3. Влияние крена, дифферента и внешних факторов на ходкость судна.

Способность судна двигаться в окружающей среде с заданной скоростью при определенной мощности главных двигателей и соответствующем движителе называется ходкостью. Судно движется на границе двух сред — воды и воздуха. Поскольку плотность воды примерно в 800 раз больше плотности воздуха, то и сопротивление воды значительно больше воздушного сопротивления.

Сила сопротивления воды состоит из сопротивления трения, сопротивления формы, волнового сопротивления и сопротивления выступающих частей.

Вследствие вязкости воды между корпусом судна и ближайшими к корпусу слоями воды возникают силы трения, на преодоление которых затрачивается часть мощности главного двигателя. Равнодействующая этих сил называетсясопротивлением трения R_T. Сопротивление трения зависит также от скорости, от смоченной поверхности корпуса судна и от степени шероховатости. На величину шероховатости влияет качество окраски, а также обрастание подводной части корпуса морскими организмами. Чтобы сопротивление трения по этой причине не увеличилось, судно подвергают периодическому докованию и очистке подводной части. Сопротивление трения определяют расчетным путем.

При обтекании корпуса судна вязкой жидкостью происходит перераспределение гидродинамических давлений по его длине. Равнодействующая этих давлений, направленная против движения судна, называется сопротивлением формы R_Ф. Сопротивление формы зависит от скорости судна и от его формы. При плохо обтекаемой форме в кормовой части судна образуются вихри, что приводит к понижению давления в этом районе и увеличению сопротивления формы судна.Волновое сопротивление R_В возникает из-за образования волн в зонах повышенного и пониженного давления при движении судна. На волнообразование также расходуется часть энергии главного двигателя. Волновое сопротивление зависит от скорости судна, формы его корпуса, а также от глубины и ширины фарватера. Сопротивление выступающих частей R_ВЧ зависит от сопротивления трения и от формы выступающих частей (рулей, скуловых килей, кронштейнов гребных валов и пр.). Сопротивление формы и волновое объединяются в остаточное сопротивление,которое можно рассчитать только приближенно. Для точного определения величины остаточного сопротивления проводят испытания моделей судов в опытовом бассейне.

Воздушное сопротивление R_ВОЗД движению судна можно найти путем продувки надводной части модели в аэродинамической трубе.

Таким образом, полное сопротивление движению судна определяется как сумма отдельных составляющих

R= R_Ф + R_T + R_В + R_ВЧ + R_ВОЗД

Это сопротивление называют буксировочным, так как оно равно усилию в тросе, возникающему при буксировке судна. Мощность, необходимая для буксировки судна со скоростью v, называется буксировочной мощностью (кВт или л. с):

EPS = Rv / 102 или EPS = Rv / 75,

где R — полное сопротивление, Н или кГс; v — скорость судна м/с.

Мощность на фланце главного двигателя больше буксировочной, так как при ее определении необходимо учитывать пропульсивный коэффициент η (η=η_Pη_K, где η_P — коэффициент полезного действия движителя, а η_K — коэффициент влияния корпуса), КПД редуктора η_РЕД, КПД валопровода η_В (опорных и упорных подшипников) или других специальных передач:

N_e=EPS / η η_РЕД η_В

Следует отметить, что скорость судна на волнении уменьшается. Поэтому на некоторых судах мощность двигателя увеличивают с целью получения заданной скорости на определенном волнении

3. Плавучесть судна. Условия плавучести. Уравнения равновесия судна. Требования Регистра.

Плавучестью называют способность судна плавать по определенную осадку при заданном количестве находящихся на нем грузов.

На плавающее судно (рис. 1) вертикально вниз действуют силы веса (тяжести), пропорциональные нагрузке масс судна, а вертикально вверх —силы гидростатические, пропорциональные массе вытесненной воды. Результирующая сил веса Р равна сумме сил веса (тяжести) самого судна и всех грузов, находящихся на нем, приложена в центре тяжести (ЦТ) судна в точке G и всегда направлена вертикально вниз. Результирующая гидростатических сил, определяемых давлением воды на поверхность судна, приводится к вертикальной силе yV, направленной вверх и называемой силой поддержания, или силой плавучести. Согласно закону Архимеда, вес, или водоизмещение (масса), плавающего тела равны весу или массе вытесненной им воды: P=yV или D = ρV, где V —объем подводной части судна, м³; у — удельный вес воды, н/м³ или тс/м³; D — масса судна, т; ρ — плотность воды, т/м³; P— вес судна в целом, кН или тс.

 

 

Рис. 1. Схема сил, действующих на судно.

 

Cила поддержания yV приложена в центре тяжести подводного объема — точке С, которую называют центром величины (ЦВ). Объем V называется объемным водоизмещением и служит мерой плавучести.

Следует различать понятия веса и массы судна. Масса выражает инерционные и гравитационные свойства судна, является скалярной величиной и измеряется в тоннах (т). Вес судна является векторной величиной и измеряется в килоньютонах (кН) или тонна-силах (тс). Масса судна в тоннах численно равна его весу в тонна-силах.

Так как под действием сил Р и yV судно находится в равновесии, то необходимо, чтобы эти силы были равны и действовали по одной прямой в противоположные стороны. Если обозначить координаты точекG и С по длине, ширине и высоте судна соответственно х_g и х_c, y_g и у_с, z_g и z_c, то условия равновесия плавающего судна можно выразить следующими уравнениями: P=yV или D = ρV; x_g=x_c; y_g = y_c. Так как судно симметрично ДП, то точки G и С должны лежать в этой плоскости, т. е. у_g=y_c=0. У наводных судов центр тяжести G лежит выше центра величины С, т. е. z_g>z_c.

Так как объем подводной части корпуса можно выразить через главные размерения и коэффициент общей полноты, т. е. V=δLBT, то водоизмещение (массу) судна можно представить в виде D=ρδLBT.

Водоизмещение D (нагрузка масс) и координаты центра тяжести (центра масс) определяются расчетом, учитывающим массу и местоположение отдельных составляющих 

Объемное водоизмещение, а также координаты центра величины С определяют по теоретическому чертежу методом трапеций в табличной форме. Вычисления начинают с определения площади шпангоутов. С этой целью площадь каждого шпангоута разбивают следами ватерлиний на n-е число участков, и криволинейные кромки заменяют прямыми (рис. 2). Расчеты будут тем точнее, чем большее число ватерлинии проведено. Площадь шпангоута определяется как удвоенная сумма площадей трапеций, вписанных в этот шпангоут. Далее на прямой в определенном масштабе отмечают теоретические шпангоуты, восстанавливают перпендикуляры и на них также в масштабе отмечают соответствующие площади шпангоутов. Полученные точки соединяют плавной линией, которая характеризует изменение площади поперечного сечения судна по длине и называется строевой по шпангоутам (рис. 3). Если найти площадь фигуры, ограниченной строевой по шпангоутам, то она с учетом масштаба будет равна объемному водоизмещению судна. Площадь строевой по шпангоутам определяется так же, как и площадь шпангоутов.

Рис.  Строевая по шпангоутам.

 Объемное водоизмещение можно определить, пользуясь строевой по ватерлиниям, представляющей собой кривую, абсциссы которой в принятом масштабе дают площади ватерлиний в зависимости от осадки. Площадь фигуры, ограниченной строевой по ватерлиниям, в соответствующем масштабе равна объемному водоизмещению по заданную осадку. Площадь ватерлиний, а также площади фигуры, ограниченной строевой по ватерлиниям, находят .так же, как и площади шпангоутов, методом трапеций. Для этой же цели можно использовать специальный прибор, называемый планиметром.

Если для разных осадок определить объем погруженной части корпуса и соответствующее этим осадкам водоизмещение, то можно построить график, называемый грузовым размером (рис. 4). Пользуясь грузовым размером, можно определить изменение средней осадки от приема или расходования груза или по заданному водоизмещению определить осадку судна

Рис.Грузовой размер

 Для обеспечения безопасности плавания каждое судно должно обладать запасом плавучести. Подзапасом плавучести понимается количество грузов, которое судно может принять сверх находящихся на нем до полного погружения. Мерой запаса плавучести служит объем надводной непроницаемой части судна от действующей ватерлинии до верхней палубы, имеющей водонепроницаемые закрытия. В этот объем могут входить и надстройки, если они также имеют водонепроницаемые закрытия. В случае попадания воды внутрь корпуса осадка судна увеличивается, но оно остается на плаву. Запас плавучести зависит от величины надводного борта: чем он больше, тем больше запас плавучести. Исходя из этого Регистр назначает каждому судну в зависимости от его размеров, назначения и района плавания минимальный надводный борт, который фиксируют в «Свидетельстве о грузовой марке», выдаваемом каждому судну.

Обычно запас плавучести составляет 30—50 % водоизмещения, на танкерах 15—25%, на лассажирских судах до 100%.

Конструктивное обеспечение непотопляемости судна и его виды. Достоинства и недостатки. Требования Регистра к непотопляемости.

Непотопляемостью называется  способность судна оставаться на плаву при нарушении водонепроницаемо­сти одного или нескольких судовых   помещений,  сохраняя (в ограниченных пределах) основные  мореходные    качества судна.

Требования к непотопляемости

Непотоп­ляемость, главным образом,  определяется  способностью судна не опрокидываться и не тонуть при затоплении части судовых помещений (грузовых трюмов,  отсеков, цистерн).

Обеспечение непотопляемости характеризуется степенью поддержания   мореходных качеств, которые судно сохраняет после возможных повреждений или нарушения водонепроницаемости.

Уро­вень обеспечения непотопляемости судна определяется основными требованиями к непотопляемости: при затоплении заданного числа судовых помещений, ха­рактеристики посадки и остойчивости поврежденного судна не должны выходить за некоторые пре­делы.

1.2. Обеспечение непотопляемости

Непотопляемость судна обеспечивается проектом и конструкцией судна,  мероприятиями, осуществляемыми при его постройке (ремонте или модернизации), организационно-техническими мероприятиями в течение всего периода эксплуатации судна, эффективностью борьбы за живучесть, проводимой после получения судном повреждений или нарушении водонепроницаемости корпуса.

Конструктивные мероприятия:

придание судну достаточных запасов плавуче­сти, остойчивости и прочности при проектировании судна;

ограничение потерь запаса пла­вучести и остойчивости при повреждениях судна путем введения  в конструкцию  судна определенных водонепроницаемых  или закрываемых элементов (водонепроницаемых дверей, клинкетных  закрытий, водонепроницаемых палуб, отсеков, помещений, трюмов и т.п.)

конструктивное и материально-техническое обес­печение борьбы за непотопляемость в составе снабжения судна.

Организационно-технические мероприятия:

постоянный контроль за состоянием  остойчивости и плавучести судна и принятие мер по предупреждению их снижения ниже установленных пределов;

поддержание в ходовых условиях водонепроницаемости корпуса   судна, а также судовых переборок, палуб и платформ;

поддержание в  готовности  всех  средств борьбы за непотопляемость;

подготовка всего экипажа судна к борьбе за непотопляемость.

Борьба за непотопляемость -  действия экипажа судна, направленные на восстановление водонепроницаемости корпуса, его остойчивости и плавучести, а также на приведение судна в положение, обеспечивающее эффективное поддержание других мореходных качеств (ходкость, управляемость), а также дающее возможность  использовать навигационные средства и обеспечивающее работу основных судовых механизмов и т. д.

 

Главные эле­менты борьбы за непотопляемость:

борьба с распространением воды - действия, направленные на прекращение распространения воды по судну, вос­становление и поддержание водонепроницаемости перебо­рок, палуб и платформ, заделку пробоин, откачку фильтрационной воды в соседних помещениях;

восстановление    остойчивости    и спрямление поврежденного судна (ликвидация или уменьшение крена и дифферента).

Классификация затопленных судовых помещений

В зависимости от характера затопления различают пять основных категорий судовых помещений (рис. 1.1):

I категория - судовые помещения, затопленные полностью (судовые помещения , 5 и 6);

II категория - частично затопленные судовые помещения, не имеющие сообщения с забортной водой (судовое помещение  3);

Рис. 1.1. Схема классификации за­топленных судовых помещений

 

III категория - частично затопленные судовые помещения, сообщающиеся с забортной водой и атмосферой (открытые сверху), например судовые помещение 4 ;

IV категория - частично затопленные судовые помещения, сообщающиеся с забортной водой, но не имеющие со­общения с атмосферой (с воздушными подушками), например, отделение 2;

V категория - судовые помещения, затопленные (частич­но) по кромку пробоины или открытого забортного отверстия (отделение 5).

Элементы затопленных судовых помещений

К элементам затопленных судовых помещений относятся:

v — объем воды в отсеке;

xv, yv, zv,— координаты центра величины (ЦВ) объема v;

S - площадь свободной поверхности воды в отсеке;

xs, ys, zs — координаты центра тяжести (ЦТ) площади S;

ix, iy, iz — собственные (центральные) моменты и цен­тробежный момент инерции площади S относительно продольной и поперечной осей судна.

При посадке судна по наклонную ватерлинию вели­чины S, xs, ys, zs, ix, iy, iz относятся к проекции свободной поверхности воды на основную плоскость (ОП). Для судовых помещений 4 категории дополнительными характеристиками являются u и рв — объем воздушной подушки и давление в ней.

Различают теоретические объемы Vт судовых помещений и фактические V, которые зависят от загрузки судна и  расположения в них  судовых механизмов.

Отношение вместимо­сти судовые помещения к его теоретическому объему m=V/ Vт называется  коэффициентом проницаемости.