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

РАЗДЕЛ 9.

ИНЕРЦИОННО-ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

9.1. Общие сведения об инерционно-тормозных свойствах судна

При управлении судном на акватории портов, рейдов, в узкостях, при расхождении в море с другими судами, а также в аварийных ситуациях возникает необходимость в изменении скорости судна. Изменение скорости судна, обладающего большой массой, происходит главным образом под воздействием двух сил: силы упора движителя и силы сопротивления воды. При этом масса судна при его ускорении или замедлении (положительном или отрицательном) порождает силу инерции, всегда препятствующую изменению скорости движения.

Способность судна изменять скорость своего движения во времени под совместным влиянием перечисленных сил при различных начальных условиях принято называть инерционно-тормозными характеристиками (ИТХ).

9.2. Торможение судна

Под тормозными характеристиками подразумеваются время и путь торможения в зависимости от величины начальной скорости и водоизмещения судна. Торможение бывает пассивным и активным.

Пассивное торможение выполняется при остановленном двигателе, только за счет сопротивления воды движению судна.

Активное торможение обеспечивается за счет реверсирования и создания упора гребного винта на задний ход.

Реверс главного двигателя не может быть выполнен мгновенно, поэтому активному торможению всегда предшествует участок пассивного. Длительность периодов активного и пассивного торможения зависит от типа пропульсивного комплекса двигатель – движитель.

В качестве главных двигателей наиболее часто используют: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), турбозубчатые агрегаты (ТЗА) и гребные электродвигатели (ГЭД). В качестве движителей используются: винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага, которые образуют пропульсивные комплексы: ДВС – ВФШ, ТЗА – ВФШ, ГЭД – ВФШ, а также любой двигатель – ВРШ.

Реверсирование ДВС – ВФШ.

На большинстве теплоходов устанавливаются низкооборотные ДВС, напрямую связанные с гребным валом. Для выполнения реверса сначала закрывается подача топлива на ДВС. Когда обороты снизятся, из пусковых баллонов в цилиндры подается сжатый воздух, который проворачивает двигатель в об-

81

ратном направлении, после этого впрыскивается топливо и происходит запуск двигателя на топливе.

Для этого комплекса характерен замедленный реверс при торможении с полного переднего хода. Это объясняется тем, что давление контрвоздуха обычно недостаточно для преодоления момента, приложенного к винту со стороны набегающего потока воды и работающего в режиме гидротурбины. Для уверенного запуска ДВС необходимо, чтобы обороты винта, вращающегося в режиме гидротурбины, снизились до значения 25 – 35% от оборотов полного переднего хода, что будет соответствовать 60 – 70% снижению скорости судна от полного переднего хода. При этом судно длительное время движется по инерции.

Если же торможение выполняется при пониженной скорости, то реверс выполняется быстро за 10 – 15 с и путь торможения резко сокращается.

Реверсирование ТЗА – ВФШ.

Для реверсирования на турбоходах используется турбина заднего хода, мощность которой составляет примерно 50% от мощности турбины переднего хода. Обе турбины имеют общий вал.

Для выполнения реверса сначала перекрывают пар на турбину переднего хода, затем открывают пар на сопла турбины заднего хода. Поскольку ротор турбины вращается с высокой частотой (несколько тысяч об/мин.), то его остановка с помощью турбины заднего хода не может быть выполнена мгновенно. Тем не менее, реверс турбины с полного переднего хода выполняется быстрее, чем на теплоходах, однако упор винта на задний ход у них невелик. Поэтому при малых скоростях тормозные характеристики турбоходов значительно хуже, чем на теплоходах.

Реверсирование ГЭД – ВФШ.

Существуют различные типы электроприводов на постоянном и переменном токе. Судовые энергетические установки обычно состоят из нескольких дизель – или турбогенераторов, питающие гребные электродвигатели, что позволяет оперативно варьировать мощностями, в зависимости от условий работы судна, например, на многовинтовых ледоколах. Реверсирование электродвигателей осуществляется коммутированием питающего напряжения. Тормозные характеристики электроходов несколько лучше, чем у теплоходов.

Реверсирование ВРШ.

Изменение направления упора ВРШ происходит в результате поворота лопастей гребного винта без изменения направления вращения двигателя и без снижения частоты вращения. Скорость реверсирования ВРШ зависит от скорости срабатывания привода поворота лопастей. Приводы ВРШ позволяют изменить шаг винта с полного переднего на полный задний ход за 5 – 10 с, что обеспечивает резкое уменьшение пути и времени торможения. Суда, оборудованные ВРШ с такими приводами, обладают наилучшими тормозными характеристиками.

В общем случае процесс торможения принято делить на три периода.

82

Первый период – прохождение команды до момента закрытия топлива на ДВС, пара на ТЗА или выключения питания на ГЭД. Он составляет примерно 5- 10 с.

Второй период – пассивное торможение длится с момент прекращения подачи топлива (пара) на двигатель, до момента реверса.

Третий период – активное торможение длится с момента реверса до момента полной остановки судна или снижения скорости до заданного значения.

Полное время Т и полный тормозной путь S определяются, как суммы элементов трех периодов

Т = t1 + t2 + t3

На судах с ВРШ началом третьего периода можно считать момент прохождения лопастями нулевого (нейтрального) положения.

9.3. Вывод расчетных формул для определения инерционнотормозных характеристик судна

Криволинейная траектория, описанная центром тяжести судна в процессе торможения, называется тормозным путем. Кратчайшее расстояние от начала торможения до остановки судна или до заданной скорости называется выбегом.

Если судно в процессе реверса не отклоняется от первоначального курса и на него не действуют аэродинамические и другие силы (длина выбега равна длине тормозного пути), то закон его движения будет описываться первым уравнением системы (8.1), т.е.

где

k – коэффициент присоединенной массы воды при реверсе;

R Va - сопротивление движению судна, Н;

коэффициент пропорциональности;

a - показатель степени, целое или дробное положительное число, который в дальнейшем будем принимать, а = 2;

83

Рср – средний по проделанной работе упор гребного винта

m - масса судна, кг; dVdt - замедление, м/с2

V - скорость судна, м/с t - время, с.

Упор винта на задний ход принимаем постоянной величиной, равной его средней величине по проделанной работе.

Учитывая сказанное, правая часть уравнения ( 9.2 ) примет следующий

вид

где

Рср – среднее значение упора винта на задний ход за время торможе-

ния,

mx 1 k m .

Для приведения уравнения (9.3) к пути торможения S, воспользуемся преобразованием

Разделив обе части выражения (9.4) на коэффициент пропорциональности в формуле сопротивления корпуса судна и интегрируя их по перемен-

ным V и S , получим

Находим интегралы

84

После подстановки значения постоянной интегрирования в выражение (9.5) и решения его относительно S, получим формулу для определения тор-

мозного пути судна при реверсировании от начального значения скорости V0

Когда V = 0, т.е. в случае полной остановки судна, получим

где S - в метрах.

Для определения времени торможения воспользуемся уравнением (9.3), в котором разделим обе части на коэффициент и проинтегрируем его по пе-

ременным V и t

Находим интегралы

85

Полагая, что при V = V0 и t = 0, определим значение постоянной интегрирования «С»

и подставим его в уравнение (9.7). Решая это уравнение относительно t , получим формулу для определения времени торможения от начальной скорости V0 и до ее любого промежуточного значения, т.е.

Из этого выражения видно, что в случае полной остановки судна (V = 0), получим

где t - в секундах.

Процесс пассивного торможения описывается дифференциальным уравнением (9.3), в котором сила упора винта, Рср = 0

86

Время и путь пассивного торможения рассчитываются от начальной

скорости, V0 и до конечной скорости, Vk , которую принимаем равной 0,2V0 ,

или до скорости потери управляемости, что наступит раньше. Решение уравнения (9.11) имеет следующий вид

где коэффициент 1,2 учитывает сопротивление свободно вращающегося гребного винта.

Значение тормозного пути в первом периоде рассчитывается по форму-

ле

9.4. Определение среднего значения упора гребного винта

Среднее значение упора гребного винта на задний ход определим из двух линейных уравнений: уравнения снижения упора гребного винта при реверсе от начального значения скорости V0 до скорости изменения направления

его вращения и уравнения от скорости изменения направления вращения гребного винта до полной остановки судна.

На рисунке 9.1 схематично показано изменение силы упора гребного винта при реверсе двигателя с переднего хода на задний ход. Жирная кривая на этом рисунке характеризует изменение упора по данным измерений с помощью упоромера. Тонкие прямы линии – линейный закон изменения упора гребного винта.

87

Dв - диаметр гребного винта, м.

n1 – частота вращения гребного винта на задний ход, об/с.

Подставляя значения средних величин Рср1 и Рср2 соответственно в формулы (9.7), (9.10) при торможении судна до полной остановки, получим

9.5. Определение коэффициента пропорциональности μ

Коэффициент можно определить следующими, наиболее доступными на практике способами.

а) По графикам зависимости сопротивления корпуса от скорости. Если имеются такие графики, построенные по результатам натурных или модельных испытаний, то задача решается относительно просто. С графика снимают несколько соответствующих значений сопротивления и скорости в процентах от их начальных величин, полагая значение степени а 2. Тогда коэффициентможно определить по формуле

б) По общей формуле сопротивления. В соответствии с теорией подобия сопротивление воды движению судна вычисляется по общей формуле

где

0,0085 0,051Fr 0,1246Fr 2 - коэффициент полного сопротивления, полученный путем аппроксимации кривой полного сопротивления судов;

L - длина судна между перпендикулярами, м;

89

D - водоизмещение судна, т;

В/Т – отношение ширины к средней осадке судна.

Расчет смоченной поверхности подводной части корпуса производится в пределах ожидаемого водоизмещения судна. По результатам расчета строится

графическая зависимость f T , по которой с помощью грузовой шкалы определяется величина смоченной поверхности для любого водоизмещения.

в) По эмпирическим формулам. После обработки и аппроксимации многочисленных результатов натурных и модельных испытаний транспортных судов была получена простая эмпирическая формула

большинство транспортных судов, формула (9.19) дает удовлетворительные результаты.

9.6. Определение коэффициента присоединенной массы, k

Эффект присоединенной массы возникает при поступательном движении твердого тела в жидкости. При разгоне и торможении судна величина присоединенной массы воды оказывается несколько большей, чем при установившемся движении. Это обусловлено тем, что при неустановившемся движении сопротивление корпуса становится несколько больше, чем при установившемся, т.е.

R Rи R ,

90