 |
Большие пассажирские суда . . . . Средние и малые пассажирские суда Большие сухогрузные суда . . . . Средние » » . . . . 1 глава
|
|
|
|
Большие наливные суда........................
Средние»»........................
Речные пассажирские суда....................
Баржи.......................................................
Ледоколы................................................
Буксиры..................................................
Рыбопромысловые суда.......................
Остойчивость на больших углах крена. По мере увеличения угла крена судна восстанавливающий момент сначала растет (рис. 4.11, а—в), затем уменьшается, становится равным нулю
и уже не препятствует а, наоборот, способствует дальнейшему наклонению судна (рис. 4.11, г). Так как водоизмещение И для данного состояния нагрузки остается постоянным, то восстанавливающий момент Мв изменяется пропорционально изменению плеча I поперечной остойчивости. Это изменение плеча остойчивости в зависимости от угла крена 6 можно рассчитывать и изображать графически, в виде диаграммы статической остойчивости (рис. 4.12), которую строят для наиболее характерных и опасных относительно остойчивости случаев нагрузки судна.
Диаграмма статической остойчивости является важным документом, характеризующим остойчивость судна. С ее помощью можно, зная величину действующего на судно кренящего момента, например, от давления ветра, определяемого по шкале Бофорта (табл. 8), или от переноса на борт груза, от принятых несимметрично ДП водяного балласта или запасов топлива и т. п., — найти величину образующегося угла крена в том случае, если этот угол велик (более 10л). Малый угол крена вычисляют без построения диаграммы по приведенной выше метацентрической формуле.
По диаграмме статической остойчивости можно определить начальную мета центрическую высоту судна, которая равна отрезку между горизонтальной осью и точкой пересечения касательной к кривой плеч остойчивости в начале координат с вертикалью, проведенной при угле крена, равном одному радиану (57,3°). Естественно, чем круче в начале координат кривая, тем больше начальная метацентрическая высота.
|
|
|
Особенно полезна диаграмма статической остойчивости тогда, когда надо узнать угол крена судна от действия внезапно приложенной силы — при так называемом динамическом действии силы.
1,0
Угол крема В. град
Рис. 4.12. Диаграмма статической остойчивости
|
| Угол заката диаграммы |
Если нв судно действует какая-либо статически, т е. плавно, без рывков, приложенная сила, то образуемый ею кренящий момент создает угол крена.
Таблица 8
|
| Характеристика ветра и морского волнения |
который определяют по диаграмме статической остойчивости (построенной в форме кривой изменения восстанавливающих моментов Г>/ от угла креиа) в точке пересечения с кривой горизонтальной прямой, проведенной пвраллельио горизонтальной оси иа расстоянии, равном значению кренящего момента (рис. 4.13, а). В этой точке (точка А) кренящий момент от действия статической силы равен восстанавливающему моменту, возникающему при накреиении судна и стремящемуся возвратить иакреиеиное судно в исходное, прямое, положение. Угол креиа, при котором кренящий и восстанавливающий моменты равны, и является искомым углом креиа от статически приложенной силы.
|
|
|
Если же кренящая сила действует иа судио динамически, т. е. внезапно (порыв ветра, рывок буксирного троса Рис. 4.13. Определение угла крена от дей- и т. п.), то вызываемый ею угол ствия статически (а) и динамически (б) при- крена определяют по диаграм- ложениой силы ме статической остойчивости
иным образом. Горизонтальную линию кренящего момента, например от действия ветра при шквале, продолжают вправо от точки А (рис. 4 13, б) до тех пор, пока отсекаемая ею площадь АБС внутри диаграммы не станет равной площади АОИ вне ее; при этом угол креив (точка Е), соответствующий положению прямой ВС, является искомым углом крена от действия динамически приложенной силы. Физически это соответствует углу крена, при котором работа кренящего момента (графически изображаемая площадью прямоугольника ОБСЕ) оказывается равной работе восстанавливающего момента (площадь фигуры ОБЕ). Если же площадь, ограниченная кривой восстанавливающих моментов, окажется недостаточной, чтобы сравняться с площадью фигуры, ограниченной кренящим моментом вие ее, то судно опрокинется. Поэтому одной из главных характеристик диаграммы, свидетельствующих об остойчивости судна, является ее площадь, ограничиваемая кривой и горизонтальной осью. На рис. 4.14 пока- ■ заиы кривые плеч статической остойчивости двух судов: с большой начальной остойчивостью, ио с малой площадью диаграммы (1) и с меньшей начальной метацентрической высотой, но с большей площадью диаграммы (2). Последнее судно способно выдержать более сильный ветер, оио более остойчиво. Обычно площадь диаграммы больше у судив с высоким надводным бортом и меньше — с низким.
| ^ 30М 50 60 \ 70 О' ^Искомый цш крена |
| Н,тм |
|
|
|
| пл АВС'пл АОВ |
| 10 20 30\ 40 50 80^ 716' Ншный угол крена |
Остойчивость морских судов должна отвечать Нормам остойчивости Регистра СССР, предусматривающим в качестве основного критерия (называемого «критерием погоды») условие: опрокидывающий момент Мопр, т. е. минимальный динамически приложенный момент, который при одновременном воздействии бортовой качки и наихудшей загрузке вызывает опрокидывание судна, не должен быть меньше динамически приложенного к судну кренящего момента Мкр от давления ветра, т.е. К = МОпр/М„р>-1,00.
|
| Рис. 4.14. Кривые статической остойчивости судна с высоким (1) и с низким (2) надводным бортом |
| 51 10^ 70 Угол крена 0, град |
| При этом значение опрокидывающего момента находят по диаграмме статической остойчивости по особой схеме, а сопоставляемое с ним значение (в кН-м) кренящего момента (рис. 4.15) по формуле Мкр = 0,001Рв5пгп, где Рв—давление ветра, МПа или кгс/ма (определяется по шкале Бофорта в столбце «при шквале» или по таблице Регистра СССР); 5П — площадь парусности (площадь боковой проекции надводной части судна), ма; гп — возвышение центра парусности иад ватерлинией, м. |
При изучении диаграммы статической остойчивости представляет интерес угол, при котором кривая пересекает горизонтальную ось — так называемый угол заката (см. рис. 4.12). По Правилам Регистра СССР у морских судов этот угол не должен быть меньше 60°. Эти же Правила требуют, чтобы максимальные значения восстанавливающих моментов на диаграмме достигались при угле крена не менее 30°, а максимальное плечо остойчивости было бы не менее 0,25 м у судов длиной до 80 м и не менее 0,20 м — у судов длиной более 105 м.
| Центр парусности |
| Рис. 4 15 К определению кренящего момента от действия силы ветра при шквале (площадь парусности заштрихована) |
Влияние жидких грузов на остойчивость. Имеющиеся в цистернах жидкие грузы при неполном заполнении цистерн в случае наклонения судна перемещаются в сторону наклонения. Из-за этого в ту же сторону перемещается ЦТ судна (из точки С0 в точку С), что приводит к- уменьшению плеча восстанавлива-
|
|
|
| Р/, | С- 1 | |
ющего момента. На рис. 4.16 показано, как плечо остойчивости 10 при учете смещения жидкого груза уменьшается до I. При этом, чем шире цистерна или отсек, имеющие свободную поверхность жидкости, тем значительнее, перемещение ЦТ и, следовательно, больше уменьшение поперечной остойчивости. Поэтому для уменьшения влияния жидких грузов стремятся уменьшить ширину цистерны, а во время эксплуатации — ограничить число цистерн, в которых образуются свободные уровни, т. е. расходовать запасы не сразу из нескольких цистерн, а поочередно.
Влияние сыпучих грузов на остойчивость. К сыпучим грузам относят зерно всех видов, уголь, цемент, руду, рудные концентраты и др.
Свободная поверхность жидких грузов всегда остается горизонтальной. В отличие от них сыпучне грузы характеризуются углом естественного откоса, т. е. наибольшим углом между поверхностью груза и горизонтальной плоскостью, при котором груз еще находится в покое и при превышении которого начинается пересыпание. У большинства сыпучих грузов этот угол находится в пределах 25—35°.
Сыпучие грузы, погруженные на судно, характеризуются также пористостью, или скважистостью, т. е. соотношением объемов, занятых непосредственно частицами груза, н пустот между ними. Эта характеристика, зависящая как от свойств самого груза, так и от способа его погрузки в трюм, определяет степень его усадки (уплотнения) во время транспортировки.
При перевозке сыпучих грузов (особенно зерна) в результате образования пустот по мере их усадки от тряски и вибрации корпуса во время рейса, прн резких или больших наклонениях судна под действием шквала (превышающих угол естественного откоса) они пересыпаются на один борт и уже не возвращаются полностью к исходному положению после выпрямления судна. Количество пересыпавшегося таким образом груза (зерна) постепенно увеличивается и вызывает крен, который может привести к опрокидыванию судна. Во избежание этого принимают специальные меры — укладывают поверх насыпанного в трюм зерна мешки с зерном (мешкование груза) или устанавливают в трюмах дополнительные временные продольные переборки — шифтинг- бордсы (см. рис. 5.14) При невыполнении этих ме оприятий происходят серьезные аварии и даже гибель судов. Статистика показывает, что более половины судов, погибших из-за опрокидывания, перевозили сыпучие грузы.
Рис. 4.16. К определению влияния свободной поверхности жидкого груза иа остойчивость
|
Особая опасность возникает при перевозке рудных концентратов, которые при изменении их влажности во время рейса, на
пример при оттаивании или отпотевании, приобретают высокую подвижность и легко смещаются к борту. Это еще мало изученное свойство рудных концентратов стало причиной ряда тяжелых аварий судов
|
|
|
Непотопляемость
Непотопляемостью судна называют его способность после затопления части помещений (например, при аварии) оставаться на плаву и сохранять остойчивость, а также некоторый запас плавучести.
Массу влившейся внутрь корпуса воды можно рассматривать как массу дополнительного груза, прием которого, как известно всегда вызывает увеличение осадки. Прн этом погружение судна будет происходить до тех пор, пока объем дополнительно погрузившейся неповрежденной части корпуса не окажется равным объему влившейся в корпус воды.
Можно также рассматривать объем поврежденной части корпуса, куда поступает вода, как объем, уже не принадлежащий судну и не участвующий в создании силы поддержания. А так как сила веса (сила тяжести) судна остается неизменной, то для сохранения равной ей силы поддержания потерянный (затопленный) объем должен быть компенсирован дополнительным объемом, который, будучи погруженным в воду, восстановит утраченную часть силы поддержания. Очевидно, что этот дополнительный объем должен быть равен затопленному объему корпуса (рис. 4.17). Чем больше запас плавучести судна, тем больше воды может оно принять, т. е. тем выше степень его непотопляемости Поэтому главным направлением в борьбе за непотопляемость является увеличение запаса плавучести и принятие мер, ограничивающих количество поступающей в корпус воды при его повреждении. Первое достигается увеличением высоты надводного борта до верхней водонепроницаемой палубы, второе —
В Л (ГВЛ) после Затопления
|
| . 1 | г" ^ У//////////, | г'. я | V//! ^ | |||
| ЩШ |
| ГВЛ |
| Рис 4.17. Изменение осалки судна при затоплении отсека ЛТ — из менение осадки после затопления; V^ — объем поврежденного отсека (до ГВЛ); ь'а — объем неповрежденной части корпуса, погрузившейся в воду |
разделением корпуса на ряд относительно небольших отсеков водонепроницаемыми поперечными и продольными переборками.
Наибольшие допустимые расстояния между поперечными переборками определяют по кривой предельных длин отсеков, которую строят по результатам специального расчета.
Рис 4.18. Образование крена судна при несимметричном затоплении отсека
|
Однако эти мероприятия все же не гарантируют живучести судна в поврежденном состоянии, так как помимо плавучести должна быть обеспечена и аварийная остойчивость, которая в этом случае резко уменьшается. Уменьшение остойчивости происходит в основном из-за образования свободной поверхности воды в частично затопленных отсеках, а также высокого расположения самих затапливаемых отсеков. Особенно опасны дополнительные кренящие моменты, возникающие от несимметричного относительно ДП расположения затапливаемых отсеков. Это происходит главным образом из-за наличия на некоторых судах продольных водонепроницаемых переборок или бортовых цистерн судовых запасов. Повреждения корпуса происходят чаще с одного борта — удар при столкновении с другим судном, в военное время — попадание торпеды (снаряда), разрушения от взрыва авиабомбы вблизи судна и т. д. Поэтому вода, поступающая в отсек, ограниченный неразрушенной продольной водонепроницаемой переборкой, может вызвать опасный крен судна (рис. 4 18). Именно это обстоятельство явилось причиной потери остойчивости и опрокидывания трагически погибшего в 1956 г. итальянского пассажирского лайнера «Ан- дреа Дориа», столкнувшегося со шведским лайнером «Стокгольм». Чтобы уменьшить крен при затоплении бортовых отсеков, принимают специальные меры по его выравниванию, которые сводятся либо к установке переточных труб между симметричными отсеками обоих бортов, либо к оборудованию креновой системы (на ледоколах, военных кораблях). Иногда крен выравнивают, принимая дополнительное количество воды в отсеки противоположного борта, если позволяет запас плавучести. Последний способ был предложен еще в конце прошлого века знаменитым русским адмиралом и ученым-кораблестроителем С. О Макаровым и в дальнейшем разработан академиком А. Н. Крыловым, предложившим составлять для каждого боевого корабля так называемые таблицы непотопляемости. С помощью этих таблиц можно быстро определить, какие именно отсеки надо искусственно затопить, чтобы уменьшить крен и дифферент, образовавшиеся из-за затопления поврежденных отсеков
При проектировании гражданских судов проверяют посадку судна при различных вариантах затопления и полученные результаты сравнивают с требованиями, которые предъявляются в части непотопляемости к разным типам судов. Для пассажирских судов такие требования сформулированы в Международной конвенции по охране человеческой жизни на море 1974 г. (СОЛАС—74). По правилам Регистра СССР эти требования предъявляются ие только к пассажирским, ио и к грузовым и промысловым судам, а также к ледоколам, буксирам и спасателям. В частности, судио считается непотопляемым, если после затопления одного любого отсека или нескольких смежных, количество которых определяется в зависимости от размеров и числа находящихся на судне людей (обычно это один, а для крупных пассажирских и любых атомных судов — два отсека), верхняя водонепроницаемая палуба, до которой доведены все водонепроницаемые переборки, не входит в воду. Кроме того, в месте наибольшего погружения высота надводного борта, от ватерлинии до этой палубы должна быть не менее 76 мм (3 дюймов). Для непассажнрских судов допускается вход в воду открытой палубы, ио при этом должно оставаться расстояние от поверхности воды до отверстий в палубе, через которые вода может распространяться внутрь са, равное ие менее 300 мм.
|
ри несимметричном затоплении крен до принятия аварийных мер по выравниванию ие должен превышать 15°, а после выравнивания — не более 7° — для пассажирских судов и не более 12° — для иепассажирских (для пассажирских судов оговаривают максимальное время выравнивания — не более 15 мин). Начальная метацентрическая высота поврежденного судиа должна быть ие меньше 5 см, а максимальное плечо диаграммы статической остойчивости — не менее 10 см, при минимальной протяженности положительного участка диаграммы 20°.
§ 4.8. Ходность
Ходкостью судна называется его способность перемещаться по воде с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы.
У транспортных судов различают скорость на испытании и эксплуатационную, т. е. скорость в эксплуатационном режиме работы энергетической установки при средних навигационных условиях.
Движущая сила, вызывающая перемещение судна, создается судовым движителем, натяжением буксирного троса, давлением ветра на парус и пр. Значение движущей силы зависит от мощности главных двигателей, типа движителя, мощности буксира, силы давления ветра и т. д. Лучшей ходкостью из двух близких по размерениям и водоизмещению судов обладает то, которое при одинаковой тяге развивает большую скорость или, наоборот, для достижения одинаковой скорости требует меньшей тяги.
Приложенная к судну тяга затрачивается на преодоление сопротивления движению судна, которое складывается из сопротивления воды и воздушного сопротивления. Наибольшее влияние на ходкость оказывает сопротивление воды, представляющей собой вязкую среду. Это сопротивление складывается из следующих величин: сопротивления трения вызываемого трением обтекающей корпус воды; сопротивления формы /?ф, вызываемого обтеканием корпуса судна вязкой жидкостью и образованием в носовой части зоны повышенного давления,
Рис. 4.19. Общий вид (а), схема (б) опытового бассейна с самоходной тележкой н схема бассейна с тросом, перемещающимся под действием падающего груза (в)
|
а в кормовой части — зоны пониженного давления и завихрений, тормозящих движение судна вперед; волнового сопротивления вызываемого волнообразованием от движения судна (в местах повышенного и пониженного давления воды), требующим соответствующей затраты энергии; сопротивления выступающих частей Яв.ч, вызываемого увеличением сопротивления трения и сопротивления формы от выступающих частей корпуса (рулей, скуловых килей, кронштейнов гребных валов и пр.).
Добавляя к сопротивлению воды воздушное сопротивление ^возд. получим полное сопротивление движению судна
К — Кт Ч~ Кф ~Ь Кв Яв. ч Ь Явоад- Сопротивление трения зависит от скорости судна, вязкости жидкости, площади подводной поверхности судна (так называемой смоченной поверхности) и степени ее шероховатости, которая зависит от качества окраски и сварки корпуса, а также времени пребывания судна в морской воде после докования; со временем подводная поверхность обрастает морскими организмами и шероховатость увеличивается. Сопротивление трения легко поддается точному расчету.
Сопротивление формы и волновое сопротивление, объединенные в одно, так называемое остаточное сопротивление, можно рассчитать только приближенно Для более точного определения остаточного сопротивления проводят испытания модели судна в опытовом бассейне (рис. 4.19).
В этом случае в бассейне длиной от нескольких десятков до нескольких сот метров буксируют изготовленную из парафина модель корпуса судна с помощью специальной тележки и динамо-
Рис 4.20. Схема аэродинамической трубы.
О 7 6 V *
|
|
| / |
| 5 — |
/ — вентилятор; 2 — направляющие лопатки; 3 — труба; 4 — решетки, спрямляющие поток; 5 — сетка; 6 — сопло; 7 — рабочее пространство; 8 — испытываемая модель;
9 — обратный канал метром фиксируют силу сопротивления движению этой модели. Полученная величина представляет собой полное сопротивление воды движению модели.
Если из нее вычесть величину сопротивления трения модели, то получим остаточное сопротивление, которое может быть пересчитано с модели на натуру, т. е. для натурного судна. Прибавив к нему вычисленное расчетом сопротивление трения натурного судна, получим полное сопротивление воды.
Воздушное сопротивление движению судна можно найти, испытывая модель надводной части судна в аэродинамической трубе (рис. 4.20). Модель судна помещают в рабочее пространство трубы и обдувают потоком воздуха, скорость которого может быть задана и измерена. Сопротивление модели измеряют с помощью аэродинамических весов.
Полное сопротивление движению судна равно усилию, возникающему в тросе при его буксировке, поэтому его обычно называют буксировочным сопротивлением
.Мощность, необходимая для буксировки судна со скоростью V, так называемая буксировочная мощность (в кВт или л. е.),
ЕР8 = Яе/75.
В этой формуле сопротивление Р выражается в Н или кгс, скорость V — в м/с.
Однако, чтобы обеспечить судну заданную скорость, мощность, подведенная к гребному винту (на гребном валу), должна быть больше буксировочной мощности вследствие неизбежных потерь, возникающих в процессе преобразования энергии, подводимой к гребному винту, в энергию поступательного движения судна.
Отношение буксировочной мощности ЕР8 к мощности на гребном валу называют пропульсивным коэффициентом г] = = ЕРЗ^р.
Пропульсивный коэффициент г) равен произведению КПД гребного винта 1]Р на так называемый коэффициент влияния корпуса зависящий от формы кормовых обводов, местоположения гребного вннта и ряда других факторов и равный 0,8—1,2. У современных судов пропульсивный коэффициент колеблется в пределах 0,55—0,75, причем, чем он больше, тем лучше качество
движителя и условия его работы за % корпусом. Понятно, что мощность на то, фланце главного двигателя должна быть больше мощности на гребном валу, чтобы компенсировать потери в редукторе (т}ред = 2-М %), в подшипниках валопровода (т]в = 2-^-3%) или в других специальных передачах (электрической, гидравлической и т. п.). В результате мощность на фланце главного двигателя при известной буксировочной мощности может быть определена выражением Ые =ЕРЗ/г\ -т]ред-гь.
Чтобы приближенно оценить мощность двигателя, необходимого для обеспечения заданной скорости, можно пользоваться формулой адмиралтейских коэффициентов Ые — С2/Зч3/С, где Nе — мощность иа валу главного двигателя, кВт; О — водоизмещение, т; V — скорость, уз; С — адмиралтейский коэффициент Значение С определяется по известным величинам Ые и V близких по размерам однотипных судов. Обычно у морских транспортных судов С = 3404-540.
Доля различных составляющих полного сопротивления зависит от относительной скорости судна, которая выражается так называемым числом Фруда Рг = дЬ, где Рг — относительная скорость, или число Фруда; V — скорость, м/с; Ь — длина судна, м; § — ускорение свободного падения (9,81 м/с2).
Суда, у которых Рг 0,20, называют тихоходными, 0,20— 0,25 — среднескоростными, 0,25—0,35 — быстроходными. У тихоходных судов основную долю полного сопротивления (ок 80 %) составляет сопротивление трения (рис. 4.21). У быстроходных судов, наоборот, растет доля остаточного сопротивления, которое достигает 50—55 % полного. Поэтому при проектировании тихоходных судов особое внимание обращают на уменьшение сопротивления трения, а при проектировании быстроходных на уменьшение сопротивления формы и волнового сопротивления.
Уменьшения сопротивления трения можно достичь, сократив площадь смоченной поверхности или уменьшив ее шероховатость. Перспективным, особенно для речных судов, является предложенный советскими учеными метод создания «воздушной смазки» под корпусом судна путем подачи воздуха от вентилятора через отверстия, расположенные в носовой части днища.
Снижения сопротивления формы стараются достичь, уменьшая коэффициент общей полноты, улучшая плавность обводов и отрабатывая форму кормовой оконечности.
| 51< — Сопротивление трения |
| 10 г- |
| е,/0 о,/5 о,го в,15 в.зс /г,л Гг Рис. 4.21. Распределение составляющих полного сопротивления при изменении относительной скорости |
Для уменьшения волнового сопротивления заостряют носовую оконечность. В ряде случаев применяют бульбовую форму носа
|
|
|
