4 курс 1 семестр (7-й семестр) / Литература / Конспект лекций по УС

Таблица 11.2 – Разгон из неподвижного состояния т/х «Василий Порик»

По данным таблицы 11.1 и таблицы 11.2 наибольшие расхождения между натурными и вычисленными данными составили по времени 5%, а по длине пути 10%. Это свидетельствует о приемлемой для практики точности предлагаемого метода.

11.2.Определение времени и скорости разгона судна на задний ход

Впрактике маневрирования судоводителям часто приходится учитывать время и скорость разгона судна на задний ход от неподвижного состояния до длины выбега, равной длине одного корпуса. Например, при отходе от причала без буксиров скорость судна на заднем ходу в конце маневра должна быть достаточно высокой, чтобы свести к минимуму влияние бокового сноса, и вместе с тем безопасной для своевременного погашения инерции заднего хода на ограниченной акватории.

Сделаем предположение о том, что максимальное значение упора винта на задний ход возникает одновременно с подачей команды и сохраняется постоянным до конца маневра. Дифференциальное уравнение движения в этом случае примет следующий вид

которое решим по методике, описанной в настоящем разделе, в результате получим конечные формулы для определения времени разгона, t и длины пути разгона, S,

111

где

Рз.х . K1 n12 Dв4 - упор винта на задний ход;

Rср V 2 - среднее интегральное значение сопротивления корпуса,

3

когда начальная скорость судна, равна нулю;

n 1 - частота вращения винта на задний ход, об/с;

1025 - массовая плотность морской воды, кг/м3; Dв – диаметр винта, м;

m - массовое водоизмещение судна, кг;

k - коэффициент присоединенной массы принимается равным 0,1 и

(1+0,1) = 1,1;

V - текущая скорость движения судна на задний ход, м/с;

Н- шаг винта, м;

58 Dсуд. , коэффициент пропорциональности,

L

Dсуд. – водоизмещение судна в тоннах.

Разделим обе части формулы (11.18) на длину корпуса, L. По условию отношение SL равно единице. После несложных преобразований получим формулу для определения скорости в конце маневра

В том случае, когда отсутствуют надежные сведения о коэффициенте засасывания на заднем ходу, то его величину можно приближенно принять рав-

ной = 0,40 или (1- ) = 0,60 в течение всего времени разгона.

Пример. Самовыгружающийся балкер, т/х «CSL Spirit».

L = 214,97 м; m = 87585000 кг; Dв = 7,240 м; Н = 5,185 м; Н/Dв = 0,716;

n1 = 66 об/мин. = 1,1 об/с.

Определить время и скорость при разгоне на задний ход на длину одного корпуса судна.

К1= 0,4 х 0,716 – 0,07 = 0,2164.

Рз.х. = 0,2164 х 1025 х 1,12 х 7,244 = 737430 Н.

112

Таким образом, в конце расстояния, равного длине одного корпуса судна, скорость и время разгона на задний ход составят, соответственно, 2,7 узла и 5,3 минуты.

Вопросы для самоконтроля

1.Обоснование метода и математичемкой модели для определения характеристик разгона и подтормаживания судна.

2.Формулы для расчета разгона и подтормаживания судна.

3.Порядок расчета пути и времени разгона и подтормаживания судна.

113

РАЗДЕЛ 12.

УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДНА

12.1. Устойчивость на курсе и поворотливость

Управляемостью называется качество судна, позволяющее двигаться ему по заданной траектории или изменять направление движения в соответствии с воздействием средств управления.

Управляемость зависит как от свойств самого судна, определяемых комплексом: корпус – рулевое устройство – винт, так и от внешних условий: ветра, волнения, глубины и рельефа дна при плавании на мелководье, глубины и ширины канала при плавании в узкостях. Следует особо остановиться на оценке влияния скорости судна на его управляемость, поскольку это влияние проявляется неоднозначно. Гидродинамические силы и моменты на руле и корпусе судна пропорциональны квадрату скорости набегающего потока, поэтому при движении судна с установившейся скоростью, независимо от ее абсолютного значения, соотношения между указанными силами и моментами остаются постоянными. Следовательно, на разных установившихся скоростях траектории (при одинаковых углах перекладки руля) сохраняют свою форму и размеры. Но если в процессе маневра изменить частоту вращения винта, то изменится скорость потока, набегающего на руль, расположенный за винтом. При этом момент, создаваемый рулем, изменится сразу же, а гидродинамический момент на корпусе судна будет изменяться медленно по мере изменения скорости самого судна, поэтому прежнее соотношение между этими моментами временно нарушится, что приведет к изменению кривизны траектории, При увеличении частоты вращения винта кривизна траектории возрастет (радиус кривизны уменьшится) и наоборот. Когда скорость судна придет в соответствие с новой частотой вращения винта, кривизна траектории снова станет равной первоначальному значению.

Сказанное справедливо для случая штилевой погоды. При воздействии ветра определенной силы управляемость будет зависеть от скорости судна. Чем скорость меньше, тем больше влияния ветра на управляемость.

Управляемость характеризуется двумя свойствами судна: устойчивостью на курсе и поворотливостью.

Устойчивость. Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять направление прямолинейного движения. Различают два вида устойчивости: собственную (теоретическую) и эксплуатационную.

Собственная устойчивость – это способность судна, получившего угловую скорость от какого-либо возмущения, постепенно снова приходить в прямолинейное движение (на новом курсе) без помощи рулевого устройства.

114

Суда, не обладающие собственной устойчивостью, после прекращения внешнего воздействия вписываются в самопроизвольный поворот большей или меньшей кривизны.

Практически все торговые суда не обладают собственной устойчивостью, т.е. являются в большей или меньшей степени неустойчивыми.

Эксплуатационная устойчивость – это способность судна сохранять заданное направление движения с помощью перекладок руля. Очевидно, что все суда должны обладать эксплуатационной устойчивостью, однако характеристики этой устойчивости у различных судов будут разными. Кроме того, у каждого судна эксплуатационная устойчивость зависит от его осадки и дифферента. Эксплуатационная устойчивость зависит также как от степени собственной устойчивости, так и от эффективности рулевого устройства.

Для оценки эксплуатационной устойчивости на курсе часто применяют критерий Q

где - средняя амплитуда рысканья судна;

- средняя амплитуда перекладок руля; V - скорость судна;

L - длина судна между перпендикулярами;

tn - время, в течение которого выполнялись наблюдения; n - число перекладок руля во время наблюдений.

Величина Q остается практически постоянной при данной загрузке судна и не зависит от индивидуальных качеств рулевого.

Поворотливость. Под поворотливостью подразумевается способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны. При отсутствии внешних воздействий поворотливость определяется характеристиками средства управления и характеристиками корпуса судна (включая его посадку).

Устойчивость судна на курсе и его поворотливость являются противоположными качествами: при улучшении устойчивости на курсе поворотливость ухудшается и наоборот. Поэтому при проектировании судна стремятся найти целесообразное сочетание этих качеств, в зависимости от типа и назначения судна.

Процесс поворота судна с переложенным рулем называется циркуляцией. Траектория, описываемая судном под влиянием переложенного на определенный угол пера руля, характеризуется радиусом циркуляции Rц. После окончания переходного процесса траектория судна приближается к окружности, а ее

115

радиус приобретает установившееся значение: Rц = Rуст, т.к. линейная и угловая скорости, отношением которых определяется значение радиуса, становятся приблизительно постоянными.

Для сравнения поворотливости различных судов радиус циркуляции выражают в безразмерном виде

где

R - относительный радиус циркуляции;

L – длина судна.

Величина, обратная радиусу циркуляции, называется кривизной, она также выражается в безразмерном виде

где

- относительная кривизна траектории или безразмерная угловая скорость;

уст - установившаяся угловая скорость, рад/с

Vуст - установившаяся линейная скорость судна, м/с.

12.2. Диаграмма управляемости

В качестве важного критерия управляемости судна на тихой воде используется зависимость относительной кривизны траектории от угла перекладки руля f p при установившейся циркуляции. Графическое изображение

этой зависимости называют диаграммой управляемости. На рисунке 12.1 приведен пример диаграммы управляемости для судна, обладающего собственной устойчивостью на курсе. У такого судна каждому значению угла перекладки руля (на правый или левый борт) соответствует единственное значение относи-

вправо или влево, а точка пересечения кривой с горизонтальной осью указыва-

116

ет требуемое положение руля, при котором обеспечивается прямолинейное движение судна.

На рисунке 12.2 показана диаграмма управляемости судна, не обладающего собственной устойчивостью на курсе. Такое судно имеет свойство вписываться в самопроизвольную циркуляцию при прямом положении руля. Для того, чтобы прекратить самопроизвольную циркуляцию, например, вправо,

необходимо переложить руль влево на угол - л , а для прекращения левой циркуляции необходима перекладка руля вправо на угол + п .

Углы перекладки руля + п , л называются предельными углами обратной поворотливости. При перекладках руля на указанные углы направление поворота меняется на обратное.

Площадь на диаграмме управляемости, ограниченная вертикальными

граммы, называется зоной неустойчивости. В пределах этой зоны каждому углу перекладки руля соответствуют две траектории с кривизной разного знака. По каждой из этих траекторий судно способно совершать устойчивое движение. Каждому углу перекладки в пределах зоны соответствует еще одна траектория, кривизна которой определяется штриховой линией (см. рис. 12.2). Однако движение по этой траектории не является устойчивым. Для его поддержания необходимо непрерывное регулирование за счет перекладок руля.

Изложенное выше показывает, что диаграмма управляемости дает информацию не только о поворотливости, характеризуемой кривизной траектории, но также и об устойчивости на курсе.

Рисунок 12.1 - Диаграмма управляемости судна, обладающего собственной устойчивостью на курсе.

117

тяжести G, и момент боковой силы руля Мр относительно вертикальной оси Z, проходящей через ЦТ.

В первый период после начала циркуляции под влиянием поперечной силы Ррy ЦТ судна приобретает боковое перемещение во внешнюю сторону циркуляции, обратное смещение. Возникает угол дрейфа , а значит и поперечная гидродинамическая сила на корпусе Ry, направленная внутрь циркуляции. Ее точка приложения смещена в нос от ЦБС, положение которого при отсутствии большого дифферента можно считать совпадающим с ЦТ судна. Момент силы Ry – Mr в этом начальном периоде циркуляции имеет тот же знак, что и момент руля Мр, поэтому появляется и начинает быстро возрастать угловая скорость.

Далее, под влиянием поперечной силы Ry, траектория ЦТ начинает постепенно искривляться в сторону перекладки руля, т.е. радиус циркуляции, который вначале стремился к бесконечности, начинает уменьшаться.

Рисунок 12.3 - Силы, действующие на судно с переложенным рулем в начальной стадии циркуляции.

Рисунок 12.4 - Силы, действующие на судно при криволинейном движении на развитой стадии циркуляции.

119

При движении ЦТ по криволинейной траектории с радиусом RG каждая точка по длине судна относительно общего центра циркуляции, О описывает свою траекторию, радиус кривизны которой отличается от RG (рис. 12.4). При этом каждая точка имеет свой угол дрейфа, значение которого возрастает по мере удаления в сторону кормы. Соответственно, в нос от ЦТ углы дрейфа уменьшаются.

Если из центра циркуляции, О опустить перпендикуляр на ДП, то в полученной точке ПП угол дрейфа будет равен нулю. Эта точка носит название центра вращения или полюса поворота (ПП).

У большинства судов ПП располагается вблизи носовой оконечности, на расстоянии 0,4L от мидельшпангоута (ЦТ).

Угол дрейфа на циркуляции равен

где

lПП – расстояние ПП от ЦТ.

Для произвольной по длине судна точки «а» угол дрейфа равен

где la – расстояние точки «а» от ЦТ (в нос +, в корму -).

На носовом участке корпуса от ПП до носового перпендикуляра поток воды набегает на корпус со стороны внутреннего борта, поэтому углы дрейфа на этом участке имеют знак, противоположный углам дрейфа на участке от ПП до кормового перпендикуляра, на котором поток воды набегает со стороны внешнего борта.

Под углом дрейфа на циркуляции подразумевается угол дрейфа ЦТ суд-

на.

На судах, имеющих крутую циркуляцию, угол дрейфа может достигать 20 градусов и более.

При движении судна по криволинейной траектории возникает центробежная сила Рц, приложенная к его центру тяжести и направленная по радиусу циркуляции во внешнюю сторону. Вследствие угла дрейфа эта сила имеет продольную Рцх и поперечную Рцy составляющие.

Из-за лобового сопротивления переложенного руля (сила Ррх) и некоторого увеличения сопротивления корпуса при движении с углом дрейфа линей-

120