Коэффициенты полноты
Коэффициент полноты конструктивной ватерлинии α - отношение площади КВЛ к площади прямоугольника, стороны которого равны L и В. Чем меньше этот коэффициент, тем острее ватерлиния. Обычно суда с большим L/В (длинные узкие суда) имеют большие коэффициенты полноты КВЛ, чем короткие широкие суда. Коэффициент полноты мидель-шпангоута β - отношение погруженной площади мидпь-шпангоута к площади прямоугольника со сторонами В и Т. На него существенное влияние оказывает форма шпангоутов, а также подъем и радиус скулы. Чем больше подъем и радиус скулы (например, у малых рыболовных судов, буксиров и ледоколов), тем меньше коэффициент полноты мидель-шпангоута. Коэффициент общей полноты δ - отношение объема подводной части судна к объему тела со сторонами L х В х Т. Этот коэффициент до некоторой степени характеризует форму судна в отношении остроты и оказывает существенное влияние на водоизмещение (грузоподъемность); с другой стороны, с ростом δ увеличивается сопротивление судна. Напротив, судно при заданном водоизмещении с уменьшением коэффициента полноты становится длиннее, не становясь при этом тяжелее, так как потребная мощность двигателя при заданной скорости уменьшается, вследствие чего потребность в топливе становится меньше. Такое судно будет более рентабельным еще и потому, что оно длиннее и, следовательно, может иметь больше трюмов.
|
|
Коэффициенты полноты ватерлинии и общей полноты. 1 - площадь КВЛ, В - ширина судна, КВЛ - конструктивная ватерлиния, L - длинна судна, T - осадка судна |
Коэффициенты полноты мидель-шпангоута и продольной полноты. 1 - подъем скулы, 2 - площадь мидель-шпангоута, 3 - радиус закругления скулы, В - ширина судна, L - длинна судна, Т - осадка судна |
Коэффициент продольной полноты φ - отношение водоизмещения к объему тела, основанием которого служит площадь мидель-шпангоута, а высотой - длина судна. Этот коэффициент всегда немного больше, чем коэффициент общей полноты, и лучше характеризует остроту оконечностей судна. Большой коэффициент полноты мидель-шпангоута означает полные оконечности судна, небольшой - напротив, узкие. Однако при сравнении двух судов всегда нужно учитывать отношение L/В. При больших L/В (длинные узкие суда) коэффициенты полноты мидель-шпангоута или общей полноты могут быть больше, чем при малом L/В (короткие широкие суда); при этом обводы не становятся полнее.
Указанные выше коэффициенты полноты взаимосвязаны, поэтому их нельзя выбирать произвольно. Перечисленные характеристики формы (относительные величины и коэффициенты полноты) во многом определяют поведение судна в море, сопротивление движению и рентабельность судов и, кроме того, взаимно влияют друг на друга.
Сопротивление движению - число Фруда
При движении у носа и кормы судна создаются волны, которые с увеличением скорости становятся больше. Это объясняется тем, что с увеличением скорости движения в кормовой части судна возникает значительное разрежение, а в носовой - зона повышенного давления. Энергия, израсходованная на образование волн, является волновым сопротивлением, величина которого определяется скоростью и длиной судна. Характеристикой волнового сопротивления судна является отношение скорости к длине, называемое числом Фруда:
Fr = v / √gL
Эта характеристика позволяет сравнивать суда различных размеров, что дает возможность определить сопротивление и тем самым мощность двигателя для строящегося судна с помощью буксировочных испытаний моделей. Скорости судна и модели соотносятся как квадратные корни из их линейных размерений:
v судна |
= |
v модели |
= Fr |
−−−−−−−− |
−−−−−−−−− |
||
√gLсудна |
√gLмодели |
Это означает, например, что строящемуся судну длиной 130 м, шириной 14 м с осадкой 6,6 м, с водоизмещением 5900 т и скоростью 25 уз (12,86 м/с) соответствует скорость модели 2,572 м/с при длине ее 5,2 м. При этой скорости у модели возникает волнообразование, которое геометрически подобно волнообразованию натурного судна. Измеренное при этом сопротивление содержит, однако, не только волновое сопротивление, но и еще один компонент - сопротивление трения, которое возникает вследствие тормозящего действия воды, протекающей мимо корпуса. Сопротивление трения зависит от площади смоченной поверхности корпуса, от ее качества (степени шероховатости) и от скорости. Его можно рассчитать с достаточной точностью по опытным данным как для модели, так и для судна. Если полное сопротивление модели уменьшить на расчетный коэффициент трения, получится волновое сопротивление модели. При пересчете действует положение, что волновые сопротивления двух геометрических подобных тел - судна и модели - соотносятся как их водоизмещения. Но это простое соотношение справедливо только тогда, когда судно и модель движутся со сравнимыми скоростями, так что возникают геометрически подобные волнообразования. Если к волновому сопротивлению (определенному опытами на модели) прибавить расчетное сопротивление трения, получится полное сопротивление судна. В нашем примере при модельных испытаниях было определено волновое сопротивление в 0,31 МН и путем расчета - сопротивление трения в 0,35 МН. Полное сопротивление судна составляет, таким образом, 0,66 МН. Разумеется, при окончательном определении потребной мощности двигателей нужно учитывать также воздушное и вихревое сопротивления.
Доля волнового сопротивления и сопротивления трения в полном сопротивлении зависит от формы судна и его скорости. У больших тихоходных судов волновое сопротивление составляет примерно 20%, а у очень быстроходных - до 70% полного сопротивления. Составляющие нагрузки судна
Водоизмещение судна - это масса объема воды в тоннах, вытесненная корпусом до допустимой грузовой ватерлинии, которая по закону Архимеда равна массе судна. Масса судна складывается из собственной массы судна и его грузоподъемности (массы полезного груза).
В собственную массу судна порожнем входят:
- корпус судна, оборудованный инвентарем и запасными частями; готовая к эксплуатации энергетическая установка с инвентарем и запасными частями; вода в котлах, трубопроводах, насосах, конденсаторах, охладителях;
- топливо во всех эксплуатационных трубопроводах;
- углекислота и рассол или другие эксплуатационные материалы в холодильных установках и противопожарных системах;
- остаточная вода в льялах и цистернах, которая не может быть удалена насосами, а также сточные воды и влага.
Грузоподъемность в тоннах с объемом трюмов и эксплуатационной скоростью - важнейшая экономическая характеристика судна; она должна гарантироваться верфью, так как занижение ее наказывается договорными штрафами. Валовая грузоподъемность - дедвейт судна - включает все массы, которые не относятся к водоизмещению судна порожнем, такие как:
- полезный груз (включая почту);
- экипаж и пассажиры с багажом;
- все эксплуатационные материалы (запасы топлива, смазочные материалы, масла, котельная питательная вода) в цистернах для запасов;
- судовые запасы, такие как краски, керосин, дерево, смола, канаты;
- запасы для экипажа и пассажиров (питьевая вода, вода для мытья и провизия);
- оборудование для крепления грузов, такое как деревянные упоры, брезенты и мачты, продольные полупереборки для сыпучих грузов;
-специальное оборудование у особых типов судов, например промысловое оборудование (сети, тросы, тралы).
Между важнейшими составляющими нагрузки существуют определенные соотношения, которые влияют также на экономичность судов. Отношение водоизмещения судна порожнем к водоизмещению в полном грузу зависит главным образом от типа судна, района плавания, скорости судна и от конструкции корпуса. Так, например, водоизмещение грузового судна порожнем с нормальной эксплуатационной скоростью (14—16 уз) без ледовых подкреплений составляет примерно 25% водоизмещения в полном грузу. У ледокола, который должен иметь мощные двигатели и особо усиленный корпус, водоизмещение порожнем составляет примерно 75% полного водоизмещения. Если грузовое судно имеет полное водоизмещение 10 тыс. т, то водоизмещение порожнем составляет примерно 2,5 тыс. т, а его дедвейт примерно 7,5 тыс. т, в то время как большой ледокол такого же водоизмещения имеет водоизмещение порожнем примерно 7,5 тыс. т и дедвейт 2,5 тыс. т.
Отношение массы энергетической установки к полному водоизмещению определяется скоростью судна, типом двигателя (дизельная, паротурбинная, дизель-электрическая установка и т. д.), а также типом судна. Повышение скорости судна при одинаковом типе установки всегда ведет к увеличению мощности двигателя и, следовательно, к увеличению названных отношений.
У судов с дизельной установкой масса двигателя больше, чем у судов с установками других типов. Поскольку к энергетической установке относятся также вспомогательные механизмы для производства электрической энергии и силовые установки холодильников, то масса энергетических установок пассажирских, рефрижераторных и промысловых судов больше, чем масса установок обычных грузовых судов такого же водоизмещения. Так, масса энергетической установки грузовых судов составляет 5—10%, пассажирских судов - 10—15%, рыболовных судов 15—20%, а буксиров и ледоколов, как правило, даже 20—30% полного водоизмещения.
Отношение массы корпуса судна к водоизмещению определяется массой голого корпуса судна и массой его оборудования. Все эти массы зависят от типа судна и, следовательно, от его назначения. На массу корпуса судна влияют не только его главные размерения и их соотношения, но и объем надстроек и ледовых подкреплений. Существенную роль играет также система набора и применение конструкционных сталей высокой прочности, особенно для судов длиной более 160 м.
Масса оборудования зависит от назначения судна; например, у пассажирских судов из-за пассажирских кают, общественных, хозяйственных помещений и др. или у рыболовных судов (промысловых и обрабатывающих) из-за кают для экипажа, машин для переработки рыбы и оборудования холодильников она существенно больше, чем у обычных грузовых судов и танкеров.
Отношение дедвейта к полному водоизмещению (коэффициент использования водоизмещения по дедвейту) лучше всего характеризует экономичность грузовых судов (если не говорить о скорости судна). У буксиров и ледоколов дедвейт определяет в первую очередь дальность плавания (длительность рейса), так как у судов этих типов дедвейт расходуется главным образом на топливные материалы и запасы.
Самый большой коэффициент использования водоизмещения по дедвейту имеют грузовые суда и танкеры (от 60 до 70%), самый маленький - буксиры и ледоколы (от 10 до 30%).