3. Влияние штормовых условий на судно. Определение периода волны и периода качки судна. Требование Конвенции марпол 73/78 к осадке танкеров при плавании в балласте.

Влияние штормовых условий на судно.

При плавании в штормовых условиях очень важно выбрать рациональный курс и скорость судна относительно волнения и ветра. Скорость судна на волнении всегда меньше скорости на тихой воде вследствие:

• увеличения сопротивления движению, вызванного воздействием

ветра и волнения на корпус, а также рыскания судна на курсе;

• снижение эффективности действия гребного винта;

• разгона гребного винта;

• намеренное снижение скорости движения самим судоводителем при возникновении слеминга, заливания и т.п.

Потеря скорости. При плавании в шторм приходится выбирать такую скорость, которая бы обеспечивала безопасный режим плавания. Для приблизительной оценки потери скорости на волнении может быть использована формула Г.Аертсена:

где: m и n – эмпирические коэффициенты;

–скорость полного хода судна на тихой воде, м/с;

–длина судна между перпендикулярами, м.

Рыскание судна оказывает влияние на скорость движения, уменьшая ее, и на:

• сопротивление корпуса движению из-за переменного угла дрейфа (увеличивает) и перекладок руля;

• длину пути судна, увеличивая ее;

• изменение режима работы гребного винта;

• увеличение расхода топлива.

Слеминг возникает при продольной качке из-за ударов днища судна о гребни волн. Вероятность ударов днища тем выше, чем больше высота волны и скорость судна. Слеминг наблюдается на встречном волнении, но может быть и кормовым. Избегают это явление снижением скорости или увеличением соответственно осадки носом

или кормой.

Удары волн в развал носа и заливание палубы (бортовой слеминг или випинг) вызывают вибрацию и повреждения, как корпуса судна, так и его конструкций и палубного груза. Этого можно избежать, снизив скорость судна или уменьшив осадку носом.

Разгон гребного винта и двигателя вероятен у судов, на которых винты имеют малое погружение в воде. Напряжения в гребном валу при оголении винта могут возрасти в 2–3 раза, что может привести к поломке лопастей, конструкций гребного валопровода, вызвать вибрацию вала и кормы. Очень опасен разгон для дизельных двигателей. Избегают это явление увеличением осадки кормой или уменьшением скорости судна.

Влияние штормовых условий на циркуляцию и инерционно-тормозные качества. Действие ветра и волнения на судно, находящееся на циркуляции, значительно изменяет элементы циркуляции. Эти изменения характеризуются через угол φ и дистанцию S.

Рис. 6.12. Характеристики циркуляции судна:

1 – начало циркуляции; 2 – точка окончания поворота на 3600;

3 – точка окончания поворота на 360º в условиях ветра и волнения.

Влияние ветра и волнения на инерционные характеристики судна во многом зависит от формы корпуса судна. При встречных направлениях ветра до 4 баллов для судов водоизмещением более 10 тыс. тонн уменьшение может достигать 4% по тормозному пути и 18% по выбегу. Влияние ветра и волнения на других курсовых углах усиливается. Однако при hв = 1÷1,5 метра это влияние практически не сказывается.

Определение периода волны и периода качки судна.

Выбор курса и скорости судна в условиях шторма имеет важное значение для безопасности морских судов любого класса, но особенное значение эта проблема стала приобретать при эксплуатации специализированных судов (лесовозы, контейнеровозы, крупнотоннажные балкеры и т.п.) Величинами, характеризующими качку, являются угол наклонения судна и период, за который совершается одно полное колебание судна. Качка тем стремительнее, чем больше углы наклонения и меньше период. Качка зависит от загрузки судна (остойчивость), характера волнения, скорости движения судна и курсового угла бега волн.

Колебания судна на тихой воде, возникающие под действием однократно приложенного к корпусу судна момента внешних сил, называются собственными колебаниями. Период собственных колебаний с достаточной точностью можно определить при помощи следующей формулы:

где: h – поперечная метацентрическая высота, м;

f – коэффициент, зависящий от водоизмещения, отношения H/B, коэффициентов общей полноты δ и полноты ватерлинии α, который по рекомендациям ИМО равен:

0,88 – для судов каботажного плавания (кроме танкеров) в балласте;

0,80 – для промысловых судов с полными запасами для открытого моря;

0,95 – для промысловых судов с полными запасами для прибрежного лова;

0,60 – для промысловых судов с полными запасами и с танками для живой рыбы;

0,62÷1,00 – для транспортных судов (кроме танкеров и газовозов) в грузу.

Практически период собственных поперечных колебаний судна определяется как отношение Т1 = Δt/n, где Δt – показание секундомера, сек.; n – число полных колебаний судна за этот период (обычно за 10 полных колебаний). Качка для судна опасна в случае возникновения явления резонанса, т.е. период собственных колебаний Т1 совпадает с кажущимся периодом волн τ'.

Влияние резонанса сказывается не только при Т1/τ' = 1, но и в пределе 0,7 ≤ Т1/τ' ≤ 1,3 или Т1/0,7 ≤ τ' ≤ Т1/1,3. Кажущийся период волн определяется следующим образом:

где: λ – истинная длина волны, м;

Vc – скорость судна, уз;

q – курсовой угол направления бега волны, град.;

с = 1,25√λ – скорость бега волны, м/с.

Знак «+» относится к случаю движения судна против волны, «–» – по волне.

Практически кажущийся период волны может быть рассчитан по формуле: τ' = Δt/(n – 1), где: Δt – время прохождения нескольких гребней волны, сек.; n – число гребней за это время. Длину волны на судне можно получить следующим образом:

где: τ' – кажущийся период волны, сек.;

l – расстояние между двумя точками на судне, м;

Δt – время, за которое гребень волны проходит расстояние l.

Практически длина волны определяется в сравнении с длиной судна.

Для облегчения управления судном в шторм служат диаграммы штормования. Они позволяют решать следующие задачи:

• выбор безопасного курса судна в штормовую погоду;

• выбор безопасной скорости судна в штормовую погоду;

• определение резонансных зон бортовой качки;

• определение длины волны, раскачивающей судно;

• построение резонансной зоны на попутном волнении.

Наибольшее распространение получила универсальная диаграмма штормования, построенная на основе приведенной ранее формулы для кажущегося периода волнения. Диаграмма состоит из двух частей. В верхней ее части нанесены кажущиеся периоды волн в виде семейства кривых. Пунктирная кривая соответствует случаю, когда τ’ = ∞ , т.е. судно идет на попутном волнении и его скорость равна скорости распространения волн. Ниже пунктирной кривой расположены кривые, соответствующие случаям, когда судно обгоняет волны. На вертикальной оси отложены длины волн X от 0 до 240 м. Отрезки

горизонтальной оси влево и вправо от 0 соответствуют проекциям скорости судна на направление бега волн (Vcosq ). Для нахождения величины Vcosq к основной диаграмме пристроена в нижней части вспомогательная диаграмма, которая представляет собой семейство концентрических окружностей и радиальных линий. Каждой окружности соответствуют скорости судна от 0 до 24 уз, а радиальным линиям — курсовые углы направления бега волн q от 0 до 180°. Над диаграммой помещена шкала для определения кажущегося периода волны, соответствующего зоне резонанса 0,7 τ' < Т < 1,3 τ’. Слева от

диаграммы помещены шкалы А и В для определения зон усиленной качки при нерегулярном волнении, а справа находится шкала баллов волнения, используемая в тех же случаях. Вход в диаграмму возможен тремя путями: при регулярном или близком к регулярному волнению — по длине волны (вертикальная ось); при нерегулярном волнении — по высоте волн 3 %-й обеспеченности (левая шкала) и степени волнения в баллах (правая шкала). Предварительно рассчитывается или определяется, согласно информации капитана по остойчивости, период свободных колебаний судна.

Длина волны определяется сравнением с длиной судна. Кроме того, длину волны можно определить по кажущемуся периоду волн с использованием диаграммы качки. Кажущийся период волны определяется как среднее арифметическое из времени последовательного

прохождения одноименных элементов 10-20 волн через визирную плоскость пеленгатора или какой-либо створ на судне, ориентированный параллельно гребням волн.

Последовательность решения задачи: в нижней части диаграммы находится точка, соответствующая скорости судна V и курсовому углу волн q. Из этой точки проводится вертикальная линия до пересечения с кривой, соответствующей определенному кажущемуся периоду волн τ’; ордината точки пересечения соответствует длине волны λ.

Высота волн 3 %-й обеспеченности определяется следующим образом: из наиболее низкой точки судна "на глаз" определяется высота трех наиболее крупных из ста волн; высота меньшей из трех определенных волн принимается за высоту волн 3 %-й обеспеченности.

Пример. Определить зону усиленной бортовой качки судна, скорость которого V равна 12 уз, курсовой угол волны q равен 50°.

Рассчитываем при помощи секундомера или находим из судовой Информации об остойчивости период свободных колебаний судна: Т = 9 с. Определяем кажущийся период волн τ' = 7,5 с. Определяем длину волны по диаграмме λ = 140 м. Используя верхние шкалы, определяем кажущиеся периоды волн, соответствующие границам зоны

усиленной качки: τ2= 7 с, τ1= 13 с, находим точки пересечения кривых τ2 = 7 с, τ = 9 с, τ1 = 13 с горизонтальной линией, проходящей через отметку λ = 140 м, через них проводим вертикальные линии. Образованные этими линиями полосы, выделенные на нижней части диаграммы, являются зонами усиленной качки.

Рис. 6.15. Универсальная диаграмма штормования

Требование Конвенции МАРПОЛ 73/78 к осадке танкеров при плавании в балласте.

На каждом новом танкере для сырой нефти дедвейтом 20 000 тонн и более и каждом новом нефтепродуктовозе дедвейтом 30 000 тонн и более предусматриваются танки изолированного балласта и выполняются требования, предусмотренные в пунктах 2, 3, 4 или в пункте 5 настоящего правила.

2. Вместимость танков изолированного балласта определяется из условия обеспечения безопасного плавания судна в балластных рейсах без необходимости использования грузовых танков для принятия водяного балласта, за исключением случаев, предусмотренных пунктами 3 или 4 настоящего правила. Однако во всех случаях вместимость танков изолированного балласта должна быть по меньшей мере такой, чтобы при любом варианте балластировки на любом участке рейса, включая вариант, состоящий из водоизмещения судна порожнем плюс только изолированный балласт, осадка и дифферент судна удовлетворяли одновременно следующим условиям:

a) теоретическая осадка на миделе (dm) в метрах (без учета деформации судна) не менее

dm = 2,0 + 0,02L;

b) осадка на носовом и кормовом перпендикулярах соответствуют осадке на миделе (dm), определенной в соответствии с подпунктом а) настоящего. пункта; при этом дифферент на корму - не более 0,015L; и

c) в любом случае осадка на кормовом перпендикуляре - не менее той, которая необходима для полного погружения винта(винтов).

Рекомендации по осадке для танкеров с изолированным балластом длиной менее 150 м.

Требования к минимальной осадке танкеров с изолированным балластом длиной менее 150 м:

1) Администрация должна быть уверена, что танкер имеет достаточное количества балласта для безопасного плавания. В любом случае, остойчивость должна проверяться самостоятельно.

.1 осадка на миделе (м): dm = 0,2 + 0,032L

.2 максимальный дифферент: (0,024-6*10^-5L)L

Выражения (1) были получены от результатов эксперимента 26 танкеров в пределах 50-150 м в длину. Балластные условия рассмотрены как условия плавания в погоду до 5 баллов по шкале Бофорта.

2) .1. минимальная осадка на нос (м): d_b = 0,7 + 0,017L

.2. минимальная осадка на корму (м): d_s = 2,3 + 0,03L

.3. минимальная осадка на миделе (м): dm = 1,55 + 0,023L

.4. максимальный дифферент: 1,6+0,013L

Выражения (2) используются при плавании в 6 баллов по Международной шкале состояния моря.

3) .1 минимальная осадка на нос (м): d_b = 0,5 + 0,0225L

.2 минимальная осадка на корму (м): d_s = 2,0 + 0,0275L

Выражение (3) используются для определенного увеличения осадок, для того чтобы предотвратить поломки винта и слемминга.