ПРАКТИКА УПРАВЛЕНИЯ МОРСКИМ ТРАНСПОРТНЫМ СУДНОМ

1. Ходовые и тормозные качества судов

2. Управляемость

1.1. Составляющие сопротивления движению судна на спокойной воде. 1.2. Полное сопротивление воды движению судна 1.3. Дополнительное сопротивление движению судна 1.4. Мощность силовой установки. Тяга винта 1.5. Ходовые характеристики винтовых судов 1.6. Тормозные характеристики судов 1.7. Торможение с помощью винта 1.8. Сокращение тормозного пути

2.1. Понятие управляемости. Силы и моменты, действующие на судно при перекладке руля 2.2. Особенности движения судна во время циркуляции 2.3. Элементы циркуляции транспортных судов 2.4. Влияние на управляемость совместной работы винта и руля 2.5. Особенности управляемости судов, оборудованных ВРШ и подруливающими устройствами 2.6. Особенности управляемости многовинтовых судов 2.7.Влияние ветра на управляемость судна 2;8. Потеря управляемости при ветре 2.9.Разворот одновинтового судна при ветре

3. Управление судами на стесненных фарватерах, в узкостях, каналах и на реках

3.1. Явления, сопровождающие движение судна на мелководье 3.2. Гидромеханическое взаимодействие между судами во время расхождения вблизи друг друга 3.3. Особенности управления судами в каналах 3.4. Обеспечение безопасности плавания в узкостях 3.5. Особенности управления судами при плавании на реках 3.6. Проводка судов под мостками

4. Стоянка судов на якорях и бочках

4.1. Держащая сила якорей 4.2. Общие требования к постановке судна на якорь 4.3. Способы постановки на якорь 4.4. Съемка с якоря 4.5. Постановка судов на бочки

5. Швартовные операции

5.1. Безаварийный контакт судна с причалом в процессе швартовных операций 5.2. Швартовка одновинтовых судов малого и среднего тоннажа 5.3. Отход судна от причала 5.4. Использование буксиров при швартовных операциях 5.5. Особенности использования подруливающих устройств при швартовных операциях 5.6. Обеспечение безопасности стоянки судов у причалов 5.4. Швартовка судов в море 6.1. Основные сведения о волнах 6.2. Факторы, воздействующие на судно во время шторма 6.3. Опрокидывание судов на попутном волнении 6.4. Слеминг 65. Качка судов 6.6. Влияние на качку курса и скорости судна 6.7. Повороты в условиях шторма

6. Обеспечение безопасности плавания в штормовых условиях

7. Буксировка судов

7.1. Требования к буксирной линии 7.2. Диаграмма буксировки. Расчет прочности буксирной линии 7.3. Расчет длины стальной буксирной линии 7.4. Расчет длины буксирной линии из синтетического каната 7.5. Аварийная буксировка 7.6. Крепление буксирного каната 7.7. Управление судами во время буксировки

8. Снятие судов с мели

8.1. Характер сил, действующих на судно, находящееся на мели 8.2. Первоочередные меры при посадке судна на мель 8.3. Снятие судна с мели собственными силами, средствами 8.4. Снятие судна с мели с помощью другого транспортного судна

9. Обеспечение безопасности плавания судов во льдах

9.1. Организация вахтенной службы и наблюдения за корпусом судна при плавании во льдах 9.2. Управление судном в одиночном плавании 9.3. Меры предосторожности при плавании вблизи берегов и в условиях ограниченной видимости 9.4. Плавание в составе каравана 9.5. Выбор скорости движения и дистанции между судами в караване 9.6. Управление судном при плавании в канале за ледоколом в припайных, дрейфующих, сплоченных и разреженных льдах 9.7. Подготовка к буксировке и управление судном при буксировке ледоколом 9.8. Управление судном при околках ледоколом 9.9. Плавание в караване при ограниченной видимости

1. Ходовые и тормозные качества судов

1.1. Составляющие сопротивления движению судна на спокойной воде

Равномерное прямолинейное движение судна характеризуется равенством тяги винта силам сопротивления воды. Вода обладает свойствами вязкости и весомости, которые обусловливают два вида сопротивлений: вязкостное и волновое. Как показывают исследования, вязкостное сопротивление имеет две составляющие: трения и формы. Соотношение всех составляющих полного сопротивления для транспортных судов с различными коэффициентами полноты водоизмещения при плавании на глубокой воде показано на рис. 1.1. Из диаграммы, помещенной на рисунке, видно, что составляющие вязкостного сопротивления являются преобладающими. На вязкостное сопротивление преимущественное влияние оказывают площадь и шероховатость смоченной поверхности корпуса, а сопротивление формы зависит еще и от обводов судна. По мере обрастания корпуса вязкостное сопротивление возрастает, увеличиваясь в 1,5—2 раза. Характер и интенсивность обрастания зависят от района плавания и времени года. Особенно интенсивно оно происходит во время стоянки судов в портах тропической зоны. Потеря скорости от обрастания в междоковый период может составлять 20—30%. Волновое сопротивление связано по своей природе с Рис. 1.1. Соотношения между образованием корабельных волн, возникающих в силу составляющими сопротивления для взаимодействия корпуса движущегося судна с окружающей его транспортных судов водой. Корабельные волны состоят из двух систем волн: у форштевня развивается носовая система волн, у ахтерштевня — кормовая. Каждая из них состоит из расходящихся и поперечных волн (рис. 1.2). Расходящиеся волны имеют короткий фронт и располагаются уступом. Если соединить середины гребней волн прямой линией, то она составит с диаметральной плоскостью судна угол α=18÷20°, а направление самих гребней волн — угол β = 2α . Кормовые расходящиеся волны меньше носовых и едва заметны. Поперечные волны располагаются фронтом поперек судна и не выходят за пределы расходящихся волн. Высота поперечных волн убывает от носа к корме. Носовая волна начинается гребнем, расположенным сразу за форштевнем. Первая кормовая волна всегда начинается впадиной, захватывающей кормовую оконечность. Поэтому в носовой части судна давление будет больше, чем в кормовой. За счет разницы этих давлений образуется волновое сопротивление, на величину которого оказывает влияние интерференция поперечных корабельных волн, заключающаяся в том, что носовые волны, достигнув кормовых, накладываются на них. Этот процесс зависит от скорости и длины судна. При неблагоприятной интерференции подошва носовой волны накладывается на подошву первой кормовой волны, в результате чего амплитуда суммарной волны увеличивается, а ее рельеф становится более крутым. Понижение давления в кормовой части при этом приводит к Рис. 1.2. Схема волнообразования: увеличению волнового сопротивления. / — носовые расходящиеся волны; 2 — кормовые расходящиеся Снижение волнового сопротивления волны; 3 — носовые поперечные волны; 4 — кормовые поперечные волны происходит за счет придания корпусу надлежащих обводов и соотношений главных размерений судна, соответствующих минимуму волнового сопротивления, и применения устройств для уменьшения корабельных волн, так называемых интерферирующих устройств, способствующих образованию дополнительных волн, которые, взаимодействуя с системой волн судна, уменьшают их. На транспортных судах в качестве интерферирующих устройств используются бульбы.

1.2. Полное сопротивление воды движению судна Полное сопротивление воды движению судна является характеристикой корпуса, на основе которой производится расчет движителей и силовой установки. При проектировании судов полное сопротивление определяют с помощью эксперимента на моделях с пересчетом результатов испытаний на натуру. Для решения практических задач, например при расчетах, связанных с буксировкой, сопротивление воды принимают пропорциональным квадрату скорости судна: R = Kкv2 (1.1) где коэффициент пропорциональности Кк является гидродинамическим коэффициентом сопротивления, зависящим от осадки судна и степени обрастания корпуса. Гидродинамический коэффициент судна при данном его состоянии не сохра н яетс я постоянны м с уменьшением скорости он несколько возрастает. В качестве примера зависимости сил сопротивления воды от скорости для судов различного водоизмещения приведены на рис. 1.3. 1.3. Дополнительное сопротивление движению судна При плавании в ветреную погоду суда испытывают дополнительное сопротивление от воздействия ветра и волн. Воздушное или аэродинамическое сопротивление — это проекция равнодействующей сил давления ветра, воздействующих на диаметральную пл ос кость судна (рис. 1.4). Равнодействующая сил давления ветра в общем случае не совпадает с Рис. 1.3. Сопротивление корпуса на направлением кажущегося ветра. Поперечная спокойной воде: 1, (1’) _ нефтерудовоз «Маршал Жуков» составляющая силы давления вызывает дрейф водоизмещением 127207 т, в грузу (в балласте); 2, судна и является косвенной причиной (2') — танкер «Лисичанск» водоизмещением 45800 т, в грузу (в балласте); 3 — сухогруз «Ленинский увеличения сопротивления движению из-за комсомол» водоизмещением 22 230 т, в грузу; 4 — лесовоз «Волголес» водоизмещением 9550 т, в необходимости дополнительной перекладки руля грузу для удержания судна на заданном курсе. Наибольшего значения воздушное сопротивление достигает при курсовых угл а х ветра 30—40°, при этом оно на 30—40% больше лобового сопротивления. При попутном ветре скорость судна должна увеличиться. Однако в действительности в штормовую погоду из-за дрейфа судна, рыскания и увеличения волнения этого не происходит. Приблизительную величину воздушного сопротивления Ry при ветре, дующем впереди траверза, рассчитывают по формуле (тс)

Rп = 5 ⋅ 10 −5 S (v + w)

2

(1.2)

где S— площадь проекции надводной части судна на плоскость мидель-шпангоута, м2; скорость судна, м/с; v— w— скорость ветра, м/с. Сопротивление движению от волнения возрастает вследствие качки судна и ударов волн в корпус. Наибольшее влияние на такое сопротивление оказывает килевая качка (причем максимум сопротивления наблюдается в резонансной области), а также длина судна. Максимальное влияние волнения наблюдается при

Рис. 1.4. Распределение сил давления ветра

отношениях λ L , равных примерно 0,8—1,2. В судовождении дополнительное сопротивление от

волнения Rволн, так же как и воздушное сопротивление, приходится учитывать при буксировках, для чего можно воспользоваться формулой

Rволн = hб ⋅ 1,45 ⋅ 10 −6 L(1,7T + δ ⋅ B )v 2 ,

где hб — волнение, баллы; L —длина судна, м; T- осадка судна, м; В — ширина судна, м; δ —коэффициент полноты водоизмещения; скорость судна, уз. v—

(1.3)

1.4. Мощность силовой установки. Тяга винта Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему надо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление воды. Мощность, необходимая для преодоления силы сопротивления, равняется работе этой силы в единицу времени, т. е. EPS=Rv где R — сила сопротивления; v — скорость судна. Данная формула определяет полезную мощность. Силу R можно измерить динамометром при буксировке судна со снятым винтом. Поэтому полезную мощность называют еще буксировочной. Однако сила сопротивления преодолевается тягой винта, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно. Работающий винт вступает в гидромеханическое взаимодействие с корпусом судна, что приводит к потере энергии, т. е. работающий винт увеличивает скорость обтекания кормовой оконечности, вызывая понижение давления. Это приводит к появлению дополнительной силы — силы засасывания, действующей в сторону, противоположную перемещению судна. Действие силы засасывания равносильно увеличению сопротивления судна. Следовательно, мощность, затрачиваемая на вращение винта (потребляемая мощность), должна быть больше полезной мощности. Отношение полезной мощности к потребляемой называют пропульсивным коэффициентом комплекса корпус—движитель: Rv η= Mw где М — момент сопротивления вращению винта; w— частота вращения- винта. Пропульсивный коэффициент η характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения. Мощность на валу двигателя называют эффективной мощностью Ne. В отличие от потребляемой эффективная мощность включает потери энергии в валопроводе и редукторе, учитываемые КПД ηв, ηр , т . е . Rv Ne =

ηη вη р

Данную формулу можно использовать для ориентировочной оценки тяги винта Рп.х в режиме полного эксплуатационного хода. Действител ьн о, приняв среднее значение η =0,75, а η η =0,95, получим (тс): Ne (1.4) Pп. х = 0,076 v Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме. У транспортных судов она примерно на 10% больше тяги винта в режиме полного хода. Следовательно, тягу винта Рш в швартовном режиме можно вычислить по формуле Ne Ne (1.5) Pш = = 0,084 v 9v

1.5. Ходовые характеристики винтовых судов Комплекс корпус судна—двигатель— движитель проектируется с учетом определенных, свойственных для данного типа судов условий эксплуатации, т. е. назначения судна, состояния его нагрузки, волнения, ветра и т. п. В действительности эти условия могут отличаться от предусмотренных проектом, в связи с чем будет изменяться соотношение между мощностью двигателя, тягой винта и скоростью судна. Например, при плавании во льду максимальная мощность развивается при значительном снижении оборотов, тяга винта возрастает, а Рис. 1.5. Паспортная диаграмма тяги скорость продвижения судна уменьшается. транспортного судна Указанные изменения учитываются с помощью ходовых (для буксирных судов — тяговых) характеристик судна. Ходовые характеристики можно представить в виде графиков, посредством которых определяются скорость судна, тяга винта, мощность и частота вращения вала двигателя в зависимости от условий эксплуатация судна и режима работы силовой установки. Практический интерес для судоводителей представляет часть ходовых характеристик, так называемая паспортная диаграмма тяги (рис. 1.5), на которую нанесены следующие кривые: полезной тяги винта Р(п), каждая при постоянной частоте вращения вала ni-nmax (винтовые характеристики); сопротивления среды R при различных осадках и различных состояниях поверхности корпуса (потребные тяги); полезной тяги Pм при постоянном значении вращающего момента, допускаемого особенностями конструкции двигателя и прочностью валопровода (кривые располагаемой тяги). Точка а пересечения кривых расчетного сопротивления Rрас располагаемой тяги Pм и винтовой характеристики R(П) определяет расчетную скорость vрас при расчетной мощности двигателя. Если сопротивление судна увеличится (например, из-за обрастания), кривая Rрас сместится в положение R'. Точка ее пересечения с кривой располагаемой тяги b укажет на необходимость снижения оборотов, и скорость судна упадет до значения v’. Паспортная диаграмма тяги содержит все сведения о ходовых качествах судна. Ее можно использовать для построения диаграммы буксировки. Точка пересечения кривой располагаемой тяги с осью ординат дает значение тяги винта в швартовном режиме, который используется при расчетах по снятию судна с мели. 1.6. Тормозные характеристики судов Равенство сил сопротивления среды и тяги движителей определяет равномерное поступательное движение судна. При изменении частоты вращения двигателя 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 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, на что также потребуется более длительная работа силовой установки. Такое взаимодействие частиц воды с корпусом аналогично увеличению массы судна. Эту добавочную массу называют присоединенной массой. На глубокой воде и при чистом корпусе присоединенная масса у транспортных судов составляет примерно в грузу 4%, в балласте

— 3%. Инерционные свойства судов учитываются с помощью инерционных характеристик, представляющих закономерности изменения скорости и пути во времени при разгоне и остановке судна. Протяженность и крутизна кривых v(t), S(t), помимо массы, зависят еще от начальной скорости, состояния корпуса, мощности и реверсивных качеств комплекса корпус—движитель. Безопасное маневрирование судов связано прежде всего с их тормозными характеристиками. Торможение может быть пассивным и активным. При пассивном торможении остановка судна происходит за счет сопротивления среды, при активном судно Рис. 1.6. Тормозные характеристики теплохода дополнительно тормозится paботой винта на «Академик Сергей Королев» задний ход. Путь, проходимый судном при пассивном торможении, называют выбегом, а при активном торможении — тормозным путем. На рис. 1.6 в качестве примера приведены тормозные характеристики теплохода «Академик Сергей Королев», имевшего во время испытаний водоизмещение 17 800 т, 1.7. Торможение с помощью винта Торможение судна с помощью винта, работающего -на задний ход, состоит из трех периодов: предварительного, пассивного и активного. Предварительный период начинается с момента подачи команды по машинному телеграфу и заканчивается в момент прекращения подачи топлива на двигатель, пара на турбину или изменения магнитного потока генератора в гребной электрической установке. Время предварительного периода — около 5 с. На судах, оборудованных ДАУ и ВРШ, длительность предварительного периода определяется программой, по которой работают эти устройства. Пассивный период начинается с момента начала падения оборотов и продолжается до начала вращения винта на задний ход. В течение этого периода винт работает сначала в режиме, близком к поступи нулевого упора, а затем в турбинном режиме и существенного влияния на движение судна не оказывает. Скорость судна в основном уменьшается за счет сопротивления корпуса. Продолжительность пассивного периода зависит от исходной 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 некоторого значения, при котором давление воздуха, подаваемого в цилиндры, было способно преодолеть момент винта, вращающегося на передний ход, и изменить направления вращения двигателя, обеспечив его запуск на задний ход. Число оборотов, при котором надлежит выполнить реверс, регламентируется инструкцией по эксплуатации главного двигателя. Для двигателей «Бурмейстер и Вайн» надежный реверс осуществляется при снижении оборотов до значения, составляющего примерно 25% от оборотов полного хода. Для двигателей типа «Зульцер» это значение равно примерно 35%. Запуск двигателя на задний ход можно осуществить и на больших оборотах. Но для этого механик, выполняющий реверс, должен обладать достаточным опытом, В противном случае запас воздуха израсходуется вхолостую и маневр не будет выполнен. Как показывает практика, максимальная скорость теплохода, при которой можно уверенно выполнить реверс, составляет 10— 11 уз. На турбоходах реверс зависит от времени запуска турбины заднего хода и выполняется быстрее, чем на теплоходах. Однако, так как мощность турбины заднего хода по сравнению с ДВС невелика, торможение у турбоходов в активный период менее интенсивно. Наиболее быстрый реверс достигается на судах, оборудованных ВРШ.

Активный период торможения продолжается с момента реверса до остановки судна. Торможение происходит за счет совместного действия сопротивления воды и тяги винта на заднем ходу, которая от тяги полного переднего хода составляет: у теплоходов 75—80%, у турбоходов 25—60%. В активный период движение судна по характеру близко к равнозамедленному. Судно не только теряет скорость, но и приобретает вращательное движение вокруг центра тяжести и смещается от линии пути в сторону поворота. Боковое смещение особенно велико у крупнотоннажных судов. Как показали испытания, супертанкеры с винтом правого вращения к концу торможения смещаются от первоначального пути на 3—4 кб вправо и приобретают угловую скорость вращения 10—14 град/м. При этом судно успевает развернуться по отношению к первоначальному курсу на 100—120°. При условии нормального реверса тормозные пути одновинтовых судов дедвейтом 10000— 40000 т, выраженные в длинах корпуса между перпендикулярами, составляют величины, иллюстрируемые табл. 1.1.

Тормозные пути одновинтовых судов

Таблица 1.1

ННачаль ный ход судна В грузу В балласте

пхпэкс

11—13 7—8

ПХПман 7—9

СХП 5-6 3-4

МХП 3-4 2-2,5

СМХП

4-6

2-2,5 1-2

Тормозные пути двухвинтовых судов меньше указанных в таблице. У крупнотоннажных танкеров и нефтерудовозов тормозной путь достигает величины, равной 14—15 длинам корпуса. У многих судоводителей существует мнение, что у судов с сильно обросшим корпусом тормозные пути уменьшаются за счет сопротивления воды. В действительности существенного сокращения тормозных путей у таких судов не наблюдается. Это объясняется тем, что по мере обрастания корпуса увеличиваются присоединенные массы и возрастает сила инерции. 1.8. Сокращение тормозного пути Эффективность торможения конкретного судна с ДВС зависит в основном от продолжительности второго периода, когда оно тормозится силой сопротивления воды. Увеличить эту силу можно перекладкой руля. 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 отмечались, 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 перекладывали на правый борт. При таком маневре тормозной путь сокращался на 35% и более, а боковое смещение — до 1 кб. На рис. 1.7, 1.8 приведены траектории и тормозные характеристики v(t) теплохода «Маршал Жуков» при торможении с рулем, находящимся в диаметральной плоскости, и с перекладкой руля на борт. Естественно, что данный способ торможения может применяться только в том случае, если к

Рис. 1.7. Траектория торможения теплохода «Маршал Жуков» с рулем в положении «прямо» и с перекладкой руля

моменту первоначального отворота на 10—15° влево двигатель успеет запуститься на задний ход. При затяжном реверсе, например при экстренном торможении теплохода с полного эксплуатационного хода, судно приобретает слишком большую угловую скорость вращения влево и развернется по отношению к первоначальному курсу на существенно больший угол. Результатом будет являться значительное боковое уклонение, что не всегда допустимо (например, в уз кости). Очевидно, что при затяжном реверсе следует либо одержать судно, когда оно уклонится влево на 10—15°, либо первую перекладку руля выполнить в сторону поворота, как это показано на рис. 1.9. Дополнительный тормозящий эффект можно получить за счет стравливания якорей в воду. Опыты, проведенные на теплоходе «Профессор Щеголев» водоизмещением 5800 т, показали, что сила сопротивления двух якорей, вытравленных на 1/2 смычки якорного каната, при скорости 12,7 уз составила 12 тс, т. е. примерно 30% от тяги винта на заднем ходу. С увеличением количества вытравленных смычек сопротивление воды возрастает. На турбоходе «Морис Торез» водоизмещением 62600 т 3 смычки обоих якорных канатов создавали такой же эффект торможения, как и работа винта на задний ход. Следует считать, что при активном торможении стравливание в ½—1 смычки двух канатов, сокращает тормозной путь при торможении с полного хода примерно на 30%.

Рис. 1.8. Изменение скорости теплохода «Маршал Жуков> при торможении:

/ — с рулем в положении «прямо»; 2 — с перекладкой руля

Рис. 1,9. Траектория и положение руля при торможении с затяжным реверсом