Силы, действующие на судно, стоящее на якоре. Силы и моменты действующие на судно силы Силы действующие на судна на тихой воде

Все силы, действующие на судно, разделяются на три группы:

Движущие;

Внешние;

Реактивные.

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

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

К реактивным силам 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 воздуха и являются гидродинамическими и аэродинамическими силами.

ТЯГА ВИНТА И СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ СУДНА.

Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему необходимо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой

где R - сила сопротивления; V - скорость движения.

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус - движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход). Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70-80 % от тяги винта в режиме полного хода.

КАЧКА.

Качкой называются колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия.

Колебания называются свободными (на тихой воде), если они совершаются судном после прекращения действия сил, вызвавших эти колебания (шквал ветра, рывок буксирного троса). Из-за наличия сил сопротивления (сопротивления воздуха, трения воды) свободные колебания постепенно затухают и прекращаются. Колебания называются вынужденными, если они совершаются под действием периодических возмущающих сил (набегающие волны).

Качка характеризуется следующими параметрами (рис. 179):

амплитудой θ - наибольшим отклонением от положения равновесия;

размахом - суммой двух последовательных амплитуд;

периодомТ - временем совершения двух полных размахов;

ускорением.

Качка затрудняет эксплуатацию машин, механизмов и приборов из-за воздействия возникающих сил инерции, создает дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса судна, оказывает вредное физическое воздействие на людей.

Рис. 179. .Параметры качки: θ 1 и θ 2 амплитуды; θ 1 + θ 2 размах.

Различают бортовую, килевую и вертикальную качку. При бортовой качке колебания совершаются вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести судна, при килевой - вокруг поперечной. Бортовая качка при малом периоде и больших амплитудах становится порывистой, что опасно для механизмов и тяжело переносится людьми.

Период свободных колебаний судна на тихой воде можно определить по формуле Т = c(B/√h, где В - ширина судна, м; h - поперечная метацентрическая высота, м; с - коэффициент, равный для грузовых судов 0,78 - 0,81.

Из формулы видно, что с увеличением метацентрической высоты уменьшается период качки. При проектировании судна стремятся достигнуть достаточной остойчивости при умеренной плавности качки. При плавании на волнении судоводитель должен знать период собственных колебаний судна и период волны (время между набеганием на судно двух соседних гребней). Если период собственных колебаний судна равен или близок периоду волны, то наступает явление резонанса, которое может привести к опрокидыванию судна.

При килевой качке возможно либо заливание палубы, либо при оголении носа или кормы их удары о воду (слеминг). Кроме того, ускорения, возникающие при килевой качке, значительно больше, чем при бортовой. Это обстоятельство должно учитываться при выборе механизмов, устанавливаемых в носу или в корме.

Вертикальная качка вызывается изменением сил поддержания при прохождении волны под судном. Период вертикальной качки равен периоду волны.

Для предотвращения нежелательных последствий от действия качки судостроители применяют средства, способствующие если не полному прекращению качки, то по крайней мере умерению ее размахов. Особенно остро стоит эта проблема для пассажирских судов.

Для умерения килевой качки и заливания палубы водой у ряда современных судов делают значительный подъем палубы в носу и в корме (седловатость), увеличивают развал носовых шпангоутов, проектируют суда с баком и ютом. При этом в носу на баке устанавливают водоотбойные козырьки.

Для умерения бортовой качки применяют пассивные неуправляемые или активные управляемые успокоители качки.

К пассивным успокоителям относят скуловые кили, представляющие собой стальные пластины, устанавливаемые на протяжении 30 - 50 % длины судна в районе скулы вдоль линии тока воды (рис. 180). Они просты по устройству, уменьшают амплитуду качки на 15 - 20%, но оказывают значительное дополнительное сопротивление воды движению судна, уменьшая скорость хода на 2-3 %.

Рис. 181. Бортовые пассивные цистерны и положение в них жидкости при качке судна в резонанс с волной.

Эти цистерны эффективны при режимах качки с большим периодом. Во всех прочих случаях они не умеряют, а даже увеличивают ее амплитуду.

В активных цистернах (рис. 182) вода перекачивается специальными насосами. Однако установка насоса и автоматического устройства, управляющего работой насоса, значительно усложняет и удорожает конструкцию.

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...

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.

Силы и моменты, действующие на судно. При анализе сил, действующих на судно, оно рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля относительно диаметральной плоскости (ДП). Применительно к судну, основные свойства крыла формулируются следующимперемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то помимо силы Если судно образом: 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 больше, 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 курсовым углом (КУ) кажущегося ветра; Центр бокового сопротивления обычно совпадает с центром тяжести судна, а положение центра парусности зависит от расположения надстроек.

Силы и моменты, действующие на судно. Рис. 1. 3. Воздействие внешних сил на корпус судна

МАНЕВРЕННОСТЬ СУДНА 1. 1. Общие понятия и определения Маневрирование – изменение направления движения судна и его скорости с помощью руля, движителей, подруливающих устройств в целях обеспечения безопасности мореплавания или решения эксплуатационных задач (швартовка, постановка на якорь, проход узкостей и т. п.). Маневренность определяется такими качествами судна, как скорость, ходкость, управляемость, устойчивость на курсе и поворотливость, а также инерционными характеристиками судна. Маневренность судна не является постоянной. Изменение ее происходит под влиянием различных факторов (загрузки, крена, дифферента, ветра и т. д.), которые надлежит учитывать судоводителям при управлении судном. Под ходкостью понимается способность судна преодолевать сопротивление окружающей среды и перемещаться с требуемой скоростью при наименьшей затрате мощности главных машин. Скорость судна - одна из важнейших характеристик маневренных элементов судна. Скоростью судна считается та скорость, с которой оно перемещается относительно воды. 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. Поворотливость - способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны. Устойчивость на курсе и поворотливость находятся в противоречии друг с другом. Чем более устойчиво прямолинейное движение судна, тем труднее его повернуть, т. е. ухудшается поворотливость. Но с другой стороны, улучшение поворотливости судна затрудняет его движение в постоянном направлении, в этом случае удержание судна на курсе связано с напряженной работой рулевого или авторулевого и частой перекладкой руля. При проектировании судов стремятся найти оптимальное сочетание этих свойств. Управляемость судна в основном определяется взаимным расположением трех точек: центра тяжести (ЦТ), центра приложения всех сил сопротивления движению и центра приложения движущих сил (рис. 1. 4). Рис. 1. 4. Расположение центра вращения судна

МАНЕВРЕННОСТЬ СУДНА Если центр тяжести при определенном состоянии загрузки судна остается неподвижным, то центр приложения сил сопротивления не имеет постоянного местоположения. В зависимости от движения судна суммарный вектор сил сопротивления водной и воздушной сред изменяется, и точка его приложения к судну обычно перемещается вдоль диаметральной плоскости. При поворотах судно разворачивается вокруг вертикальной оси (центра вращения - Р), проходящей через центр сил сопротивления. Если ЦТ располагается впереди центра сил сопротивления, то судно устойчиво на курсе и наоборот, если ЦТ располагается позади центра сил сопротивления, то судно неустойчиво на курсе и более подвержено рысканию. Расположение центра приложения движущих сил зависит от режима работы движителей, положения руля, воздействия ветра, течения и т. п. В зависимости от расположения указанных трех точек при движении судна могут произойти сопутствующие явления: крен, дифферент, поперечное смещение. В результате воздействия обтекающих масс воды и ветра на корпус, винт и руль, даже при спокойном море и слабом ветре, судно не остается постоянно на заданном курсе, а отклоняется от него. Отклонение судна от курса при прямом положении руля называется рыскливостью. Амплитуда рыскания судна в тихую погоду небольшая. Поэтому для удержания его на курсе требуется незначительная перекладка руля вправо или влево. При сильном ветре и волнении устойчивость судна на курсе значительно ухудшается. На рыскливость судна большое влияние оказывает расположение надстройки. На тех судах, где надстройки на корме, рыскливость увеличивается, так как почти всегда корма идет «под ветер» , а нос - «на ветер» . Если надстройка в носу, то судно уклоняется «от ветра» . Уклонение судна под ветер называется увальчивостью. Это свойство так же, как рыскливость, является недостатком судна, его всегда приходится учитывать при осуществлении различных маневров, особенно в стесненных условиях.

ЦИРКУЛЯЦИЯ Циркуляцией называют траекторию, описываемую центром тяжести судна, при движении с отклоненным на постоянный угол рулем. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Угол между вектором линейной скорости судна и диаметральной плоскостью называют углом дрейфа (β). Эти характеристики не остаются постоянными на протяжении всего маневра. Циркуляцию принято разбивать на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся. Маневренный период − период, в течение которого происходит перекладка руля на определенный угол. С момента начала перекладки руля судно начинает дрейфовать в сторону, противоположную перекладке руля, и одновременно начинает разворачиваться в сторону перекладки руля. В этот период траектория движения центра тяжести судна из прямолинейной превращается в криволинейную, происходит падение скорости движения судна. Эволюционный период – период, начинающийся с момента окончания перекладки руля и продолжающийся до момента окончания изменения угла дрейфа, линейной и угловой скоростей. Этот период характеризуется дальнейшим снижением скорости (до 30 – 50 %), изменением крена на внешний борт до 100 и резким выносом кормы на внешнюю сторону. Период установившийся циркуляции – период, начинающийся по окончании эволюционного, характеризуется равновесием действующих на судно сил: упора винта, гидродинамических сил на руле и корпусе, центробежной силы. Траектория движения центра тяжести (ЦТ) судна превращается в траекторию правильной окружности или близкой к ней. Геометрически траектория циркуляции характеризуется следующими элементами: Dо – диаметр установившейся циркуляции – расстояние между диаметральными плоскостями судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180*при установившемся движении; Dц – тактический диаметр циркуляции – расстояние между положениями диаметральной плоскости (ДП) судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180*; l 1 – выдвиг – расстояние между положениями ЦТ судна перед выходом на циркуляцию до точки циркуляции, в которой курс судна изменяется на 90*; l 2 – прямое смещение – расстояние от первоначального положения ЦТ судна до положения его после поворота на 90*, измеренное по нормали к первоначальному направлению движения судна; l 3 – обратное смещение – наибольшее смещение ЦТ судна в результате дрейфа в направлении, обратном стороне перекладки руля (обратное смещение обычно не превышает ширины судна В, а на некоторых судах отсутствует совсем); Тц – период циркуляции – время поворота судна на 360*.

Влияние различных факторов на поворотливость судна Конструктивные факторы Отношение длины к ширине судна (L/B). Чем больше это отношение, тем хуже поворотливость судна. Это связано с относительным увеличением сил сопротивления боковому перемещению судна. Поэтому широкие и короткие суда обладают лучшей поворотливостью, чем длинные и узкие. Отношение осадки к длине судна (T/L). При увеличении отношения поворотливость судна несколько ухудшается, т. е. судно в полном грузу будет обладать худшей поворотливостью, чем в балласте. Отношение ширины к осадке (В/Т). Рост этого отношения приводит к существенному улучшению поворотливости. Суда широкие и мелкосидящие более поворотливы, чем суда с большой осадкой и узкие. Коэффициент общей полноты (δ). С увеличением коэффициента δ поворотливость улучшается, т. е. чем полнее обводы судна, тем лучше его поворотливость. Форма кормы (площадь кормового дейдвуда и полнота кормы). Особенно сильное влияние на поворотливость судна оказывает площадь кормового дейдвуда. Поэтому даже небольшое ее увеличение приводит к резкому возрастанию диаметра циркуляции при всех углах перекладки руля. Увеличение полноты кормы способствует улучшению поворотливости судна. Форма носовых образований судна значительно меньше влияет на поворотливость, чем форма кормы. Как правило, влияние формы носа проявляется только при наличии значительного носового подзора (например, у ледоколов), что обусловливает некоторое возрастание диаметра циркуляции судна. Размеры и конфигурация руля. Увеличение площади руля, так же как и другие изменения формы руля, оказывает двоякое влияние на поворотливость. Практические расчеты показывают, что увеличение площади руля ведет к уменьшению диаметра циркуляции при больших углах перекладки руля и к увеличению его при малых углах перекладки. Размещение руля относительно винтов значительно влияет на поворотливость судна. Расположение руля в винтовой струе благодаря увеличению скорости его обтекания способствует росту эффективности руля и отражается на поворотливости судна так же, как увеличение площади руля. Влияние винтовой струи сказывается тем Рис. 1. 17. Влияние угла перекладки руля на поворотливость судна: больше, чем большая площадь руля попадает в поток а – угол перекладки до 45*, б – угол перекладки более 45* от винта. При перекладке руля более чем на 45* эффективность его действия на поворотливость судна резко уменьшается (рис. 1. 17).

Влияние различных факторов на поворотливость судна Скорость судна. Исходная скорость хода V, с которой судно совершает прямолинейное судна движение до перекладки руля, влияет на величины выдвига, прямого и обратного смещений. При ветре управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем большее влияние ветра на управляемость. Волнение моря способствует рыскливости судна. Углы рыскания зависят от курсового угла волны и увеличиваются по мере возрастания волнения моря. Особенно неблагоприятным плавание будет при наличии ветровых волн и зыби от курсовых углов 120°− 180° при скорости судна, близкой к скорости распространения волн. В этом случае амплитуда рыскания может составлять до 30− 50°, а перекладка руля на попутной волне становится малоэффективной. Элементы посадки судна Дифферент. Увеличение дифферента на корму улучшает устойчивость судна на курсе и ухудшает 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 течение рейса имело небольшой дифферент на корму. 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.

Используемая литература. 1. 2. 3. Снопков В. И. Управление судном. / В. И. Снопков - Санкт. Петербург. : АНО НПО Профессионал, 2004. -536 с Шарлай Г. Н. Управление морским судном. / Шарлай Г. Н. Владивосток. : Мор. Гос. ун-т, 2009. -503 с. Лихачев А. В. Управление судном: Учебник для морских вузов. /Лихачев А. В. Спб. : Издательство Политехнического университета, 2004. 504 с. Подготовил Доцент кафедры УС и БЖД на море ХГМА К. Д. П. , К. Т. Н. Товстокорый О. Н.

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).