(1)

де КТ = 1,4 – коефіцієнт тертя;

Sсм = L∙(δ∙B + 1,7∙T)

– площа поверхні, що змочується, м2

Тут δ = 0,75 ÷ 0,85 – коефіцієнт повноти водотоннажності;

L, B, T – основні розміри судна, м;

Sсм = 78 * (0,84 * 11,6 +1,7 * 2,5) = 1055,34 м2

VT – швидкість течії води, м/с. (1,38 м/с)

F'T=1,4*1055,34*1,381,83=2663,7 Н

(2)

де ZГ - Число гребних гвинтів;

CГ = 200 ÷ 300 – параметр, що збільшується зі зростанням дискового відношення гребного гвинта, кг/м3;

DВ – зовнішній діаметр гребного гвинта (насадки), м.м.

F'Г=2*200*1,52*1,382=1713,96 Н

F'=2954,1+2663,7+1713,96=7331,96 Н

Біогаз
Являє собою суміш метану та вуглекислого газу і є продуктом метанового бродіння органічних речовин рослинного та тваринного походження. Біогаз відноситься до палив, що отримується з місцевої сировини. Хоча потенційних джерел для його виробництва досить багато, на практиці їхнє коло звужується внаслідок географічних, до...

Визначення приводних зусиль у дисковому гальмівному механізмі
Рисунок 3.2 – Розрахункова схема дискового гальма r1 – внутрішній радіус гальмівного диска, м; r2 – зовнішній радіус гальмівного диска, м; rср – середній радіус робочої поверхні, м; dрц – діаметр робочого циліндра, м. Гальмівні накладки виконані у формі кільцевого сектора. Приймаємо Момент тертя дискового гальма з кільцевою накладкою.

Розрахунок на відрив гребеня
Малюнок 8 – До розрахунку замку на міцність. Вважаємо, що лопатки розташовані паралельно, тобто b = 0 °. Rц.т.об. - Радіус центру тяжкості обода. Рц.об. - Відцентрова сила, що діє на обід. σрост. – напруга, що розтягує, що діє на гребінь. Rц.т.об. = 0,296 м. Висновок: Розраховані значення напруг зім'яття і розтягування не перевищують...

Усі сили (навантаження), що діють на корпус судна, можна поділити на дві категорії:

-Постійніщо діють протягом усього періоду експлуатації.

-Випадковіщо діють протягом будь-якого проміжку часу або періодично.

За характером на корпус постійні або випадкові сили можуть бути статичнимиабо динамічними.

Також на судно діють навантаження (під час експлуатації):

Сили тяжкості - Сили (постійні), що діють на судно постійно. До них відносяться сили тяжіння корпусу, механізмів, вантажів, запасів.

Сили гідростатичного тиску (сили підтримування) – постійні сили, що врівноважують сили тяжіння, величина сил підтримування залежить від осідання судна.

Сили опору води (під час руху судна) – постійні сили, величина яких залежить від швидкості та осідання судна.

Інерційні сили – випадкові сили, виникнення яких залежить від експлуатаційних умов, наприклад, за хитавиці.

Реакція кільблоків (при постановці судна на док) – випадкові сили, величина яких залежить від розподілу навантаження по довжині судна в момент докування та кількості кільблоків під днищем судна.

Інші експлуатаційні сили – випадкові, переважно динамічного характеру: удари об пірс при швартові, посадка на мілину, удари хвиль об корпус, заливання палуби водою при штормі.

Для протидії перерахованим вище навантаженням і запобігання залишковим деформаціям корпус судна повинен мати загальною поздовжньою, поперечною та місцевою міцністю.

а) Загальна поздовжня міцність:

При плаванні судна у спокійній воді на його корпус діють сили тяжіння та сили підтримування. Ці навантаження умовно приводяться до плоскої системи сил, прикладених до вертикальної площини, що проходить уздовж судна через середину ширини. Сили тяжкості по довжині судна розподілені нерівномірно, залежно від типу судна, розташування МО по довжині судна, кількості вантажу в трюмах, кількості та розподілу суднових запасів, баласту. Розподіл сил підтримування по довжині судна пропорційно до підводного об'єму корпусу, тобто найбільший гідростатичний тиск води буде діяти по середній частині довжини корпусу з плавним зменшенням до країв.

Щоб розрахувати загальну поздовжню міцність корпусу судна його ділять на 20 теоретичних відсіків. Пораховують величину сил тяжіння корпусу, механізмів, вантажів, обладнання, що припадає на кожен теоретичний відсік, а потім у прийнятому масштабі будують криву сил тяжіння. Отримана ступінчаста крива наочно показує величину си тяжкості в кожному теоретичному відсіку та характер розподілу цих сил за довжиною судна. Обчислюють також величину сил підтримки, що припадає кожен теоретичний відсік і будують її криву. Ця крива може бути ступінчастою, що зручніше її порівняння з кривою сил тяжкості, чи плавної, оскільки зміна підводного обсягу по довжині відбувається плавно. Криві будують в одному масштабі, що дає змогу скласти їх. Виходить крива навантаження. Іноді може мати місце надлишок сил підтримки, тоді розподіл навантаження викликає перегин судна,при якому в палубі виникнуть напруги розтягування або напруги стиснення. Якщо навантаження на судно буде розподілено по-іншому, тобто в середній частині судна буде надлишок сил тяжкості, а в кінцівках - сил підтримки, судно буде відчувати прогин,та напруги в палубі змінять знак.

Б) Місцева міцність:

Місцева міцність – здатність окремих районів або місць корпусу витримувати навантаження, що діють на них. При розгляді місцевої міцності корпус судна розбивають ряд конструктивних елементів: перекриття, шпангоутні рамки, баки, пластини.

- Перекриття- система поздовжніх і поперечних балок набору, що перетинаються, з'єднаних обшивкою і спираються на жорсткий опорний контур (борта, перебирання, палуби).

Розрізняють перекриття: днищові, бортові, палубні, перебирання. Балки, що входять до складу перекриття, поділяються на балки головного напряму- Часто розставлені балки одного напрямку, і перехресні зв'язки - потужні балки, що перетинають балки головного напрямку і підтримують їх.

- Шпангоутна рамка– утворюється поперечними балками днища, борта та палуби, що лежать в одній вертикальній поперечній площині. Методами будівельної механіки корабля визначають деформації напруги у балках та вузлах рамки.

- Пластина– це частина обшивки, яка знаходиться між балками та спирається на них. Пластини корпусу безпосередньо сприймаю навантаження і передають її балкам суднового набору. Певна частина двох сусідніх пластин входить до складу балки набору як приєднаний поясок. Таким чином, балка набору складається з вертикальної стінки, вільного пояска та приєднаного пояска, тобто має вигляд двотавра.

20. Основні елементи корпусу судна: Ніс(передня частина або носовий край), Корма (задня частина або кормовий край), Днище, Друге дно (на великих суднах), Міждонний простір (між днищем і настилом другого дна), Борта (правий і лівий), Палуба (закриває) корпус зверху), палуби: верхня - головна, а також друга, третя і т.п. (рахунок палуб йде зверху вниз) , Твіндек - простір між палубами, всередині корпус судна розділений поперечними поздовжніми перебираннями на ряд відсіків, Форпік - перший носовий відсік , Ахтерпік – останній кормовий відсік, Надбудови та Рубки розташовуються на палубі (можуть бути одно- та багатоярусними) , Бак – носова надбудова (зберігаються кінці, танки з паливом та прісною водою, баласт), Ют – кормова надбудова, Середня надбудова – розташовується між баком та ютом, Елементи суднових пристроїв розташовуються на головній палубі та на палубах бака та юта. Елементи суднових пристроїв – комплекс конструкцій, виробів та механізмів, що забезпечує нормальну, безпечну експлуатацію судна. Морські судна зазвичай мають кермовий, якірний, швартовний, буксирний, рятувальний, щогловий, вантажний, тентовий та леєрний пристрої.

21/ 22/ 23- основні системи каркасу корпусу судна:

поперечна система набору корпусу: при цій системі балки головного напрямку у всіх перекриттях (бімси – у палубних, шпангоути – у бортових, флори – у днищових розташовані поперек судна. Відстань між ними визначається за правилами Реєстру та залежно від довжини судна коливається в межах 500 -800 мм Поперечна система набору вигідна на криголамах і суднах льодового плавання, тому що добре забезпечує стійкість листів днища при поперечному стисканні судна льодами. перебірок Недолік: велика кількість згинальних робіт.
Поздовжня система набору корпусу судна: при даній системі набору у всіх перекриттях у середній частині довжини корпусу балки головного напрямку розташовані вздовж судна. Краї судна у своїй набираються по поперечної системі, т.к. в краях поздовжня система неефективна. Застосування поздовжньої системи у середній частині довжини судна дозволяє забезпечити високу поздовжню міцність. Тому дана система застосовується на довгих суднах, що зазнають дії великого згинального моменту. Велика кількість поздовжніх ребер жорсткості забезпечує хорошу стійкість поздовжніх ребер палуби і днища при поздовжніх стискаючих навантаженнях, що дозволяє застосовувати листи з низькоміцної низькоміцної сталі меншої товщини. В результаті збільшує вантажопідйомність судна. Невелика кількість згинальних робіт. Недоліки: встановлення високого рамного набору, що захаращує трюми, велика кількість отворів у поперечному наборі для проходу поздовжніх ребер жорсткості, складність стикування секцій на стапелі.
Комбінована система набору корпусу: при діній системі набору палубні та днищові перекриття в середній частині довжини корпусу набираються за поздовжньою системою набору, а бортові перекриття в середній частині та всі перекриття на краях судна – по поперечній системі набору. Таке комбінування систем набору перекриттів дозволяє раціональніше вирішити питання загальної поздовжньої та місцевої міцності корпусу, а також забезпечити хорошу стійкість листів палуби та днища при їх стисканні. Комбінована система застосовується на великотоннажних суховантажних суднах та низькобортних танкерах. Застосування цієї системи призводить до збільшення вантажопідйомності судна, т.к. через раціональне розміщення балок набору в поперечному перерізі корпусу можна знизити товщину листового та профільного прокату.
стор. 45, 46, 47 – малюнки.

Конструкція днища:

Днище судна складається з днищових перекриттів, які є частинами днища, укладені між бортами і перебираннями. У процесі експлуатації судна днищевые перекриття зазнають такі навантаження: гідростатичний тиск води, рівномірно розподілений або зосереджений тиск вантажу в трюмі, зосереджені і вібраційні навантаження в МО, гідродинамічний вплив хвиль в краях судна, зусилля від загального поздовжнього вигину, реакції кіль , гідростатичний тиск випробувального набору
Перекриття днища без другого дна, набране по поперечній системі набору. Днищовий набір складається з балок поперечного таврового перерізу. Балки мають вертикальну стінку та горизонтальний поясок. У діаметральній площині вздовж усього судна встановлено вертикальний кіль. Паралельно йому з відривом 1100-2200 мм. Розташовані днищові стрінгери. Поперек судна у кожному шпангоуті встановлені суцільні флори. У флорах і стрінгерах виконують круглі або овальні вирізи для зменшення маси перекриття. У стінках поперечного і поздовжнього набору біля днища вирізають голубниці-отвори для протоки води і проходу валиків сталевих швів, що виступають. Таке днище використовується на невеликих суховантажних суднах.
днищеве перекриття без другого дна, набране по поздовжній системі набору. Така конструкція зазвичай застосовується в танках нафтоналивних суден. Характерна особливість – наявність великої кількості поздовжніх днищових ребер жорсткості. У нижній частині поздовжніх ребер жорсткості роблять прорізи у вигляді гребінки, що покращує умови приварювання балок до днища та забезпечує стік нафтопродуктів до якогось борту. У районі вилицьової частини днищові поздовжні ребра жорсткості на довгих суднах пропускають через поперечні перебирання, не розрізаючи. У діаметральній площині встановлюють високий вертикальний кіль.
днищеве перекриття з другим дном, набране по поперечній системі. Настил другого дна забезпечує загальну поздовжню міцність корпусу, зручність укладання вантажу та обслуговування трюму, перешкоджає проникненню вони всередину судна при отриманні пробоїни в днищі. Міждонний простір, що утворився, служить для зберігання рідких суднових запасів і прийому баласту. У діаметральній площині встановлено вертикальний кіль. Паралельно кілю з кожного борту йдуть стрінгери. Поперек судна встановлюють суцільні, непроникні, бракетні чи полегшені флори. Непроникні флори вигороджують міждонні відсіки. На деяких суднах підлога другого дна біля борту може підгинатися нагору або підходити до борту горизонтально.
днищеве перекриття з другим дном, набране по поздовжній системі набору. Застосовується на великих суховантажних суднах, останнім часом та на танкерах. У середині ширини судна встановлюють вертикальний кіль, днищеві стрингери в даному випадку можуть бути поставлені трохи рідше, ніж при поперечній системі набору, але їх кількість з кожного борту також залежить від ширини судна і коливається від одного до трьох. По днищу і під настилом другого дна мають днищові поздовжні ребра жорсткості другого дна. По настилу другого дна ставлять суцільні та водонепроникні флори.

Мал. Стор. 49-52

Конструкція борту: борт судна складається з бортових перекриттів, які є ділянками борту, укладені між поперечними перебираннями, палубою і днищем.

1. бортове перекриття набране за поперечною системою набору. (суховантажні судна, криголами та низькогабаритні танкери. Бортова обшивка підтримує звичайними шпангоутами.

2. днищеве перекриття з другим дном, набране по поздовжній системі набору. Така конструкція застосовується на великотоннажних танкерах та нафторудовозах.

При прямолінійному рівномірному русі на судно діють дві рівні за величиною та протилежно спрямовані сили: сила упору рушіїв (рушійна сила) F Дта сила опору R.

F Д = R; a = 0

При прямолінійному русі, що не встановився, до цих двох сил додається сила інерції, що компенсує алгебраїчну різницю цих сил.

При прискореному русі судна, коли рушійна сила F Дбільше сили R, сила інерції виступає в ролі опору, а при уповільненому русі, коли рушійна сила F Дменше сили опору R, - У ролі рушійної сили.

F Д > R; F Д< R; a 0 .

6.1.2. Характеристики сил, що діють на судно під час криволінійного руху.

Криволінійний рух судна здійснюється за допомогою відповідної перекладки керма чи поворотної накладки. При цьому на кермі виникає гідродинамічна сила керма. Р р(рис. 6.1), яку можна розкласти на поздовжню Р х, Спрямовану паралельно діаметральної площини, і бічну (кермову) Р у- Перпендикулярну їй. Перша збільшує силу опору і тим самим зменшує швидкість руху судна, друга – викликає бічне переміщення судна у бік своєї дії та, крім того, утворює момент щодо центру тяжіння (ЦТ), який здійснює початковий поворот судна з кутовою швидкістю ω 1.

М р = Р у L до (6.1)

Р х = Р р · Cosα

Р у = Р р · Sinα

де Р у- Складова гідродинамічної сили керма по осі У;

L до- Відстань (плечо) від ЦТ до точки докладання сили Р р;

α – кут перекладки керма.

Наявність бокового переміщення судна викликає відхилення вектора швидкості Vвід ДП на кут дрейфу β (Рис.6.1).

Кут дрейфу при криволінійному русі (β) є кут між ДП судна та вектором лінійної швидкості його в даній точці криволінійного руху.

Бокове переміщення судна та поворот порушують симетричність обтікання підводної частини корпусу судна, і на ньому виникає гідродинамічна сила R Г, Спрямована під певним кутом до діаметральної площини судна. Цю силу можна розкласти на дві складові: бічну R УГ(рис. 6.1) та

поздовжню R ХГ. Сила R УГспрямована у бік, зворотну силі Р У, і, крім того, створює крутний момент щодо центру тяжкості судна М Р.

Рис.6.1 Сили, що діє на судно при криволінійному русі.

М Г= R УГ L R (6.2)

R ХГ = R Г · Cosδ

R УГ = R Г · Sinδ

де R УГ -складова гідродинамічної сили по осі У;

L R -відстань (плечо) від центру застосування гідродинамічних сил (ЦГ) до ЦТ.

δ - кут між ДП та напрямком дії гідродинамічної сили Р Р.

Момент М Г також здійснює поворот судна з кутовою швидкістю ω 2.Моменти М Р і М Г в даному випадку збігаються і створюють сумарний момент М П, що повертає, який буде здійснювати поворот судна з кутовою швидкість ω.

М П є сумою алгебри моментів М Р і М Г

М П = М Р + М Г (6.3)

Складова R Хє силою, що перешкоджає руху судна.

Через деякий час після перекладки керма судно опише криволінійну траєкторію. При цьому, як і у будь-якого твердого тіла, у нього виникнуть два прискорення: нормальне а п(доцентрове), спрямоване до центру кривизни траєкторії, і дотичне а τ, що збігається з лінією вектора швидкості V. При цьому на судно діятимуть відповідні сили інерції. Сила інерції I Ц(рис. 6.1), спричинена появою нормального прискорення, буде пропорційна цьому прискоренню та спрямована у протилежний бік. Вона має назву відцентрової сили інерції. Сила інерції I τ, Викликана дотичним прискоренням, спрямована у бік, зворотну цьому прискоренню.

Відцентрова сила інерції I Цбуде діяти весь час, поки судно рухається кривою, а сила I τ –тільки при зміні швидкості руху (на циркуляції, коли швидкість руху постійна цієї сили не буде).

ІНЕРЦІЙНО-ГАЛЬМОВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

Сили та моменти, що діють на судно.

Система рівнянь руху судна в

Горизонтальна площина.

Маневрені характеристики судна.

Вимоги до змісту інформації про

Маневрені характеристики судна.

Загальні відомості про інерційно-гальмівні

Властивості судна.

7. Особливості реверсування різних видів

Рухові установки судів.

Гальмування судна.

Судно як об'єкт керування.

Транспортне морське судно здійснює рух на межі двох середовищ: води та повітря, відчуваючи при цьому гідродинамічні та аеродинамічні дії.

Для досягнення заданих параметрів руху судном необхідно керувати. В цьому сенсі судно є керованою системою. Кожна керована система складається з трьох частин: об'єкта управління, засоби управління та керуючого пристрою (автомата або людини)

Управління – це така організація процесу, що забезпечує досягнення певної мети, відповідної задачі управління.

При плаванні судна у відкритому морі, завдання управління полягаєу забезпеченні його переходу з однієї точки в іншу прямолінійною траєкторією, утримуючи заданий курс і періодично коригуючи його після отримання обсервацій. В цьому випадку курс є керованою координатою,а процес підтримки його постійного значення є метою управління.

Миттєве значення ряду координат визначає стан судна на даний момент. Такими координатами є: курс, швидкість, кут дрейфу, поперечне зміщення щодо генерального курсу та т.п. Вони є вихідними координатами. На відміну від них координати, що є причинами керованого руху, називаються вхідними . Це кут перекладки керма та частота обертання гребного гвинта . При виборі значень вхідних координат, керуючий пристрій (авторульовий, судноводій), керуються значеннями вихідних координат. Такий зв'язок між слідством та причиною називається зворотним зв'язком.

Розглянута керована система замкнута, т.к. в ній діє керуючий пристрій (судівник).Якщо ж керуючий пристрій перестане функціонувати, система стає розімкнутою і поведінка об'єкта управління (судна) буде визначатися тим станом, в якому зафіксовані засоби управління (кут перекладки керма, частота і напрям обертання гребного гвинта).

У дисципліні «Управління судном» вивчаються завдання управління судном, рух якого відбувається у безпосередній близькості перешкод, тобто. на відстанях, які можна порівняти з розмірами самого об'єкта управління, що виключає можливість розглядати його як точку (наприклад, як у курсі «Навігація»).

Сили та моменти, що діють на судно

Усі сили, що діють на судно, прийнято розділяти на три групи: рушійні, зовнішні та реактивні.

До рушійних відносять сили, створювані засобами управління надання судну лінійного і кутового руху. До таких сил відносяться: упор гребного гвинта, бічна сила керма, сили, що створюються засобами активного керування (САУ) тощо.

До зовнішніхвідносяться сили тиску вітру, хвилювання моря, течії. Ці сили здебільшого створюють перешкоди при маневруванні.

До реактивнихвідносяться сили та моменти, що виникають внаслідок руху судна. Реактивні сили залежать від лінійних та кутових швидкостей судна. За своєю природою реактивні сили та моменти поділяються на інерційні та неінерційні. Інерційні сили та моменти обумовлені інертністю судна та приєднаних мас рідини. Ці сили виникають лише за наявності прискорень – лінійного, кутового, доцентрового. Інерційна сила завжди спрямована у бік, протилежний до прискорення. При рівномірному прямолінійному русі судна інерційні сили виникають.

Неінерційні сили та його моменти обумовлені в'язкістю забортної води, отже, є гидродинамическими силами і моментами. При розгляді завдань керованості використовується пов'язана з судном рухома система координат з початком у центрі тяжкості. Позитивний напрямок осей: Х – у ніс; Y – у бік правого борту; Z – вниз. Позитивний відлік кутів приймається за годинниковою стрілкою, проте з застереженнями щодо кута перекладки, кута дрейфу та курсового кута вітру.

За позитивне напрямок перекладки керма приймають перекладку, що викликає циркуляцію за годинниковою стрілкою, тобто. перекладку на правий борт (перо керма розгортається при цьому проти годинникової стрілки).

За позитивний кут дрейфу приймається такий, у якому потік води набігає із боку лівого борту і, отже, створює позитивну поперечну гідродинамічну силу корпусі судна. Такий кут дрейфу виникає на правій циркуляції судна.

Загальний випадок руху судна описується системою трьох диференціальних рівнянь: двох рівнянь сил по поздовжній Х і поперечної Y осях і рівнянням моментів навколо вертикальної осі Z.

1. Загальні поняття та визначення

Керованість - здатність судна рухатися заданою траєкторією, тобто. утримувати заданий напрямок руху або змінювати його під дією керуючих пристроїв.

Головними керуючими пристроями на судні є засоби управління кермом, засоби управління рушієм, засоби активного управління.

Керованість поєднує дві властивості:стійкість на курсі та поворотливість .

Стійкість на курсі- це здатність судна зберігати напрямок прямолінійного руху. Стійкість на курсі може бути автоматичною, коли судно здатне утримуватися на курсі без роботи засобу управління (кермом), та експлуатаційною, коли утримання судна на заданому курсі здійснюється за допомогою засобів управління.

Поворотливість - здатність судна змінювати напрямок руху і описувати траєкторію заданої кривизни.

Поворотливість та стійкість на курсі відповідають головному призначенню будь-якого засобу управління: повертати судно та забезпечувати його рух у постійному напрямку. Крім цього, будь-який засіб управління повинен забезпечувати протидію впливу зовнішніх силових факторів. Відповідно до цього Р.Я. Першицею введено визначення такого важливого складового керованості, як слухняність.

Слухняність - здатність судна долати опір маневрування при заданих зовнішніх впливах. За відсутності зовнішнього впливу його роль може відігравати власну нестійкість на курсі.

Коме слухняності введено поняття чутливості,під якою мається на увазі здатність судна якнайшвидше реагувати на дію засобу управління, зокрема, на перекладку керма.

Тяга гвинта. Щоб судно рухалося з певною швидкістю, до нього необхідно докласти рушійної сили, що долає опір руху. Корисна потужність, необхідна подолання опору, визначається формулою: Nп = R V, де R - сила опору; V – швидкість руху.

Рухаюча сила створюється гвинтом, який, як і всякий механізм, частина енергії витрачає непродуктивно. Витрачена потужність обертання гвинта становить: Nз= M n, де М - момент опору обертанню гвинта; n-Частота обертання гвинта.

Відношення корисної потужності до витрачається називається пропульсивним коефіцієнтом комплексу корпус-рушій:

h = RV/M n

Пропульсивний коефіцієнт характеризує потребу судна енергії, яка потрібна підтримки заданої швидкості руху. Потужність силової установки (ефективна потужність Ne) судна повинна бути більшою за витрачається потужність на обертання гвинта, оскільки є втрати у валопроводі і редукторі:

Ne = RV/h hв hр,

де hв, hр – коефіцієнти корисної дії валопроводу та редуктора.

Оскільки при рівномірному прямолінійному русі сила тяги гвинта дорівнює силі опору, наведену формулу можна використовувати для орієнтовної оцінки тяги гвинта в повному ході (Vo):

Ре = Ne h hв hр / Vo,

де пропульсивний коефіцієнт визначається за формулою Лаппа:

де L - довжина судна між перпендикулярами:

n-Частота обертання гвинта, з -1 .

Максимальна тяга гвинта розвивається у швартовному режимі - приблизно на 10% більше тяги гвинта в режимі повного ходу.

Сила тяги гвинта при роботі на задній хід становить приблизно 70-80% від тяги гвинта в режимі повного ходу.

Опір руху судна

Вода має властивості в'язкості і вагомості, які викликають два види опору при русі судна: в'язкісне і хвильове. В'язкісний опір має дві складові: тертя та форми.
Опір тертя залежить від площі та шорсткості змоченої поверхні корпусу. Опір форми залежить від обводів корпусу. Хвильовий опір пов'язаний з утворенням суднових хвиль при взаємодії корпусу судна, що рухається з навколишньою водою.

Для вирішення практичних завдань опір води руху судна приймають пропорційним квадрату швидкості:

R = k V ,

де k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від осідання судна та ступеня обростання корпусу.

Як зазначено в попередньому розділі, силу опору на повному ході можна розрахувати за такою формулою:

Ro = Ne h hв hр/Vo.

Проміжні значення опору (R) для будь-якої швидкості ходу визначаються:

Інерція судна та приєднаних мас води

Рівність сил опору середовища руху судна та тяги гвинта визначає рівномірний поступальний рух судна. За зміни частоти обертання гвинта ця рівність сил порушується.
Зі збільшенням тяги швидкість судна зростає, зі зменшенням – падає. Зміна швидкості відбувається тривалий час, доки не буде подолано інерцію судна і сили тяги гвинта і опору не зрівняються знову. Мірою інерції є маса. Однак інерція судна, що рухається у водному середовищі, залежить не тільки від маси судна.

Корпус судна залучає до руху прилеглі до нього частки води, потім витрачається додаткова енергія. В результаті, щоб надати судну деяку швидкість буде потрібна триваліша робота силової установки.
При гальмуванні необхідно погасити як кінетичну енергію, накопичену судном, а й енергію залучених у рух частинок води. Така взаємодія частинок води з корпусом аналогічна до збільшення маси судна.
Ця додаткова маса (приєднана маса води) у транспортних суден становить від 5 до 10 % від водотоннажності при поздовжньому русі судна і приблизно 80% від водотоннажності при поперечному переміщенні.

2. Сили та моменти, що діють на судно при його русі

При розгляді руху судна використовується пов'язана із центром тяжкості судна прямокутна система координат XYZ. Позитивний напрямок осей: Х - у ніс; Y – у бік правого борту; Z – вниз.

Усі сили, що діють на судно, поділяються на три групи: рушійні, зовнішні та реактивні.

До рушійних відносяться сили, Створювані засобами управління: сила тяги гвинта, бічна сила керма, сили, що створюються засобами активного управління.

До зовнішніх сил відносяться сили тиску вітру,хвилювання моря, течії.

До реактивних відносяться сили,що виникають внаслідок руху судна під дією рушійних та зовнішніх сил. Вони поділяються на інерційні- обумовлені інертністю судна та приєднаних мас води та які виникають лише за наявності прискорень. Напрямок дії інерційних сил завжди протилежно до діючого прискорення.

Неінерційні сили обумовлені в'язкістю води та є гідродинамічними силами.

При аналізі сил, що діють на судно, воно сприймається як вертикальне крило симетричного профілю щодо діаметральної площини (ДП).

Стосовно судна основні властивості крила формулюються наступним чином:

якщо судно переміщається прямолінійно у потоці води чи повітря під деяким кутом атаки, то крім сили лобового опору, спрямованої протилежно руху, виникає підйомна сила , спрямована перпендикулярно потоку, що набігає. В результаті рівнодіюча цих сил не збігається з напрямком потоку. Величина рівнодіючої сил пропорційна куту атаки і квадрату швидкості потоку, що набігає;

точку застосування рівнодіючої сили зміщено по ДП від центру площі крила назустріч потоку. Величина цього усунення тим більше, ніж гостріше кут атаки. При кутах атаки близьких до 90 градусів, точка застосування рівнодіючої сили збігається з центром парусності(для надводної частини судна) та центром бічного опору(Для підводної частини);

стосовно підводної частини корпусу судна: кут атаки є кутом дрейфу , а для надводної частини - кусовим кутом (КУ) вітру, що здається;

центр бокового опору зазвичай збігається з центром тяжкості судна,а положення центру парусності залежить від розташування надбудов.

За відсутності вітру і прямому положенні керма перше диффенциальное рівняння руху судна можна як:

де Мх – маса судна з урахуванням приєднаної маси води.

Рівномірний рух:прискорень немає, тому інерційна сила Мх dV/dt=0. На судно діють дві рівні та протилежно спрямовані сили: сила опору води та сила тяги гвинта.

При зміні сили тяги гвинтапорушується рівність сил тяги гвинта та опору руху судна; це викликає появу інерційних сил, з'являється прискорення і судно починає рухатись прискорено чи сповільнено. Інерційні сили спрямовані проти прискорення, тобто. перешкоджають зміні швидкості руху.

При збільшенні сили тяги на судно діє 3 сили:сила тяги гвинта – вперед, сила опору- Назад, сила інерції - Назад.

При зменшенні сили тяги:сила тяги – вперед; з мулу опору- назад; сила інерції – вперед

При маневрі стоп:змулу опору- назад; сила інерції – вперед;

При реверсі:

а) до зупинки судна: сила опору- назад; сила тяги – назад; сила інерції – вперед.

б) після зупинки та початку руху назад: сила опору- Вперед; сила тяги – назад; сила інерції – вперед.

Примітка:вперед – напрямок до носа судна; тому - направлення до корми судна.

Сили, що діють на судно під час поворотів

Повороти судна відбуваються під дією перекладеного керма. Якщо утримувати перекладене на борт кермо протягом певного проміжку часу, то судно здійснюватиме рух, що називається циркуляцією. При цьому центр тяжкості судна описуватиме циркуляційну криву, формою близьку до кола.
За початок циркуляції приймається момент початку перекладки керма. Циркуляція характеризується лінійною та кутовою швидкостями, радіусом кривизни та кутом дрейфу.
Процес циркуляції прийнято ділити на три періоди: маневрений-продовжується протягом часу перекладки керма; еволюційний - починається з моменту закінчення перекладки керма і закінчується коли характеристики циркуляції приймуть значення; що встановився - починається з моменту закінчення другого періоду і продовжується доти, поки кермо залишається в перекладеному положенні.

Кермо судна сприймається як вертикальне крило симетричного профілю.Тому при його перекладці виникає підйомна сила – бічна сила керма Рр.

Прикладемо до центру тяжкості судна дві рівні Рру і протилежно спрямовані сили Р"ру і Р""ру. Ці дві сили взаємно компенсуються, тобто не впливають на корпус судна.

Тоді на судно діють такі сили та моменти:

сила лобового опору керма Ррх – зменшує швидкість судна;

момент сил Рру Р"ру - розвертає судно у бік перекладеного керма;

сила Р"ру - переміщає центр тяжіння убік, зворотний повороту.

Сили, що діють на судно у еволюційний період циркуляції

Розворот судна під впливом моменту сил Рру Р"ру призводить до появи кута дрейфу. Корпус судна починає працювати як крило. З'являється підйомна сила - гідродинамічна сила R. Прикладемо до ЦТ судна дві рівні Ry і спрямовані протилежно сили R"y R""y .

Тоді додатково до сил та моментів, що діють у маневреному режимі циркуляції, з'являються:

сила лобового опору Rx – ще більше зменшує швидкість судна;

момент сил Ry R"y - сприяє розвороту; кутова швидкість повороту збільшується;

сила R"y - компенсує силу Р"ру і траєкторія викривляється у бік повороту.

Сили, що діють у період циркуляції, що встановився.

Як тільки судно почало рух по криволінійній траєкторії, з'являється відцентрова сила Rц. Кожна точка по довжині судна описує щодо загального центру Про свою траєкторію.
При цьому кожна точка має свій кут дрейфу, значення якого зростають у міру вилучення у бік корми. Відповідно до властивостей крила, точка застосування гідродинамічної сили R зміщується в корму за центр тяжіння судна.

В результаті:

сила Рцх – зменшує швидкість судна;

сила Рцу - перешкоджає зміні радіусу циркуляції;

момент, що створюється гідродинамічною силою Rу - перешкоджає збільшенню кутової швидкості повороту;

всі параметри циркуляції прагнуть до своїх значень, що встановилися.

Геометрично траєкторія циркуляції характеризується:

Резолюцією ІМО А.751 (18) «Проміжні стандарти маневрених якостей судів» для суден, що знову будуються, запропоновані величини:

1) пряме усунення (advance) - трохи більше 4.5 довжин судна;

2) тактичний діаметр (tactical diameter) – трохи більше 5 довжин судна.

Керованість судна під час проходження заднім ходом

При русі судна заднім ходом з перекладеним кермом на судно діють такі сили та моменти (див. малюнок):

поперечна сила керма Рру;

момент сил Рру і Рру розвертає судно у бік, зворотний перекладеному керму;

гідродинамічна сила Rу утворює момент, що перешкоджає розвороту;

косо накидання води на кермо зменшує ефективний кут перекладки керма на величину, що дорівнює куту дрейфу і, отже, зменшується значення бічної сили керма.

Наведені фактори зумовлюють найгіршу керованість судна на задньому ході порівняно з переднім.

Сили та моменти, пов'язані з впливом вітру

При розгляді сил і моментів, пов'язаних з впливом вітру, використовується швидкість вітру.

Відповідно до властивості крила, при дії вітру з'являється аеродинамічна сила А.

Розкладаючи аеродинамічну силу на поздовжню та поперечну складові та приклавши до ЦТ дві рівні та протилежно спрямовані сили Ау та А”у отримаємо:

сила Ах – збільшує швидкість судна;

момент сил Ау і А"у - розвертає судно праворуч;

сила А""у - викликає бічне переміщення, що призводить до появи кута дрейфу a і гідродинамічної сили R;

поздовжня складова гідродинамічної сили Rх - зменшує швидкість судна;

момент сил Ry R"y, діючи в одному напрямку з моментом сил Ау і А"у, ще більше розвертає судно;

сила R" викликає бічний переміщення, протилежне переміщенню від сили А""у.

Для утримання судна на курсі необхідно перекладати кермо на деякий кут для створення моменту бічної сили керма Рру, що компенсує моменти аеро- та гідродинамічних сил.

Гребний гвинт, що працює, здійснює одночасно поступальний рух зі швидкістю судна V щодо незбуреної води і обертальний рух з кутовою швидкістю w= 2p n. Кожна лопата гвинта сприймається як окреме крило.

При накиданні водяного потоку на гвинт, кожної його лопаті створюється сила, пропорційна квадрату швидкості потоку і величині кута атаки. Розкладаючи цю силу за двома перпендикулярними один одному напрямами, отримаємо: силу тяги, спрямовану вздовж осі обертання гвинта і силу лобового опору, що діє в площині гвинта диска по дотичній до кола, яку описують точки на лопаті гвинта при його обертанні.

Оскільки працюючий гвинт розташований за корпусом судна, то при русі водяний потік натікає на лопаті гвинта з неоднаковими швидкостями і під різними кутами. В результаті спостерігається нерівність сил тяги та лобового опору для кожної лопаті, що призводить до появи крім тяги гвинта бічних сил, що впливають на керованість одногвинтового судна.

Основними причинами появи бічних сил є:

попутний потік води, що захоплюється корпусом під час його руху;

реакція води на гвинт, що працює;

нерівномірне накидання водяного струменя від працюючого гвинта на кермо або корпус судна.

Розглянемо вплив цих причин працювати гвинтів фіксованого (ВФШ) і регульованого (ВРШ) кроку правого обертання.

Вплив попутного потоку

У верхній частині гвинта швидкість попутного потоку води через форму обводів корпусу буде більшою, ніж у нижній його частині, що призводить до збільшення кута атаки потоку води на верхню лопату. Це можна показати, розглянувши рух елемента лопаті, розташованого на радіусі r від осі обертання гвинта.

Елемент лопаті під час роботи гвинта бере участь у обертальному русі з лінійною швидкістю, що дорівнює 2pr●n, та поступальному русі зі швидкістю судна V.

Фактична швидкість поступального руху ділянки лопаті гвинта зменшується на величину DV швидкості попутного потоку. В результаті збільшується кут атаки до значення aф, що призводить до зростання сил dРх та dРу.
Проінтегрувавши dРх і dРу по довжині лопаті отримаємо значення сил тяги (Р1) та лобового опору (Q1), створюваних лопатою гвинта у верхньому положенні. Ці сили будуть більшими за сили Р3 і Q3, створюваних лопатою в нижньому положенні. Нерівність сил Q1 і Q3 викликає появу бічної сили DQ = Q1 - Q3, яка прагне розгорнути корму судна ліворуч убік більшої сили.

Реакція води на гвинт

На роботу гвинта впливає близькість поверхні води. В результаті спостерігається підсмоктування повітря до лопат у верхній половині диска гвинта. При цьому верхні лопаті відчувають меншу силу реакції води ніж нижні. Внаслідок цього виникає бічна сила реакції води, яка завжди спрямована у бік обертання гвинта - в даному випадку вправо.

При обертанні гвинта закручений потік води натікає на перо керма у його нижній та верхній частині під різними кутами атаки. У нижній частині атак атаки менше, ніж у верхній.

В результаті виникає бічна сила, яка прагне повернути корм праворуч.

Загальний вплив гвинта:для більшості суден з ВФШ та ВРШ сили чи взаємно.

І тут попутний потік зберігається. Однак, на відміну від розглянутого вище випадку попутний потік зменшує кут атаки.

Отже, зменшується сила лобового опору dPy на кожному елементі лопаті. У верхньому положенні таке зменшення сильніше, ніж у нижньому, т.к. у нижній частині швидкість попутного потоку менша. Тому результуюча сила лобового опору лопатей для ВФШ буде спрямована вліво.

В більшості судів ВРШ лівого обертання. Для ВРШ при зміні режиму роботи з переднього на задній хід напрямок обертання зберігається, змінюється лише крок гвинта: гвинт лівого кроку стає гвинтом правого кроку. Отже, результуюча сила лобового опору лопатей як і судів з ВФШ правого кроку буде спрямована вліво.

Реакція води на гвинт

Бічна сила реакції води на гвинт, як було сказано вище, завжди спрямована у бік обертання гвинта: як для ВФШ так і для ВРШ - вліво.

Гвинтовий струмінь накидається на кормову частину судна.

В результаті створюється підвищений гідродинамічний тиск і корми зміщуватимуться: як для ВФШ так і для ВРШ - вліво.

Загальний вплив гвинта: корми йде вліво.

Судно рухається назад, гвинт обертається.

З початком руху судна назад попутний потік зникає.

Реакція води на гвинт: ліворуч.

: ліворуч.

Загальний вплив гвинта:корми йде вліво.

4. Вплив гребних гвинтів на керованість багатогвинтового судна

Більшість сучасних пасажирських суден, криголамів, а також швидкохідних суден великого тоннажу оснащуються дво- чи трьох вальними силовими установками. Головна особливість багатогвинтових суден у порівнянні з одногвинтовими суднами - це їхня найкраща керованість.
Гребні гвинти у двогвинтових, а також бортові гвинти у трьох гвинтових суден розташовані симетрично щодо діаметральної площини і мають протилежний напрямок обертання, зазвичай однойменний з бортом. Розглянемо керованість багатогвинтових суден з прикладу двогвинтового судна.

При одночасної роботі гвинтів вперед або назад бічні сили, викликані попутним потоком, реакцією води на гвинт і струменем від гвинтів, що накидається на кермо або корпус, компенсуються взаємно, оскільки гвинти мають протилежний напрямок обертання. Тому відсутня тенденція ухилення корми у той чи інший бік, як у одногвинтового судна.

Один гвинт працює вперед, інший стоп.

Скориставшись відомим прийомом, прикласти до ЦТ дві рівні сили тяги гвинта Рл (на малюнку працює гвинт лівого борту) і протилежно спрямованих сили, отримаємо:

сила Р""л викликає рух судна вперед;

момент сил Рл і Р"л розгортає корму у бік гвинта, що працює;

з гідродинаміки відомо, що гвинт, що працює, прискорює потік води, що обтікає кормові обводи, і гідродинамічний тиск з боку працюючого гвинта падає. За рахунок різниці тисків утворюється сила Рд. Приклавши до Цт судна дві рівні Рд і протилежно спрямовані сили Р"д і Р"д, отримаємо: - момент сил Рд і Р"д розгортає корму у бік працюючого гвинта; сила Р"д - зміщує ЦТ судна у бік працюючого гвинта .

Таким чином, рух двогвинтового судна, що розглядається, приблизно аналогічно руху одногвинтового судна з перекладеним кермом.

Один гвинт працює назад, інший стоп.

Провівши аналогічні попередньому розділу постоєнія і міркування, можна отримати загальний висновок про те, що корма судна ухиляється у бік протилежний гвинту, що працює назад. При цьому необхідно відзначити, що сила Рд в даному випадку створюється за рахунок струменя від гвинта, що працює назад, накидається на кормову частину корпусу.

Розворот судна на місці при роботі гвинтів дороздріб

Двогвинтове судно може розгортатися практично на місці під час роботи гвинтів уроздріб (один гвинт працює переднім, а інший заднім ходом). Частота обертання підбирається таким чином, щоб сили тяги гвинтів були однаковими за величиною.
Приблизна рівність сил досягається, коли на машині, що працює вперед, дають хід на один щабель менше, ніж на машині, що працює назад. Наприклад: малий хід уперед – середній хід назад.
Розгортаючий момент створюється не тільки за рахунок розташування гвинтів по різні боки від ДП, але і за рахунок різниці тисків води біля бортів кормового підзору, що створюється протилежно спрямованими струменями від гвинтів.

До недоліків двогвинтових суден слід віднести знижену ефективність розташованого в ДП керма. Тому на малих швидкостях, коли основна частина сили, що виникає на кермі при його перекладці, створюється за рахунок струменя води, що накидається гвинтом на кермо, головним способом керування є маневр машинами.

Тригвинтові суднапоєднують у собі позитивні маневрені якості одно- і двогвинтових суден і мають більш високу маневреність у тому числі і на малих швидкостях. На передньому ходу середній гвинт підвищує ефективність керма за рахунок гвинтового струменя, що накидається на нього. На задньому ходу середній гвинт забезпечує поступальний рух, а розвороти здійснюються роботою бортових гвинтів.

5. Основні фактори, що впливають на керованість судна

Конструктивні чинники.

Відношення довжини до ширини судна ( L/B).Чим більше це ставлення, тим гірша поворотність судна, що пов'язано з відносним збільшенням сил опору бічному переміщенню судна. Тому широкі і короткі судна мають кращу поворотливість, ніж довгі і вузькі.

Коефіцієнт загальної повноти (d).Зі збільшенням коефіцієнта d поворотливість покращується, тобто. що повніше обводи судна, то краще його поворотливість.

Конструкція та розташування керма.Конструкція керма (його площа та відносне подовження) мало впливають на покращення поворотності судна. Істотно більший вплив має його розташування. Якщо кермо розташоване у гвинтовому струмені, швидкість натікання води на кермо зростає за рахунок додаткової швидкості потоку, викликаної гвинтовим струменем, що забезпечує значне поліпшення поворотності.

На двогвинтових суднах кермо, розташоване в ДП, має відносно малу ефективність. Якщо ж на таких суднах встановлено два пера руля за кожним з гвинтом, то поворотливість різко зростає.

Швидкість судна

Форма циркуляції, її основні геометричні показники (висув, пряме усунення, зворотне усунення) залежить від вихідної швидкості судна. Але діаметр циркуляції, що встановилася, при однаковому куті перекладки керма залишається постійним і не залежить від вихідної швидкості.

При вітрі керованість істотно залежить від швидкості судна: що швидкість менше, то більший вплив вітру на керованість.

Елементи посадки судна

Диферент.Збільшення диферента на корму призводить до усунення центру бокового опору від міделя у бік корми, тому зростає стійкість судна на курсі та погіршується його поворотливість.
З іншого боку, диферент на ніс різко погіршує стійкість на курсі - судно стає риклуватим, що ускладнює маневрування у стиснених умовах. Тому судно намагаються завантажити так, щоб воно протягом рейсу мало невеликий диферент на корму.

Крен.Нахил судна порушує симетричність обтікання корпусу. Площа зануреної поверхні вилиці накраненого борту стає більшою за відповідну площу вилиці піднятого борту.

Через війну судно прагне ухилитися убік, протилежну крену, тобто. у бік найменшого опору.

Опад.Зміна опади призводить до зміни площі бічного опору зануреної частини корпусу та площі парусності. В результаті, зі збільшенням опади покращується стійкість судна на курсі та погіршується поворотливість, а зі зменшенням опади – навпаки.
Крім того, зменшення опади викликає збільшення площі парусності, що призводить до відносного посилення впливу вітру на керованість судна.