1. См. Вопрос 26

2.Управление Судна на мелководье

См. Вопрос 25

В лияние мелководья на управляемость судна проявляется в снижении эффективности пера руля. Как уже говорилось, движущееся судно имеет перепад давлений вдоль корпуса, уровень воды в средней части пониженный, а в районе форштевня и ахтерштевня – повышенный.Вода, перетекая от повышенного уровня к пониженному, образует попутный поток, скорость которого зависит от величины перепада уровней воды. При движении судна на мелководье перепад давлений увеличивается по мере приближения скорости судна к ее критическому значению V_крУвеличение скорости попутного потока при выходе судна на мелководье снижает скорость набегающего на перо руля потока и, как следствие, снижает эффективность рулевого устройства. Другим фактором, влияющим на управляемость, является то, что при выходе судна на мелководье для сохранения прежней скорости требуются большие энергетические затраты, чем на глубокой воде.Что в процесс волнообразования вовлекаются дополнительные массы воды. Таким образом происходит увеличение кинетической энергии движущейся вместе с судном воды, а следовательно, и кинетической энергии системы “судно плюс присоединенные массы воды”.Увеличение инерционности судна при падении эффективности пера руля приводит к ухудшению маневренных и тормозных характеристик судна.Увеличение радиуса установившейся циркуляции на

мелководье можно приблизительно определить из выражения:

оценивает величину изменения радиуса установившейся циркуляции,

приближенно оценивает изменения эволюционного участка циркуляции.

3.Повороты судна на волнении.

Повороты в штормовую погоду для любого судна нежелательны, т.к. постановка судна бортом к волне, даже кратковременная, может вызвать опасную бортовую качку, а удары волн в борт и надстройки могут причинить большие повреждения

Кроме того, при поворотах надо учитывать возможное попадание судна в ЗПО или в зону слеминга. Поскольку повороты неизбежны, то необходимо учесть их вредные последствия. Для этого контролируют:

1. Надежность крепления судового имущества, снабжения и устройств, поскольку воздействия может быть очень губительным.

Маневрирование судна, особенно крен циркуляции

(1.36) (1.37)

Угол крена направлен в сторону обратную стороне поворота.

3.Необходимо учитывать периоды, когда судно проходит наиболее высокие волновые валы. При этом высоты волны достигнут 10-15 метров.

Наиболее опасным является положение судна на подветренном склоне волны, когда могут складываться воздействия различных факторов в одном направлении.

Рис. 1.17. Положение судна на разных склонах волны.

Н а схеме хорошо видно, что: _н_п; _н_н; _п_п. И как итог: _п_н,, т.е. крен судна на подветренном склоне намного больше, чем на ветреном склоне волны.

Рассмотрим 4 случая поворотов судна на волнении при различных условиях его движения относительно волн.

1 .При движении судна по волне и повороте без перемены галса наиболее опасным является положение судна лагом к волне в области (в). При таком повороте в положении (а) необходимо уменьшить ход V₁ V₂ для уменьшении _ц , однако судно должно быть управляемым. В опасной зоне (б) судно имеет крен от циркуляции, ветра и удара волн и необходимо избегать условий резонанса

Величину  снимают с вертикальной линии УДК по величине .

2 . При движении судна по волне и повороте с переменой галса (рис.1.19) оно находится в опасной зоне (б) из-за возможного попадания в ЗПО. Для рыболовных, среднее и малотоннажных транспортных судов уменьшение скорости  является наилучшим действием. В зоне окончания поворота (в) могут складываться: _ц , _ветра и _{удара волн,} чтобы уменьшить _ц необходимо следовать малым ходом по плавной дуге.

3.При движении на встречу волне и повороте без перемены галса (рис.1.20) в зоне (б) необходимо следовать полным ходом с maх перекладкой руля, для уменьшения времени нахождения лагом к волне и увеличения _{циркуляции} .

4.При движении против волн и повороте с переменной галса (рис.1.21)или наветренного борта рассматривают два этапа:

1 этап: на малом или среднем ходу для уменьшения крена _{циркуляции};

2 этап: после переваливания линии ветра полный ход для увеличения угла _{циркуляции} и улучшения управляемости.

В зоне (б) возможно явление слеминга.

При управлении судном на волнении необходимо учитывать его маневренность и особенности расположения центра парусности по отношению к центру бокового (реактивного) сопротивления подводной части корпуса.

Определить координаты центра парусности можно по аналогии с расчетом центра тяжести судна, когда вместо весов учитывается площадь парусности отдельных элементов конструкции. Перемещение центра парусности в нос или корму может достигаться дифферентовкой судна. Центр бокового или реактивного сопротивления находят приближенно как центр площади сечения подводной части по ДП.

4.Безопасное плавание судна в шторм на мелководье

5.Изменение характеристик волнения на мелководье.

В зависимости от условий гидрологии волнение может образовывать стоячие волны, частицы воды в которых движутся реверсивно (вперед - назад). также волны могут вызывать тягун - временно перемещающийся поток воды, который опасен в порту и в прибрежном плавании, поскольку наваливают суда на причал и мели.

Однако в прибрежных зонах и на мелководье такие волны изменяют свои характеристики, как по направлению бега, так и по параметрам волнения. За счет действия морского дна, независимо от направления волнообразующего ветра, волны накатываются на берег.

Характер волнения заметно изменяется, когда глубина моря становится менее половины длины волны. Поэтому на глубинах Н0,5 волнение считается на глубокой воде и носит регулярный характер с параметрами ₀, h₀, ₀, V₀.

По мере уменьшения глубины орбитальное движение частиц по окружности переходит в неправильные формы, что ведет к изменению параметров волн на мелководье. При этом скорость бега волн , их длина .уменьшаются, а высоты волн h изменяются по сложной зависимости показанной на графике.

На мелководье длина волны  и скорость бега волны V уменьшаются по сравнению с величинами ₀ и V₀.

Высота волны h уменьшается до глубин до H=0,2 ₀, а затем может достаточно резко увеличиваться за счет гребней накатов. Количественные изменения характера волнения можно рассчитать с помощью графика (рис. 1.16).

Например: при H=0,15₀=15м

Мы имеем ₀=100м

=12,5 м/c25 узлов, , ₀=8с

На глубине 15м по графику получим: =0,65, ₀=65 м, С=16,3 узлов, h=3,7м =6,7с.

Кроме этого значительно изменяется форма волны по сравнению с глубокой водой. Профиль волны при этом более ярко выражает наветренные и подветренные склоны.

Все выше указанные особенности волнения необходимо учитывать при плавании на мелководье средних и малотоннажных судов. Такие суда при плавании в шторм в открытом море на глубокой воде испытывают менее жесткое воздействие волн большой длины, чем при плавании на мелководье при «злом» волнении. Наибольшую опасность плавания на мелководье для небольших судов представляет возможная потеря остойчивости. При плавании по глубокой воде такие суда обычно, следуя по ветру вдоль перемещения попутно волне, не могут развить скорость попадания в ЗПО, т.к. скорость морских волн на глубокой воде достаточно большая. В то же время, такие суда, следуя с глубокой воды на мелководье, оказываются в ЗПО, т.к. мелководные волны становится по длине равные L судна, скорость их бега уменьшается до величин соизмеримых со скоростью небольших судов.

Глубины моря соответствующие 0,2 ₀ называют иногда глубинами волновой деформации, т.к. на таких глубинах начинается интенсивное перемешивание придонных и поверхностных слоев воды, волны становятся «мятыми» за счет смешивания большого количества пузырьков воздуха с водой. Эту особенность необходимо учитывать при постановке на якорь, т.к. высота волны уменьшается незначительно от h₀ на 20-25%

6.Управляемость одновинтового судна при различных режимах движения.

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

Сила попутного потока.

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

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

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

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

Сила реакции.

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

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

Рис.6.6. Действие силы реакции D.

В 1-м секторе лопасть, переходя из положения 1 в положение 2, встречает сопротивление воды, сила реакции которой будет направлена вначале справа налево (сила Д₁,а затем снизу вверх (сила Д₂); последняя на диаметральную плоскость судна не влияет, но дает вибрацию кормы.

Во 2-м секторе лопасть, переходя из положения 2 в положение 3, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена сначала снизу вверх (сила Д₂), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции достаточно плотных слоев воды (сила Д₃), направленную слева направо и значительно большую, чем сила Д₁. Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос — влево.

В 3-м секторе лопасть, переходя из положения 3 в положение 4, встречает сопротивление воды, сила реакции которой будет направлена вначале слева направо (сила Д₃), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции Д₄, направленную сверху вниз. На диаметральную плоскость судна эта сила не влияет, но дает вибрацию кормы.

В 4-м секторе лопасть, переходя из положения 4 в положение 1, встречает сопротивление воды, сила реакции которой направлена вначале сверху вниз (сила Д₄), а затем лопасть будет преодолевать силу реакции менее плотных слоев воды (сила Д₁), направленную справа налево, значительно меньшую, чем сила Д₃. Следовательно, корма судна будет отклоняться вправо, а нос — влево.

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

Сила набрасываемой струи.

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

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

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

Рис.6.7. Действие силы С

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

Во 2-м секторе лопасть, переходя из положения 2 в положение 3, набрасывает слои воды на нижнюю поверхность руля, где плотность воды значительно больше.. Руль должен был бы иметь стремление отклониться влево, но поскольку он установлен в диаметральной плоскости судна, сила набрасываемой струи устремляется на всю корму судна и отводит корму судна влево, а следовательно, нос идет вправо. Обозначим эту силу через С₁.

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

В 4-м секторе лопасть, переходя из положения 4 в положение 1, набрасывает снова слои воды, но уже с другой стороны, нежели во 2-м секторе, и на верхнюю часть руля. Обозначим эту силу набрасывания струи С₂. Действие этой силы будет меньше, чем действие силы набрасывания струи С₁ во 2-м секторе, вследствие меньшей плотности воды. Отсюда следует вывод: винт правого вращения на установившемся переднем ходу, действуя на руль, отклоняет корму судна влево, а нос — вправо

Сила набрасываемой струи С проявляется в наибольшей степени на установившемся ходу, вызывая при движении судна вперед уклонение кормы в сторону, обратную вращению винта.

На заднем ходу обтекание кормовой оконечности потоком будет, также, несимметричным в диске винта. В правой верхней половине диска винта, поток обтекает кормовую оконечность с большей полнотой, чем в левой нижней. В результате также возникает боковая сила набрасываемой струи.

На заднем установившемся ходу сила набрасываемой струи С вызывает уклонение кормы в сторону вращения винта.

6.5 Силы действующие на судно от работы винта

Действие сил при даче переднего хода:

В момент начала работы на передний ход винта правого вращения, когда судно еще не имеет поступательного движения руль находится в прямом положении, сила попутного потока отсутствует. Также невелика и сила набрасываемой струи, так как спиральный поток, у отбрасываемый винтом воды, еще не образовался.

Сила реакции «D», наоборот, в этот момент имеет большее значение, так как вода, находящаяся в спокойном состоянии, оказывает максимальное сопротивление вращению винта. В результате действия силы «D» корма резко пойдет вправо. С увеличением скорости хода силы «С» и «b» возрастают и начинают компенсировать влияние силы «D». Чтобы удержать судно на курсе в момент начала работы на передний ход, используют руль, перекладывая его направо. Отбрасываемые винтом назад потоки воды окажут давление на выведенный из прямого положения руль. Возникает так называемая сила винтовой струи (аксиальная составляющая) «С_в._с,» которая отклоняет корму в сторону, противоположную перекладке руля. Вместе с тем, сила винтовой струи не одинакова при перекладке руля на тот или иной борт. Она всегда больше при перекладке руля в сторону, одноименную вращению винта.

Действие сил при установившемся переднем ходу.

При работе винта вперед и установившемся движении судна проявляют свое действие следующие силы:

1. встречного потока «А», оказывающая давление на руль при выводе его из диаметральной плоскости;

2. набрасываемой струи «С», оказывающая давление на руль ,уклоняя корму влево;

3. реакции воды «D», действующая на винт, уклоняя корму вправо;

4. винтовой струи «С_в. с», оказывающая давление на руль при выводе его из диаметральной плоскости;

5. попутного потока «b», оказывающая давление на верхние лопасти винта, уклоняя корму влево.

При прямом положении руля силы «А» и «С_в. _с» действия на руль не оказывают, поэтому судно под влиянием сил C + b -D уклоняется кормой влево, а носом — вправо. Для удержания судна на курсе необходимо руль слегка отвести влево. При перекладке руля в какую-либо сторону помимо сил «С», «b» и «D» начинают действовать на руль силы «А» и «С_в._с» Сила «А» встречного потока является преобладающей по действию на руль, причем значение ее возрастает с увеличением скорости хода судна..

Действие сил при установившемся заднем ходу

П ри работе судна на задний ход винт правого шага вращается против часовой стрелки и отбрасывает потоки воды под кормовой подзор При этом струи воды, отбрасываемые лопастями / и ///, не влияют на уклонение кормы. Лопасть // набрасывает воду сверху вниз под небольшим углом к борту и сила набрасываемой струи С₂' уклоняет корму вправо. Потоки воды от лопасти IV набрасываются снизу вверх почти перпендикулярно правой раковине и действуют на большую площадь. Сила набрасываемой струи С′₄ отклоняет корму влево. Действие силы С′₄ превосходит влияние силы С₂. В итоге результирующая сила С' = С′₄ —С₂^/ будет уклонять корму в лево.

Действия сил на заднем установившемся ходу.Сила реакции на заднем ходу D'=D₃' — D₁′ также уклоняет корму влево, так как у нижней лопасти сопротивление воды больше, чем у верхней, т. е. D₃'> D₁′ (рис.6.7 ).

Таким образом, в результате совместного действия сил С′ и D', при работе винта на задний ход, корма пойдет резко влево, даже при прямо положенном руле.

При работе на задний ход благодаря засасывающему действию винта образуется поток, направленный также к кормовому подзору. Сила этого потока — сила всасываемой струи В — не влияет на руль, находящийся в прямом положении. При перекладке же руля из диаметральной плоскости сила В будет уклонять корму в сторону перекладки. При руле, положенном влево, сила В, действуя совместно с силами С′ и D', в еще большей степени будет уклонять корму влево. При руле, положенном вправо, сила В противодействует силам С′ и D' и уклонение кормы влево будет ощущаться несколько меньше (рис.6.7).

Когда судно получит движение назад, дополнительно к рассматриваемым силам будет действовать еще сила встречного потока А', направление которой совпадет с силой В. Действие силы А' проявится только при перекладке руля. Если руль положен влево, то все силы А', В, С′ и D' будут уклонять корму влево. Если руль положен вправо, то силы А' и В будут проти-водействовать силам С' и D', а с увеличением скорости и превзойдут их. В результате этого корма, в начале работы винта идущая в лево, постепенно замедлит свое движение и затем пойдет в право.