Какие силы действуют на судно. Силы, действующие на судно, стоящее на якоре

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

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

F’ = FB + F’T + F’Г

где FB - сила ветрового воздействия на надводную часть судна;

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

F’Г - сила течения действующая на неподвижные винты.

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

FB = Кн ∙ рв ∙ Sн

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

рв = ρV2 / 2 – давление ветра, Па;

ρ = 1,29 – плотность воздуха, кг/м3;

V – скорость ветра, м/с

рв =1,29*102/2=64,5Па

Площадь проекции надводной части судна на миделевое сечение, м2:

B – ширина судна, м;

H – высота борта, м;

T – осадка, м;

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

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

FB=0,5*64,5*91,6=2954,1 Н

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

(1)

где КТ = 1,4 – коэффициент трения;

Sсм = L∙(δ∙B + 1,7∙T)

– площадь смачиваемой поверхности судна, м2

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

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

Sсм=78*(0,84*11,6+1,7*2,5)=1055,34 м2

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

F’T=1,4*1055,34*1,381,83=2663,7 Н

(2)

где ZГ – число гребных винтов;

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

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

F’Г=2*200*1,52*1,382=1713,96 Н

F’=2954,1+2663,7+1713,96=7331,96 Н

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

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

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

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

-Постоянные , действующие в течение всего периода эксплуатации.

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

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

Также на судно действуют нагрузки (во время эксплуатации):

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

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

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

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

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

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

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

А) Общая продольная прочность:

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

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

Б) Местная прочность:

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

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

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

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

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

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

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

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

Конструкция днища :

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

Рис. Стр. 49-52

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

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

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

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).

Все силы, действующие на судно, по принятой в настоящее время классификации разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

К движущим относят силы, создаваемые средствами управления с целью придания судну требуемого линейного и углового движения. К таким силам относятся упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые САУ, и т. п.

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

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей.

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 обычно, как уже отмечалось, используется связанная с судном подвижная система координат с началом в ц. т.(тG) Положительное направление осей: X - 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 при этом разворачивается 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. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

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

Эта система в несколько упрощенном варианте имеет вид:

где m – масса судна

λ 11 – присоединенные массы при движении по оси X;

λ 22 - присоединенные массы при движении по оси Y;

V X – проекция скорости судна на ось X;

V Y - проекция скорости судна на ось Y;

ω - угловая скорость судна;

J - момент инерции судна относительно оси Z;

R X – продольная гидродинамическая сила на корпусе;

R Y – поперечная гидродинамическая сила на корпусе;

P E – полезная сила упора винта;

P PX – продольная сила давления воды на руль;

P PY – поперечная сила руля;

A X – продольная аэродинамическая сила;

A Y – поперечная аэродинамическая сила;

M R – момент гидродинамической силы на корпусе;

M A – момент аэродинамической силы;

M P – момент поперечной силы руля.

Первое уравнение системы характеризует движение судна по оси «X» при разгоне и торможении, поэтому его решение позволяют оценивать инерционно-тормозные характеристики судна. Второе уравнение описывает закономерности поперечного смещения судна. Третье уравнение, характеризующее угловое движение, используется при оценки управляемости судов. Из данной системы видно, что при равномерном и прямолинейном движении судна, левые части уравнений будут равны нулю, а поперечного движения не будет. Исходя из этого система уравнений примет вид:

P e = R X + A X + P PX

G

P PX P e A X R X

Рис.5.5. Силы, действующие на судно при прямолинейном движении.

5.4 Силы возникающие от работы винта.

Гидромеханическое взаимодействие системы корпус - винт - руль очень сложно. Движитель, работающий вблизи корпуса судна, существенно изменяет его поле скоростей, что приводит к изменению гидродинамических сил, действующих на корпус. В свою очередь, поток воды, набегающий на винт, получает возмущения от корпуса перемещающегося корабля. Существенное влияние винт так же оказывает на расположенный позади него руль. В результате взаимодействия системы корпус - винт - руль. возникает целый ряд боковых сил, которые необходимо постоянно учитывать и рационально использовать при управлении маневрами судна.

Сила попутного потока.

Движущийся в воде корпус вызывает попутный поток, направленный в сторону движения судна. Причины его появления - трение пограничных слоев воды о корпус судна и стремление масс воды заполнить объем, вытесненный корпусом. Между скоростью попутного потока в месте расположения винта V p и скоростью хода судна V существует соотношение V p = V (1-ω), где ω - коэффициент попутного потока. Его значения для различных судов могут изменяться от 0,10 до 1,00. Таким образом, влияние корпуса на винт сводится к уменьшению скорости обтекания винта.

Рис.5.6. Сила попутного потока

Экспериментально установлено, что в верхней половине диска винта скорость попутного потока больше, чем в нижней. Неравномерность поля скоростей попутного потока в диске винта за один оборот вызывает изменение угла атаки и соответственно сил упора и момента на лопастях, проходящих верхнее и нижнее положения. Так, лопасть, находящаяся в верхнем положении, будет иметь больший угол атаки и соответственно большее сопротивление вращению, чем лопасть, находящаяся в нижнем положении. В результате возникает боковая сила, которая на переднем установившемся ходу (винт правого вращения) будет уклонять корму судна влево.

Сила попутного потока b проявляет себя в наибольшей степени на переднем установившемся ходу, вызывая уклонение кормы судна в сторону, обратную вращению винта.

Сила реакции.

Лопасти гребного винта, проходящие верхнее положение, находятся значительно ближе к поверхности воды, чем лопасти,проходящие нижнее положение. В результате этогопроисходит засасывание воздуха в верхние слои воды, чтозначительно изменяет силовые характеристики лопасти(упор и момент).

Влияние близости поверхности воды наиболее существенно проявляется при малом заглублении винта (у транспортныхсудов, следующих в балласте, лопасть в верхнем -положении вообще выходит из воды), в период неустановившегося движения (дача хода со «стопа»), при реверсах. Разность упора и момента на верхней и нижней лопастяx, приводит к образованию боковой силы реакции D. На установившемся ходу и с увеличением заглубления винта действие силы реакции резко уменьшается.

Рис.5.6. Действие силы реакции D.

В 1-м секторе лопасть, переходя из положения 1 в положение 2, встречает сопротивление воды, сила реакциикоторой будет направлена вначале справаналево (сила Д 1 ,а затем снизу вверх (сила Д 2); последняя на диаметральнуюплоскость судна не влияет, но дает вибрацию кормы.

Во 2-м секторе лопасть, переходяиз положения 2 в положение 3, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена сначала снизу вверх (сила Д 2), а затем лопастьбудет преодолевать силу реакции достаточно плотных слоев воды (сила Д 3), направленную слева направо и значительно большую, чем сила Д 1 . Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос - влево.

, встречает сопротивление воды, сила реакции которой будет направлена вначале слева направо (сила Д 3), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции Д 4 , направленную сверху вниз. На диаметральную плоскость судна эта сила не влияет, но дает вибрацию кормы.

в положение 1, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена вначале сверху вниз (сила Д 4 ), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции менее плотных слоев воды (сила Д 1), направленную справа налево, значительно меньшую, чем сила Д 3 . Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос - влево.

Сила реакции D проявляется в наибольшей степени в период неустановившегося движения, вызывая уклонение кормы в сторону вращения винта.

Сила набрасываемой струи.

Гребной винт при вращении закручивает прилегающие к лопастям массы воды и отбрасывает их, образуя мощный спиральный поток. При движении судна вперед этот поток воздействует на расположенный позади винта руль. При движении задним ходом поток воздействует на кормовой подзор судна. Образованный винтом спиральный поток можно представить в осевой (аксиальной) и касательной (тангенциальной) составляющих. Аксиальная составляющая, воздействуя на расположенный за винтом руль, значительно повышает его эффективность и никаких боковых сил не вызывает. При движении судна задним ходом аксиальная составляющая, воздействуя на симметричные обводы кормы, также никаких боковых сил не вызывает.

Тангенциальная составляющая на переднем ходу воздействует на перо руля в левой верхней и правой нижней половинах.

Из-за несимметричности распределения попутного потока по осадке судна, а следовательно, и вызванных окружных скоростей в потоке, натекающем на руль, воздействие тангенциальной составляющей на правую нижнюю половину руля будет больше, чем на левую верхнюю. В результате возникает боковая сила набрасываемой струи С.

Рис.5.7. Действие силы С

В 1-м секторе лопасть, переходя из положения 1 в положение 2, отбрасывает слои воды в сторону от судна, и никакой силы набрасывания струи не образуется.

Во 2-м секторе лопасть, переходя из положения 2 в положение 3, набрасывает слои воды на нижнюю поверхность руля, где плотность воды значительно больше.. Руль должен был бы иметь стремление отклониться влево, но поскольку он установлен в диаметральной плоскости судна, сила набрасываемой струи устремляется на всю корму судна и отводит корму судна влево, а следовательно, нос идет вправо. Обозначим эту силу через С 1 .

В 3-м секторе лопасть, переходя из положения 3 в положение 4, будет отбрасывать слои воды от судна, следовательно, никакой силы набрасывания струи не будет.

В 4-м секторе лопасть, переходя из положения 4 в положение 1, набрасывает снова слои воды, но уже с другой стороны, нежели во 2-м секторе, и на верхнюю часть руля. Обозначим эту силу набрасывания струи С 2 . Действие этой силы будет меньше, чем действие силы набрасывания струи С 1 во 2-м секторе, вследствие меньшей плотности воды. Отсюда следует вывод: винт правого вращения на установившемся переднем ходу, действуя на руль, отклоняет корму судна влево, а нос - вправо