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

ная скорость V постепенно уменьшается, стремясь к некоторому установившемуся значению Vуст.

Чем больше кривизна траектории, тем больше снижается скорость на циркуляции. На крупнотоннажных судах во время циркуляции с рулем на борту скорость может снижаться на 1/3 при повороте на 90 градусов и вдвое при повороте на 180 градусов.

Типичная циркуляция судна с переложенным на борт рулем показана на рисунке 12.5.

Геометрические элементы циркуляции следующие:

выдвиг l1 - расстояние, на которое смещается ЦТ судна в направлении первоначального курса от начальной точки циркуляции до точки, соответствующей изменению курса на 90 градусов;

прямое смещение l2 - расстояние от линии первоначального курса по нормали до ЦТ судна к моменту изменения курса на 90 градусов;

обратное смещение l3 - максимальное смещение ЦТ судна от линии первоначального курса в сторону, обратную направлению поворота, происходящее в начале циркуляции под влиянием боковой силы руля, вызывающей дрейф судна (обратное смещение обычно не превышает ширину судна, а на некоторых судах и вовсе не наблюдается);

тактический диаметр циркуляции Dт - расстояние между положе-

ниями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180 градусов;

диаметр установившейся циркуляции Dуст – расстояние между по-

ложениями ДП судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180 градусов при установившемся движении.

Условно можно считать, что после поворота на 180 градусов от начального курса движение приобретает установившейся характер, а траектория принимает форму окружности.

Поскольку при выполнении практических маневров обычно не изменяют курс более, чем на 180 градусов, то можно считать, что все маневры выполняются при неустановившемся движении.

Основные элементы циркуляции, выраженные в длинах корпуса, выдвиг, прямое смещение, тактический диаметр и диаметр установившейся циркуляции для одновинтовых судов можно приближенно определить по эмпирическим формулам, которые приведены с указанием среднеквадратических отклонений (в процентах),

121

Пользуясь фактором корпуса и руля Ф, можно также определить относительную скорость судна на установившейся циркуляции.

Приведенные формулы дают средние значения элементов циркуляции без учета несимметричности траекторий при поворотах вправо и влево, иногда наблюдаемых на одновинтовых судах. Несимметричность траекторий возникает также при крене. Поворотливость ухудшается в сторону накрененного борта и улучшается в сторону повышенного борта.

Рисунок 12.5 – Элементы циркуляции

122

12.4. Влияние параметров корпуса и руля на управляемость судна

На управляемость судна оказывают влияние параметры корпуса, к которым относятся: отношение длины к ширине, L|B, коэффициент общей полноты,

, дифферент, а также форма кормовой оконечности, характеризуемая площадью кормового подзора (площадь подреза кормы) fк.

Площадь fк ограничивается кормовым перпендикуляром, линией киля (базовой линией) и контуром кормы. В качестве критерия подреза кормы мож-

но использовать коэффициент к :

где

d – средняя осадка, м.

Параметр k является коэффициентом полноты площади ДП.

К параметрам руля, влияющим на управляемость, относится его площадь,форма и место размещения.

Форма руля характеризуется его относительным удлинением, определяемым по формуле

где

h – высота руля по балеру, м; S p - площадь пера руля, м. кв.

Влияние отношения L|B. Увеличение этого отношения приводит к росту сопротивления поперечному перемещению (росту поперечной гидродинамической силы Ry), что приводит к уменьшению угла дрейфа на циркуляции и, следовательно, к сохранению высокой линейной скорости, т.к. лобовое сопротивление при малых углах дрейфа возрастает незначительно. Кроме того, возрастает демпфирующее влияние гидродинамического момента, MR , входящего в третье уравнение системы, что приводит к уменьшению угловой скорости (скорости изменения курса). Таким образом, суда с большим отношением L|B обладают худшей поворотливостью и лучшей устойчивостью на курсе.

Влияние коэффициента полноты . Увеличение этого коэффициента приводит к уменьшению силы Ry и уменьшению демпфирующего момента MR, а следовательно, к улучшению поворотливости и ухудшению устойчивости на курсе.

123

Влияние дифферента. Увеличение дифферента на корму приводит к смещению центра боковой силы (ЦБС) от миделя в сторону кормы, поэтому возрастает устойчивость на курсе и ухудшается поворотливость. С другой стороны, дифферент на нос резко ухудшает устойчивость на курсе – судно становится рыскливым, что усложняет маневрирование.

Влияние коэффициента к . Суда с большим коэффициентом к (малая площадь кормового подреза fк) обладают худшей поворотливостью и лучшей устойчивостью на курсе.

Влияние площади руля Sр. Увеличение Sр увеличивает поперечную силу руля Ррy, одновременно возрастает и демпфирующее действие руля. Практически получается, что увеличение площади руля приводит к улучшению поворотливости лишь при больших углах перекладки.

Влияние относительного удлинения руля р . Увеличение р при

неизменной его площади Sр приводит к возрастанию поперечной силы руля, что несколько улучшает поворотливость.

Влияние места расположения руля. Если руль расположен в винтовой струе, то скорость натекания воды на руль возрастает за счет дополнительной скорости потока, вызванной винтом, что обеспечивает значительное улучшение поворотливости. Этот эффект особенно проявляется на одновинтовых судах в режиме разгона, а по мере приближения скорости к установившемуся значению эффект заметно уменьшается.

На двухвинтовых судах руль, расположенный в ДП, обладает относительно малой эффективностью. Если же на таких судах установлены два руля за каждым из винтов, то поворотливость резко возрастает.

12.5. Совместное влияние сил гребного винта и руля при маневрировании

Вращающийся гребной винт на движущемся судне совершает одновременно поступательное движение со скоростью судна относительно невозмущенной среды, Vs, и вращательное движение с угловой скоростью (n-частота вращения винта, об/с).

При вращении винта условия работы каждой лопасти периодически изменяются. Это связано с близостью поверхности воды при прохождении лопастью верхнего положения, а также с попутным потоком воды, увлекаемым корпусом. Так как корпус в своей верхней кормовой части имеет более полные обводы, то и скорость попутного потока в верхней части больше, чем в нижней. Кроме того, струя, отбрасываемая винтом, за счет его вращения закручивается, при этом тангенциальные скорости закрученной струи в верхней части меньше, чем в нижней. При вращении винта на передний ход такая струя взаимодействует с рулем, а при вращении назад – с кормовой частью корпуса.

124

Перечисленные условия приводят к тому, что при работе винта, помимо полезной силы упора, возникают не скомпенсированные поперечные силы, влияющие на управляемость одновинтового судна (на двухвинтовом судне винты, как правило, вращаются в разные стороны, поэтому возникающие поперечные силы при синхронной работе винтов взаимно компенсируются).

Поперечные силы, обусловленные работой винта, подразделяются на силы, связанные с попутным потоком воды; силы реакции воды на винт; силы струи от винта, набрасываемой на руль или на корпус.

Основные закономерности работы гребного винта можно объяснить, если рассмотреть движение лопасти, показанной на рисунке 12.6 (площадь сечения заштрихована). Этот элемент расположен на радиусе r от оси вращения.

Скорость поступательного движения элемента (аксиальная скорость) равна скорости судна относительно невозмущенной воды - Vs, а окружная (тан-

генциальная) скорость элемента, равна r 2 nr . Абсолютная скорость элемента относительно невозмущенной воды равна геометрической сумме аксиальной и окружной скоростей. Элемент лопасти можно рассматривать как кры-

ло, движущееся в воде с углом атаки o . При этом на нем возникает элементарная гидродинамическая сила dP, пропорциональная углу атаки.

Аксиальная составляющая этой силы dPx является силой упора элемента, а поперечная составляющая dPy – лобовым сопротивлением. Произведение лобового сопротивления на радиус дает момент dM относительно оси вращения винта.

Если проинтегрировать dPx и dM по длине лопасти и умножить на число лопастей, то получится сила упора Р, обеспечивающая поступательное движение судна, и момент на валу М, преодолеваемый двигателем. В реальных условиях за корпусом судна, движущегося со скоростью Vs, возникает попутный поток, средняя скорость которого V . Из-за попутного потока фактическая аксиальная скорость винта относительно воды оказывается меньше Vs на величину V , т.е.

Vp Vs V

При этом очевидно (см. рис. 12.6), что действительный угол атаки д больше, чем угол атаки относительно невозмущенной воды о . При возраста-

нии угла атаки от о до д сила dP также увеличивается, а это приводит к увеличению силы лобового сопротивления dPy.

125

зультирующая сила набрасывания воды будет стремиться сместить корму влево.

При вращении винта назад закрученный поток воды набрасывается на кормовую часть судна. Закрученный против часовой стрелки поток воды с правого борта создает повышенное давление воды, а с левого борта – пониженное. Сила набрасывания потока воды стремится развернуть корму в сторону левого борта.

Поведение судна в каждый момент времени будет определяться суммарным воздействием всех перечисленных сил, а также моментом гидродинамической силы на корпусе, обусловленной углом дрейфа.

Если на остановленном или движущемся назад судне дать передний ход, то после перекладки руля оно обычно хорошо разворачивается в любую сторону.

Следует учитывать, что поведение судна может резко измениться под воздействием ветра.

Вопросы для самопроверки

1.Общие сведения об управляемости. Влияние скорости судна на его управляемость.

2.Устойчивость судна на курсе. Виды устойчивости

3.Критерий оценки эксплуатационной устойчивости судна на курсе, Q.

4.Радиус циркуляции и кривизна траектории в безразмерном виде.

5.Диаграмма управляемости судна, обладающего собственной устойчивостью на курсе и не обладающего собственной устойчивостью на курсе.

6.Силы, действующие на судно при криволинейном движении на развитой стадии циркуляции.

7.Угол дрейфа на циркуляции и его положение на судне.

8.Эмпирические формулы для расчета элементов циркуляции одновинтового судна.

9.Влияние L|B на управляемость судна.

10.Влияние коэффициента полноты на управляемость судна.

11.Влияние дифферента на управляемость судна.

12.Влияние площади руля на управляемость судна.

13.Влияние относительного удлинения руля на управляемость судна.

14.Влияние места расположения руля на управляемость судна. 15.Совместное влияние сил гребного винта и руля при маневрировании.

127

РАЗДЕЛ 13.

ВЛИЯНИЕ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ СУДНА

13.1. Аэродинамические и гидродинамические силы, действующие на судно

Сила ветра оценивается в баллах двенадцатибальной шкалы, помещенной в мореходных таблицах (МТ). Для каждого значения силы ветра, выраженной в баллах, в таблице приведены средние значения, а также нижние и верхние пределы скорости ветра, выраженные в м/с, км/час и в узлах. В таблице приведены также средние значения давления ветра на нормальную к ветру поверхность, выраженные в кгс/м2.

В судовых условиях скорость ветра измеряется анемометром над верхним мостиком. При этом измеряется кажущаяся скорость ветра W, вектор которой представляет собой разность двух векторов: вектора истинного ветра Wи и вектора скорости судна V. На неподвижном судне W = Wи.

Вектор кажущегося ветра характеризуется также курсовым углом qw, т.е. углом между носовой частью диаметральной плоскости и кажущимся направлением ветра (за направление ветра принимается его направление в компас).

Курсовые углы ветра измеряются от 0 до 180 градусов вправо и влево от ДП. Равнодействующая сил давления ветра на надводную часть – аэродинамическая сила, А – из-за вытянутой формы надводной части судна (форма крыла), не совпадает с направлением кажущегося ветра, а отклоняется в сторону траверза.

Под аэродинамическими силами и моментами понимают силы и моменты, обусловленные перемещением судна относительно воздуха и приложенные к надводной части корпуса судна. При наличии ветра они могут достигать значительных величин. Аэродинамические силы и моменты зависят от скорости ветра, скорости судна, площади и конфигурации надстроек, расположения и габаритов палубного груза, а также от угла между направлением ветрового потока и диаметральной плоскостью судна.

Под истинным ветром понимают направление и скорость ветра в координатах, связанных с Землей. Кажущиеся направление и скорость ветра связаны с координатами на движущемся судне. Только кажущийся ветер определяет силы, действующие на судно. Его характеризуют значением скорости, W и величиной курсового угла, qw (см. рис.13.1). При этом на надводной части корпуса возникает аэродинамическая сила Rа, продольная составляющая которой Rах представляет собой силу лобового сопротивления, а поперечная сила Rау вызывает боковое смещение (дрейф) судна от воздействия ветра.

Относительное смещение аэродинамической силы от мидельшпангоута (плечо аэродинамической силы в длинах корпуса) можно определить по формуле Федяевского

128

где

L - длина судна между перпендикулярами, м;

цп -отстояние центра парусности (ЦП) от мидельшпангоута, м; qwo - курсовой угол кажущегося ветра, градусы.

Рисунок 13.1 - Действие на судно кажущегося ветра

В формуле (13.1) плечо аэродинамической силы имеет знак «+», если ЦП смещен в нос от миделя и знак минус при его смещении в сторону кормы.

Расположение ЦП по длине судна зависит от размеров и расположения надстроек, дифферента судна и его осадки. Эти данные рассчитываются при постройке судна и обычно заносятся в судовые документы или выдаются заводом по запросу.

Таким образом, на судно действует аэродинамическая сила, момент которой, Mа = Rау a стремится развернуть судно относительно вертикальной оси лагом к ветру. Поперечная составляющая Rау вызывает боковое смещение со скоростью Vа. Из-за этого возникает угол дрейфа, «а» (см. рисунок 13.2), а движение судна относительно воды происходит по равнодействующей скорости V.

Рисунок 13.2. Действие на судно кажущегося ветра при различных курсовых углах, А) при носовых курсовых углах; Б) при кормовых курсовых углах

129

С появлением угла дрейфа, на корпусе судна возникает гидродинамическая сила Rг , поперечная составляющая которой Rгу создает момент Мг . Действие этого момента направлено в сторону, противоположную моменту аэродинамической силы. Точка приложения гидродинамической силы (силы реакции воды) носит название центра бокового сопротивления (ЦБС). Приближенно считают, что ЦБС совпадает с центром площади погруженной части судна на ДП, а по длине судна совпадает с ЦТ. При наличии у судна дифферента, отстояние ЦБС от мидельшпангоута, при угле дрейфа, равном 90 градусам, можно рассчитать по формуле,

гдецбс - расстояние ЦБС от мидельшпангоута, выраженное в долях дли-

ны судна;

d í - осадка носа, м; d ê - осадка кормы, м.

При смещении ЦБС в корму будет знак «+», а при смещении в нос -

знак << - >>.

Если угол дрейфа не равен 90 градусам, то точка приложения гидродинамической силы смещается по ДП в направлении движения, т.е. навстречу набегающему потоку воды. Если угол дрейфа меньше 900, то точка приложения смещается от ЦБС в сторону носа, а при угле дрейфа более 900 – в сторону кормы.

Для удержания судна на курсе необходимо переложить руль, так чтобы компенсировать разность моментов аэродинамической и гидродинамической сил, т.е.

Когда это условие не выполняется, то наступает потеря управляемости. Плечо гидродинамической силы в безразмерном виде (в длинах корпуса судна) можно рассчитать по формуле

где бс - отстояние центра бокового сопротивления (ЦБС) от мидельшпангоута.

130