13.2. Влияние штормовых условий на мореходные качества судна

Основными факторами, действующими на судно во время шторма, являются ветер, волнение и качка.

Воздействие ветра на судно определяется его направлением и силой, формой и размерами площади парусности судна, расположением центра парусности, значениями осадки и дифферента.

Действие ветра в пределах курсовых углов 0 – 110⁰ вызывают потерю скорости, а при больших курсовых углах и силе ветра не свыше 3 -4 баллов – некоторое её приращение.

Действие ветра в пределах 30 – 120⁰ сопровождается дрейфом и ветровым креном.

Потеря скорости происходит в следствии того, что на движущееся судно действует кажущийся ветер, который связан с истинным следующим отношением:

( 13.1)

( 13.2)

Где W_И – скорость истинного ветра, м/с;

W – скорость кажущегося ветра, м/с;

V_С – скорость судна, м/с; α – угол дрейфа, град.;

q_Wи – курсовой угол истинного ветра, град.;

q_W – курсовой угол кажущегося ветра, град.

Удельное давление ветра на судно приближенно можно рассчитать

Р ≈ 0.008 W² ( Ураган W=40 – 50 м/с, Р ≈ 130 – 200 кгс/м² )

Полное давление ветра на судно или гидродинамическая сила будет равна:

А ≈ Р Q ( 13.3)

Так как ЦП по миделю не совпадает с Ц.Т., то аэродинамическая сила будет создавать кренящий момент:

М_КР = А_Y( Z_ЦП - ) ( 13.4)

Где Z_ЦП – аппликата центра парусности, м;

d_СР – средняя осадка судна, м.

Волнение моря оказывает наиболее существенное влияние на судно. Оно сопровождается действием на корпус значительных динамических нагрузок и качкой судна. При плавании на волнении увеличивается сопротивление корпуса судна и ухудшаются условия совместной работы винтов,

Рис. 13.1 . Элементы волны

корпуса и главных двигателей. В результате снижается скорость, увеличивается нагрузка па главные машины, повышается расход топлива и уменьшается дальность плавания судна. Форма и размеры волн характеризуются следующими элементами (рис.13.1 ):

• высота волны - h — расстояние по вертикали от вершины до подошвы волны;

• длина волны - λ — расстояние по горизонтали между двумя соседними гребнями или подошвами;

- период волны τ — промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине ;

— скорость волны С — расстояние, проходимое волной в единицу времени.

По происхождению волны подразделяются на ветровые, приливо-отливные, анемобарические, волны землетрясения (цунами) и корабельные. Наиболее распространенными являются ветровые волны. Различают три типа волнения: ветровое, зыбь и смешанное. Ветровое волнение- развивающееся, оно находится под непосредственным воздействием ветра в отличие от зыби, представляющее собой инерционное волнение, или волнение, вызванное штормовым ветром, дующим в удаленном районе. Профиль ветровой волны не симметричен. Ее подветренный склон круче, чем наветренный. На вершинах ветровых волн образуются гребни, верхушки которых под дей­ствием ветра заваливаются, образуя пену (барашки), а при сильном ветре срываются. Направление ветра и направление ветровых волн в открытом море, как правило, совпадают или разнятся на 30—40°.

Размеры ветровых волн зависят от скорости ветра и продолжительности его воздействия, длины пути ветровых потоков над водной поверхностью и глубины данного района (табл.13.1). Наиболее интенсивный рост волны наблюдается при отношении С/W<0,4-0,5. Дальнейшее увеличение этого отношения сопровождается уменьшением роста воле. По этому волны опасны не в момент наибольшего ветра, при последующем его ослаблении.

Для приближенных расчетов средней высоты волн установившегося океанского волнения пользуются формулами:

При ветре до 5 баллов h_СР ≈ 0.5 Б

При ветре свыше 5 баллов h_СР ≈ 0.1 Б²

где Б – сила ветра в баллах по шкале Бофорта.

Таблица 13.1

Максимальные значения элементов волн для глубокого моря (H/λ > 1/2)

Ветер		Длина разгона		Продолжи- тельность действия ветра, ч	h, М	λ М	h/λ
баллы	м/с	км	мили
IV	6	57	31	4,6	1.1	13	1/12
V	9	134	72	7,2	2,2	30	1/14
VI	11	204	110	8,9	3,0	45	1/15
VII	14	333	182	11,7	4,6	72	1/15
VIII	17	509	275	14,5	6,4	108	1/17
IX	20	715	386	17,3	8.4	149	1/18
X	23	969	523	20,2	10,7	197	1/19
XI	27	1344	725	24,1	14,0	272	1/19
XII	30	1676	905	27,0	16,8	336	1/20

В условиях развитого волнения имеет место интерференция отдельных волн (до 2% общего количества и более), которые достигают максимального развития и превышают среднюю высоту волн в два-три раза. Такие волны особенно опасны.

Наложение одной волновой системы на другую наиболее интенсивно происходит при изменении направления ветра, частом чередовании штормовых ветров и перед фронтом тропических циклонов.

Энергия волн развитого волнения исключительно велика. Для судна, лежащего в дрейфе, динамическое воздействие волн может быть определено из выражения р ≈ 0,1 τ² где τ — истинный период волны, сек.

Так, для периодов волн около 6—10 с величина Р может достигать внушительных значений (3,6—10 т/м²).

При движении судна курсом против волны динамическое воздействие волн будет возрастать пропорционально квадрату скорости судна, выраженной в метрах в секунду.

Длина волны в метрах, скорость в метрах в секунду период в секундах связаны между собой следующими соотношениями:

λ = 1.56 τ² ( 13.5)

С = 1.25 √ λ ( 13.6)

τ = 0.8 √ λ ( 13.7)

Практически движущиеся судно встречает не истинный, а относительный (кажущийся) период волны τ', который определяется из выражения

( 13.8)

где a — курсовой угол (фронта гребня волны, измеренный по любому борту.

Плюс относится к случаю движения против волны, минус — по волне.

При изменении курса судно располагается относительно приведенной длины волны λ':

( 13.9)

Характер качки судна имеет сложную зависимость между элементами волн (h, λ, τ и С) и элементами судна (L, D,T_1,2 и δ).

Безопасность судна с точки зрения остойчивости определяется не только его конструкцией и распределением грузов, но и курсом, а также скоростью. В условиях развитого волнения непрерывно меняется форма действующей ватерлинии. Соответственно, изменяются форма погруженной части корпуса, плечи остойчивости формы и восстанавливающие моменты.

Пребывание судна на подошве волны сопровождается увеличением восстанавливающих моментов. Пребывание судна (особенно длительное) на гребне волны опасно и может привести к опрокидыванию. Наиболее опасна резонансная качка, при которой период собственных колебаний судна T_1,2 равен видимому (наблюдаемому) периоду волны τ'. Характер бортовой резонансной качки показан на рис. 13.4. Как следует из рисунка, явление резонанса наблюдается при отношении

Зона тяжелой качни

Дорезонансная

Резонанс

Рис. 13.2. Резонансная качка

Особенно опасна резонансная качка при положение судна лагом к волне.

При следовании судна курсом против волны значительно возрастают потери в скорости, происходят оголение оконечностей и резкие броски оборотов. Удары волн в днище носовой оконечности (явление «слемминга») могут привести к деформации корпуса и срыву отдельных механизмов и устройств с фундаментов.

При следовании по волне судно в меньшей степени подвержено ударам волн. Однако следование его по волне со скоростью, близкой к скорости волны V_C= (0,6—~ 1,4)С (судно «оседлало» волну), приводит к резкой потере поперечной остойчивости в связи с изменением формы и площади действующей ватерлинии, а это ведет к возникновению гироскопического момента,

действующего в плоскости ватерлинии и значительно ухудшающего управляе-мость судна. Наиболее опасно плавание малого судна на попутном волнении, когда λ ≈ L судна, a V_C ≈ C.

Потеря скорости судна. Скорость судна на волнении всегда меньше, чем в тихую погоду, вследствие:

• увеличения сопротивления движению судна как из-за непосредственного воздействия на корпус ветра и волн, так и их вторичного влияния через различные виды качки и рыскание судна на курсе;

• снижения эффективности действия гребного винта; ограничения используемой мощности двигателя вследствие разгона гребного винта;

• намеренного снижения скорости при возникновении ударов корпуса о волны (слеминг, удары волн в развал носа), заливания палубы и надстроек, чрезмерных ускорений при качке и др.

Основная часть естественной потери скорости судна обусловлена средним дополнительным сопротивлением, которое вызвано ветром и волнами.

Рыскание судна. В отличие от бортовой, килевой и вертикальной качек рыскание судна относят к дополнительным видам качки.

При оценке влияния рыскания на эксплуатационную скорость судна можно выделить следующие основные факторы, действие которых может сказаться на его ходовых качествах:

• увеличение сопротивления корпуса вследствие движения судна с переменным по времени углом дрейфа;

• увеличение сопротивления из-за перекладок руля;

• увеличение длины пути, проходимого судном;

• изменение режима работы гребного винта;

• повышенный расход топлива и др.

Ориентировочно потеря скорости судна в зависимости от среднего угла рыскания и перекладки руля может достигать 13%.

Потеря скорости на удлинении пути вследствие рыскания незначительна. Например, для углов рыскания ±5° она составляет около 0,12-0,20 %.

При отклонении курса судна до 30—40° от встречного ветра и волнения дополнительное сопротивление может возрастать, что вызывает не только непосредственным влиянием ветра, волнения моря и качки, но и повышенным рысканием на курсе.

Наибольшей скорости судно достигает при равенстве предельной тяги винта полному сопротивлению движения. Предельную полезную тягу винт развивает, когда двигатель работает по заградительной характеристике, ограничивающей мощность и частоту вращения двигателя при перегрузках в эксплуатации. У дизеля это ограничение более жесткое, чем у паровой турбины. Кроме того, пропульсивный коэффициент судна падает с ростом сопротивления из-за снижения эффективности гребного винта, которое зависит от его гидродинамических качеств. ВРШ в этом случае имеют преимущество перед ВФШ.

С леминг. Слеминг (днищевой) возникает в процессе продольной качки при оголении носовой оконечности и последующем соударении с волной. Большие динамические нагрузки могут привести к серьезным повреждениям конструкций корпуса и оборудования. Особенности слеминга как физического явления определяются в основном совместным выполнением двух условий: оголением днища и входом его в воду с вертикальной скоростью относительно воды, большей (З ~-4)√L, м/с. Вероятность опасных ударов тем больше, чем больше высота волн и скорость судна. Наблюдаются они на встречном волнении в широком диапазоне курсовых углов, Поэтому отклонение по курсу от чисто встречного движения не всегда является эффективным средством избежать опасности слеминга. Избежать опасные удары волн легче снижением скорости или увеличением осадки судна носом.

Заливание палубы и удары волн в развал носа судна. Эти явления вызывают повреждения бака, палубного оборудования, трубопроводов, конструкций люковых закрытий, палубного груза, комингсов трюмов и т. д.

Удары волн в развал носа (бортовой слеминг или випинг) сами по себе вызывают вибрацию, вмятины в верхней части наружной обшивки носа и в палубе полубака. Многочисленны случаи повреждения груза. Вероятность подмочки груза на практике оказывается примерно вдвое больше вероятности механических повреждений.

Для избегания заливания палубы наиболее рационально снизить скорость судна или уменьшить осадку носом.

Разгон гребного винта и двигателя. Переменные гидродинамические силы и моменты, действующие на винт при качке, могут привести к поломке лопастей, конструкций гребного валопровода, вызвать вибрацию вала и кормы. Напряжения при оголении винта в гребном валу могут возрасти в 2—3 раза. Разгон винтов более вероятен для судов, на которых винты имеют малое погружение, большие удельные упоры, большие отношения шага к диаметру и частоты вращения. Разгон винта наименее опасен для турборедукториой пропульсивной установки и наиболее неблагоприятен для дизеля. Для избегания опасности разгона винта может служить увеличение осадки судна кормой или маневрирование скоростью на

волнении путем снижения шага ВРШ. Судоводители должны уметь рационально пользоваться этими средствами для обеспечения мореходности своих судов.