Задачник по ТУС

ГЛАВА 8 ХОДКОСТЬ СУДНА

8.1 Понятие ходкости и буксировочного сопротивления

Ходкость – способность судна двигаться с заданной скоростью при минимальных затратах мощности.

Если судно, плавающее на поверхности воды, неподвижно, то в каждой точке его погруженной поверхности действует гидростатическое давление, пропорциональное плотности воды и погружению этой точки под поверхностью воды. Равнодействующая давлений в этом случае сводится к вертикальной силе, равной весу вытесненной судном воды.

При движении судна с постоянной скоростью υ изменяются давления p

по всей смоченной поверхности и, кроме того, появляются касательные напряжения , обусловленные свойством вязкости жидкости. Это приводит к тому, что при движении судна равнодействующая сил, действующих на его погруженную в воду поверхность (смоченную поверхность), не будет вертикальной силой, а будет иметь горизонтальную составляющую, направленную в сторону, противоположную скорости судна. Вертикальная составляющая ∙ уравновешивает вес судна, а горизонтальная представляет силу б, противодействующую движению судна и называемую буксировочным сопротивлением.

8.2 Понятие полного сопротивления, буксировочной мощности и пропульсивного коэффициента

Величина полного сопротивления зависит от размеров судна, формы его корпуса, характера и состояния подводной обшивки, скорости и режима движения. Сила полного сопротивления состоит из сопротивления трения тр, сопротивления формы ф, волнового сопротивления в и воздушного сопротивления возд.

Сопротивление трения тр является результатом того, что вода обладает вязкостью, и частицы воды, непосредственно прилегающие к обшивке судна, как бы прилипают к нему и движутся вместе с ним. По мере удаления от корпуса судна скорость движения частиц воды уменьшается и на некотором расстоянии от него частицы воды остаются в покое. Слой, в котором наблюдаются возмущение частиц воды, называется пограничным слоем, его ширина растет от носа к корме. Трения между частицами воды в пограничном слое и является сопротивлением трения. Сопротивление трения зависит от скорости судна, режима движения, величины смоченной поверхности, шероховатости и выступающих частей этой поверхности.

Сопротивление формы ф возникает вследствие влияния вязкости воды на распределение давлений по поверхности судна. Известно, что по мере приближения к корме давление воды уменьшается. Вместе с увеличением

150

скорости движения частиц это приводит к образованию завихрений. Сопротивление формы зависит от скорости судна и формы его корпуса. За полными обводами возникают большие вихревые зоны, чем за плавными обводами.

Волновое сопротивление в возникает из - за изменения давления вдоль движущегося судна, которое приводит к искривлению свободной поверхности жидкости и возникновению носовой и кормовой систем корабельных волн. Усилие, затраченное судном на генерацию корабельных волн, и есть волновое сопротивление в.

Волновое сопротивление зависит от скорости судна, формы его корпуса, глубины и ширины фарватера. На мелководье и в узких каналах волнообразование значительно увеличивается, что приводит к росту волнового сопротивления.

Так как судно движется не только в водной, но и в воздушной среде то, надводная часть судна испытывает сопротивление воздуха, называемое воздушным сопротивлением возд.

Таки образом, полное сопротивление при движении судна представляется в виде суммы

Если известно полное сопротивление при движении судна с заданной скоростью , то нетрудно определить мощность, которую нужно затратить на передвижение (буксировку) судна с этой скоростью. При этом будет совершаться работа равная ∙ ∙ . Работа, производимая силой в единицу времени, называется буксировочной мощностью

Для того чтобы судно двигалось с постоянной скоростью, его движитель должен непрерывно создавать и поддерживать движущую силу, равную по величине и направленную противоположно силе полного сопротивления. Такая движущая сила, развиваемая движителем, называется упором .

Самым распространенным движителем на транспортных судах является гребной винт.

Мерой совершенства судового движителя является пропульсивный коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение буксировочной мощности б к эффективной мощности e, подведенной к движителю.

Эффективной мощностью e называется мощность, отдаваемая судовому

151

движителю главным двигателем, которая учитывает потери в движителе и передаче (валопроводе, редукторе и муфте).

Повышению ходкости судна способствуют такие мероприятия по снижению полного сопротивления:

-совершенствование формы корпуса;

-применение бульбообразной формы носовой оконечности;

-уменьшение смоченной поверхности крупных судов (за счёт увеличения полноты обводов);

-уменьшение количества выступающих частей судна и придания им обтекаемой формы;

-очистка судового корпуса от обрастания;

-покраска подводной части корпуса самополирующимися красками; оптимизация параметров гребных винтов, их очистка и полировка.

8.3Расчет полного сопротивления

Разделение полного сопротивления воды движению судна на составляющие (8.1), основано на гипотезе о независимости составляющих, т.е. это значит, что весомость жидкости и волновое сопротивление не влияют на сопротивление трения и формы, а вязкость и сопротивление трения и формы не влияют на волновое сопротивление.

Для расчета сопротивления воды используют выражение

где – коэффициент полного сопротивления;– плотность забортной воды, т/м3;– скорость судна, м/с;– смоченная поверхность судна, м2.

Поэтому выражение (8.4) можно представить в виде

где коэффициент полного сопротивления представлен в виде суммы:тр – коэффициент сопротивления трения;

шер – коэффициент шероховатости;в.ч – коэффициент выступающих частей;

ф – коэффициент сопротивления формы;в – коэффициент волнового сопротивления.

Коэффициент трения тр определяется по формуле

152

где 0 – коэффициент сопротивления трения плоской гладкой пластины;

– коэффициент, учитывающий кривизну судовой поверхности. Коэффициент приблизительно составляет при соотношении главных

размерений BL = 10, = 1,02 и при BL = 6, = 1,08. Если соотношение главных

размерений имеет промежуточное значение, тогда коэффициент определяется линейной интерполяцией.

Коэффициент 0 зависит от режима движения жидкости в пограничном

слое. При малых числах Рейнольдса наблюдается ламинарное движение, т.е. слоистое движение, при котором отсутствует перемешивание частиц между слоями жидкости. При больших числах Рейнольдса ламинарное движение теряет устойчивость и переходит в турбулентное, сопровождаемое интенсивным перемешиванием частиц и обменом энергией между слоями жидкости.

При движении судов практически по всей длине обтекание имеет турбулентный характер и величина 0 = (Re), полученная экспериментально,

хорошо аппроксимируется функцией, графики которой показаны на (рис. 8.1)

где Re L – число Рейнольдса;

– длина судна, м;– кинематический коэффициент вязкости, зависит от температуры

забортной воды и определяется по (рис. 8.2).

Рис. 8.1 Кривые для определения сопротивления трения гладкой пластины при турбулентном режиме обтекания

153

Рис. 8.2 Кинематическая вязкость воды: 1) – пресной; 2) – соленой.

Площадь смоченной поверхности судна зависит от коэффициента полноты водоизмещения , и определяется по теоретическому чертежу или приближенным формулам

где – длина судна, м;– осадка судна, м;– ширина судна, м.

Надбавка на шероховатость поверхности, для новых свежеокрашенных корпусов, в зависимости от длины судна определяется по (табл. 8.1).

Таблица 8.1 – Коэффициент шероховатости поверхности судн шера

Значение коэффициента сопротивления выступающих частей, в зависимости от длины судна для одновинтовых судов определяется по (табл.

8.2).

Таблица 8.2 – Значение коэффициента сопротивления выступающих частей в.ч, для одновинтовых судов

Для двухвинтовых судов, в зависимости от количества рулей и коэффициента полноты водоизмещения, значение коэффициента сопротивления выступающих частей определяется по (табл. 8.3).

Таблица 8.3 – Значение коэффициента сопротивления выступающих частей в.ч., для двухвинтовых судов

н – площадь проекции надводной части корпуса судна и его надстроек на плоскость мидель-шпангоута, м2.

Более точно воздушное сопротивление определяют, используя результаты продувок в аэродинамической трубе моделей надводных частей корпусов судов.

8.4 Приближенный способ адмиралтейских коэффициентов для оценки буксировочной мощности

Наиболее простым способом оценки буксировочной мощности судна, связанной с полным сопротивлением, является способ адмиралтейских коэффициентов, согласно которому буксировочная мощность определяется формулой

где – весовое водоизмещение судна, т;– скорость судна, уз;а – адмиралтейский коэффициент.

B практике эксплуатации флота этот способ часто применяют для пересчета буксировочной мощности или мощности главных двигателей при изменении осадки. При этом используется условие постоянства адмиралтейского коэффициента c изменением осадки в пределах 10 %:

где индекс 1 относится к известному состоянию судна, a индекс 2 – к изучаемому.

8.5 Приближенный способ расчета буксировочной мощности по методу Будницкого Ю. А

Простой способ расчета буксировочной мощности предложен Ю. А. Будницким. Способ основан на обработке материалов модельных и натурных испытаний, выполненных в опытовых бассейнах и на натурных судах ряда государств.

157

где 0 – определяется по графику базового судна (рис. 8.4), имеющего = 0,55,

∆ и эксплуатационной скорости ;– коэффициент, определяемый по графику (рис. 8.5), в зависимости от

числа Фруда и относительной длины ;– коэффициент, определяемый по графику (рис. 8.6), в зависимости от

и параметра 0,8 ∙ 1/8 ∙ .

, т

Рис. 8.4 Буксировочная мощность базового судна

158

Рис. 8.5 Зависимость коэффициента от и

Рис. 8.6 Зависимость коэффициента от и параметра 0,8 ∙ 1/8 ∙

159