Силы действующие на корабль. Силы, действующие на корпус судна

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.

ИНЕРЦИОННО-ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

Силы и моменты, действующие на судно.

Система уравнений движения судна в

Горизонтальной плоскости.

Маневренные характеристики судна.

Требования к содержанию информации о

Маневренных характеристиках судна.

Общие сведения об инерционно-тормозных

Свойствах судна.

7. Особенности реверсирования различных видов

Движительных установок судов.

Торможение судна.

Судно как объект управления.

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

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

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

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

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

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

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

Силы и моменты, действующие на судно

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Общие понятия и определения

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

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

Управляемость объединяет два свойства: устойчивость на курсе и поворотливость.

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

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

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

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

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

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

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

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

h = RV/ M n

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

Ne = RV/ h hв hр,

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

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

Ре = Ne h hв hр / Vo,

где пропульсивный коэффициент определяется по формуле Лаппа:

где L - длина судна между перпендикулярами:

n- частота вращения винта, с -1 .

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

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

Сопротивление движению судна

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

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

R = k V² ,

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

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

Ro = Ne h hв hр / Vo.

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

Инерция судна и присоединенных масс воды

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

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

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

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

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

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

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

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

Неинерционные силы обусловлены вязкостью воды и являются гидродинамическими силами.

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

Применительно к судну, основные свойства крыла формулируются следующим образом:

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

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

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

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

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

где Мх - масса судна с учетом присоединенной массы воды.

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

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

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

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

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

При реверсе:

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

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

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

Силы, действующие на судно при поворотах

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

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

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

Тогда на судно действуют следующие силы и моменты:

сила лобового сопротивления руля Ррх - уменьшает скорость судна;

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

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

Силы, действующие на судно в эволюционный период циркуляции

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

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

сила лобового сопротивления Rx - еще более уменьшает скорость судна;

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

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

Силы, действующие в установившийся период циркуляции

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

В результате:

сила Рцх - уменьшает скорость судна;

сила Рцу - препятствует изменению радиуса циркуляции;

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

все параметры циркуляции стремятся к своим установившимся значениям.

Геометрически траектория циркуляции характеризуется:

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

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

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

Управляемость судна при следовании задним ходом

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

поперечная сила руля Рру;

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

гидродинамическая сила Rу образует момент, препятствующий развороту;

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

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

Силы и моменты, связанные с воздействием ветра

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

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

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

сила Ах - увеличивает скорость судна;

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

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

продольная составляющая гидродинамической силы Rх - уменьшает скорость судна;

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

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

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

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

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

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

Основными причинами появления боковых сил являются:

попутный поток воды, увлекаемый корпусом при его движении;

реакция воды на работающий винт;

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

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

Влияние попутного потока

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

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

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

Реакция воды на винт

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

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

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

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

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

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

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

Реакция воды на винт

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

Винтовая струя набрасывается на кормовую часть судна.

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

Общее влияние винта: корма идет влево.

Судно движется назад, винт вращается назад.

С началом движения судна назад попутный поток исчезает.

Реакция воды на винт : влево.

: влево.

Общее влияние винта: корма идет влево.

4. Влияние гребных винтов на управляемость многовинтового судна

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

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

Один винт работает вперед, другой стоп.

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

сила Р""л вызывает движение судна вперед;

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

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

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

Один винт работает назад, другой стоп.

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

Разворот судна на месте при работе винтов враздрай

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

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

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

5. Основные факторы, влияющие на управляемость судна

Конструктивные факторы.

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

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

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

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

Скорость судна

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

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

Элементы посадки судна

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

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

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

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

Судно как инженерное сооружение представляет собой сложную систему, в которой размещаются силовые механизмы, грузовые трюмы, жилые и служебные помещения, системы жизнеобеспечения, емкости и помещения для хранения судовых запасов воды, топлива, продуктов питания и т. д. От формы и конструктивных особенностей судна зависят такие важные характеристики его, как прочность, водонепроницаемость, грузоподъемность, непотопляемость.

Эти показатели находятся во взаимосвязи, иногда в противоречивой. Так, недостаточная прочность корпуса судна в условиях эксплуатации может стать причиной водотечности. В то же время увеличение запаса прочности путем увеличения несущих конструкций и толщины обшивки приводит к уменьшению грузоподъемности.

Удовлетворение противоречивых требований приводит к необходимости отыскания оптимального сочетания характеристик судна. Решение этой задачи осуществляется с учетом сил и моментов сил, действующих на корпус судна от веса груза, судовых запасов, собственно корпусных конструкций и давления воды.

Силы, действующие на корпус судна. Характер распределения сил давления воды на корпус показан в масштабе на 1. Эти силы стремятся деформировать корпус судна. Величина их давления на единичную площадку прямо пропорциональна заглублению этой площадки. Так, судно с осадкой 10 м испытывает давление воды на днище примерно 100 кПа. Только одна обшивка не в состоянии противодействовать такому давлению, поэтому для упрочнения корпуса используют специальные силовые конструкции

Поперечная прочность судна обеспечивается рамной конструкцией из флоров, бимсов и шпангоутов. Флоры - элементы, упрочняющие днище. Борта подкрепляются шпангоутами, соединенными с флорами при помощи скуловых книц. Подкрепление палубы, на которой размещаются надстройки и иногда грузы, осуществляется бимсами. Такие конструкции (иногда с неполным набором элементов) размещаются вдоль судна на расстоянии одна от другой 500^-800 мм. Эти расстояния называют шпациями. Поперечную прочность обеспечивают с определенным запасом для уменьшения повреждаемости корпуса при швартовках к причалу, другому судну, а также от ударов волн, льдин и т. п.

Продольная прочность судна (наизлом) зависит от равномерности распределения судовых конструкций и груза по длине судна, а также от характеристик волнения. В идеале отсутствие продольных изгибных деформаций на спокойной воде обеспечивается в том случае, когда сила поддержания F и сила веса Р на любом участке судна ДI по его длине равны (3). При этом силы веса и силы поддержания компенсируют друг друга по всей длине судна и оно не испытывает изгибных моментов. Наихудшим в этом смысле является вариант нагружения судна, когда загружены два крайних трюма, а средние пусты или наоборот (4). Судно в этом случае испытывает большие изгибающие моменты, способные привести к повреждению корпуса даже на спокойной воде.

В условиях эксплуатации из-за неравномерности нагружения могут возникать постоянные напряжения в корпусе, что приводит к необходимости иметь определенный запас продольной прочности.

В условиях волнения судно, оказываясь на вершине волны (5, а), испытывает изгибающие усилия, которые стремятся растянуть палубу и сжать днище. На подошве волны происходит деформация противоположного характера (5, б). Наиболее опасно нахождение судна на волне, длина которой равна длине судна.

Во избежание перелома судна на волне в системе набора предусматриваются продольные ребра жесткости, которые совместно с палубной и днищевой обшивкой, а также бортовой обшивкой обеспечивают продольную прочность судна.

При общем изгибе судна отдельные пояса обшивки нагружены неодинаково. Наиболее нагружены днищевая и палубная обшивки, а также верхние и нижние пояса бортовой обшивки.

Системы набора корпуса. В зависимости от назначения судна применяют три различные системы набора: поперечную, продольную, смешанную (6).

В поперечной системе набора главные балки (неразрезные) идут поперек судна (флоры, шпангоуты, бимсы). Эта система применяется чаще всего при строительстве буксиров, ледоколов и т. п. В продольной системе набора главные балки - продольные, они также делаются неразрезными, а поперечные балки в местах пересечения с главными разрезаются и привариваются к ним. Продольная система набора применяется на танкерах, не имеющих второго дна.

Наружная обшивка й настил палуб. Принципиальная схема наружной обшивки. Наружная обшивка и настил палубь: обеспечивают водонепроницаемость корпуса и вместе с набором - продольную (в большей мере) и поперечную (в меньшей мере) прочность. Наружную обшивку изготовляют из листовой стали толщиной 3-20 мм. Длина,листов 6-8 м, ширина 1,5-2 м. Листы наружной обшивки располагают вдоль корпуса судна. Они образуют пояса (см. 7), носящие специальные названия. Верхний пояс бортовой обшивки называют ширстреком. Вниз от него идут бортовые, скуловые, днищевые, шпунтовые пояса. Между шпунтовыми поясами левого и правого бортов идет пояс, называемый горизонтальным килем. Ширстрек и горизонтальный киль делают утолщенными, так как они несут наибольшую нагрузку. На скулах в средней части судна приваривают боковые кили, которые служат для уменьшения амплитуд бортовой качки. Суда ледового плавания имеют в районе ватерлинии ледовый пояс.

Листы палубного настила укладывают вдоль судна параллельно диаметральной плоскости. Крайний пояс - палубный стрингер - изготовляют по форме борта, чтобы он примыкал к нему вплотную. Палубный стрингер обычно делают утолщенным.

На пассажирских, промысловых и некоторых других судах стальной палубный настил покрывают деревянным настилом из сосновых досок толщиной 50-60 мм, шириной 100 мм. Он предохраняет палубу от преждевременного износа, служит изоляцией для подпалубных помещений, создает более удобные условия для работы людей. С целью обеспечения водонепроницаемости пазы деревянной палубы конопатят смоленой паклей и заливают смолой.

Крайний брус деревянного настила (у борта), называемый ватер- вейсным, примыкает к вертикальной стальной полосе, приваренной к палубному стрингеру. Канал для стока воды между этой полосой и кромкой борта, выступающей выше палубы, называется ватервейсом. Вода из ватервейсов стекает за борт через специальные отверстия - шпигаты.

На открытых частях палубы вдоль борта судна устанавливают ограждение высотой 900-1000 мм в виде фальшборта или леера. Фальшборт изготовляют из листовой стали и подкрепляют специальными стойками. К верхней части его приваривают планширь. Леерное ограждение состоит из металлических стоек, между которыми натянут стальной трос.

Быстрый сток воды с палубы и уменьшение заливаемости обеспечивается поперечной погибью и продольной седловатостью.

Судовые переборки. Для обеспечения непотопляемости судно, как правило, делится специальными переборками на отсеки, что предохраняет его от полного затопления при местных повреждениях корпуса. Переборки упрочняют корпус судна и служат для выгораживания судовых помещений различного назначения.

Переборки, не имеющие дверей, вырезов и горловин, называют водонепроницаемыми. Именно они, подкрепленные, как правило, соответствующими элементами набора, прежде всего обеспечивают непотопляемость. Если между соседними отсеками необходимо иметь сообщение, то двери в переборках делают водонепроницаемыми, закрывающимися специальными замками.

По данной тематике проводится лабораторная работа 2.1 (2 часа)

При движении судна прямолинейным курсом и положении руля в диаметральной плоскости, при отсутствии ветра и течения, сила упора движителей уравновешивается силами сопротивления воды движению корпуса судна. Руль и корпус симметрично обтекают встречные струи воды и сил отклоняющих судно не возникает. При перекладке руля на некоторый угол α , со стороны обращенной к обтекающему потоку, на руле возникает повышенное давление, а на противоположной стороне руля – пониженное. Разность давлений на сторонах пера руля создает силу Р, давящую на перо руля и зависящую от скорости натекания воды на перо руля, угла перекладки, формы и площади пера руля. После перекладки руля судно некоторое время, по инерции, продолжает двигаться прямолинейно, а затем поворачивается в сторону перекладки руля. Рассмотрим действие силы Р на судно в первый момент после перекладки руля.

Разложим силу Р по правилу параллелограмма на две составляющие силы: Ру – перпендикулярную ДП судна рулевую силу , и Рх – направленную по ДП силу торможения. Приложим к ЦТ судна две равные и противоположно направленные силы Р 1 и Р 2 , параллельные и равные силе Ру. Силы Ру и Р 2 образуют пару сил, а их поворачивающий момент Мр наз. моментом руля Мр = Ру 0,5L где 0,5L – плечо пары сил Ру и Р 2 . Сила Ру при движении прямым курсом определяют по формуле:

Ру = k 1 k 2 с р 0,5рSр(k υ υ) 2 (α+β с) где:

k 1 – коэф., учитывающий увеличение рулевой силы от постановки рулевых шайб(1,15-1,2);

k 2 – коэф., учитывающий влияние близости пера руля к корпусу судна (1,05- 1,3 при меньшем зазоре, больший коэффициент);

с р – угловой коэф. 5,15/1+(2S р / h р 2) где h р -высота пера руля,м;

ρ- массовая плотность воды (для пресной воды 102 кгс с 2 /м 4);

Sр – площадь пера руля,м 2 ;

k υ – коэф. учитывающий изменение скорости натекания воды на перо руля, от действия гребного винта и корпуса судна (1,1-1,55, больше при толкании, меньше для одиночных судов);

υ – скорость натекания воды на перо руля, м/с;

α – угол перекладки руля, град;

β с – угол скоса потока воды за кормой, вызванного обводами судна. (у одно и трех винтовых судов β с = 2-4 0 , у двухвинтовых с 2-мя рулями β с =0 0).

Из рисунка видно, что при перекладке руля на судно начинают действовать: поворачивающий момент Мр , направленный в сторону отклонения пера руля; сила Ру , смещающая судно в сторону противоположную повороту и сила Рх , увеличивающая сопротивление движению. Увеличение сопротивления при перекладке руля уменьшает скорость движения судна (при прямолинейном движении и удержании судна на курсе 5-ти градусными перекладками руля, теряется до 2% скорости), поэтому перекладка руля не должна превышать 1 0 .

Смещение и дрейф судна в сторону противоположную повороту руля, достигает наибольшего значения в кормовой части судна, что следует учитывать при выполнении поворотов и оборотов вблизи опасностей.

После преодоления сил инерции судно начинает двигаться по криволинейной траектории – циркуляции. В это время на судно, как на всякое физическое тело, движущееся по кривой, действует центробежная сила С , направленная в сторону противоположную повороту. Она приложена к центру тяжести судна, пропорциональна его массе m , квадрату скорости υ с поступательного движения ии обратно пропорциональна радиусу кривизны траектории движения r . С=mυ с 2 /r .

Эта сила с плечом h (расстояние между ц.т. и центром величины судна) создает кренящий момент Мкр = Сh, вызывающий крен судна в сторонупротивоположную повороту судна, что также следует учитывать привыполнении резкого поворота и оборота (снижать скорость и угол перекладки руля). Циркуляция, ее периоды и элементы см. выше.

После остановки движителей давление воды на перо руля резко уменьшается. С уменьшением скорости судно хуже слушается руля и может потерять управляемость . При работе винта «назад» на стороне руля обращенной к винту, создается пониженное давление, поэтому при руле переложенном «вправо» нос судна уклоняется влево и наоборот, т.е. корма судна уклоняется в сторону перекладки руля.

Сила давления на перо руля при движении задним ходом в первый момент определяется по формуле: Ру = с у 0,5S ρ υ 2 , рассмотрим действие силы Р на судно придвижении задним ходом. Отклонение руля вызывает поворачивающий момент от пары сил Р и Р 1 , увеличение сопротивлению воды движению корпуса судна и уменьшение скорости от действия силы Р х , и дрейф судна в сторону перекладки руля. При циркуляции на заднем ходу под действием рулевой силы увеличивается давление воды на кормовую часть борта (сила R 1 у) , в сторону которого переложен руль. Эта сила создает поворачивающий момент, противоположный поворачивающему моменту руля и общий поворачивающий момент в начальный момент циркуляции на заднем ходу равен разнице моментов рулевого и сопротивления воды корпусу судна. Поэтому даже при равном давлении на руль поворотливость на переднем ходу лучше, чем на заднем. Однако, через некоторое время после начала поворота угловая скорость начинает увеличиваться и гидродинамические силы со стороны наружного борта становятся больше динамической силы R 1 у , вызванной перекладкой руля. В это время поворачивающий момент судна – сумма момента руля и позиционного момента, что вызывает увеличение скорости поворота. Величина позиционного момента близка к величине момента руля, поэтому перекладка руля в противоположную сторону может не дать желаемого эффекта и не выведет судна из циркуляции. Учитывая это явление, при движении задним ходом не следует допускать больших скоростей поворота и движения. Для вывода судна из циркуляции следует дать реверс «вперед» и управлять судном на переднем ходу.