Внешние силы, действующие на судно. Внешние силы, действующие на судно Силы действующие на корпус судна

§ 24. Силы, действующие на корпус плавающего судна

На корпус плавающего по воде судна действуют постоянные и временные силы. К постоянным относятся статические силы, такие, как вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса - силы поддержания. К временным следует отнести силы, появляющиеся при качке судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции масс судна и силы сопротивления воды.

Силы, действующие на судно, плавающее на тихой воде, несмотря на равенство их равнодействующих, по длине корпуса распределяются неравномерно. Силы поддержания, как известно, распределяются по длине соответственно погруженному в воду объему корпуса и характеризуются формой строевой по шпангоутам. Силы же веса распределяются по длине корпуса в зависимости от расположения его элементов, таких, как переборки, надстройки, мачты, механизмы, установки, грузы и т. п. Фактически получается так, что на одном участке по длине корпуса силы веса преобладают над силами поддержания, а на другом - наоборот.

Рис. 39. Изгиб корпуса судна, вызванный неравномерным распределением действующих на него сил. 1 - кривая сил веса; 2 - кривая сил поддержания.

От непропорционального распределения по длине корпуса сил веса и сил поддержания возникает общий продольный изгиб корпуса судна (рис. 39).

При плавании судна на взволнованной поверхности на его корпус действуют силы поддержания, все время меняющие свою величину на отдельных участках длины судна. Максимального значения эти силы достигают тогда, когда судно идет курсом, перпендикулярным направлению волны, длина которой равна длине судна. При прохождении вершины волны у миделя, в средней части корпуса образуются избыточные силы поддержания с недостатком их в оконечностях. От неравномерного распределения сил поддержания в этом случае получается перегиб корпуса (рис. 40, а). Через короткий промежуток времени судно переходит на подошву волны, при этом избыток сил поддержания перемещается к оконечностям, отчего возникает прогиб корпуса (рис. 40, б).

Вследствие качки судна, возникшей на волнении, на корпус действуют силы инерции, оказывающие на него дополнительное воздействие, а во время плавания с большой скоростью против крупной встречной волны при ударе днищевой частью носовой оконечности о воду (явление слеминга) возникают дополнительно ударные или динамические нагрузки.

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...

При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна, можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна. Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим результирующую сил трения - сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая -волновое сопротивление RB зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВ.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:

R = RТР + RB + RФ+ RВ.Ч. + RВОЗ (1)

Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:

R = C × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ), (2)

где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
SВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:

C = CТР + CB + CФ+ CВ.Ч. + CВОЗ или C = CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ

где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:
R = (CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ) × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ) (3).

Движущая сила Pe создается и поддерживается судовыми движителями, преобразующими механическую энергию поступательного движения судна.

В процессе работы движитель воздействует на окружающий судно поток, а корпус судна изменяет поток в районе расположения движителя.

Полезная мощность, которую развивает движитель: N=Pvp

Поторебляемая движителем мощность Np=Mw

(М-момент, передаваемый движителю от двигателя, w-угловая скорость вращения гребного винта)

Судовые движители по принципу действия являются гидравлическими или гидрореактивными. В последнее время применяются воздушные движители (суда на воздушной подушке оборудуют воздушными винтами).

Действие основано на отбрасывании в сторону, обратную направлению движения судна, масс окуржающей среды: воды или воздуха. Это осуществляется засчет сообщения массам, перерабатываемым рабочими элементами движителяколичества движения. Реакция отброшенных масс воспринимается деталями движителя. Ее составляющая в направлении движения судна ности назвоние упора движителя. Силы, возникающие на элементах движителей, могут создаваться как за счет сил сопротивления при движении движителя в окружающей среде, так и за счет подъемной силы- по природе аналогичной подъемной силе несущего крыла.

Гребные винты применяются на судах различного типа и назначения, они отличаются простотой конструкции, удовлетворительной эксплуатационной надежностью и относительно высоким КПД. Разновидностями гребного винта являются винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения,гребные винтытандем.

Крыльчатый движитель обладает специфическими свойствами.

Водометные движители

Существуют другие типы движителей, среди которых можно отметить газоводометные и роторные.

Судовыми движителями называются специальные устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к. они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную движению судна. В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и водометный движители. Гребной винт служит основным типом движителя
для морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш). Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта называется расстояние, на которое переместится точка винта за один полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме движения судна. Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей), обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному - наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом: возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что усложняет их крепление.

К основным геометрическим элементам и характеристикам, определяющим действие гребного лодочного винта, относятся:
1. Диамерт винта D=2R, представляющий собой диаметр окружности, описываемой самой удаленной от оси винта точкой лопаси. Диаметр лодочного винта определяется площадью гидравлического , или рабочего , сечения движителя.
2. Радиус лодочного винта R=0,5D - расстояние от оси гребного винта до наиболее удаленной точнки, называемой краем лопасти.
3. Геометрический , или конструктивный , шаг винта - H, характеризующий возможное перемещение винта за один оборот при движении бе скольжения. Конструктивный шаг винта определяется шагом винтовых линий, образующих нагнетательную (кормовую) поверхность лопасти гребного лодочного винта, и находится по формуле: H=2πrtgѵ,

где r - радиус рассматриваемого сечения лопасти; tgѵ - тангенс шагового угла на радиусе r.
Различают лодочные винты постоянного шага H = const и переменного H = ϝ(r), у которых шаг вдоль радиуса лопасти изменяется по какому-либо закону.
4. Конструктивное шаговоре отношение H/D - отношение конструктивного шага винта к его диаметру.
5. Дисковое отношение Θ, представляющее отношение суммарной площади всех z лопастей к площади диска, ометаемого винтом, Θ=A/Ad=(2zbcp(D-dc))/(πDD),

6. Приведенный , или относительный , радиус лопасти, представляющий собой отношение радиуса ента давления лопасти R0 к наибольшему радиусу гребного винта R. Обычно принимается, что центр давления, характеризующий точку приложения к лопасти равнодействующей всех сил, совпадает с центром тяжести спрямленной поверхности лопасти.
7. Профиль сечения лопасти , под которым понимается спрямленный на плоскость след сечения лопасти лодочного винта соосным с ним круговым цилиндром на заданном радиусе.

Для характеристики режима работы гребного винта в целом используют понятие поступи. Линейной поступью hp винта называется путь, проходимый винтом в осевом направлении за время одного оборота=vp/hp

Отношение линейной поступи к диаметру винта называется относительной поступью или просто поступью винта. λp=hp /D=Vp/nD

Шаг винта- расстояние, которое проходит винт за один оборот в твоердом теле.

Безразмерные гидродинамические характеристики гребного винта, представленные в виде кривых в функции от относительной поступи, называются кривыми действия. С их помощью можно определить упор, момент, КПД винта при различных режимах работы.

На графике изображается также λ1=H1/D- шаговое отношение нулевого упора или гидродинамическое шаговое отношение.

λ2=H2/D- шаговое отношение нулевого момента.

При λp ›λ2, k2‹ 0, винт работает в режиме турбины, создавая вращающий момент за счет энергии потока.

В диапозоне изменения относительной поступи λ1 ‹ λp‹ λ2 винт не может быть использован ни как движитель, ни как турбина. Рабочей областью гребного винта, как судового движителя является диапозон относительных поступей 0 ‹ λp ‹ λ1, где P› 0

В каждом конкретном случае на расчетных режимах гребной винт должен работать в диапозоне относительных поступей, соответствующих высоким значениям КПД, что обеспечивается надлежащим выбором геометрических характеристик гребных винтов.

Одна из наиболее важных целей модельных гидродинамических испытаний винтов- получить систематизированные экспериментальныематериалы, необходимые для проектирования гребных винтов. Эти материалы получают в результате испытаний определенных серий винтов. При разработке серий моделей стремятся получить систематическое изменение их важнейших конструктивных элементов, существенно влияющихна гидродинамические характеристики винта.

Такими элементами являются: шаговое отношение H/D, дисковое отношение A/Ad, число лопастей Z, относительная толщина лопасти Ω, форма сечений лопасти, ее контур.

Материалы испыьаний представляются на диаграммах, содержащих кривые действия винтов серии, отличющихся только шаговым отношением. На диаграмме изображаются кривые коэффициента упора К1 и КПД в функции относительно поступи.

Каждая серия винтов, отличающихся шаговым отношением, представляется двумя диаграммами: диаграммой, посторенной в осях k1-λp и диаграммой, построенной в осях k2- λp.

Первую диаграмму называют корпусной, она используется, когда исходными для расчета гребного винта служит буксировочное сопротивление корпуса судна, а мощность энергетической установки, необходимая для обеспечения указанной в техническом задании на проектировании скорости судна. Диаграмму, построенную в осях k2- λp, называют машинной. Эта диаграмма используется, когда мощность энергетической установки проектируемого судна задана, а достежимая скорость является искомой величиной.

Простейшей формой задания на проектирование винта, позволяющей однозначно определить геометрические элементы винта в пределах заданной серии, является случай, когда указаны частота вращения n, диаметр винта D, скорость поступательного движения винта Vp, а также требуемый упор или располагаемая мощность на винте Np. Ная эти величины, можно вычислить относительную поступь λp и коэффициент упора k2, определяющие на поле диаграмм единственную точку, которая однозначно определяет шаговое отношение и КПД винта.

ИНЕРЦИОННО-ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

Силы и моменты, действующие на судно.

Система уравнений движения судна в

Горизонтальной плоскости.

Маневренные характеристики судна.

Требования к содержанию информации о

Маневренных характеристиках судна.

Общие сведения об инерционно-тормозных

Свойствах судна.

7. Особенности реверсирования различных видов

Движительных установок судов.

Торможение судна.

Судно как объект управления.

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

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

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

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

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

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

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

Силы и моменты, действующие на судно

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

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

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

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

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

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

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

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

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.