Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Введение

Изучение курса «Основы управления судном» преследует следующие цели:

- дать будущему судоводителю четкую физическую картину о сложных явлениях, возникающих при маневрировании судна в различных условиях плавания;

- дать представление об основных общепринятых практических методах определения усилий, действующих на судно и параметров его движения;

- дать рекомендации по использованию результатов теоретических исследований при практической эксплуатации судна.

Каждая новая публикация, связанная с вопросами управления судном, вызывает интерес у судоводителей.

Однако, зачастую, бегло просмотрев ту или иную брошюру, они возвращают её на полку. И дело не в том, что судоводители находят её неинтересной, а в том, что многие издания перенасыщены теоретическими выкладками и подходят больше для инженеров исследователей, для использования в компьютерных расчетах при проектировании судов и для создания различных компьютерных программ на судоводительских тренажерах. Для студентов, впервые открывающих такую книгу по одной из основных дисциплин будущей специальности, она представляется не в меру сложной и запутанной.

А где много неясного, там появляется неуверенность и, как следствие, падение интереса к излагаемому материалу.

В судовых же условиях у капитана и его помощников возможности по производству каких-либо теоретических расчетов ограничены общей организацией службы, чрезмерной занятостью. Судоводители часто отмечают, что управление судном, особенно в стесненных условиях плавания, является скорее формой искусства, чем наукой. Нередко оно основывается на интуиции, когда требуется определение динамического баланса между силами, действующими на судно для сохранения контроля над его движением. С другой стороны, именно научные теоретические и экспериментальные исследования позволяют заранее определить параметры движения и критерии обеспечивающие эффективность того или иного маневра в конкретных условиях плавания.

В связи с этим материал, изложенный в данном пособии, в достаточно упрощенной форме содержит основы теории управляемости.

При этом, автором сделана попытка максимально возможного разъяснения, в каком виде получаемые теоретические результаты могут быть использованы на ходовом мостике при управлении судном.          

1.      Основные понятия и определения.

Гидродинамические усилия действующие

На корпус судна

Задача оценки гидродинамических характеристик корпуса судна (ГДХ) является одной из труднейших во всей теории управляемости. Гидродинамические силы и моменты, действующие на корпус судна при криволинейном движении, принято разделять на две группы:

- силы и момент инерционной природы, т.е. фиктивные силы и момент, характеризующие инерционность самого судна и окружающей его воды;

- силы и момент неинерционной (вязкостной) природы, развивающиеся на корпусе вследствие перераспределения давления при обтекании последнего вязкой жидкостью.

    Это разделение сил на инерционные и вязкостные является условным, так как характер обтекания тел зависит от вязкости жидкости, особенно при отрывном обтекании. Тем не менее, указанное разделение является общепринятым, и в качестве величин присоединенных масс корпуса принимаются их значения, соответствующие обтеканию идеальной жидкостью.

 

Нормирование управляемости судов

Представление информации о маневренных

Качествах судна.

Количественная оценка маневренности судна, как управляемой системы, должно задаваться численными критериями, характеризующими как его устойчивость, так и поворотливость. Дополнительно для обеспечения безопасных условий маневрирования должны быть известны инерционные характеристики судна, а так же влияние ветра, течения, мелководья и других. В настоящее время для оценки маневренных качеств судов существует два различных подхода.

Первый подход определяет эффективность действующего рулевого устройства и другого оборудования и связан с определением минимальных размеров, которые должен иметь руль (рули) или поворотные насадки , в зависимости от конструктивных особенностей и размеров судна.

Данный подход используется в Правилах классификационных обществ. Например в ч. 3 «Устройства, оборудование и снабжение» Правил Российского Морского Регистра судоходства включён специальный п. 2.10 «Эффективность рулей и поворотных насадок», который соответствует рассматриваемому подходу к нормированию маневренности судна.

Второй подход связан с нормированием параметров траектории или других кинематических характеристик движения судна при проведении определённых маневров: циркуляции, зигзага, реверса и т.п. и представлением требований к судну, исходя из адекватности результатов испытаний судов установленным критериям.

Он является более наглядным, т.к. позволяет судоводителю быть уверенным в том, что при правильном маневрировании траектория движения судна не выйдет за определённые пределы. Это даёт возможность использовать знание о количественных параметрах того или иного маневра для решения навигационных задач. Такой подход используется в:

- Резолюции ИМО А 751(18), 1993 (для морских судов) ;

- Нормах управляемости РТМ 212.0137-81 (для грузовых судов и пассажирских судов внутреннего и смешанного река-море плавания)

- Нормах управляемости РТМ 212.01.26-86 (для речных толкаемых составов)

- «Расчет маневренности и проведения натурных маневренных испытаний судов  внутреннего и смешанного плавания (Руководство Р. 006-2004)

 Согласно Резолюции ИМО А. 751 (18) установлены следующие стандарты: (рис.18)

а) Поворотливость судна

При выполнении маневра циркуляции выдвиг L1 не должен превышать 4,5 Lс (где Lс – длина судна), а тактический диаметр (D такт) ≤ 5 Lc

б) Начальная поворотливость

При угле перекладки рулевого органа на 10° влево (вправо) судно должно проходить расстояние не более 2,5 Lc , за время в течении которого первоначальный курс судна изменится на 10°

в) Рыскливость и устойчивость на курсе

Величина первого угла зарыскивания при выполнении маневра «зигзаг» ( с перекладкой рулевого органа на 10°  не должна превышать: -10°, если  <10 c.

-20°, если < 30 с.

 

-(5+0,5 )°, если 10 с. < < 30 с.

Рис. 18 Стандарты маневренных качеств судов

 (Резолюция ИМО А 751(18))

 

Величина второго угла зарыскивания не должна превышать величин критериев для первого зарыскивания больше, чем на 15°

 

               4.2 Тормозные характеристики

 

Тормозной путь при выполнении манёвра «торможение» (L торм) не должен превышать 15 Lc. Все маневры выполняются в режиме «полный передний ход» на глубокой воде в штилевых условиях при загрузке судна на ровный киль.

Для судов поднадзорных Российскому Речному Регистру нормируются следующие параметры:

 

а) Поворотливость судна:

 

                                        = <2,0                                           (39)

Где Dц- это диаметр установившейся циркуляции.

Для толкаемых составов Dц≤3,0

 

Дополнительным критерием поворотливости является возможность прохождения судном (составом) всех лимитирующих поворотов судового хода на маршруте перехода. Он определяется из условия:

                            Rn ≥1,8                                                           (40)

Где Rn – радиус лимитирующего поворота;

 

                                                                      (41)

 

Обоснование возможности эксплуатации судна (состава) на конкретном участке маршрута в расчётные зависимости вводятся дополнительные поправки на течение и мелководье.

 

б) Устойчивость на курсе

 

Критерием принята величина относительного диаметра установившейся циркуляции , совершаемой судном в условиях >3 при нулевой перекладке рулевого органа ( =10°)

 ≥10

 

в) Управляемость при выключенных главных двигателях.

 

Судно считается удовлетворяющим нормам управляемости, если на установившейся циркуляции после остановки главных двигателей оно может быть выведено из циркуляции за счет перекладки рулевого органа на противоположный борт.

г) тормозные характеристики.

 

Судно считается удовлетворяющим нормам управляемости. Если величина его пути торможения удовлетворяет условию:

 

                                                                    (42)

где

V – объемное водоизмещение

 

д) Динамическая реакция судна на перекладку руля.

Угол зарыскивания на который успевает повернуться судно, в назначенную сторону поворота, после перекладки рулевого органа на противоположный борт не должен превышать 30º.

Дополнительно, для оценки управляемости судна при ветре введено 3 критерия:

1) Способность судна двигаться заданным курсом в условиях ветра. При этом потребная перекладка рулевого органа, для удержания судна на курсе, не должна превышать 0,85α_р^max, а угол ветрового дрейфа нее превосходит 20º.

По этим критериям суда считаются удовлетворяющим критериям управляемости, если скорость выдерживаемого судном ветра (V_a) составляет:

- для судов смешанного плавания не менее 13м/с

- для судов класса «О» не менее 15 м/с

- для судов класса «Л» и «Р» не менее 17 м/с

 

2)Величина наибольшей выдерживаемой судном скорости ветра, направленного из центра поворота судового хода, при которой судно движущееся полным ходом, ещё способно пройти вниз по течению все лимитирующие повороты в водном бассейне , для эксплуатации в котором судно предназначено. При этом угол дрейфа не должен превышать 35°. Судно считается удовлетворяющим требованиям норм управляемости, если величина площади парусности (Sn):

 

                                                                      (43)

 

Где  =  - относительная скорость течения на лимитирующем повороте судового хода;

С- скорость течения на повороте судового хода.

Vo – скорость судна на глубокой тихой воде в режиме работы движителей «полный передний ход»

3) Величина тяги носового подруливающего устройства (Yn.y)(если оно есть на судне),способного удержать судно на месте при развороте на ветре в режиме работы движителей «враздрай». При этом величина тяги подруливающего устройства, устанавливаемого на судах, должны быть не менее:

Yn.y.≥ 30 Sn – для пассажирских судов

Yn.y.≥ 40 Lc Tc – для грузовых судов

 

На всех морских судах длиной более 100 метров, поднадзорных Конвенции СОЛАС, (а для танкеров, химовозов и газовозах независимо от длины) информация о его маневренных качествах согласно Резолюции ИМО А 601 (15) должна быть предоставлена в 3 видах:

1. Лоцманская карточка

2. Таблица маневренных характеристик

3. Формуляр маневренных характеристик

 

Лоцманская карточка

Лоцманская карточка подлежащая заполнению капитаном, предназначается для того, чтобы представить информацию лоцману, принимающему судно под проводку. Эта информация должна дать представление о состоянии судна в период проводки в части загрузки , двигателей и движетелей, рулевого и подруливающего устройств и другого соответствующего оборудования. Для заполнения лоцманской карточки проведение специальных ходовых испытаний не требуется.

Следует обратить внимание на то что, согласно резолюции ИМО А.601(15), Лоцманская карточка является документом, который заполняется и подписывается капитаном и вручается лоцману, принимающему судно под проводку..

Поэтому объём информации, содержащийся в Лоцманской карточке, её достоверность могут быть проконтролированы, в том числе стать предметом судебного разбирательства, если в процессе лоцманской проводки произошла авария. При отсутствии лоцманской карточки лоцман может отказаться брать судно под проводку и это особо оговаривается местными правилами.

Особое внимание при заполнении Лоцманской карточки следует обращать на значение осадок судна носом и кормой, а также наибольших высот судовых конструкций. Эти величины должны быть проконтролированы и/или пересчитаны на соответствующий расход судовых запасов со времени начала рейса.

Если судоводителем при внесении в Лоцманскую карточку не учтён расход топлива, воды и других запасов с момента последней загрузки судна , то ошибка в представленных в Лоцманской карточке величинах осадок носом и кормой чаще всего будет безопасна для судна (т.е. значение указанных осадок будет больше фактических)

При внесении в лоцманскую карточку предельной высоты судовых конструкций неучтённый расход судовых запасов приводит к ошибке в «опасную» сторону: фактическая высота судовых конструкций будет больше чем, представленная в Лоцманской карточке. Это должен иметь в виду капитан, если район предпологаемой лоцманской проводки включает проход под мостами.

   

 

 Таблица маневренных характеристик (для рулевой рубки)

Таблица маневренных характеристик должна содержать основные особенности и подробную информацию о маневренных характеристиках судна. Она должна постоянно находиться в рулевой рубке и быть таких размеров, чтобы ею было удобно пользоваться. Маневренные характеристики судна могут отличаться от приведённых в таблице в зависимости от внешних условий, состояние корпуса и загрузки судна. В таблицу маневренных характеристик для рулевой рубки должны быть включены следующие данные.

1. Название судна, позывные, валовая вместимость, водоизмещение, дедвейт, коэффициент общей полноты при осадке в полном грузу по летнюю грузовую марку.

2.  Осадки, при которых была получена информация о маневренных элементах.

3. Характеристики рулевого устройства.

4. Характеристики якорной цепи.

5. Характеристики энергетической установки.

6. Влияние подруливающего устройства в условиях испытания.

7. Увеличение осадки (в грузу) из-за проседания и влияния крена.

8. Циркуляция при максимальном угле перекладки руля (в грузу и в балласте)

9. Тормозные характеристики и маневры в аварийной ситуации (в грузу и в балласте)

10. Маневрирование при спасении человека за бортом. Последовательность действий и рекомендованная циркуляция.

11. Мёртвые зоны.

12. Теневые сектора.

13. Высота судна (в грузу и в балласте)

На рис. 19 приведены основные инерционно-маневренные характеристики судна, как они должны представляться в таблице маневренных характеристик для рулевой рубки. Помимо инерционных характеристик приведены и маневры, выполняемые в аварийных ситуациях. Тормозные пути с передних ходов на «стоп» должны быть ограничены моментом потери управляемости судна (как отмечалось ранее) или конечной скоростью, равной 20% скорости полного хода, в зависимости от того, какая величина скорости больше.

Над графиком инерционных характеристик и тормозных путей указаны возможные направления (стрелкой) и величина (в кб) бокового уклонения судна от линии первоначального пути и изменения курса в конце в конце маневра (в град)

 

                                  Рис. 19

Содержание Формуляра маневренных характеристик

Данные о судне: название, позывные, год постройки, валовая вместимость, дедвейт и водоизмещение (при осадке по летнюю грузовую марку), наибольшая длина, длина между перпендикулярами, ширина (теоретическая), высота борта (теоретическая) осадка по летнюю грузовую марку, осадка в балласте, коэффициенты полноты при осадке по летнюю грузовую марку и в балласте, предельная высота судовых конструкций, от киля; тип главно двигателя, число установок и эффективная мощность (мощность на валу); таблица соответствия скорости хода, оборотов машин и силы упора(определённые на испытаниях или формулярные, в полном грузу и балласте), критические обороты, время отработки машинами команд машинного телеграфа при обычном и аварийном реверсах, время отработки заднего хода, минимальное число оборотов (для дизелей) и соответствующая этим оборотам скорость хода, максимальное число винтов, шаг, диаметр, направление вращения, заглубление; тип руля, число силовых агрегатов привода, общая площадь пера руля (в полном грузу и в балласте); тип, число, мощность и расположение подруливающих устройств; носовые и кормовые обводы, носовые, кормовые и теневые зоны зрительного наблюдения с указанием размеров ( в полном грузу и балласте), продольное и поперечное сечение надводной части судна (в полном грузу и балласте); длина цилиндрической вставки корпуса судна для учёта при швартовке ( в полном грузу и балласте)

 

 Управляемость судна на глубокой воде (в полном грузу и балласте): поворотливость судна (расчетные и наблюдённые данные), условия испытаний, графики зависимости времени и пути поворота от значения угла поворота; графики расстояний до нового курса и точек начала перекладки руля для одерживания судна в полном грузу и балласте; циркуляция на большой глубине в грузу и балласте, условия испытаний, выдвиг, прямое смещение и путь на циркуляции при полном переднем морском ходе при максимальном угле перекладке руля с указанием на прямой циркуляции положения судна (силуэта), времени поворота, скорости на углах поворота 90,180,270,360° и следы кормы; элементы циркуляции со стопа (судно набирает скорость со «стопа» до полного маневренного хода при максимальном угле перекладки руля); результаты выполнения маневра «зигзаг» и одерживания судна при перекладке руля на противоположный борт, представленные в виде графиков в полном грузу и в балласте; маневры «Человек за бортом» (определяются опытным путем, в виде графиков правого и левого манёвра в полном грузу и балласте)и «Выход на параллельный курс» (определяются расчетным способом в виде графиков, показывающих боковое смещение до параллельного курса при перекладки руля на максимальный угол); графики поворотливости для судна, не имеющего хода в полном грузу и в балласте, для случаев совместной и раздельной работы носового и кормового подруливающего устройств в виде кривых циркуляции с учётом влияния переднего хода; сведения о влиянии ветра на поворотливость.

 

Инерционно-тормозные характеристики на глубокой воде: тормозные характеристики, полученные в результате испытаний, условия испытаний, курсы судна, число оборотов машин, скорость хода, тормозной путь, смещение по первоначальному курсу и по нормали к нему (испытания рекомендуются проводить не менее двух раз, в том числе на режимах: передний полный ход – задний полный ход); расчётные тормозные характеристики в виде номограмм «время – скорость - расстояние» ( с учётом смещения по нормали к первоначальному курсу) для судна в полном грузу и балласте для следующих маневров: полный задний с полного морского хода, стоп с полного переднего, стоп со среднего вперёд, стоп с малого вперёд; расчетные инерционные характеристики в виде номограмм «время - скорость – расстояние» для судна в полном грузу и балласте для следующих маневров: полный ход вперёд – средний вперёд, средний вперёд – малый вперёд, малый вперёд – самый малый вперёд, «стоп» - полный ход вперёд.

Маневренные характеристики на мелководье: расчетные элементы циркуляции на мелководье в виде кривой циркуляции судна в полном грузу (должен быть показан след кормы) со скорости среднего переднего хода с максимальным углом перекладки руля и соотношение глубины к осадке 1,2 (с указанием положения судна, времени поворота и скорости на углах поворота на 90, 180, 270,360°); проседание (расчётное) для мелководья и канала бесконечной ширины (максимальное проседание в зависимости от скорости хода судна при различных соотношениях глубины и осадки) и для фарватера, ограниченного по глубине и ширине (максимальное проседание в зависимости от скорости для различных соотношений глубины и ширины канала и осадки ширины судна)

Влияние ветра на управляемость судна: расчётные силы и моменты сил ветра, которые могут понадобиться при швартовке (для различных относительных скоростей и направлений ветра, действующих на судно в полном грузу и балласте); расчётные пределы управляемости судна для судна в полном грузу и балласте с определением влияния ветра, действующих на судно в полном грузу и балласте с определением влияния ветра на управляемость судна; расчётный дрейф судна без хода.

Маневренные характеристик  на малых скоростях (наблюдаемые и расчётные): Сведения о минимально допустимом числе оборотов главного двигателя и соответствующей ему скорости судна; минимальная скорость при движении по инерции передним ходом, при которой судно способно удерживаться на курсе.

Дополнительная информация: любая другая информация, имеющая отношение к маневренным характеристикам, особенно информация, имеющая отношение к работе устройств управления судном, находящихся на мостике.

Информация на основе которой заполняется эта часть Формуляра маневренных характеристик, может быть получена из других судовых документов, в частности, из Информации об остойчивости. Исключение составляет предельная высота судовых конструкций от киля, найти которую, особенно на новом судне, капитану бывает довольно затруднительно. В этом случае капитан обязан принять самостоятельные меры для определения предельной высоты судовых конструкций своего судна.

Анализ вышеприведённых документов нормирующих управляемость, показывает что они ещё не в полной мере учитывают особенности маневрирования судов и нуждаются в уточнениях и дополнениях. Так например условия прохождения судами лимитирующих перекатов косвенно учитывает влияние глубины фарватера на параметры движения судна, однако сами параметры движения и особенности поведения судна в стеснённых условиях Нормами не оговариваются. Возможность выполнения судном другого характерного маневра – прохождение поворота реки ограниченной ширины, определяется шириной полосы судового хода и соотношением радиуса циркуляции кормы судна и радиуса кривизны судового хода. С этих позиций представляется более правильным принять в качестве критерия поворотливость судов внутреннего плавания относительный радиус установившейся циркуляции по корме судна (Rк)

Однако даже применение радиуса циркуляции комовой оконечности судна в качестве критерия поворотливости не может характеризовать геометрические параметры циркуляции судна в условиях стеснённой акватории. Это связанно с тем что, под радиусом циркуляции кормовой оконечности понимается радиус циркуляции точки кормовой оконечности ДП судна. Однако радиус циркуляции этой точки практически никогда не является наибольшим, т.к. часть кормы внешнего относительно поворота борта выходит за пределы окружности радиусом Rк

В случае циркуляции, при расположении ЦМ судна в корму от миделя (при дифференте на корму) и в условиях предельного мелководья максимальные радиусы циркуляции носовой части судна могут оказаться значительно больше величины Rк.

 

Элементы циркуляции .

 

Если на движущемся судне переложить рулевой орган на какой-либо борт и оставить без изменения, то судно будет двигаться по криволинейной траектории, называемой циркуляцией (рис. 26), где

 

-диаметр установившейся циркуляции по центру тяжести судна или состава;

- тактический диаметр циркуляции, т.е. расстояние между положениями ДП судна при изменении первоначального курса на 180°и на 360°;

- выдвиг (поступь) циркуляции, т.е. смещение ц.т. судна в направлении первоначального прямолинейного движения до момента поворота судна на 90°;

- прямое смещение судна на циркуляции, т.е. расстояние от линии первоначального прямолинейного курса до ц.т. судна, развернувшегося на 90°;

- обратное смещение судна на циркуляции, т.е.наибольшее расстояние, на которое смещается ц.т. судна в сторону, противоположную перекладке руля.

Рис. 26. Типичная траектория циркуляции с рулем на борту

 

Для судов внутреннего плавания диаметр циркуляции обычно:

(53)

Приближенно для морских судов можно пользоваться формулой:

		(54)

Процесс движения по циркуляции принято разделять на три периода:

маневренный - от начала до конца перекладки руля;

эволюционный - от окончания перекладки руля до установившегося движения (период соответствует повороту судна на 80—100°);

установившейся циркуляции, представляющей движение судна по окружности и продолжающийся до тех пор, пока не изменят положение пера руля.

Анализ расчётов, выполненный по различным судам, показывает следующее:

– угол дрейфа  и безразмерная угловая скорость  достигают значений, близких к установившимся, при изменении курса на 90-120%, в то время как угол крена  – при изменении курса на 150°, а безразмерная линейная скорость судна  – на150 180°;

– при более пологих циркуляциях, достижение параметрами значений, близких к установившимся, происходит раньше, чем при циркуляциях выполняемых с большой перекладкой рулевых органов;

– несмотря на то, что угол дрейфа , безразмерная угловая скорость  и угол крена  достигают значений, близких к установившимся, раньше, чем безразмерная линейная скорость судна , тем не менее, дальнейшее падение линейной скорости продолжает оказывать влияние на указанные параметры.

Разные исследователи близки во мнениях о процессах, происходящих с судном в эволюционный период циркуляции. В начале периода поперечная составляющая гидродинамической силы па корпусе  тормозит поперечное смещение судна, затем прекращает его, и ЦТ судна перемещается в обратном направлении - в сторону циркуляции. Момент  силы сопротивления воды относительно вертикальной оси, проходящей через ЦТ, и момент рулевой силы  имеют одно направление, полому узловая скорость вращения судна увеличивается Продолжает расти и угол дрейфа судна. По мере их увеличения силы давления воды на рулевой орган уменьшаются, точка приложения гидродинамической силы на корпусе смещается в корму. Моменты  и  постепенно уравновешиваются. Судно выходит на траекторию установившегося движения по окружности. В начале эволюционного периода полюс поворота находится впереди и вблизи ЦТ. После отворота судна от первоначального курса на 20-30° полюс поворота начинает смещаться в нос и в конце эволюционного периода располагается на расстоянии, примерно, 0,3 длины судна от мидельшпангоута.

При движении по криволинейной траектории возникает центробежная сила , приложенная к ЦТ судна и направленная по радиусу циркуляции во внешнюю сторону. Благодаря наличию угла дрейфа эта сила имеет продольную  и поперечную  составляющие.

Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила ) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линейная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к не­которому установившемуся значению .

Чем лучше поворотливость судна, т. е. чем большую кривизну имеет траектория, тем больше снижается скорость на циркуляции. В среднем на крупнотоннажных морских судах во время циркуляции с рулем на борту при повороте на 90° скорость снижается приблизительно на ⅓, а при повороте на 180° - вдвое.

При небольших углах перекладки руля снижение скорости на циркуляции невелико.

Следует отметить, что скорость судна перед началом маневра, влияет лишь на величину выдвига. Так, с увеличением начальной скорости перед маневром в 2 раза (т.е. с малого до полного) величина выдвига увеличивается на 10-15%.

На параметры циркуляции также оказывает влияние направление вращения движителя.

Для судов с ВРШ левого вращения (или ВФШ правого вращения) правая циркуляция меньше, чем левая, а для судок с ВРШ правого вращения (или ВФШ левого вращения) левая циркуляция меньше, чем правая. Это объясняется тем, что в процессе движения на циркуляции с определенным углом дрейфа винт, в зависимости от направления вращения, оказывает на судно стабилизирующее действие.

 

                                                                                   

 

                                                                                     

 

 

                                                                                    Таблица1

Средние значения параметров установившейся циркуляции судов различных типов

 

Вид маневра для судов различных тиов	Безразмерная угловая скорость	Угол дрейфа в ЦТсудна. град	Угол дрейфа в районе ДРК, град	Относительное падение линейной скорости	Относительная абсцисса полюса поворота	Угол перекладки руля. град
Установившаяся циркуляция с наибольшим углом перекладки руля:
Морские транспортные суда	0,55	12	25	0,60	0.38
Промысловые суда	0,65	15	30	0,47	0.40	≈35
Суда внутреннего плавания	1,1	27	47	0,36	0.41
Установившаяся циркуляция при средних углах перекладки руля
Морские транспортные суда	0,30	8	16	0,80	0.46
Промысловые суда	0,40	10	20	0,70	0.43	15-20
Суда внутреннего плавания	0,60	16	30	0,60	0.46

Большая часть современных оценок управляемости связана с теми или иными элементами установившегося движения судна и, в частности, с диаграммой управляемости судна в различных ее формах. Наиболее рациональной формой корпусной диаграммы управляемости является диаграмма, характеризующая движение судна на установившейся циркуляции, построенная в функции безразмерной угловой скорости:

(55)

В основе построения корпусной диаграммы управляемости судна лежат безразмерные уравнения движения судна на установившейся циркуляции.

Корпусной кривой I рода называется всякая зависимость, устанавливающая связь между параметрами движения судна, включающая в себя только характеристики корпуса судна. Параметры действия ДРК или условия его работы в эту зависимость не входят. Таким образом, корпусная кривая I рода справедлива для любого судна, обладающего данным корпусом, независимо от типа и параметров работы его ДРК.

Примером такой кривой может служить зависимость угла дрейфа в центре тяжести судна  от безразмерной угловой скорости (рис. 28).

Рис. 27 Корпусные диаграммы толкаемого состава (1) и грузового теплохода (2)

 

Другим примером корпусной кривой управляемости I рода может служить зависимость падения линейной скорости судна  на установившейся циркуляции от безразмерной угловой скорости .

Падение линейной скорости судна наступает вследствие ряда причин: увеличения сопротивления воды движению судна, перемещающегося с утлом дрейфа и угловой скоростью, действия продольной составляющей центробежной силы инерции, снижения эффективности ДРК, работающего с углом перекладки в косом потоке, увеличения коэффициента момента на валу движителя и соответствующего снижения частоты вращения гребного винта, изменения коэффициентов попутного потока и засасывания. Из числа указанных причин достаточно достоверная численная оценка в настоящее время может быть дана лишь величине центробежной силы и эффективности движителя. Другие перечисленные причины в настоящий момент еще не изучены в достаточной мере, что затрудняет определение падения скорости судна. В то же время обширными натурными и модельными испытаниями судов различных типов показано, что зависимость  на установившейся циркуляции носит весьма стабильный характер, не зависит от типа ДРК и может быть представлена рядом эмпирических и полуэмпирических формул, предложенными разными авторами.

Так зависимость от  хорошо аппроксимируется формулой вида:

(56)

Расчеты и анализ материалов натурных испытаний показывают, что выличина q колеблется обычно для толкаемых составов в пределах 1,2-1,4, для грузовых теплоходов 1,4-1,7, для пассажирских судов 1,8-2,0; для катамаранов q=1,35 при клиренсе

Р.Я. Першицем предложена формула, относящаяся, по-видимому, к морским судам:

(57)

Весьма близкие к ней результаты дает и чисто эмпирическая формула Г.А. Фирсова

(58)

Обработка 226 циркуляций 15 типов грузовых теплоходов и толкаемых составов с движительными комплексами гребной винт-направляющая насадка позволила В.Г. Павленко получить расчетную зависимость в виде

(59)

Сопоставление результатов расчета по формуле (59) с данными натурных испытаний приведено на рис. 28

Рис. 28 Относительная скорость грузовых теплоходов и толкаемых составов на установившейся циркуляции

Обработка 46 циркуляций речных пассажирских судов 7 типов дала следующую зависимость:

(60)

Соответствие результатов расчета по этой формуле данным натурных испытаний видно из рис. 29

Рис. 29 Относительная скорость речных пассажирских судов на установившейся циркуляции

Несмотря на то, что взаимосвязь параметров движения на установившейся циркуляции индивидуальна для каждого проекта судов (а если учесть эксплуатационный износ, то и для каждого судна), предпринимаются попытки найти взаимосвязь параметров движения, универсальную для определенной группы судов, например, судов внутреннего и смешанного «река-море» плавания. Обычно такие зависимости находят свое воплощение в универсальных графиках для определения параметров циркуляции, имеющие в основе построения взаимозависимости параметров циркуляционного движения, универсальные для данной группы судов, или в универсальных диаграммах для определения геометрических элементов циркуляции.

Для судоводителей более наглядной является диаграмма управляемости, устанавливающая зависимость параметров движения судна от перекладки рулевого органа.

Рис. 30 Диаграмма управляемости судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе.

На рис. 30.показана диаграмма управляемости судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе. Такое судно имеет свойства вписываться в самопроизвольную циркуляцию при прямом положении руля. Как показывает диаграмма, судно при прямом положении руля разворачивается вправо по траектории с кривизной , либо влево с кривизной .

Для того чтобы в этом состоянии прекратить самопроизвольную циркуляцию, например, вправо, необходимо переложить руль влево на угол , а для прекращения левой циркуляции необходима перекладка руля вправо на угол .

Углы перекладки руля  и называются предельными углами обратной поворотливости. При перекладках руля на указанные утлы направление поворота меняется на обратное.

Площадь на диаграмме управляемости, ограниченная верти­кальными прямыми, проведенными через точки  и , и участками ветвей диаграммы, называется зоной неустойчивости. В пределах этой зоны каждому углу перекладки руля соответствуют две траектории с кривизной разного знака.

По каждой из этих траекторий судно способно совершать устойчивое движение.

Изложенное выше показывает, что диаграмма управляемости дает информацию не только о поворотливости, характеризуемой кривизной траектории, но также и об устойчивости на курсе

С уменьшением угла перекладки руля все элементы циркуляции возрастают. При угле перекладки  выдвиг и тактический диаметр увеличиваются в 1,5-2 раза. Влияние дифферента связано с положением центра сопротивления воды при движении судна. С увеличением дифферента на корму элементы циркуляции возрастают. Наоборот, дифферент судна на нос уменьшает циркуляцию, поворотливость судна улучшается. Влияние осадки на циркуляцию неоднозначно. При одном и том же дифференте уменьшение осадки улучшает поворотливость, что объясняется увеличением отношения площади пера руля к площади, погруженной в воду диаметральной плоскости судна. Однако, у большинства современных судов уменьшение осадки сопровождается увеличением дифферента на корму, в результате чего диаметр циркуляции остается практически неизменным.

Уменьшить циркуляцию можно, потравливая якоря в воду. За счет смещения центра сил противления в нос и увеличения частоты вращения винта при той же скорости поворотливость судна улучшится, что особенно эффективно при малых скоростях хода. На рис. 31 приведены результат испытания теплохода «Профессор Щеголев» водоизмещением 9100 т. В воду вытравливалось по одной смычке каната.

Рис. 31 Циркуляция теплохода «Профессор Щеголев» водоизмещением 9100т на малом ходу: 1-без рулей, 2-с одним якорем, 3-с двумя якорями

 

При выполнении циркуляции на двухвинтового судне следует учитывать дополнительные особенности режима работы главных двигателей. При больших скоростях и углах перекладки рулевых органов перегрузка внутреннего двигателя может достигать 25%.

Существенное влияние на элементы циркуляции оказывает крен судна.

 

Крен судна на циркуляции.

 

Во время выполнения крутых поворотов у судов возникает крен. Величина крена, особенно у пассажирских судов имеющих большую ширину и развитую надстройку может быть значительной и даже опасной. В связи с этим величина крена на циркуляции нормируется правилами Морского Регистра, как одна из характеристик остойчивости судна.

Возникновение крена при криволинейном движении судна связано с различием по высоте точек приложения поперечных сил, действующих на судно: центробежной силы , гидродинамической силы на корпусе  и силы на руле .

Рассмотрим процесс возникновения крена судна на циркуляции.

При перекладке руля на правый борт на нем развивается номер сила , приложенная в точке с аппликатой  и создающая момент относительно ЦТ , который в маневренном и в начале эволюционного периода стремится накренить судно во внутрь развивающейся циркуляции рис. 32.

Рис. 32 Схема сил, определяющих крен на циркуляции

С выходом судна на криволинейную траекторию на нем возникает центробежная сила, поперечная составляющая которой  приложена в ЦТ судна.

Одновременно на корпусе происходит перераспределение давления по обоим бортам и днищу. По бортам это перераспределение сводится, в основном к результирующей гидродинамической силе  , которая затем на установившейся циркуляции уравновешивает поперечную составляющую центробежной силы  и приложена приблизительно на середине осадки. Перераспределение давления по днищу судна, кроме незначительной вертикальной силы образует кренящий момент

Суммарное воздействие гидродинамической силы и гидродинамического момента  можно свести к действию силы , если считать ее приложенной в точке с аппликатой . Вместе с центробежной силой  она образует кренящую пару с моментом:

.

(61)

Под действием этого момента у судна возникает крен, направленный во внутрь циркуляции. На установившейся циркуляции его величина составляет:

,

(62)

где h - метацентрическая высота, Р - весовое водоизмещение судна.

По данным экспериментальных исследований аппликата может быть приближенно определена в зависимости от относительной ширины судна:

,

(63)

 

Как следует из (57), при В/Т > 3,5 гидродинамическая сила  как бы приложена ниже основной. На самом деле, она, как уже было сказано, приложена приблизительно на середине осадки, а выражение (61) учитывает наличие момента, вызванного перераспределением давления по днищу судна.

Переход судна в эволюционном периоде от крена во внутрь циркуляции к крену во вне циркуляции всегда сопровождается кратковременным динамическим креном во вне циркуляции. Его амплитуда может превосходить крен на установившейся циркуляции в 1,5-2,0 раза.

Угол крена на циркуляции у морских судов в градусах может быть определен по выражению.

,

(64)

где -скорость до маневра;

-аппликата ЦТ судна, м;

-средняя осадка судна, м;

Рис. 33 Увеличение осадки судна при крене на циркуляции

При накренении судна крайняя нижняя точка днища смещается в т. К. В результате осадка судна, т.е. расстояние по вертикали от крайней нижней точки до ватерлинии, увеличивается на величину, которую приближенно можно определить по следующей формуле:

(65)

-приращение осадки судна, м.

Накренения судна на циркуляции зависят от угла перекладки руля, загрузки судна и его конструктивных особенностей. Максимальное значение угла крена не превышает 10°.

При выполнении циркуляции в сторону крена диаметр циркуляции увеличивается. Объясняется это избыточным давлением воды на скулу со стороны накрененного борта.

 

Устойчивость на курсе.

 

В реальных условиях эксплуатации на судно постоянно действуют внешние факторы (ветер, волнение, течение, мелководье, гидродинамические усилия от встречных и обгоняющих судов и т.п.), которые вызывают его отклонение от заданного курса. В результате воздействия этих факторов судно может иметь два варианта дальнейшего движения:

- после уклонения от курса на какой-то угол оно прекращает поворот и выходит на новый прямолинейный курс;

- продолжает уклоняться в сторону зарыска и выходит в пологую циркуляцию.

В зависимости от этого различают два типа судов: устойчивые на курсе и неустойчивые (рыскливые).

При анализе выделяют два вида устойчивости:

- теоретическую;

- эксплуатационную.

Теоретическая устойчивость – способность судна двигаться прямым курсом с неотклоненным рулем ( ). Существует два метода исследования теоретической устойчивости:

- путем анализа на устойчивость дифференциальных уравнений движения судна;

- путем определения параметров циркуляции судна с неотклоненным рулевым органом по диаграмме управляемости(рис.30).

Наиболее надежно диаграмма управляемости строиться по результатам проведения натурных испытаний.

Характерной особенностью диаграммы управляемости устойчивого судна является наличие «петли Гистерезиса» в зоне малых углов перекладки рулевого органа. Анализ показывает, что такое судно может уклоняться как вправо, так и влево в зоне так называемого «гидродинамического люфта», где значения угловой скорости и угла дрейфа могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. То есть поведение судна при таких малых углах непредсказуемо и зачастую зависит от предыстории движения судна. Говорят, что такие суда теоретически неустойчивы на курсе.

Если же диаграмма управляемости не имеет «петли Гистерезиса», т.е. при , , то считают, что такое судно теоретически устойчиво на курсе.

Таким образом, диаграмма управляемости позволяет судить не только о поворотливости судна, но и о его устойчивости на курсе.

Эксплуатационная устойчивость - способность судна сохранять прямолинейное движение с помощью перекладок рулевых органов.

Принято считать, что судно обладает эксплуатационной устойчивостью, если для удержания на курсе приходиться перекладывать рулевые органы 4-6раз в минуту на угол не превышающий 3-5°.

Оценка устойчивости как теоретической, так и эксплуатационной может быть проведена в процессе движения судна. Для этого судно вводиться в циркуляцию при любом угле перекладки рулевого органа. После изменения первоначального угла курса на 10-15° рулевой орган возвращается в нулевое положение. Если после этого судно прекращает поворот и выходит на переложенный курс – судно обладает теоретической устойчивостью. Если же при  судно будет продолжать отклоняться от первоначального курса, то необходимо определить критический угол перекладки руля. Для этого перекладывают рулевой орган на противоположный борт на 1°. Если при этом направление вращения судна не измениться, необходимо дополнительно переложить рулевой орган еще на 1° и так до тех пор, пока судно не выйдет из циркуляции.

Для устойчивых на курсе судов критический угол должен находиться в пределах .

Испытания показывают, что толкаемые составы, как правило, теоретически устойчивы, а у одиночных судов возможны оба варианта.

А.Д. Гофманом предложена зависимость, устанавливающая линейную зависимость между числом необходимых перекладок рулевых органов за 1 мин. И безразмерной начальной угловой скоростью, которую получает судно после зарыска от прямолинейного курса:

(66)

Параметр предложен им в качестве критерия устойчивости на курсе. Если , то судно считается устойчивым на курсе.(   -начальная угловая скорость зарыска).

Инерционные характеристики.

 

При управлении судном на акватории портов, рейдов, в узкостях, при расхождении судов в море, а также в аварийных ситуациях воз­никает необходимость изменения скорости судна. Изменение скорости судна, обладающего большой массой, происходит главным образом под воздействием двух сил: силы упора (тяги) движителя и силы сопротивления воды. При этом масса судна при его ускорении (положительном или отрицательном) порождает силу инерции, всегда препятствующую изменению скорости движения.

Способность судна изменять скорость своего движения при изменении частоты и направления вращения движителей называется инерционными характеристиками.

Основными инерционными параметрами, определяющими различные маневры скоростью, являются: путь, проходимый судном вовремя маневра и время, необходимое ему для достижения заданной скорости.

Из всего многообразия обычно выделяют следующие основные виды маневров:

Разгон-процесс достижения судном установившейся скорости при заданном режиме работы движителей.

Выбег-процесс гашения поступательной скорости при остановленных движителях( ).

Торможение-процесс остановки судна при помощи перевода работы движителей в режим «полный ход назад».

Подтормаживание-процесс снижения скорости движения путем уменьшения частоты вращения движителей.

Движение судна в процессе изменения скороси описывается первым уравнением системы (22). При отсутствии ветра и прямом положении руля для случая прямолинейного движения.

,

(67)

где - масса судна с учетом присоединенных масс воды при движении по оси Х , т;

- сила сопротивления воды, кН;

-полезная тяга винтов, кН

Знак «-» перед силой сопротивления указывает, что эта сила всегда направлена против движения, знак «+» перед полезной тягой винта означает, что тяга направлена вперед, а знак «-» - назад.

Произведение массы на ускорение  представляет собой силу инерции. При торможении ускорение имеет отрицательный знак.

Инерционные характеристики определяют для каждого судна по специальной программе. Для типовых судов и составов изданы справочники инерционных характеристик, пользование которыми позволяет значительно повысить безопасность судовождения при маневрировании. Наибольшее значение для безопасности плавания имеют характеристики торможения судна. Характеристики выбега используют главным образом для буксируемых составов, характеристики разгона - при шлюзовании, отходе от причала и других маневрах.

Процесс торможения судна может быть разбит на три периода. Первый период - с момента подачи команды «Стоп» до прекращения подачи топлива в цилиндры двигателя. За этот период не наблюдается существенного уменьшения частоты вра­щения движителя. Второй период - с момента прекращения подачи топлива до полной остановки гребного винта. Продолжительность пассивного периода зависит от начальной скорости судна, реверсивных свойств двигателя и механика, выполняющего реверс. На теплоходах нельзя выполнить реверс сразу после команды, если судно шло полным ходом. Для надежного реверса нужно, чтобы обороты переднего хода после прекращения подачи топлива снизились до значения, при котором давление воздуха, подаваемого в цилиндры, было способно преодолеть момент вращения винта, вращающегося на передний ход, и изменить направление вращения двигателя, обеспечив его запуск на задний ход.

Попытки запустить двигатель при больших "оборотах" могут привести к тому, что запас воздуха израсходуется вхолостую и маневр не будет выполнен. Число оборотов, при котором следует начинать реверс, регламентируется инструкцией по эксплуатации главного двигателя.

По данным натурных испытаний, продолжительность первых двух периодов составляет 10-20с для толкачей без составов и с составами, движущимися со скоростью  км/ч; 20-35с, для грузовых теплоходов и пассажирских судов при  км/ч.. Продолжительность первых двух периодов экстренного торможения меньшая, чем 25с должна быть подтверждена заводом изготовителем двигателя. Трётий Период начинается с момента запуска двигателя на задний ход и продолжается до полной остановки судна.

На турбоходах реверс зависит от времени запуска турбины заднего хода и выполняется быстрее, чем на теплоходах. Однако, из-за небольшой мощности турбины заднего хода торможение у турбоходов в активный период менее интенсивно, чем у судов с ДВС. У судов с электроходов реверсивные свойства примерно такие же, как и судов с ДВС.

Наиболее быстрый реверс достигается на судах, оборудованных ВРШ, за счет поворота лопастей в положение упора заднего хода. При этом не происходит изменения направления вращения вала и снижения мощности двигателя. Приводы ВРШ на современных судах позволяют изменить направление упора винта за 7-10 секунд.

Активный период торможения продолжается с момента реверса до остановки судна. Торможение происходит за счет совместного действия сопротивления среды и тяги винта на заднем ходу, которая в процентах от тяги полного переднего хода составляет у теплоходов 75-80%, у турбоходов - 25-60%. В активный период под влиянием работающего винта судно не только теряет скорость, но и получает вращение вокруг центра тяжести и смещается от линии пути в сторону поворота. Боковое смещение особенно велико у крупнотоннажных судов. Так, супертанкеры могут уклоняться от первоначальной линии пути на 3-4 кабельтова, приобретая угловую скорость вращения 10-14 град/мин. При этом судно разворачивается по отношению к первоначальному курсу ,С на 100-120°.

На двухвинтовых судах при торможении бокового смещения не наблюдается.

Путь проходимый судном за первые два периода можно определить по формуле:

,

(68)

где

,

(69)

где -скорость перед началом маневра, м/с

Скорость судна ( ) в конце второго периода торможения можно определить по формуле

.

(70)

Путь проходимый судном в 3 периоде торможения:

,

(71)

где

;	(72)
;	(73)
,	(74)

здесь -коэффициент использования мощности -го двигателя при работе на задний ход: для реверсивных двигателей =0,85. При установке реверс - редуктора ( ) принимается равным отношению передаточных чисел реверс - редуктора на переднем заднем ходу;

-мощность, подведенная к -му движителю на переднем ходу, кВт;

-частота вращения -го винта на переднем ходу, ;

 шаг -го гребного винта, м.

Общий путь торможения .

Время торможения .

Поскольку на величину параметров торможения оказывает влияние начальная скорость судна перед маневром, то ее можно учитывать введением поправок:

	(75)
,	(76)

где

;	(77)
.	(78)

Параметры выбега можно определить по формулам

.

(79)

Для морских судов Российским Регистром установлен норматив:

.

Для судов внутреннего плавания:

.

(80)

В табл. 2 приведены тормозные пути для ряда речных и река-море судов. А в табл. 3 для морских одновинтовых судов дедвейтом 10000-40000 т., выраженные в длинах корпуса судов.

Таблица 2

Характеристика торможения некоторых серийных транспортных судов

Тип и номер проекта судна	Расчетная длина судна,м	Максимальная скорость относительно вода, км.ч	Торможение
			Длина пути торможения	Время,мин
«Владимир Ильич»,301	118	27,0	4,4	2,4
«Максим Горький», КУ-040	104,4	22,5	3,4	1,84
«Валериан Куйбышев», 92-016	126,45	26,0	3,9	2,3
«Родина»,588	90,00	22,0	5,0	2,3
«Волго-Дон»,1565	135,00	20,0	4,6	3,5
«Волгонефть»,1577	129,00	20,4	5,7	3,7
«Сормовский»,1557	110,40	19,3	5,1	3,25
«Волго-Балт»,791	110,15	20,6	5,3	3,5
«Балтийский»,781	92,00	21,3	5,7	2,66

                                                                                       Таблица 3

Тормозные пути одновинтовых морских судов

Начальный ход судна	ПХПэкс.	ПХПман.	СХП	МХП	СМХП
В грузу	11-13	7-9	5-6	3-4	2-2,5
В балласте	7-8	4-6	3-4	2-2,5	1-2

 

У некоторых судоводителей существует мнение, что у судов с сильно обросшим корпусом тормозной  путь уменьшается за счет дополнительного сопротивления воды. В действительности существенного сокращения тормозного пути у таких судов не наблюдается. Это объясняется возрастанием инерции за счет увеличения присоединенной массы.

Уменьшить тормозной путь на одновинтовом судне можно путем перекладки руля во втором периоде, когда судно тормозится силой сопротивления воды. Очевидно, что перекладывать руль следует с таким расчетом, чтобы к моменту начала работы винта на задний ход судно получило вращательное движение в сторону, противоположную его боковому смещению.

При испытаниях, проводимых на крупнотоннажных танкерах, наилучшие результаты получались, когда торможение осуществлялось в следующей последовательности: одновременно с командой «Полный назад» руль перекладывался лево на борт (у судов с правым вращением винта), после отворота судна от первоначального курса на 10—15° руль перекладывался на правый борт. Тормозной путь при этом сокращался до 35%, а боковое смещение - до 1 кб. На рис.34 приведены траектории движения теплохода «Маршал Жуков» при торможении с рулем, находящимся в диаметральной плоскости, и с перекладкой руля на борт

Следует, однако, учесть, что данный способ можно применить, если двигатель своевременно запустится на задний ход. В противном случае, судно уклонится далеко влево, что не всегда допустимо. Очевидно, что при затяжном реверсе следует либо одержать судно после его отворота на 10—15°, либо первую перекладку руля выполнить вправо, затем, как указано выше, влево и снова вправо.

                  кбт

Рис. 34. Траектория торможения т/х «Маршал Жуков» с рулем в положении «прямо» и с перекладкой руля.

 

Дополнительный тормозящий эффект можно получить за счет стравливания якорей в воду. Опыты, проведенные на т/х «Профессор Щеголев» водоизмещением 5800 т и т/б «Морис Торез» водоизмещением 62600 т, показали, что стравливание 1/2-1 смычек двух канатов может сократить тормозной путь на 30%. С увеличением количества вытравленных смычек сопротивление воды возрастает. Однако вытравливать более одной смычки не следует во избежание их запутывания.

 

Обводы и формы корпуса

Наиболее заметно сказывается на устойчивости и поворотливости судна отношение его длины к ширине L/B и ширины к осадке B/T. Широкие мелкосидящие судна с малым числом L/B и большим B/T, как правило, более поворотливы и менее устойчивы на курсе.

При увеличении отношения  T/L поворотливость судна ухудшается незначительно.

Увеличение отношения L/B приводит к росту сопротивления поперечному перемещению (росту поперечной гидродинамической силы R_У), что приводит к уменьшению угла дрейфа на циркуляции и, следовательно, к сохранению высокой линейной скорости, так как лобовое сопротивление при малых углах дрейфа возрастает незначительно. Кроме того, возрастает демпфирующее влияние гидродинамического момента M_R, что приводит к уменьшению угловой скорости w.

Таким образом, узкие длинные суда имеют хорошую устойчивость на курсе, но плохую поворотливость по сравнению с короткими и широкими, имеющими лучшую поворотливость и устойчивость на курсе.

Суда с плавными и острыми батоксами имеют лучшую поворотливость и недостаточную устойчивость на курсе.

Изменения коэффициента полноты мидель-шпангоута практически не отражается на поворотливости судна. Однако суда с прямостенными бортами имеют хорошую поворотливость. Это объясняется тем, что при движении с углом дрейфа сопротивление воды действует по нормали к борту и будет наибольшим.

Ширина судна сказывается на поворотливости в том случае, если у двухвинтовых судов упор движителей неодинаков. Чем больше ширина судна, тем больше разнос движителей относительно диаметральной плоскости, в результате чего разворачивающий момент, создающий зарыск в одну и ту же сторону, становится значительно больше.

Из теории управляемости известно, что чем больше момент инерции массы судна относительно вертикальной оси, проходящий через центр тяжести судна, тем судно более устойчиво курсе и хуже его поворотливость.

Если судно имеет более полные обводы носовой оконечности по сравнению с кормовой, то центр гидродинамического давления смещается в нос, что способствует уменьшению устойчивости на курсе и улучшению поворотливости.

Более полная корма и подрезанный нос смещают центр давления к корме и повышают устойчивость судна. Как правило, влияние формы носа ощущается только при значительном носовом подзоре (например у ледоколов), который смещает точку приложения боковой силы на корпусе к корме, что обуславливает возрастание диаметра циркуляции.

Несимметричность корпуса судна и его надстроек относительно диаметральной плоскости вызывает при движении однозначные силы, уклоняющие судно в определенном направлении , одновременно ухудшая в значительной мере устойчивость на курсе.

Некоторые особенности характеристики управляемости и устойчивости имеют катамараны (двухкорпусные суда). Опыт эксплуатации и модельные испытания показывают, что поворотливость катамаранов одинакова с поворотливостью однокорпусного судна и улучшается при уменьшении отношения  (длины к ширине) для одного корпуса. Устойчивость катамаранов на курсе повышается с увеличением отношения для одного корпуса. Устойчивость на курсе у катамаранов обычной конструкции лучше, чем у катамаранов со значительным подъемом киля.

 Управляемость катамаранов даже при сильном ветре вполне удовлетворительная.

 

 Загрузка, дифферент и крен судна.

 

На устойчивость грузового судна при движении большое влияние оказывает его загрузка. Управление судном значительно легче , когда оно загружено не полностью. Судно, вообще не имеющее груза, легче слушается руля, но так как винт судна находится близко от поверхности воды, оно обладает повышенной рыскливостью.

 При приемке груза, и следовательно, увеличение осадки судно становится менее чувствительным к взаимодействию ветра и волны и более устойчиво удерживается на курсе. От загрузки так же зависит положение корпуса относительно поверхности воды. (т.е. имеет судно крен или дифферент)

От распределения груза по длине судна относительно вертикальной оси зависит момент инерции массы судна. Если большая часть груза сосредоточена в кормовых трюмах, момент инерции становится большим и судно становится менее чувствительным к возмущающим воздействиям внешних сил, т.е. более устойчивым на курсе, но в то же время труднее приводится к курсу.

Улучшение поворотливости можно достичь сосредоточением наиболее тяжелых грузов в средней части корпуса, но при одновременном ухудшении устойчивости движения.

Размещение грузов, особенно тяжеловесов, наверху вызывает валкость и крен судна, что отрицательно влияет на устойчивость. В частности, отрицательное влияние на управляемость оказывает наличие воды под сланями трюма. Эта вода будет перемещаться от борта к борту даже при отклонении руля.

Дифферент судна ухудшает обтекаемость корпуса, снижает скорость и приводит к смещению точки приложения боковой гидродинамической силы на корпусе в нос или корму в зависимости от разности осадок. Влияние этого смещения аналогично изменению диаметральной плоскости за счет изменения площади носового подзора или кормового дейдвуда.

Дифферент на корму смещает в корму центр гидродинамического давления, повышает устойчивость движения на курсе и уменьшает поворотливость. Напротив, дифферент на нос, улучшая поворотливость, ухудшает устойчивость на курсе.

При дифферентах эффективность действия рулей может ухудшиться или улучшиться. При дифференте на корму центр тяжести смещается к корме (рис. 36,а), плечо поворачивающего момента руля   и сам момент  уменьшаются, поворотливость ухудшается, а устойчивость движения увеличивается. При дифференте на нос, наоборот, при равенстве «рулевых сил»  и , плечо  и момент  увеличиваются, поэтому поворотливость улучшается, но устойчивость на курсе становится хуже (рис. 36, б).

При дифференте на нос у судна улучшается поворотливость, повышается устойчивость движения на встречной волне, и наоборот, появляются сильные раскаты кормы на попутной волне. Кроме этого, при дифференте на нос судна появляется стремление к выходу на ветер на переднем ходу и прекращение уваливания носа под ветер на заднем ходу.

При дифференте на корму судно становится менее поворотливо. На переднем ходу судно устойчиво на курсе, но при встречном волнении легко укланяется с курса.

При сильном дифференте на корму у судна появляется стремление к уваливанию носом под ветер. На заднем ходу судно управляется с трудом, оно постоянно стремится привестись кормой к ветру, особенно при боковом его направлении.

При небольшом дифференте на корму повышается эффективность действия движителей и у большинства судов повышается скорость хода. Однако дальнейшее увеличение дифферента приводит к уменьшению скорости. Дифферент на нос из-за увеличения сопротивления воды движению, как правило, приводит к потере скорости переднего хода.

В практике судовождения дифферент на корму иногда специально создают при буксировках, при плавании во льдах, для уменьшения возможности повреждения винтов и рулей, для повышения устойчивости при движении по направлению волн и ветра и в других случаях.

Иногда судно совершает рейс, имея некоторый крен на какой-либо борт. Крен могут вызывать следующие причины: неправильное расположение грузов, неравномерное расходование топлива и воды, конструктивные недостатки, боковое давление ветра, скопление пассажиров на одном борту и др.

 

 

     Рис.36 Влияние дифферента                       Рис. 37 Влияние крена

 

Крен оказывает различное влияние на устойчивость одновинтового и двухвинтового судна. При крене одновинтовое судно не идет прямо, а стремится уклонится с курса в сторону, противоположную крену. Это объясняется особенностями распределения сил сопротивления воды движению судна.

При движении одновинтового судна без крена на скулы обоих бортов будут оказывать сопротивление две силы  и , равные друг другу по величине и направлению (рис. 37, а). Если разложить эти силы на составляющие , то силы  и  будут направлены перпендикулярно бортам скул и они будут равны друг другу. Следовательно судно будет идти ровно по курсу.

При крене судна на площадь «л» погруженной поверхности скулы накрененного борта больше площади «п» скулы приподнятого борта. Следовательно, большее сопротивление встречной воды будет испытывать скула накрененного борта и меньшее – скула приподнятого борта (рис. 37,б)

Во втором случае силы сопротивления воды  и , приложенные к одной и другой скуле, параллельны друг другу, но разные по величине (рис 37,б). При разложении этих сил по правилу параллелограмма на составляющие (так чтоб одна из них была параллельна, а другая перпендикулярна борту), убедимся, что составляющая перпендикулярная борту , больше соответствующей составляющей противоположного борта.

В результате этого можно сделать вывод о том, что нос одновинтового судна при крене уклоняется в сторону приподнятого борта (противоположную крену), т.е. в сторону наименьшего сопротивления воды. Поэтому, чтобы удержать одновинтовое судно на курсе, приходится руль перекладывать в сторону крена. Если на накрененном одновинтовом судне руль будет в положении «прямо», судно совершит циркуляцию в сторону, противоположную крену. Следовательно, при совершении оборотов диаметр циркуляции в сторону крена увеличивается, в противоположную сторону - уменьшается.

У двухвинтовых судов уклонение от курса вызывается совместным воздействием неодинакового лобового сопротивления воды движению корпуса со стороны бортов судна, а так же различной величиной воздействия разворачивающих усилий левой и правой машин при одном числе оборотов.

У судна без крена точка приложения сил сопротивления воды движению  находится в диаметральной плоскости, поэтому сопротивление с обоих бортов оказывает равное воздействие на судно (см. рис. 37,а). Кроме того, у судна не имеющего крена, разворачивающие моменты относительно центра тяжести судна, создаваемые упором винтов  и , практически одинаковы, так как плечи упоров равны, а поэтому .

Если, например, у судна имеется постоянный крен на левый борт, то углубление правого винта уменьшится и увеличится углубление винтов на правом борту . Центр сопротивления воды движению сместится в сторону накрененного борта и займет положение (см. рис. 37,б) на вертикальной плоскости относительно которой будут действовать упоры движителей с неравными плечами приложения. т.е. тогда  < .

Несмотря на то, что правый винт из-за меньшего заглубления будет работать менее эффективно по сравнению с левым, однако с увеличением плеча общий разворачивающий момент от правой машины станет значительно больше чем от левой , т.е. тогда < .

Под воздействием большего момента  от правой машины судно будет стремиться уклониться в сторону левого, т.е. накрененного борта. С другой стороны, увеличение сопротивления воды движению судна со стороны скул предопределит стремление уклонить судно в сторону повышенного, т.е. правого борта.

Эти моменты по величине соизмеримы между собой. Практика показывает, что каждый тип судна в зависимости от различных факторов при крене уклоняется в определенную сторону. Кроме того, установлено, что величины уклоняющих моментов весьма малы и их легко компенсировать перекладкой руля на 2-3° в сторону борта, противоположного стороне уклонения.

 

Коэффициент полноты водоизмещения. Его увеличение приводит к уменьшению силы  и уменьшению демпфирующего момента , а следовательно, к улучшению устойчивости на курсе.

Форма кормы. Форма кормы характеризуется площадью кормового подзора (подреза) кормы  (т.е. площадью дополняющей корму до прямоугольника)

 

 

 

Рис.38. К определению площади кормового подреза:

         а) корма с подвесным или полуподвесным рулем;

         б)корма с рулем расположенным за рудерпостом

 

Площадь  ограничивается кормовым перпендикуляром, линией киля (базовой линией) и контуром кормы (на рис. 38 заштрихована). В качестве критерия подреза кормы можно использовать коэффициент :

где  - средняя осадка, м.

Параметр  является коэффициентом полноты площади ДП.

Конструктивное увеличение площади подреза кормовой оконечности в 2,5 раза может уменьшить диаметр циркуляции в 2 раза. Однако при этом резко ухудшится устойчивость на курсе.

Площадь руля . Увеличение увеличивает поперечную силу руля , но в то же время возрастает и демпфирующее действие руля. Практически получается, что увеличение площади руля приводит к улучшению поворотливости лишь при больших углах перекладки.

Относительное удлинение руля . Увеличение  при неизменной его площади  приводит к возрастанию поперечной силы руля, что приводит к некоторому улучшению поворотливости.

Расположение руля. Если руль расположен в винтовой струе, то скорость натекания воды на руль возрастает за счет дополнительной скорости потока, вызванной винтом , что обеспечивает значительное улучшение поворотливости. Этот эффект особенно проявляется на одновинтовых судах в режиме разгона, а по мере приближения скорости к установившемуся значению уменьшается.

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

Влияние скорости судна на его управляемость появляется неоднозначно. Гидродинамические силы и моменты на руле и корпусе судна пропорциональны квадрату скорости набегающего потока, поэтому при движении судна с установившейся скоростью независимо от её абсолютного значения, соотношения между указанными силами и моментами остаются постоянными. Следовательно, на разных установившихся скоростях траектории (при одинаковых углах перекладки руля) сохраняют свою форму и размеры. Это обстоятельство неоднократно подтверждалось натурными испытаниями. Продольный размер циркуляции (выдвиг) существенно зависят от начальной скорости движения ( при маневрировании с малого хода выбег на 30% меньше выбега с полного хода). Поэтому, чтобы совершить оборот на ограниченной акватории при отсутствии ветра и течения, целесообразно перед началом маневра сбавить ход и выполнить оборот на пониженной скорости. Чем меньше акватория ,на которой совершается циркуляция судна, тем меньше должна быть первоначальная скорость его хода. Но если в процессе маневра изменить частоту вращения винта, то изменится скорость потока , набегающего на руль, расположенный за винтом. При этом момент, создаваемый рулем. Изменится сразу же, а гидродинамический момент на корпусе судна будет изменяться медленно по мере изменения скорости самого судна, поэтому прежнее соотношение между этими моментами временно нарушится, что приведет к изменению кривизны траектории. При увеличении частоты вращения винта кривизна траектории увеличивается (радиус кривизны уменьшается), и наоборот. Когда скорость судна придет в соответствие с носовой частотой вращения винта, кривизна траектории снова станет равной первоначальному значению.

Все сказанное выше справедливо для случая штилевой погоды. Если же судно подвергается воздействию ветра определенной силы, то в этом случае управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем больше влияние ветра на управляемость.

Когда по какой-либо причине нет возможности допустить увеличение скорости, но необходимо уменьшить угловую скорость поворота, лучше быстро уменьшить частоту вращения движителей. Это эффективнее, чем перекладка рулевого органа на противоположный борт.

 

Введение

Изучение курса «Основы управления судном» преследует следующие цели:

- дать будущему судоводителю четкую физическую картину о сложных явлениях, возникающих при маневрировании судна в различных условиях плавания;

- дать представление об основных общепринятых практических методах определения усилий, действующих на судно и параметров его движения;

- дать рекомендации по использованию результатов теоретических исследований при практической эксплуатации судна.

Каждая новая публикация, связанная с вопросами управления судном, вызывает интерес у судоводителей.

Однако, зачастую, бегло просмотрев ту или иную брошюру, они возвращают её на полку. И дело не в том, что судоводители находят её неинтересной, а в том, что многие издания перенасыщены теоретическими выкладками и подходят больше для инженеров исследователей, для использования в компьютерных расчетах при проектировании судов и для создания различных компьютерных программ на судоводительских тренажерах. Для студентов, впервые открывающих такую книгу по одной из основных дисциплин будущей специальности, она представляется не в меру сложной и запутанной.

А где много неясного, там появляется неуверенность и, как следствие, падение интереса к излагаемому материалу.

В судовых же условиях у капитана и его помощников возможности по производству каких-либо теоретических расчетов ограничены общей организацией службы, чрезмерной занятостью. Судоводители часто отмечают, что управление судном, особенно в стесненных условиях плавания, является скорее формой искусства, чем наукой. Нередко оно основывается на интуиции, когда требуется определение динамического баланса между силами, действующими на судно для сохранения контроля над его движением. С другой стороны, именно научные теоретические и экспериментальные исследования позволяют заранее определить параметры движения и критерии обеспечивающие эффективность того или иного маневра в конкретных условиях плавания.

В связи с этим материал, изложенный в данном пособии, в достаточно упрощенной форме содержит основы теории управляемости.

При этом, автором сделана попытка максимально возможного разъяснения, в каком виде получаемые теоретические результаты могут быть использованы на ходовом мостике при управлении судном.          

1.      Основные понятия и определения.

Судно как управляемая система.

 

       На судно всегда оказывает влияние ряд факторов, которые при суммарном воздействии и определяют его способности маневрирования. Условно их можно разделить на три группы.

    К первой относятся средства, полностью подчиненные контролю судоводителя:

    - режим работы двигателей и соответственно частота вращения гребных винтов;

    - рулевые органы ( в т.ч. подруливающие устройства);

    - якорное устройство;

    - швартовное устройство;

    - вспомогательные суда.

    К второй относятся факторы, которыми судоводитель может управлять только косвенно путем изменения режима работы двигателей: силы инерции, влияние мелководья, гидродинамические силы присасывания и отталкивания с другими судами и берегом.

    К третьей группе можно отнести силы, которые не поддаются контролю судоводителя: воздействие ветра, течения, волнения.

    От того, насколько полно и правильно судоводитель может оценить и учесть в совокупности влияние всех отмеченных факторов, во многом зависит успех выполнения того или иного маневра.

    В настоящее время в дисциплине «Управление судном» сложились следующие основные понятия, которые определяют маневренные характеристики судов.

    Ходкость – способность судна осуществлять движение с заданной скоростью.

    Управляемость – способность судна к безопасному и эффективному маневрированию в различных эксплуатационных условиях. Под маневрированием следует понимать преднамеренное изменение каких-либо параметров движения судна.

    Классическое определение управляемости судна включает в себя две основные характеристики:

    - устойчивость на прямом курсе (т.е. способность сохранять заданный судоводителем курс);

    - поворотливость (способность изменять курс по заданной судоводителем траектории дв

ижения).

    Из приведенных определений видно, что устойчивость на курсе и поворотливость являются противоположными качествами. Т.е. при улучшении устойчивости поворотливость ухудшается, и наоборот.

    Таким образом, можно считать, что судно обладает управляемостью, если судоводитель знает, как оно поведет себя после тех или иных его действий.

    При этом целью управления судном является поддержание и измерение каких-либо величин, определяющих характер его движения (например, безопасный курс и скорость). В этом смысле судно является управляемой системой. Все эти величины по виду воздействия на судно можно разделить на 2 группы: входные и выходные.

    Под входными понимают такие, изменение которых ведет к изменению параметров движения судна. В распоряжении судоводителя в ходовой рубке таких входных (управляющих) величин только две:

    - изменение частоты вращения движителей;

    - изменение положения рулевого органа (а при наличии на судне и включение в работу дополнительных средств управления, таких, как подруливающее устройство, опускающиеся рули и т.п.).

    Под выходными величинами понимают наблюдаемые параметры управляемого движения судна:

    - линейная скорость;

    - угловая скорость;

    - угол курса;

    - угол скорости; угол дрейфа;

    - кривизна траектории движения и др.

    Именно значения выходных параметров и определяют управляемость судна. Считается, что управляемость обеспечивается, если тот или иной выходной параметр поддерживается или изменяется в желательном направлении (например, выбранный судоводителем курс судна) Маневренность судна определяется скоростью изменения его выходных управляемых параметров.

    Из вышеприведенного следует, что управляемость характеризует преднамеренное сохранение или изменение выходного (управляемого) параметра в нужном направлении без учета скорости этого изменения, т.е. принципиальную возможность совершения какого-то заданного маневра.

    Тогда под маневренностью следует понимать возможность обеспечения заданной судоводителем скоротечности выполнения маневра.

    Очевидно, что потеря маневренности приводит и к потере управляемости, т.к. выполнение любого маневра невозможно с нулевой скоростью.

    Как и любая другая управляемая по выходным параметрам система, судно состоит из:

    - объекта управления (корпус судна, движители);

    - средства управления (движительно-рулевые органы и другие технические средства с помощью которых к судну прикладываются различные усилия);

    - управляющее устройство (подсистема, осуществляющая управление: авторулевой, судоводитель).

    Принципиальная блок-схема судна, как управляемой системы может быть представлена в следующем виде (рис.1).

 

        

                        Рис. 1 Блок-схема судна, как управляемой системы

        

  Другими словами, при ручном управлении, когда рулевой удерживает судно на заданном курсе по компасу, чувствительным элементом является картушка компаса и глаза рулевого, преобразующим элементом – его мозг, исполнительным – руки рулевого, средством управления – рулевое устройство, которым манипулирует рулевой, объектом управления – корпус судна.

    Такое представление судна в виде управляемой системы позволяет от общих понятий перейти непосредственно к процессу управления судном.