7. Система оценки и оптимизации мореходности.

7.1. Общие сведения.

Мореходность и влияющие на нее факторы. Мореходностью

называется способность судна к безопасному плаванию в условиях интенсивного морского волнения и ветра. Мореходность может рассматриваться как безопасность нагрузок на судно в штормовых условиях с точки зрения остойчивости, прочности и герметичности корпуса, надежной работы систем и механизмов, управляемости.

В условиях шторма величина воздействий на судно зависит от интенсивности волнения, размеров судна, его скорости и курса относительно направления распространения волн. Опасными являются напряжения на корпусе при больших амплитудах и ускорениях качки, при заливаемости носовой части судна, при различных видах слеминга (особенно днищевом), при оголении винта, при движении судна на попутных волнах большой высоты.

Самыми неблагоприятными по отношению к бортовой качке (с

точки зрения величины вызывающих ее сил) являются курсовые углы к волне, близкие к 900, а наилучшими – равные нулю или 1800. Когда судно в условиях сильного волнения располагается лагом к волне, особенно опасен резонанс бортовой качки.

По отношению к килевой качке влияние курсового угла волн обратное. На волнении с носа или с кормы килевая качка наиболее интенсивна. При встречном волнении существенно возрастает сопротивление движению судна, могут наблюдаться явления заливания носовой части судна, оголения винта, слеминга.

Значительное увеличение сопротивления ходу судна в условиях волнения может привести к перегрузке главного двигателя и к необходимости снижения его мощности.

Изменение погружения и оголение гребного винта

сопровождается снижением эффективности его действия, попеременным разгоном и торможением, значительными колебаниями нагрузки на гребном валу. Это оказывает вредное влияние на главный двигатель и требует ограничения его мощности по защитным параметрам.

Переменные гидродинамические нагрузки, действующие на винт при качке, могут вызвать вибрацию гребного вала и кормы, привести к

113

поломке лопастей винта, конструкций гребного валопровода. Разгон и торможение винта при его периодическом оголении и погружении неблагоприятны для гребных установок, особенно для широко распространенных дизельных двигателей.

Наибольшее заливание носовой части судна происходит на встречном волнении при условии равенства длины волны длине судна.

Слеминг появляется на волнении с носовых курсовых углов, когда:

–кажущийся период волнения близок к периоду собственных колебаний судна при килевой качке,

–кажущаяся крутизна волны составляет не менее 1:30,

–скорость вертикальных колебаний корпуса превышает 3.5 L м/с.

Бортовой слеминг (випинг) представляет собой сильные удары волн в развал носа. Они могут сопровождаться вибрацией корпуса. Явления заливания и випинга вызывают повреждения бака, наружной обшивки, люковых закрытий, палубного оборудования и т.д.

Днищевой слеминг появляется при сильном волнении с носовых курсовых углов, когда осадка носом меньше 0.04÷0.05 длины судна. Большие динамические нагрузки на днище судна при ударе об воду могут привести к серьезным повреждениям обшивки, набора корпуса и оборудования.

Резонансные явления. При резонансе интенсивность качки и соответственно величина нагрузок на корпусе резко возрастают. Условием возникновения резонанса (бортовой, килевой, вертикальной) качки является совпадение периода собственных колебаний судна на качке с кажущимся преобладающим периодом волнения в диапазоне ±30%. Исходя из этого условия, определяются резонансные зоны волнения. Под резонансной зоной понимается область значений курса и скорости судна, в которой период кажущегося волнения находится в пределах (0.7÷1.3) TК, где TК – период собственных колебаний судна при качке.

Периоды свободных колебаний судна при бортовой (Тθ), килевой (Тψ) и вертикальной (Тζ) качке приближенно могут быть получены по формулам:

где В – максимальная ширина судна, Т – осадка судна, h – поперечная метацентрическая высота, С≈ 0,7÷0,8.

Следует учитывать, что резонансная зона – не всегда эффективная оценка опасности нагрузок на корпусе, так как интенсивность резонансных явлений зависит от силы волнения, размеров судна, а также от его демпфирующих свойств. При умеренном волнении в

114

резонансной зоне энергии волн может оказаться недостаточно, чтобы раскачать крупнотоннажное судно до значений, при которых нагрузки на корпусе опасны.

Суда со скуловыми килями, обладающие большими демпфирующими свойствами, накреняются меньше и испытывают меньшие нагрузки при резонансе бортовой качки. Поэтому в действительности опасные области сочетаний значений курса и скорости судна в условиях волнения могут быть как уже, так и шире резонансных зон.

Уменьшение остойчивости. Опасным в отношении потери остойчивости является движение судна на сильном попутном волнении, когда длина и скорость волн близки к длине и скорости судна. При прохождении вершины волны около миделя судна при равенстве ее длины длине корпуса поперечная метацентрическая высота и остойчивость судна уменьшаются. Когда скорость бега волны равна скорости хода, то неустойчивое состояние судна сохраняется продолжительное время, которое может оказаться достаточным для появления опасного крена, чреватого опрокидыванием судна.

При движении на спутной волне может произойти потеря управляемости и самопроизвольный разворот судна лагом к волне, сопровождаемый большим креном – брочинг. Наиболее опасным является захват судна на переднем склоне волны, имеющей скорость больше скорости судна и длину λ=0,8÷1,3L. Брочингу в основном подвержены малые суда.

Методы оценки мореходности. Традиционно судоводители судят о мореходности на основе оценки характера качки, по отсутствию заливаемости, слеминга, оголения винта. При такой оценке используются различного вида штормовые диаграммы. Из всех элементов волнения и качки инструментально в традиционном методе измеряется только период и направление волнения.

Более объективная оценка мореходности судна выполняется с помощью приборных методов. Они основываются на косвенном и непосредственном измерении напряжений корпуса с последующим сравнением получаемых значений с допустимыми для судна. В условиях волнения силы на корпусе косвенно характеризуются параметрами качки.

Применение приборных методов стало возможным после создания надежных измерительных устройств, необходимых для оценки мореходности. Современные датчики параметров движения судна на качке включают в свой состав акселерометры и микропроцессор. Они могут измерять ускорение, скорость и величину:

–бортовой качки,

115

–килевой качки,

–вертикальной качки,

–рыскания,

–поперечного движения корпуса.

Созданы устройства для непосредственного измерения напряжений на корпусе, а также аппаратура для получения параметров морского волнения (высоты, периода, направления) по данным судовой навигационной РЛС.

Рис. 7.1. Основной модуль системы.

Приборный метод реализован в специальных электронных системах для оценки мореходности. В ограниченной конфигурации они получили название «Системы мониторинга нагрузок на корпусе» – СМН (Hull Stress Monitoring System - HSMS).

Вотносительно полной конфигурации эти системы называют поразному. Одно из таких названий - Системы оценки и оптимизации мореходности – СОМ (Vessel Seaworthiness Assessment and Optimization System).

Внастоящее время устройствами для измерения параметров качки

инапряжений корпуса снабжены около 100 балкеров, ряд танкеров и контейнеровозов. Вид расположенного на мостике модуля одной из таких систем представлен на рис. 7.1.

Внедрение электронных систем оценки мореходности в

практику судовождения обусловлено следующими обстоятельствами. Используя традиционную методику оценки мореходности для крупнотоннажных судов, особенно балкеров, даже опытный капитан в отдельных случаях не может с уверенностью сказать, опасны ли вызванные волнением нагрузки на корпусе. Этот недостаток традиционного метода подтверждается статистикой конструктивных повреждений балкеров на волнении. Доля таких повреждений в общем

116