Морское судно как объект изучения дисциплины

Морское судно - сложное инженерное сооружение

Судно состоит из корпуса и расположенных в нем (или на палубе) судовых технических средств.

Корпус судна - водонепроницаемая конструкция удобообтекаемой формы, внутри которой размещаются дизель, насосы и другие технические средства, служебные помещения (мостик, кладовые, судовая механическая мастерская и др.), а также каюты для экипажа и пассажиров.

Судовое техническое средство - это находящиеся как в внутри корпуса, так и на палубе различные машины и устройства для выработки и преобразо­вания энергии, призванные обеспечить погрузочно-разгрузочные операции, сохранность груза и движение судна с заданными параметрами (направление, скорость, масса груза и др.), а также жизнедеятельность экипажа. Так, на обычном сухогрузе устанавливают не менее 4-х дизелей, десятки различных насосов, электродвигателей, компрессорные установки и др.

К числу наиболее сложных и важных СТС относятся главные и вспомогательные судовые энергетические установки (СЭУ). Первые обеспечивают движение судна (рис.1.1.), вторые - управляемость им. В качестве СЭУ в настоящее время получили дизели.

Любое судовое техническое средство состоит из узлов и деталей.

Деталь - простейшее изделие, которое изготовлено из материала (одно­родного или композитного) без применения сборочных операций. При этом цельность детали обеспечивается только межатомными или межмолекуляр­ными связями. Типичными примерами деталей являются шестерни, валы, болты, гайки, вкладыши подшипников, головки поршней, втулки рабочих цилиндров дизеля и др. В детали следует различать (рис. 1.2):

• рабочие поверхности - без них деталь не может выполнять свое функ­циональное назначение (например, у болта - поверхность резьбы, у шестерни - поверхность зуба и т.п.);

• матрицу (основу) - это собственно материал детали, отделенный от окружающей среды рабочими и вспомогательными поверхностями (на чертежах в сечениях основа штрихуется).

Узел - часть СТС, собранная из достаточно большого количества деталей и выполняющая одну или несколько функций, обеспечивающих работу судового технического средства. Примером узла может служить топливоподкачивающий насос дизельной установки.

В результате использования сборочных операций в отдельных узлах и СТС в целом образуются соединения (сопряжения) деталей (см. рис. 1.2).

Подвижные соединения обеспечивают необходимое для функционирования машины или механизма относительное перемещение деталей по при­легающим поверхностям: поршня и рабочего цилиндра дизеля, вала относительно втулки и т.п. В этом случае . Другим необходимым условием подвижности соединения является существование в нем зазора - гарантированного расстояния между сопрягаемыми поверхностями.

Рис. 1.1. Главный двигатель современного морского судна мод MANB&W K98MC производства фирмы MAN - BURMEISTER&WEIN и его основные элементы. Цили­ндровая мощность - до 5270 кВт, число цилиндров — 6...18, диаметр головки поршня — 980 мм, ход поршня - 2260 мм

Следует отметить, что именно подвижные соединения (на современных судах только к числу наиболее ответственных относятся 2500) являются объектом повышенного внимания судомехаников, т.к. их эксплуатационные повреждения чаще всего являются причиной отказа СТС.

Неподвижные соединения (неразъемные или разъемные) - в них ско­рость относительного перемещения прилегающих друг к другу рабочих поверхностей деталей . Примером неподвижных сопряжений являются: а) крепление гребного винта на конце гребного вала, б) паяные, сварные соединения и др. (рис. 1.2). В подавляющем большинстве неподвижных соединений зазор отсутствует: = 0.

Рис. 1.2. Неподвижные (а, б, в) и подвижные (г) соединения деталей СТС: а-пая­ное (неразъемное); б - заклепочное (неразъемное); в - резьбовое (разъемное); г -"втулка рабочего цилиндра - поршень - поршневое кольцо"

Взаимодействие внешних и внутренних потоков энергии в рейсе

Перевозка грузов и пассажиров морским путем осуществляется в ходе транспортной операции - рейса. Вполне очевидно, что осуществление любо­го рейса требует затрат энергии. На парусных судах для этого используется энергия ветра . На современных судах применяются автономные источники энергии - дизельные, турбинные и атомные установки, являющиеся сердцем судна. Отсюда - исключительно важное значение должности судомеханика .

Таким образом, мореплавание в современных условиях можно рассматри­вать с позиции взаимодействия энергетических потоков, действующих на корпус судна и его СТС: внешних и внутренних.

Внешние потоки энергии, действующие на судно и его СТС

К внешним относятся энергия солнца, ветра и воды (рис. 1.3). При плавании по "тихой воде" (рис. 1.3, а) к числу внешних потоков от­носятся поток химической энергии, вызывающий коррозию корпуса судна и расположенных на палубе СТС, а также т.н. "солнечный ветер" - давление, создаваемое идущим от Солнца потоком плазмы.

Рис. 1.3. Внешние потоки энергии, действующие на судно во время перехода, и де­формация изгиба его корпуса: а — плавание по "тихой" воде (нагрузка на днище рав­номерно рассредоточена); б, в - плавание в штормовых условиях (б - листы палубы сжаты, днища - растянуты; в - листы палубы растянуты, днища - сжаты)

Создаваемое им силовое давление ничтожно мало и не сказывается на скорости судна. Однако нагрев материалов вследствие поглощения электромагнитного излучения – света – нужно учитывать. Например:

магнитного излучения - света - нужно учитывать. Например:

• корпуса морских судов, плавающих преимущественно в районе тропи­ков (круизные пассажирские суда), в целях повышения комфорта для людей, уменьшения расхода энергии на работу холодильных устано­вок) предпочтительнее окрашивать в белый цвет;

• находящиеся на палубе баллоны для газовой сварки обязательно пре­дохраняют от прямых солнечных лучей во избежание их взрыва;

• швартовные канаты из полимерных материалов для уменьшения скоро­сти "старения", ведущего к их охрупчиванию, обязательно должны предохраняться от воздействия прямых солнечных лучей.

Вес судна уравновешивается равномерно распределенной по днищу си­лой Архимеда (т.н. "силой поддержания"), вследствие чего корпус судна практически не испытывает деформаций, а сопротивление воды компенсиру­ется силой упора винта, создаваемой внутренним потоком энергии (см. рис. 1.4). Таким образом, в данной ситуации корпус судна находится в условиях действия статических нагрузок, наиболее благоприятных для его материала.

При плавании в штормовых условиях (рис. 1.3, б, в) к потоку солнеч­ной энергии (а чаще всего - вместо него) добавляются энергетически мощ­ные ветровые и водные потоки переменной интенсивности. Нагрузка на кор­пус судна и его материал приобретает динамический характер, а внутренние потоки энергии в пропульсивном комплексе также становятся неравномер­ными и, в целом, возрастают. Это позволяет за счет увеличения силы упора винта преодолевать ветровую и волновую нагрузку на корпус судна.

Следует отметить, что в штормовых условиях начинаются значительные деформации корпуса судна - знакопеременный изгиб. Действительно, харак­тер нагружения днища меняется. Сила поддержания, удерживающая судно на плаву, становится сосредоточенной и прикладывается к корпусу судна в од­ной или нескольких точках (опорах). Число опор корпуса зависит от соотношения и его положения относительно вершин волн в данный момент времени. Длина же волны значительно отличается при плавании в различных акваториях (табл.1.1).

Наиболее опасными являются волны, равные длине корпуса, для двух стандартных положений: а) вершина волны совпадает с миделем, б) "подош­ва" волны совпадает с миделем - сечением корпуса, находящимся посредине его длины. В этом случае напряжения в материале достигают максимума, и результатом такого воздействия может быть образование значительных де­формаций, трещин в корпусе судна и его разрушение (рис. 1.4).

В заключение следует отметить, что помимо потоков механической энер­гии, течение и воздушный поток (содержит пары морской воды) являются носителями химической энергии - взаимодействуя с корпусом судна и па­лубными СТС, они приводят к их коррозии.

Таблица 1.1. – Основные параметры волн в зависимости от района плавания.

Бассейн	Длина волны L волны, М	Высота волны Нволны, М		Период волнения	Скорость частиц воды на поверхности м/с
Океаны	100…200 и более	6…10 и более	1/15…1/2 0	8…11 и более	2,5…3,0 и более
Средиземное море	75	6	1/12	7
Северное море	45…85	6	1/8…1/14	5,4…7,4	2,5…3,5
Черное море	40…50	5…6	1/8	5,1…5,6	3,1…3,4
Балтийское море	45	5	1/9	5,4	2,9
Финский залив	35	3	1/12	4,7	2,0
Белое море	40	3	1/13	5,1	1,9
Японское море	85	6	1/14	7,4	2,5
Каспийское море	30	2	1/15	4,4	1,5
Примечания: в заливах встречаются волны с параметрами, приведенными для морей. В черном море регистрировались волны длиной 200м и высотой 10…12м.

Рис. 1.4. Поперечная деформация и трещина в корпусе судна как результат действия знакопеременных нагрузок в штормовых условиях плавания

Внутренние потоки энергии на судах

Воздействие внутренних потоков гораздо сложнее и многообразнее. Рас­смотрим его важнейшие моменты применительно к главному двигателю, основным назначением которого является преодоление действия внешних энергетических потоков и обеспечение движения судна (рис. 1.5).

При сгорании топлива в рабочем цилиндре СДВС возникают потоки ме­ханической, тепловой и химической энергии⁶.

Доля механической энергии составляет ~ 50 %. Она обеспечивает движе­ние судна с помощью пропульсивного комплекса, первичным элементом которого является головка поршня дизеля, а конечным - гребной винт (дви­житель). Для этого комплекса характерны:

• так называемая "жесткая" кинематическая связь, предполагающая од­нозначную зависимость между положением каждого ее элемента (де­тали) и временем;

• нахождение всех его деталей в твердом состоянии - т.е. все они име­ют кристаллическое (гораздо реже - аморфное) строение;

• поток механической энергии не сопровождается массопереносом (по­током вещества);

• частичные потери передаваемой механической энергии на деструк­тивные процессы в материале деталей СТС.

Таким образом, процессы передачи механической энергии к движителю следует рассматривать с позиций физики и механики твердого тела.

В отличие от механической, потоки тепловой энергии имеют следующие характерные особенности:

• поток тепловой энергии сопровождается массопереносом;

• вещество находится в жидкой или газообразной фазе;

• положение указанных частиц в заданной точке пространства неопре­деленно и может быть описано только с помощью вероятностного подхода;

• частицы, образующие поток вещества (молекулы, атомы), химически нейтральны и не взаимодействуют с материалом деталей СТС и окру­жающей средой.

Для потока химической энергии⁷ сохраняются, в основном, все признаки теплового (массоперенос, фазовый состав, неопределенность положения в пространстве). Существенное отличие — химическая активность, приводящая в дальнейшем к взаимодействию с материалом деталей (например, коррозия) и окружающей средой (загрязнение воды и воздуха).

Таким образом, процессы в потоках тепловой и химической энергии на судне следует рассматривать с использованием основных положений моле­кулярной физики и термодинамики.

Особо следует выделить ту часть энергетических потоков на судне, объ­ектом воздействия которых является материал деталей СТС:

Рис. 1.5. Внутренние потоки энергии и вещества в главном СДВС и их преобразование (изображены стрелками различной окраски)

• происходящие в них процессы чрезвычайно сложны, связаны с мно­гообразными превращениями энергии (например, механической энер­гии в тепловую при трении, химической - во внутреннюю энергию материала детали и т.п.);

• наблюдается изменение строения и ухудшение свойств материалов, ведущее к повреждению рабочих поверхностей и матрицы деталей.

С учетом сказанного можно сформулировать философию работы основ­ных представителей команды судна:

• судомеханика – создание и управление внутренними потоками энергии: и вещества на судне;

• электромеханика – превращение потока механической энергии в поток электрической , его передачу на расстояние и превращение в потоки других видов энергии: световой для освещения, радиоволн судового радиолокатора, питания приборов рулевой рубки, электродвигателей насосов и др.;

• судоводителя – учет потоков внешней энергии и управление внутренним потоком – упором винта и рулем⁸.

Вполне очевидно, что судоводитель осуществляет финишную работу в транспортной операции. Его действия должны строиться с учетом работы, выполненной другими службами судна. А такой учет возможен лишь в том случае, если капитан не только сам принимает адекватные ситуации решения и понимает действия подчиненных, но и может прогнозировать реакцию на эти действия материала, из которого изготовлены корпус судна и его СТС. Без знания строения и основных свойств материала это невозможно.