§ 24. Силы, действующие на корпус плавающего судна

На корпус плавающего по воде судна действуют постоянные и временные силы. К постоянным относятся статические силы, такие, как вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса - силы поддержания. К временным следует отнести силы, появляющиеся при качке судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции масс судна и силы сопротивления воды.

Силы, действующие на судно, плавающее на тихой воде, несмотря на равенство их равнодействующих, по длине корпуса распределяются неравномерно. Силы поддержания, как известно, распределяются по длине соответственно погруженному в воду объему корпуса и характеризуются формой строевой по шпангоутам. Силы же веса распределяются по длине корпуса в зависимости от расположения его элементов, таких, как переборки, надстройки, мачты, механизмы, установки, грузы и т. п. Фактически получается так, что на одном участке по длине корпуса силы веса преобладают над силами поддержания, а на другом - наоборот.

Рис. 39. Изгиб корпуса судна, вызванный неравномерным распределением действующих на него сил. 1 - кривая сил веса; 2 - кривая сил поддержания.

От непропорционального распределения по длине корпуса сил веса и сил поддержания возникает общий продольный изгиб корпуса судна (рис. 39).

При плавании судна на взволнованной поверхности на его корпус действуют силы поддержания, все время меняющие свою величину на отдельных участках длины судна. Максимального значения эти силы достигают тогда, когда судно идет курсом, перпендикулярным направлению волны, длина которой равна длине судна. При прохождении вершины волны у миделя, в средней части корпуса образуются избыточные силы поддержания с недостатком их в оконечностях. От неравномерного распределения сил поддержания в этом случае получается перегиб корпуса (рис. 40, а). Через короткий промежуток времени судно переходит на подошву волны, при этом избыток сил поддержания перемещается к оконечностям, отчего возникает прогиб корпуса (рис. 40, б).

Вследствие качки судна, возникшей на волнении, на корпус действуют силы инерции, оказывающие на него дополнительное воздействие, а во время плавания с большой скоростью против крупной встречной волны при ударе днищевой частью носовой оконечности о воду (явление слеминга) возникают дополнительно ударные или динамические нагрузки.

По данной тематике проводится лабораторная работа 2.1 (2 часа)

При движении судна прямолинейным курсом и положении руля в диаметральной плоскости, при отсутствии ветра и течения, сила упора движителей уравновешивается силами сопротивления воды движению корпуса судна. Руль и корпус симметрично обтекают встречные струи воды и сил отклоняющих судно не возникает. При перекладке руля на некоторый угол α , со стороны обращенной к обтекающему потоку, на руле возникает повышенное давление, а на противоположной стороне руля – пониженное. Разность давлений на сторонах пера руля создает силу Р, давящую на перо руля и зависящую от скорости натекания воды на перо руля, угла перекладки, формы и площади пера руля. После перекладки руля судно некоторое время, по инерции, продолжает двигаться прямолинейно, а затем поворачивается в сторону перекладки руля. Рассмотрим действие силы Р на судно в первый момент после перекладки руля.

Разложим силу Р по правилу параллелограмма на две составляющие силы: Ру – перпендикулярную ДП судна рулевую силу , и Рх – направленную по ДП силу торможения. Приложим к ЦТ судна две равные и противоположно направленные силы Р 1 и Р 2 , параллельные и равные силе Ру. Силы Ру и Р 2 образуют пару сил, а их поворачивающий момент Мр наз. моментом руля Мр = Ру 0,5L где 0,5L – плечо пары сил Ру и Р 2 . Сила Ру при движении прямым курсом определяют по формуле:

Ру = k 1 k 2 с р 0,5рSр(k υ υ) 2 (α+β с) где:

k 1 – коэф., учитывающий увеличение рулевой силы от постановки рулевых шайб(1,15-1,2);

k 2 – коэф., учитывающий влияние близости пера руля к корпусу судна (1,05- 1,3 при меньшем зазоре, больший коэффициент);

с р – угловой коэф. 5,15/1+(2S р / h р 2) где h р -высота пера руля,м;

ρ- массовая плотность воды (для пресной воды 102 кгс с 2 /м 4);

Sр – площадь пера руля,м 2 ;

k υ – коэф. учитывающий изменение скорости натекания воды на перо руля, от действия гребного винта и корпуса судна (1,1-1,55, больше при толкании, меньше для одиночных судов);

υ – скорость натекания воды на перо руля, м/с;

α – угол перекладки руля, град;

β с – угол скоса потока воды за кормой, вызванного обводами судна. (у одно и трех винтовых судов β с = 2-4 0 , у двухвинтовых с 2-мя рулями β с =0 0).

Из рисунка видно, что при перекладке руля на судно начинают действовать: поворачивающий момент Мр , направленный в сторону отклонения пера руля; сила Ру , смещающая судно в сторону противоположную повороту и сила Рх , увеличивающая сопротивление движению. Увеличение сопротивления при перекладке руля уменьшает скорость движения судна (при прямолинейном движении и удержании судна на курсе 5-ти градусными перекладками руля, теряется до 2% скорости), поэтому перекладка руля не должна превышать 1 0 .

Смещение и дрейф судна в сторону противоположную повороту руля, достигает наибольшего значения в кормовой части судна, что следует учитывать при выполнении поворотов и оборотов вблизи опасностей.

После преодоления сил инерции судно начинает двигаться по криволинейной траектории – циркуляции. В это время на судно, как на всякое физическое тело, движущееся по кривой, действует центробежная сила С , направленная в сторону противоположную повороту. Она приложена к центру тяжести судна, пропорциональна его массе m , квадрату скорости υ с поступательного движения ии обратно пропорциональна радиусу кривизны траектории движения r . С=mυ с 2 /r .

Эта сила с плечом h (расстояние между ц.т. и центром величины судна) создает кренящий момент Мкр = Сh, вызывающий крен судна в сторонупротивоположную повороту судна, что также следует учитывать привыполнении резкого поворота и оборота (снижать скорость и угол перекладки руля). Циркуляция, ее периоды и элементы см. выше.

После остановки движителей давление воды на перо руля резко уменьшается. С уменьшением скорости судно хуже слушается руля и может потерять управляемость . При работе винта «назад» на стороне руля обращенной к винту, создается пониженное давление, поэтому при руле переложенном «вправо» нос судна уклоняется влево и наоборот, т.е. корма судна уклоняется в сторону перекладки руля.

Сила давления на перо руля при движении задним ходом в первый момент определяется по формуле: Ру = с у 0,5S ρ υ 2 , рассмотрим действие силы Р на судно придвижении задним ходом. Отклонение руля вызывает поворачивающий момент от пары сил Р и Р 1 , увеличение сопротивлению воды движению корпуса судна и уменьшение скорости от действия силы Р х , и дрейф судна в сторону перекладки руля. При циркуляции на заднем ходу под действием рулевой силы увеличивается давление воды на кормовую часть борта (сила R 1 у) , в сторону которого переложен руль. Эта сила создает поворачивающий момент, противоположный поворачивающему моменту руля и общий поворачивающий момент в начальный момент циркуляции на заднем ходу равен разнице моментов рулевого и сопротивления воды корпусу судна. Поэтому даже при равном давлении на руль поворотливость на переднем ходу лучше, чем на заднем. Однако, через некоторое время после начала поворота угловая скорость начинает увеличиваться и гидродинамические силы со стороны наружного борта становятся больше динамической силы R 1 у , вызванной перекладкой руля. В это время поворачивающий момент судна – сумма момента руля и позиционного момента, что вызывает увеличение скорости поворота. Величина позиционного момента близка к величине момента руля, поэтому перекладка руля в противоположную сторону может не дать желаемого эффекта и не выведет судна из циркуляции. Учитывая это явление, при движении задним ходом не следует допускать больших скоростей поворота и движения. Для вывода судна из циркуляции следует дать реверс «вперед» и управлять судном на переднем ходу.

1. Общие понятия и определения

Управляемость - способность судна двигаться по заданной траектории, т.е. удерживать заданное направление движения или изменять его под действием управляющих устройств.

Главными управляющими устройствами на судне являются средства управления рулем, средства управления движителем, средства активного управления.

Управляемость объединяет два свойства: устойчивость на курсе и поворотливость.

Устойчивость на курсе - это способность судна сохранять направление прямолинейного движения. Устойчивость на курсе может быть автоматической, когда судно способно удерживаться на курсе без работы средства управления (рулей), и эксплуатационной, когда удержание судна на заданном курсе осуществляется при помощи средств управления.

Поворотливость - способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны.

Поворотливость и устойчивость на курсе соответствуют главному назначению любого средства управления: поворачивать судно и обеспечивать его движение в постоянном направлении. Помимо этого любое средство управления должно обеспечивать противодействие влиянию внешних силовых факторов. В соответствии с этим Р.Я. Першицем введено определение такого важного составляющего управляемости, как послушливость.

Послушливость - способность судна преодолевать сопротивление маневрированию при заданных внешних воздействиях. При отсутствии внешнего воздействия его роль может играть собственная неустойчивость на курсе.

Коме послушливости введено понятие чувствительности ,под которой подразумевается способность судна как можно быстрее реагировать на действие средства управления, в частности, на перекладку руля.

Тяга винта. Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему необходимо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой: Nп = R V, где R - сила сопротивления; V - скорость движения.

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно. Затрачиваемая мощность на вращение винта составляет: Nз= M n, где М - момент сопротивления вращению винта; n- частота вращения винта.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус-движитель:

h = RV/ M n

Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения. Мощность же силовой установки (эффективная мощность Ne) судна должна быть больше затрачиваемой мощности на вращение винта, поскольку имеются потери в валопроводе и редукторе:

Ne = RV/ h hв hр,

где hв, hр - коэффициенты полезного действия валопровода и редуктора.

Поскольку при равномерном прямолинейном движении сила тяги винта равна силе сопротивления, приведенную формулу можно использовать для ориентировочной оценки тяги винта в режиме полного хода (Vo):

Ре = Ne h hв hр / Vo,

где пропульсивный коэффициент определяется по формуле Лаппа:

где L - длина судна между перпендикулярами:

n- частота вращения винта, с -1 .

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме - примерно на 10% больше тяги винта в режиме полного хода.

Сила тяги винта при работе на задний ход примерно составляет 70-80% от тяги винта в режиме полного хода.

Сопротивление движению судна

Сопротивление движению судна

Вода обладает свойствами вязкости и весомости, которые вызывают два вида сопротивления при движении судна: вязкостное и волновое. Вязкостное сопротивление имеет две составляющих: трения и формы.
Сопротивление трения зависит от площади и шероховатости смоченной поверхности корпуса. Сопротивление формы зависит от обводов корпуса. Волновое сопротивление связано с образованием судовых волн при взаимодействия корпуса движущегося судна с окружающей его водой.

Для решения практических задач сопротивление воды движению судна принимают пропорциональным квадрату скорости:

R = k V² ,

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от осадки судна и степени обрастания корпуса.

Как указано в предыдущем разделе, силу сопротивления на полном ходу можно рассчитать по следующей формуле:

Ro = Ne h hв hр / Vo.

Промежуточные значения сопротивления (R) для любой скорости хода определяются:

Инерция судна и присоединенных масс воды

Инерция судна и присоединенных масс воды

Равенство сил сопротивления среды движению судна и тяги винта определяет равномерное поступательное движение судна. При изменении частоты вращения винта это равенство сил нарушается.
С увеличением тяги скорость судна возрастает, с уменьшением - падает. Изменение скорости происходит продолжительное время, до тех пор, пока не будет преодолена инерция судна и силы тяги винта и сопротивления не уравняются вновь. Мерой инерции является масса. Однако инерция судна, движущегося в водной среде, зависит не только от массы самого судна.

Корпус судна вовлекает в движение прилегающие к нему частицы воды, на что тратится дополнительная энергия. В результате, чтобы придать судну некоторую скорость потребуется более длительная работа силовой установки.
При торможении необходимо погасить не только кинетическую энергию, накопленную судном, но и энергию вовлеченных в движение частиц воды. Такое взаимодействие частиц воды с корпусом аналогично увеличению массы судна.
Эта добавочная масса (присоединенная масса воды) у транспортных судов составляет от 5 до 10 % от их водоизмещения при продольном движении судна и примерно 80% от водоизмещения при поперечном перемещении.

2. Силы и моменты, действующие на судно при его движении

2. Силы и моменты, действующие на судно при его движении

При рассмотрении движения судна используется связанная с центром тяжести судна прямоугольная система координат XYZ. Положительное направление осей: Х - в нос; Y - в сторону правого борта; Z - вниз.

Все силы, действующие на судно, разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

К движущим относятся силы , создаваемые средствами управления: сила тяги винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления.

К внешним силам относятся силы давления ветра, волнения моря, течения.

К реактивным относятся силы, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Они разделяются на инерционные - обусловленные инертностью судна и присоединенных масс воды и возникающие только при наличии ускорений. Направление действия инерционных сил всегда противоположно действующему ускорению.

Неинерционные силы обусловлены вязкостью воды и являются гидродинамическими силами.

При анализе сил, действующих на судно, оно рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля относительно диаметральной плоскости (ДП).

Применительно к судну, основные свойства крыла формулируются следующим образом:

если судно перемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то помимо силы лобового сопротивления , направленной противоположно движению, возникает подъемная сила , направленная перпендикулярно набегающему потоку. В результате равнодействующая этих сил не совпадает с направлением потока. Величина равнодействующей сил пропорциональна углу атаки и квадрату скорости набегающего потока;

точка приложения равнодействующей силы смещена по ДП от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого смещения тем боьше, чем острее угол атаки. При углах атаки близких к 90 градусам, точка приложения равнодействующей силы совпадает с центром парусности (для надводной части судна) и центром бокового сопротивления (для подводной части);

применительно к подводной части корпуса судна: угол атаки является углом дрейфа , а для надводной части - кусовым углом (КУ) кажущегося ветра ;

центр бокового сопротивления обычно совпадает с центром тяжести судна, а положение центра парусности зависит от расположения надстроек.

При отсутствии ветра и прямом положении руля первое диффенциальное уравнение движения судна можно представить в виде:

где Мх - масса судна с учетом присоединенной массы воды.

Равномерное движение: ускорений нет, поэтому инерционная сила Мх dV/dt=0. На судно действуют две равные и противоположно направленные силы: сила сопротивления воды и сила тяги винта .

При изменении силы тяги винта нарушается равенство сил тяги винта и сопротивления движения судна; это вызывает появление инерционных сил, появляется ускорение и судно начинает двигаться ускоренно или замедленно. Инерционные силы направлены против ускорения, т.е. препятствуют изменению скорости движения.

При увеличении силы тяги на судно действует 3 силы: сила тяги винта - вперед, сила сопротивления - назад, сила инерции - назад.

При уменьшении силы тяги: сила тяги - вперед; сила сопротивления - назад; сила инерции - вперед

При маневре стоп: с ила сопротивления - назад; сила инерции - вперед;

При реверсе:

а) до остановки судна: сила сопротивления - назад; сила тяги - назад; сила инерции - вперед.

б) после остановки и начале движения назад: сила сопротивления - вперед; сила тяги - назад; сила инерции - вперед.

Примечание: вперед - направление к носу судна; назад - направление к корме судна.

Силы, действующие на судно при поворотах

Силы, действующие на судно при поворотах

Повороты судна происходят под действием переложенного руля. Если удерживать переложенный на борт руль в течении определенного промежутка времени, то судно будет совершать движение, называемое циркуляцией. При этом центр тяжести судна будет описывать циркуляционную кривую, по форме близкую к окружности.
За начало циркуляции принимается момент начала перекладки руля. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа.
Процесс циркуляции принято делить на три периода: маневренный -продолжается в течении времени перекладки руля; эволюционный - начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения; установившийся - начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в переложенном положении.

Руль судна рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля. Поэтому при его перекладке возникает подъемная сила - боковая сила руля Рр.

Приложим к центру тяжести судна две равные Рру и противоположно направленные силы Р"ру и Р""ру. Эти две силы взаимно компенсируются, т.е. не оказывают влияния на корпус судна.

Тогда на судно действуют следующие силы и моменты:

сила лобового сопротивления руля Ррх - уменьшает скорость судна;

момент сил Рру Р""ру - разворачивает судно в сторону переложенного руля;

сила Р"ру - перемещает центр тяжести в сторону, обратную повороту.

Силы, действующие на судно в эволюционный период циркуляции

Силы, действующие на судно в эволюционный период циркуляции

Разворот судна под действием момента сил Рру Р""ру приводит к появлению угла дрейфа. Корпус судна начинает работать как крыло. Появляется подъемная сила - гидродинамическая сила R. Приложим к ЦТ судна две равные Ry и противоположно направленные силы R"y R""y .

Тогда дополнительно к силам и моментам, действующим в маневренном режиме циркуляции появляются:

сила лобового сопротивления Rx - еще более уменьшает скорость судна;

момент сил Ry R"y - способствует развороту; угловая скорость поворота увеличивается;

сила R""y - компенсирует силу Р"ру и траектория искривляется в сторону поворота.

Силы, действующие в установившийся период циркуляции

Силы, действующие в установившийся период циркуляции

Как только судно начало движение по криволинейной траектории появляется центробежная сила Rц. Каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра О свою траекторию.
При этом каждая точка имеет свой угол дрейфа, значения которого возрастают по мере удаления в сторону кормы. В соответствии со свойствами крыла, точка приложения гидродинамической силы R смещается в корму за центр тяжести судна.

В результате:

сила Рцх - уменьшает скорость судна;

сила Рцу - препятствует изменению радиуса циркуляции;

момент, создаваемый гидродинамической силой Rу - препятствует увеличению угловой скорости поворота;

все параметры циркуляции стремятся к своим установившимся значениям.

Геометрически траектория циркуляции характеризуется:

Резолюцией ИМО А.751 (18) «Промежуточные стандарты маневренных качеств судов» для вновь строящихся судов предложены величины:

1) прямое смещение (advance) - не более 4.5 длин судна;

2) тактический диаметр (tactical diameter) – не более 5 длин судна.

Управляемость судна при следовании задним ходом

Управляемость судна при следовании задним ходом

При движении судна задним ходом с переложенным рулем на судно действуют следующие силы и моменты (см. рисунок):

поперечная сила руля Рру;

момент сил Рру и Рру разворачивает судно в сторону, обратную переложенному рулю;

гидродинамическая сила Rу образует момент, препятствующий развороту;

косое набрасывание воды на руль уменьшает эффективный угол перекладки руля на величину, равную углу дрейфа и, следовательно, уменьшается значение боковой силы руля.

Приведенные факторы обусловливают худшую управляемость судна на заднем ходу по сравнению с передним.

Силы и моменты, связанные с воздействием ветра

Силы и моменты, связанные с воздействием ветра

При рассмотрении сил и моментов, связанных с воздействием ветра, используется кажущаяся скорость ветра.

В соответствии со свойством крыла, при воздействии ветра появляется аэродинамическая сила А.

Раскладывая аэродинамическую силу на продольную и поперечную составляющие и приложив к ЦТ две равные и противоположно направленные силы Ау и А"у получим:

сила Ах - увеличивает скорость судна;

момент сил Ау и А"у - разворачивает судно в правую сторону;

сила А""у - вызывает боковое перемещение, что приводит к появлению угла дрейфа a и гидродинамической силы R;

продольная составляющая гидродинамической силы Rх - уменьшает скорость судна;

момент сил Ry R""y, действуя в одном направлении с моментом сил Ау и А"у, еще более разворачивает судно;

сила R"у вызывает боковое перемещение, противоположное перемещению от силы А""у.

Для удержания судна на курсе необходимо перекладывать руль на некоторый угол для создания момента боковой силы руля Рру, компенсирующего моменты аэро- и гидродинамических сил.

Работающий гребной винт совершает одновременно поступательное движение со скоростью судна V относительно невозмущенной воды и вращательное движение с угловой скоростью w= 2p n. Каждая лопасть винта рассматривается как отдельное крыло.

При набрасывании водяного потока на винт, на каждой его лопасти создается сила, пропорциональная квадрату скорости потока и величине угла атаки. Раскладывая эту силу по двум перпендикулярным друг другу направлениям, получим: силу тяги, направленную вдоль оси вращения винта и силу лобового сопротивления, действующую в плоскости диска винта по касательной к окружности, которую описывают точки на лопасти винта при его вращении.

Поскольку работающий винт расположен за корпусом судна, то при его движении водяной поток натекает на лопасти винта с неодинаковыми скоростями и под различными углами. В результате наблюдается неравенство сил тяги и лобового сопротивления для каждой лопасти, что приводит к появлению помимо тяги винта боковых сил, влияющих на управляемость одновинтового судна.

Основными причинами появления боковых сил являются:

попутный поток воды, увлекаемый корпусом при его движении;

реакция воды на работающий винт;

неравномерное набрасывание водяной струи от работающего винта на руль или корпус судна.

Рассмотрим влияние этих причин на работу винтов фиксированного (ВФШ) и регулируемого (ВРШ) шага правого вращения.

Влияние попутного потока

В верхней части винта скорость попутного потока воды из-за формы обводов корпуса будет больше, чем в нижней его части, что приводит к увеличению угла атаки потока воды на верхнюю лопасть. Это можно показать, рассмотрев движение элемента лопасти, расположенного на радиусе r от оси вращения винта.

Элемент лопасти при работе винта принимает участие во вращательном движении с линейной скоростью, равной 2pr●n, и поступательном движении со скоростью судна V.

Фактическая скорость поступательного движения участка лопасти винта уменьшается на величину DV скорости попутного потока. В результате увеличивается угол атаки до значения aф, что приводит к возрастанию сил dРх и dРу.
Проинтегрировав dРх и dРу по длине лопасти получим значения сил тяги (Р1) и лобового сопротивления (Q1), создаваемых лопастью винта в верхнем положении. Эти силы будут больше сил Р3 и Q3, создаваемых лопастью в нижнем положении. Неравенство сил Q1 и Q3 вызывает появление боковой силы DQ = Q1 - Q3, которая стремится развернуть корму судна влево в сторону большей из сил.

Реакция воды на винт

Реакция воды на винт

На работу винта оказывает влияние близость поверхности воды. В результате наблюдается подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта. При этом верхние лопасти испытывают меньшую силу реакции воды, чем нижние. Вследствие этого возникает боковая сила реакции воды, которая всегда направлена в сторону вращения винта - в рассматриваемом случае вправо.

При вращении винта закрученный поток воды натекает на перо руля в его нижней и верхней части под разными углами атаки. В нижней части утол атаки меньше, чем в верхней.

В результате возникает боковая сила, которая стремится повернуть корму вправо.

Общее влияние винта: для большинства судов с ВФШ и ВРШ силы или взаимно.

В этом случае попутный поток сохраняется. Однако в отличие от рассмотренного выше случая попутный поток уменьшает угол атаки.

Следовательно уменьшается сила лобового сопротивления dPy на каждом элементе лопасти. В верхнем положении такое уменьшение выражено сильнее, чем в нижнем, т.к. в нижней части скорость попутного потока меньше. Поэтому результирующая сила лобового сопротивления лопастей для ВФШ будет направлена влево.

У абсолютного большинства судов ВРШ левого вращения. Для ВРШ при перемене режима работы с переднего на задний ход направление вращения сохраняется, изменяется только шаг винта: винт левого шага становится винтом правого шага. Следовательно, результирующая сила лобового сопротивления лопастей также как и судов с ВФШ правого шага будет направлена влево.

Реакция воды на винт

Боковая сила реакции воды на винт, как было сказано выше, всегда направлена в сторону вращения винта: и как для ВФШ так и для ВРШ - влево.

Винтовая струя набрасывается на кормовую часть судна.

В результате создается повышенное гидродинамическое давление и корма будет смещаться: как для ВФШ так и для ВРШ - влево.

Общее влияние винта: корма идет влево.

Судно движется назад, винт вращается назад.

С началом движения судна назад попутный поток исчезает.

Реакция воды на винт : влево.

: влево.

Общее влияние винта: корма идет влево.

4. Влияние гребных винтов на управляемость многовинтового судна

4. Влияние гребных винтов на управляемость многовинтового судна

Большинство современных пассажирских судов, ледоколов, а также быстроходных судов крупного тоннажа оснащаются двух- или трех вальными силовыми установками. Главная особенность многовинтовых судов по сравнению с одновинтовыми судами - это их лучшая управляемость.
Гребные винты у двухвинтовых, а также бортовые винты у трех винтовых судов расположены симметрично относительно диаметральной плоскости и имеют противоположное направление вращения, обычно одноименное с бортом. Рассмотрим управляемость многовинтовых судов на примере двухвинтового судна.

При одновременной работе винтов вперед или назад боковые силы, вызванные попутным потоком, реакцией воды на винт и струей от винтов, набрасываемой на руль или корпус взаимно компенсируются, поскольку винты имеют противоположное направление вращения. Поэтому отсутствует тенденция уклонения кормы в ту или иную сторону, как у одновинтового судна.

Один винт работает вперед, другой стоп.

Воспользовавшись известным приемом, приложить к ЦТ две равных силе тяги винта Рл (на рисунке работает винт левого борта) и противоположно направленных силы, получим:

сила Р""л вызывает движение судна вперед;

момент сил Рл и Р"л разворачивает корму в сторону работающего винта;

из гидродинамики известно, что работающий винт ускоряет поток воды, обтекающей кормовые обводы, и гидродинамическое давление со стороны работающего винта падает. За счет разницы давлений образуется сила Рд. Приложив к Цт судна две равные Рд и противоположно направленные силы Р"д и Р""д, получим: - момент сил Рд и Р""д разворачивает корму в сторону работающего винта; сила Р"д - смещает ЦТ судна в сторону работающего винта.

Таким образом, рассматриваемое движение двухвинтового судна примерно аналогично движению одновинтового судна с переложенным рулем.

Один винт работает назад, другой стоп.

Проведя аналогичные предыдущему разделу постоения и рассуждения, можно получить общий вывод о том, что корма судна уклоняется в сторону противоположную работаюшему назад винту. При этом необходимо отметить, что сила Рд в рассматриваемом случае создается за счет струи от работающего назад винта, набрасываемой на кормовую часть корпуса.

Разворот судна на месте при работе винтов враздрай

Разворот судна на месте при работе винтов враздрай

Двухвинтовое судно может разворачиваться практически на месте при работе винтов враздрай (один винт работает передним, а другой задним ходом). Частота вращения подбирается таким образом, чтобы силы тяги винтов были одинаковыми по величине.
Примерное равенство сил достигается, когда на машине, работающей вперед, дают ход на одну ступень меньше, чем на машине, работающей назад. Например: малый ход вперед - средний ход назад.
Разворачивающий момент создается не только за счет расположения винтов по разные стороны от ДП, но и за счет разности давлений воды у бортов кормового подзора, создаваемой противоположно направленными струями от винтов.

К недостаткам двухвинтовых судов следует отнести пониженную эффективность расположенного в ДП руля. Поэтому на малых скоростях, когда основная часть силы, возникающей на руле при его перекладке, создается за счет струи воды, набрасываемой винтом на руль, главным способом управления является маневр машинами.

Трехвинтовые суда объединяют в себе положительные маневренные качества одно- и двухвинтовых судов и имеют более высокую маневренность в том числе и на малых скоростях. На переднем ходу средний винт повышает эффективность руля за счет набрасываемой на него винтовой струи. На заднем ходу средний винт обеспечивает поступательное движение, а развороты осуществляются работой бортовых винтов.

5. Основные факторы, влияющие на управляемость судна

5. Основные факторы, влияющие на управляемость судна

Конструктивные факторы.

Отношение длины к ширине судна (L/ B). Чем больше это отношение, тем хуже поворотливость судна, что связано с относительным увеличением сил сопротивления боковому перемещению судна. Поэтому широкие и короткие суда обладают лучшей поворотливостью, чем длинные и узкие.

Коэффициент общей полноты (d). С увеличением коэффициента d поворотливость улучшается, т.е. чем полнее обводы судна, тем лучше его поворотливость.

Конструкция и расположение руля. Конструкция руля (его площадь и относительное удлинение) мало влияют на улучшение поворотливости судна. Существенно большее влияние оказывает его расположение. Если руль расположен в винтовой струе, то скорость натекания воды на руль возрастает за счет дополнительной скорости потока, вызванной винтовой струей, что обеспечивает значительное улучшение поворотливости.

На двухвинтовых судах руль, расположенный в ДП, обладает относительно малой эффективностью. Если же на таких судах установлены два пера руля за каждым из винтом, то поворотливость резко возрастает.

Скорость судна

Форма циркуляции, ее главные геометрические характеристики (выдвиг, прямое смещение, обратное смещение) зависят от исходной скорости судна. Но диаметр установившейся циркуляции при одинаковом угле перекладки руля остается постоянным и не зависит от исходной скорости.

При ветре управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем большее влияние ветра на управляемость.

Элементы посадки судна

Дифферент. Увеличение дифферента на корму приводит к смещению центра бокового сопротивления от миделя в сторону кормы, поэтому возрастает устойчивость судна на курсе и ухудшается его поворотливость.
С другой стороны, дифферент на нос резко ухудшает устойчивость на курсе - судно становится рыскливым, что усложняет маневрирование в стесненных условиях. Поэтому судно стараются загрузить так, чтобы оно в течении рейса имело небольшой дифферент на корму.

Крен. Крен судна нарушает симметричность обтекания корпуса. Площадь погруженной поверхности скулы накрененного борта становится больше соответствующей площади скулы приподнятого борта.

В результате судно стремится уклониться в сторону, противоположную крену, т.е. в сторону наименьшего сопротивления.

Осадка. Изменение осадки приводит к изменению площади бокового сопротивления погруженной части корпуса и площади парусности. В результате, с увеличением осадки улучшается устойчивость судна на курсе и ухудшается поворотливость, а с уменьшением осадки - наоборот.
Кроме того уменьшение осадки вызывает увеличение площади парусности, что приводит к относительному усилению влияния ветра на управляемость судна.

Все силы, действующие на судно, разделяются на три группы:

Движущие;

Внешние;

Реактивные.

К движущим силам относятся силы, создаваемые средствами управления: тяга винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления.

К внешним силам относятся силы давления ветра, волнения моря, давления течения.

К реактивным силам относятся силы, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Они разделяются на инерционные - обусловленные инертностью судна и присоединенных масс воды и возникающие только при наличии ускорений. Направление действия инерционных сил всегда противоположно действующему ускорению. Неинерционные силы обусловлены вязкостью воды и воздуха и являются гидродинамическими и аэродинамическими силами.

ТЯГА ВИНТА И СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ СУДНА.

Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему необходимо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой

где R - сила сопротивления; V - скорость движения.

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус - движитель. Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения.

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме (в случае, когда судно стоит на швартовых, а его машине дали полный передний ход). Эта сила примерно на 10 % больше тяги винта в режиме полного хода. Сила тяги винта при работе на задний ход для различных судов составляет примерно 70-80 % от тяги винта в режиме полного хода.

КАЧКА.

Качкой называются колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия.

Колебания называются свободными (на тихой воде), если они совершаются судном после прекращения действия сил, вызвавших эти колебания (шквал ветра, рывок буксирного троса). Из-за наличия сил сопротивления (сопротивления воздуха, трения воды) свободные колебания постепенно затухают и прекращаются. Колебания называются вынужденными, если они совершаются под действием периодических возмущающих сил (набегающие волны).

Качка характеризуется следующими параметрами (рис. 179):

амплитудой θ - наибольшим отклонением от положения равновесия;

размахом - суммой двух последовательных амплитуд;

периодомТ - временем совершения двух полных размахов;

ускорением.

Качка затрудняет эксплуатацию машин, механизмов и приборов из-за воздействия возникающих сил инерции, создает дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса судна, оказывает вредное физическое воздействие на людей.

Рис. 179. .Параметры качки: θ 1 и θ 2 амплитуды; θ 1 + θ 2 размах.

Различают бортовую, килевую и вертикальную качку. При бортовой качке колебания совершаются вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести судна, при килевой - вокруг поперечной. Бортовая качка при малом периоде и больших амплитудах становится порывистой, что опасно для механизмов и тяжело переносится людьми.

Период свободных колебаний судна на тихой воде можно определить по формуле Т = c(B/√h, где В - ширина судна, м; h - поперечная метацентрическая высота, м; с - коэффициент, равный для грузовых судов 0,78 - 0,81.

Из формулы видно, что с увеличением метацентрической высоты уменьшается период качки. При проектировании судна стремятся достигнуть достаточной остойчивости при умеренной плавности качки. При плавании на волнении судоводитель должен знать период собственных колебаний судна и период волны (время между набеганием на судно двух соседних гребней). Если период собственных колебаний судна равен или близок периоду волны, то наступает явление резонанса, которое может привести к опрокидыванию судна.

При килевой качке возможно либо заливание палубы, либо при оголении носа или кормы их удары о воду (слеминг). Кроме того, ускорения, возникающие при килевой качке, значительно больше, чем при бортовой. Это обстоятельство должно учитываться при выборе механизмов, устанавливаемых в носу или в корме.

Вертикальная качка вызывается изменением сил поддержания при прохождении волны под судном. Период вертикальной качки равен периоду волны.

Для предотвращения нежелательных последствий от действия качки судостроители применяют средства, способствующие если не полному прекращению качки, то по крайней мере умерению ее размахов. Особенно остро стоит эта проблема для пассажирских судов.

Для умерения килевой качки и заливания палубы водой у ряда современных судов делают значительный подъем палубы в носу и в корме (седловатость), увеличивают развал носовых шпангоутов, проектируют суда с баком и ютом. При этом в носу на баке устанавливают водоотбойные козырьки.

Для умерения бортовой качки применяют пассивные неуправляемые или активные управляемые успокоители качки.

К пассивным успокоителям относят скуловые кили, представляющие собой стальные пластины, устанавливаемые на протяжении 30 - 50 % длины судна в районе скулы вдоль линии тока воды (рис. 180). Они просты по устройству, уменьшают амплитуду качки на 15 - 20%, но оказывают значительное дополнительное сопротивление воды движению судна, уменьшая скорость хода на 2-3 %.

Рис. 181. Бортовые пассивные цистерны и положение в них жидкости при качке судна в резонанс с волной.

Эти цистерны эффективны при режимах качки с большим периодом. Во всех прочих случаях они не умеряют, а даже увеличивают ее амплитуду.

В активных цистернах (рис. 182) вода перекачивается специальными насосами. Однако установка насоса и автоматического устройства, управляющего работой насоса, значительно усложняет и удорожает конструкцию.

Судно, стоящее на якоре, подвергается воздействию сил: ветра R А, течения R T , волнения R волн, инерционных сил рыскания и кач­ки R ин. Этим силам противодействует держащая сила якорного уст­ройства. Судно не будет дрейфовать, если горизонтальная состав­ляющая равнодействующей внешних сил ∑R уравновешивается держащей силой якорного устройства F x , т. е. ∑R = R А + R T + R волн + R ин <= F x Сила действия ветра Я л зависит от скорости ветра, площади обдуваемой поверхности и воздушного сопротивления судна. Силу действия ветра на судно (в Н) можно определить по формуле, которая для случая якорной стоянки упрощается: R А = 0,61Cx a U 2 (А u cos q u + B u sin q u), где Cx a - коэффициент воздушного сопротивления, зависящий от угла q u U - скорость ветра, м/с; А u , B u - площадь проекции надводной части корпуса судна соответственно на мидель и ДП, м 2 ; q u - угол между ДП и направлением ветра, °. Рассмотрим силу действия течения R т. Скорость течения на якорных стоянках редко превышает 2 - 3 уз. При расчете силы дей­ствия воды на подводную часть судна (в Н) можно использовать формулу R т = 58,8В T V 2 T sin Θ Т, где В т - проекция подводной части корпуса на диаметральную плоскость судна, м: ; V T - скорость течения, м/с; Θ Т - угол между направлением течения и ДП, °. Значение В T (в м 2) определяют по формуле В T = 0,9L max d ср где L max - наибольшая длина судна, м; d ср - средняя осадка, м. Силу рыскания R m , условно принимают равной весу якоря в воде. Для учета сил ударов волн по корпусу судна необходимо вво­дить в расчеты коэффициент динамичности Кд, который в первом приближении можно принять равным 1,4.

3.Расчет длины якорного каната, потребной для использования держащей силы якоря.

Теоретически задача может быть поставлена и в несколько другом плане, а именно: необходимо определить длину якорной цепи, при которой будет полностью использована держащая сила якоря.

В этом случае горизонтальную составляющую натяжения якорной цепи следует приравнять к держащей силе якоря (Т=Р ЯК). Тогда lц = h где k rp - коэффициент держащей силы якоря, зависящий от грунта и типа якоря; Pя - вес якоря, Н. Строгое решение задачи с учетом всех элементов динамики про­цесса представляет определенные трудности в силу ограниченности необходимой для этого исходной информации. Следует отметить, что с практической точки зрения в этом нет необходимости, так как при не­благоприятных условиях якорной стоянки требуется иной подход к обе­спечению безопасности судна. При ограниченных колебаниях, совершаемых судном в вертикаль­ной плоскости, удовлетворительные значения длины якорной цепи, при которой компенсируются динамические рывки, могут быть получены за счет введения в формулу так называемого коэффициента динамич­ности kд: lц = h где Тср -среднее значение внешней силы, Н; kд - в зависимости от типа судна, условий стоянки можно принять равным 1.4-1.7

4. Расчет длины якорного каната, потребной для компенсации действующих на судно внешних сил.

Статическое решение задачи длины якорной цепи т. е. исходя из предположения, что судно во время якорной стоянки не имеет рыскания.. Эта кривая называется цепной линией и описывается следующими, уравнениями: l=ash(x/a) y= a+h = a ch (x/a) где l - длина якорной цепи от якоря до клюза, м; а - параметр цепной линии, равный отстоянню ее вершины от начала координат a = T/pц, м; х, у - координаты точки, в которой находится якорный клюз, м; h - отстоянне клюза от грунта, м. Совместное решение приведенной системы уравнений позволяет определить l: l=h или, учитывая, что a = T/pц l=h где Т - горизонтальная составляющая натяжения якорной цепи, Н; Ра. - вес I м якорной цепи в воде, Н. В соответствии с поставленными начальными условиями, горизонтальная составляющая натяжения якорной цепи будет равна суммарной силе ветра и течения, действующей в данный момент на судно, Т=F T +F A lmin = h . Расчеты, выполненные по этим формулам, дают наименьшее зна­чение длины якорной цепи, при которой обеспечивается нормальная работа якоря. Для исключения возможности снижения держащей си­лы якоря за счет рывков при появлении у судна колебательных дви­жений из-за перемены нагрузки (порывов ветра, наличия волнения и др.) длина якорной цепи должна быть несколько увеличена, чтобы часть ее при средних значениях внешней силы лежала на грунте.

Линейная плотность якорной цепи (в кг/м): в воздухе q= 0.021d 2 ц, в воде q=0,021*0,87^^0.018 d 2 ц, где d u - калибр якорной цепи, мм. Коэффициент трения при протаскивании якорной цепи по раз­личному грунту (без учета присасывания) определяется по табл. Держащая сила может быть получена через массу якоря G и удельную держащую силу К: K = F я /gG = 0.73γ г (b як /l як)(66/М як)h 3 як где g - ускорение свободного падения (9,81 m/c s); γ г - плотность грунта, т/м 3 ; b як - ширина лапы якоря, м; l як - длина лапы якоря, м; М як - величина, зависящая от типа якоря и глубины погружения его лап; h як - погружение лапы якоря, м. h як = l як sinα як; здесь α як - угол наклона лап якоря, ° (для якоря Холла а=45°). Безопасность якорной стоянки зависит от совокупности ряда фак­торов: состояния судна, характера грунта и в первую очередь гидрометеорологической обстановки. Следует всегда помнить, что даже самая благоприятная якорная стоянка при определенном изменении гидрометеорологических условий может оказаться небезопасной и потребуется немедленная съемка с якоря для перемены места стоянки или выхода в открытое море. В связи с этим категорически запрещается при стоянке судна на якоре производить в машинном отделении какие-либо работы, связан­ные с выводом из строя главного двигателя, рулевого и якорного уст­ройств. Машина должна находиться в готовности, срок которой уста­навливается капитаном судна в зависимости от конкретной обстанов­ки. На время всей стоянки судна на якоре устанавливаются ходовые вахты как на мостике, так и в машинном отделении. Вахтенная служба должна вести непрерывное наблюдение как за состоянием погодных условий, так и окружающей обстановкой, по­ведением других судов, стоящих поблизости на якоре. Большое внимание следует уделять своевременному обнаружению дрейфа судна, для чего должны использоваться все доступные в данном случае способы. В настоящее время контроль за дрейфом судна чаще всего осу­ществляется навигационными способами путем взятия контрольных пеленгов или дистанций. Для достижения наибольшей эффективности контроля в качестве ориентиров при снятии пеленгов или измерении дистанции следует выбирать предметы, у которых изменения пеленгов (дистанции) в слу­чае появления дрейфа будут наиболее заметными. Подбирая ориенти­ры, необходимо иметь в виду, что совершенно не обязательно, чтобы они были нанесены на карту, так как обнаружение дрейфа может быть установлено по характеру изменения пеленгов (дистанций) без выполнения обсерваций. Для пеленгования выгоднее всего выбирать ориентиры, располо­женные близко к траверзу с обоих бортов судна, а для измерения ди­станций - на носовых или кормовых курсовых углах. На небольших и низкобортных судах рекомендуется использовать и такой старый метод, как выбрасывания прямо по носу ручного лота или просто балластины на лине с небольшой слабиной последнего. На­тяжение линя при неизменном курсе судна является верным призна­ком появления дрейфа судна.

Особое внимание контролю за дрейфом судна должно уделяться при стоянке на якоре на плохо держащих грунтах, при неровном хол­мистом дне. В этом случае в дополнение к контролю за дрейфом суд­на на мостике рекомендуется выставить наблюдателя на носу непосред­ственно у якорного устройства. Резкое изменение натяжения якорной цепи, когда она надраивается, а затем сразу же резко провисает, служит признаком того, что якорь ползет по грунту. Наличие вахтен­ного у брашпиля, если нет автоматического устройства отдачи якоря, также полезно при стоянке на рейде с большим количеством других судов, стоящих на якоре. В случае дрейфа соседнего судна быстрое потравливание якорной цепи позволит устранить риск навала или хо­тя бы уменьшить его последствия. Меры по предотвращению дрейфа зависят от причин, вызвавших его, появление. При благоприятных погодных условиях дрейф судна может возникнуть из-за слабой держащей силы якоря, когда якорь либо ползет на плохо держащих грунтах, либо периодически вывора­чивается из грунта в результате неравномерного уплотнения грунта под лапами якоря при рыхлых грунтах. В таких случаях лучше всего переменить место якорной стоянки, особенно если дрейф происходит в сторону берега, какой-либо нави­гационной опасности или другого судна. Чаще всего причиной дрейфа является ухудшение гидрометеоро­логической обстановки. Вполне понятно, что дрейф судна станет неизбежным, если внеш­ние силы достигнут значения, превышающего держащую силу якоря. В определенных пределах держащая сила якоря может быть несколь­ко повышена за счет дополнительного потравливания якорной цепи. Часть цепи, лежащая на грунте, позволяет увеличить держащую силу якоря на величину Δряк = f p ц Δl.

6. Способы постановки на один или два якоря.

Рассмотрим несколько наиболее характерных случаев постанов­ки судна на один якорь и на два якоря. Постановка на якорь задним ходом . Судно маневри­рует таким образом, чтобы в точку отдачи якоря прийти на курсе, противоположном направлению равнодействующей ветра и течения. В точке отдачи якоря судно или совсем не должно иметь движения или медленно продвигаться назад. Отдастся якорь того борта, ко­торый во время стоянки желательно иметь наветренным. На канат выходят благодаря дрейфу или подработав двигателем задним хо­дом. При значительной скорости дрейфа для его уменьшения под­рабатывают двигателем вперед. Постановка на якорь передним ходом . Она применяется реже, так как до выхода на канат судно может развернуть бортом к вет­ру. При этом возникает опасность рывка, который может вывер­нуть якорь из грунта. К моменту отдачи якоря судно не должно иметь движения или может медленно продвигаться вперед, лежа на курсе, соответствующем направлению равнодействующей вет­ра и течения. На одновинтовом судне лучше отдавать якорь борта, разноименного с шагом винта. Скорость выхода на канат регулируется рабо­той движителей. Канат травят слабо до длины, при которой будет полностью использована держащая сила якоря, после чего его на­чинают постепенно обтягивать. При этом судно начинает развора­чиваться носом к якорю. Для плавной остановки судна не следует спешить задерживать канат. Лучше вытравить его на излишнюю длину, а потом подобрать. Постановка на два якоря для увеличения держащей силы якор­ного устройства . В этом случае якоря кладут с небольшим разно­сом так, чтобы угол между якорными канатами составлял не менее 30-40°. Первым отдают якорь того борта, на который действует суммарная сила ветра и течения. Маневрировать можно различны­ми способами. Постановка с хода . При подходе к месту отдачи первого якоря на курсах, близких к перпендикуляр­ным к направлению ветра или течения, следуют с такой скоростью, чтобы, работая назад машиной, судно смогло остановиться у места отдачи второго якоря. Первый якорь отдают на переднем ходу. Ка­нат травят слабо, руль кладут в сторону отданного якоря, и судно, разворачиваясь против ветра и течения, подходит к месту отдачи второго якоря, после отдачи которого выходят на канаты. Вытра­вив канаты на нужную длину, их плавно обтягивают и выравни­вают. При постановке способом «тандем» судно стоит на одном якоре, а второй кладут на грунт и используют в качестве волокуши. Дли­на вытравленного каната должна ненамного превышать возвыше­ние клюза над грунтом. Волочащийся по грунту якорь создает до­полнительное сопротивление и уменьшает амплитуду рыскания. Постановка способом «фертоинг» применяется для уменьшения радиуса циркуляции и амплитуды рыскания в тех слу­чаях, когда в районе якорной стоянки наблюдаются меняющие на­правление на противоположное приливно-отливные течения или бри­зы. Якоря кладут иод углом, близким к 180°. Длина якорного кана­та, направленного против течения или ветра, должна быть доста­точной для обеспечения безопасности стоянки. У второго каната подбирают слабину. При постановке на два якоря для уменьшения рыскания судна якорные канаты кладут под прямым или даже тупым (до 120°) углом. При этом, когда канат основного якоря располага­ется параллельно направлению ветра, канат второго якоря должен натянуться. Тогда судно при рыскании имеет возможность пересе­кать линию ветра только в одну сторону. Постановку осуществляют в два приема, как описывалось выше. Но для того чтобы получить между канатами прямой или тупой угол, канат, располагающийся по ветру, травят на длину большую, чем необходимо для обеспечения безопасности стоянки, а после отдачи второго якоря подбирают до получения желаемого угла. Соотношение длины канатов - при­мерно 4:3. Указанный способ может применяться для отстоя при прохожде­нии циклона, когда происходит круговое изменение направления ветра. Если смена ветра ожидается по часовой стрелке, судно ста­вят вначале на левый якорь, а правый кладут на траверзе. По ме­ре того как ветер заходит вправо, правый канат потравливают. По­сле того как длина канатов выравнивается, а ветер будет продол­жать заходить вправо, начинают подбирать левый канат. Постановка судна на шпринг применяется для удер­жания судна в определенном положении по отношению к ветру и течению, чаще - с целью прикрытия корпусом судна от ветра и волнения плавсредств, находящихся у борта. Для постановки на шпринг швартовный трос (в этом случае его называют шпрингом) обносят но наружной стороне того борта, с которого отдан якорь. Один конец его проводят через швартовный клюз в кормовой части судна и кладут на кнехты. Второй конец проводят из-за борта че­рез якорный клюз и крепят к якорному канату, который предва­рительно подбирают до минимальной длины (такая длина обеспе­чивает стоянку без дрейфа). Крепление лучше выполнять стальным стропом равной со шпрннгом прочности, заводя его вокруг якорно­го каната. Строп и шпринг соединяют такелажной скобой. Потрав­ливая якорный канат, ставят судно лагом или под желаемым уг­лом к ветру. В такое положение судно может быть поставлено и с помощью кормового якоря или завезенного стоп-анкера.Следует помнить, что судно, стоящее на шпринге, в большей сте­пени подвержено дрейфу, так как обладает большим сопротивлени­ем ветру и течению. На рис. 1G.10, в показана постановка судна на два якоря и два ширинга. В тех случаях, когда один якорь не обеспечивает необходимого держащего усилия, к якорному канату крепят два якоря один за другим. Наиболее часто способ постановки на «гусек» применяется при завозе якорей для стягивания судна с мели.

7. Маневрирование при постановке (съемке) на один или два якоря.

При съемке с якоря в свежую погоду для облегчения работы. Брашпиля рекомендуется осторожно подрабатывать машиной, но с та­ким расчетом, чтобы судно не приобрело большого разгона и якорная цепь не пошла под корпус судна. Для установления необходимого режима работы двигателя нахо­дящийся на баке помощник капитана должен непрерывно докладывать на мостик о положении якорной цепи (ее натяжении и направлении). К помощи двигателя при съемке с якоря приходится также при­бегать в тех случаях, когда якорная цепь настолько засасывается грунтом, что брашпиль, как говорят, «не тянет», т. е. не в состоянии вырвать цепь из грунта. Чтобы в момент рывка не повредить браш­пиль, необходимо прежде чем давать ход, взять якорную цепь на сто­пор и отсоединить брашпиль. Съемка с двух якорей в зависимости от конкретных условий якор­ной стоянки может осуществляться как с раздельной, так и с одно­временной выборкой якорных цепей. К поочередному подъему якорей прибегают всегда при большом угле разноса якорных цепей, когда судно стоит на двух якорях спо­собом фертоинг, на перекрещивающихся якорных цепях и т. п. В этих случаях выбирается первым якорь, являющийся в данный момент «не рабочим», а затем якорь, на котором судно в это время бу­дет стоять. Если судно стоит на двух якорях с перекрещивающимися цепями, то первым выбирается якорь, отданный для предотвращения рыска­ния. При этом, чтобы не допустить при выборке трение одной цепи о другую, необходимо, чтобы якорная цепь основного якоря была на это время натянута («надраена»). Поэтому если съемка с якорей про­исходит уже при ослабленном ветре, необходимо дать машине перед началом съемки небольшой толчок на задний ход. При стоянке на двух якорях способом фертоинг для съемки с яко­рей первоначально травят якорную цепь якоря, на котором судно сто­ит в данный момент, и одновременно с этим подбирают якорную цепь второго якоря. Когда он окажется в клюзе, выбирают первый якорь. Если угол разноса якорных цепей не превышает 30-40°, то при благоприятных условиях съемка с якорей для ее ускорения может про­изводиться с одновременным выбиранием обоих якорных цепей. При этом следует иметь в виду, что на стесненном рейде, где дрейф судна недопустим, к одновременной выборке якорей можно прибегать, если разница в длинах якорных цепей составляет либо меньше одной глубины, либо больше трех глубин. В первом случае оба якоря будут подорваны одновременно, что позволит сразу же начать работать ма­шиной, не допуская дрейфа судна. Во втором случае после подрыва якоря с более короткой цепью судно будет надежно оставаться без дрейфа на втором якоре. Таким образом, в обоих случаях можно будет спокойно втянуть поочередно якоря в клюзы. При поочередном подъеме якорей первоначально выбирается бо­лее короткая якорная цепь, а затем после втягивания якоря в клюз, более длинная. При этом, если съемка с якоря осуществляется в усло­виях свежей погоды, а момент подрыва первого якоря необходимо подработать машиной на передний ход, чтобы не прийти рывком на вторую якорную цепь. При равнодлинных якорных цепях очередность их выборки дик­туется только навигационными соображениями. Обычно последним поднимается тот якорь, в сторону которого судно будет разворачивать­ся на выход с рейда. Это делается для того, чтобы в случае трудности в развороте судна на новый курс можно было использовать якорь. Особые трудности при съемке с двух якорей возникают, если в результате изменения направления ветра судно развернется и якорные цепи перекрестятся, образуя крест при развороте судна на 180° или крыж при развороте на 360°. Образование креста, а тем более крыжа - вещь чрезвычайно не­желательная, так как при этом нарушается нормальная работа якор­ного устройства и может произойти повреждение якорных цепей. По­этому, как уже указывалось, в случае опасности возникновения такой ситуации должна быть сделана своевременная перекладка якорей. Если же этого сделано не было, необходимо выбрать хотя бы один из якорей, пока образовался только крест. Первоначально выбирается та якорная цепь, которая находится снизу, вторая - при необходимости потравливается. Когда выбирае­мый якорь станет панер, вторая якорная цепь окажется чистой и даль­ше можно поступать по обстоятельствам: либо вновь стать на второй якорь, либо выбрать и первый, чтобы переменить место стоянки. Все оказывается значительно сложнее, если образуется крыж (или несколько крыжей). В этом случае прежде чем начинать съемку с якорей, необходимо развести крыжи - развернуть судно в сторону, обратную закручиванию якорных цепей. При благоприятных погодных условиях разворот малотоннажного судна, хотя и со значительными трудностями, может быть сделан с помощью собственной машины и судового катера. Для разворота крупнотоннажного судна необходима помощь буксира. Если из-за плохой организации вахтенной службы неизвестно, в какую сторону произошло закручивание якорных цепей, то для определения направления разворота судна выбирают обе якор­ные цепи до тех пор, пока из воды не покажется крыж. Разворот следует делать против движения часовой стрелки, если в начале крыжа правая цепь будет видна поверх левой, и в обратную сторону, если левая якорная цепь окажется на правой. Производить для разводки крыжей расклепывание якорных цепей на современном судне - задача практически малореальная.

8. Разворот судна в узкости с помощью якоря.

Развороты на ограниченной акватории. Если на судне с отданным на грунт якорем, цепь которого натянута назад параллельно ДП, пере­ложить руль на один из бортов и дать передний ход двигателю, то кор­ма судна под влиянием боковой силы руля P ру, обтекаемого струей от винта, получает боковое перемещение в сторону, противоположную пе­рекладке руля. Продольного перемещения судно в начальном периоде не получает, так как сила упора винта Р е компенсируется держащей силой якоря Р я, поэтому вращение вначале происходит вокруг полюса поворота, положение которого зависит, от точки приложения поперечной силы. В данном случае поперечная сила P ру создается рулем, следовательно, приложена примерно на расстоя­нии 0.5L в корму от ЦТ, поэтому в соответствии с графиком х пп =f (х р) будет находиться приблизительно на расстоянии 0.15L в нос от ЦТ. Если якорная цепь вытравлена на такую длину l ц, при которой якорь будет находиться под днищем судна в районе полюса поворота (в рассматриваемом случае этому соответствует l ц =0,35L), то судно и в дальнейшем будет продолжать вращение вокруг ПП без поступа­тельного движения (если якорь не драгирует). Следовательно, оно мо­жет быть развернуто практически на месте на любой угол. Если вытравлено якорной цепи меньше чем 0.35L, то ПП смеща­ется в нос, и вращение судна будет происходить по-прежнему вокруг точ­ки, находящейся примерно над лежащим на грунте якорем, но с несколько меньшей угловой скоростью, чем в случае l ц = 0,35L. Уменьшение угловой скорости связано с тем, что ЦТ в данном случае будет описывать дугу большего радиуса, а это приводит к воз­растанию демпфирующего гидродинамического момента. Если же якорной цепи вытравлено больше чем 0,35L, то после на­чала вращения между ДП и направлением якорной цепи образуется более или менее значительный угол, а это приводит к появлению поперечной составляющей натяжения якорной цепи, при­ложенной к носовой оконечности и способствующей развороту судна. Следует учитывать, что при таком вращении судно приобретает неко­торое поступательное движение, поэтому нужное для разворота прост­ранство возрастает. Во всех рассмотренных случаях разворота с использованием от­данного на грунт якоря необходимо, чтобы сила упора винта не превы­шала держащей силы якоря. В противном случае якорь поползет, и судно может не вписаться в имеющуюся акваторию.

9. Торможение судна с использованием якорей.

Снижения тормозных характеристик судна и повышения его уп­равляемости на малых скоростях можно достичь, использую вытравленные якоря с небольшим количеством якорной цепи. Экспе­риментально установлено, что длина тормозного пути судна с вы­травленными якорями по сравнению с длиной тормозного пути судна без вытравленных якорей уменьшается примерно на 30%. Выявлено также, что диаметр установившейся циркуляции судна уменьшается даже при небольшом количестве цепи в воде на 15- 20%. Наблюдается значительное улучшение управляемости. Во-первых, с отданными якорями при тон же скорости движения дви­гателям можно дать большую нагрузку и тем самым увеличить скорость набегающего на перо руля потока. Во-вторых, вследствие смешения центра сил сопротивления воды в нос увеличивается вращающий момент от действия руля. В настоящее время суда ММФ оборудуют приборами для дистанционной отдачи якорей, улучшают конструкцию брашпилей и

шпилей, что позволит более эффективно применять якоря для повышения маневренных качеств судов. Сила сопротивления (в Н) якоря типа Холла набегающему по­току воды R я = а 1 V с 2 G 2/3 где а 1 - размерный коэффициент cопротивления, примерно равный 5,5; V с - скорость потока воды, м/с; G - масса якоря, кг. Для расчета силы сопротивления (в Н) якорной цепи принята зависимость вида: R цп = с ц d ц l яц V с 2 где с ц - размерный коэффициент, примерно равный 588; d ц - калибр якорной цепи, м; l яц - длина цепи, м. Для определения совместного сопротивления якоря и цепи на­бегающему потоку воды необходимо определить сопротивление якоря R я при данной скорости судна и суммировать его с сопротив­лением цепи R цп. Уравнение свободного торможения судна с вытрав­ленным якорем и якорной цепью можно записать с учетом выра­жения в следующем виде: m (dV/dt) + (e + e в + е яц) KV 2 =0 где е яц = (R я + R цп)/ R - коэффициент, учитывающий влияние силы сопротив­ления якоря и якорной цепи (R - сила сопротивления воды). После интегрирования выражения получим (соответст­венно в секундах и метрах): t i = (m/K(e + e в + е яц))(V -1 i - V -1 c) S i = (m/K(e + e в + е яц))ln(V c /V i). Также применяется торможение с использованием якорей, протаскиваемых по грунту.

10. Команды и доклады при постановке (съемке) на якорь.

У правого/левого якоря стоять! (Stand by starboard/port anchor!) Отдать правый/левый якорь! (Let go starboard/port anchor!) Травить якорь-цепь! (Slack away the cable!) Две смычки в воду! (Two shackles in the water!) Задержать якорь-цепь!(Hold on the chain!) Выбрать якорь-цепь! (Heave in the chain!) Закрепить якорь-цепь! (Make fast the chain!) Наложить стопор! (Secure the break!) Панер! (It is apeak!) Якорь чист! (The anchor is clear!) Якорь не чист! (Foul anchor!)

11. Классификация водной акватории. Мелководье.

С точки зрения управления судном понятие узкости определяется соотношением между маневренными характеристиками судна (с уче­том его линейных размеров) и шириной водного пространства, в пре­делах которого судно может безопасно следовать при существующих средствах навигационного обеспечения. С точки зрения ширины акватории делят на открытые и каналы. Открытые акватории делят на глубокие, мелкие и углубленные морские пути. Открытой и глубокой акваторией называется такая, на которой дно и берега не оказывают влияния на маневренные качества судна. Ширина открытой акватории определяется диаметром циркуляции. В морской мировой практике принимается, что для выполнения са­мостоятельной циркуляции на акватории, где нет ветра и течения, не­обходимы размеры акватории b>8L, где b - ширина акватории, м; L - длина судна, м. Эта зависимость действительна для всех плаведнниц, так как коэффициент k, равный 8, является наибольшим коэффициентом из ис­пользуемых для определения нормального диаметра циркуляции. Ве­личина параметра ширины акватории соответствует минимальному диаметру тактической циркуляции. Определение понятия мелководье можно представить следующим образом. Движущееся судно вызывает образование различных волн.

12. Эффект волнообразования. Спутная волна.

Частица воды в волновом движении на глубокой воде движется по круговой орбите. Радиус орбиты на поверхности равен амплитуде вол­ны, а на глубине Н радиус r н определяется формулой: r н = r о e - kH где r о - радиус орбиты частицы на поверхности воды, равный амплитуде волны, м, е - основание натуральных логарифмов; k = 2 П/λ - волновое число (λ- длина волны, м); Н - глубина, отсчитываемая от поверхности воды, м. Параметр e - kH называют коэффициентом затухания. Известно, что если глубина воды меньше 0,5λ, то при движении судна необходимо принимать во внимание влияние дна. Уравнение, определяющее зависимость скорости волны от ее длины и глубины акватории, с = где с - скорость волны, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2. При H→∞ выражение th (2ПH/λ) →1 и скорость распростране­ния волны на глубокой воде с= . Согласно уравнению, при λ =const скорость волны на мел­ководье меньше, чем на глубокой воде, поскольку частицы движутся не по круговой орбите, а по эллиптической. Скорость судна, равная максимальной скорости распространения волн, называется критической скоростью судна, а величина этой скорости может быть определена по уравнению или приближенно для практических целей с по­мощью выражения V кр = . Влияние мелководья начинает заметно сказываться при переходе за скорости, равные 0,6V кр, когда высота и длина создающихся при движении судна поперечных волн начинают резко возрастать. По мере увеличения скорости увеличивается и угол, составляемый гребнями волн с ДП судна. При скорости V>0,75V кр, поперечные и расходящие­ся волны совмещаются в одну общую поперечную волну, достигающую наибольших размеров при скорости V= (0,9-1,0) (gH) 1/2 и имеющую вид поперечного вала, движущегося вместе с судном несколько впе­реди форштевня. В кормовой части судна несколько впереди ахтерштевня также создаются поперечные волны, которые распространяют­ся далеко по обе стороны от судна. Вместе с ростом волнообразования растет и сопротивление воды движению судна, перегружается двига­тель, возрастает расход топлива, повышается износ двигателя. Поэто­му увеличивать скорость судна до значений, больших 0,80 V кр, неце­лесообразно. Скорость судов в канале назначается в пределах 4- 12 уз, однако, она не должна превышать величины 0,9 V кр.

13. Эффект проседания.

При движении судов происходит изменение их положения на пла­ву по отношению к свободной поверхности и дну водоема. Существен­ное изменение посадки (просадки судна) наблюдается в условиях мелководья, в каналах, реках и других стесненных условиях. Аналитический метод расчета посадки судна на ходу в условиях глубокой воды был разработан Ю. Н. Поповым. Удовлетворительное соответствие результатов теоретического расчета, основанного на ис­пользовании линейной теории волн, с экспериментом получается в том случае, если изменение средней осадки и угла дифферента рассматривается как сумма двух составляющих, одна из которых вызывается действием гидродинамической вертикальной силы или соответственно дифферентующего момента, а другая - перераспределением погру­женного объема из-за волнообразования. В этом случае: Δd= Δd д + Δd в; ψ= Δψ д + Δψ в где Δd - изменение средней осадки судна на ходу, м; ψ - угол дифферента судна на ходу, град; Δd д - изменение средней осадки судна от действия гидродинамической вертикальной силы, м; Δψ д - изменения угла дифферента под действием гидродинамического днфферентующего момента, град; Δd в, Δψ в - соответственно изменение средней осадки и угла дифферента из-за волнообразования. Расчеты просадки судов на мелководье, если брать за основу вы­ражения, чрезвычайно трудоемки. При сравнительно малых докритических скоростях движения судна на мелководье, каналах, реках снижается роль собственного волнобразовання судна. Перераспределение погруженного объема судна на ходу может быть приближенно объяснено изменением уровня сво­бодной поверхности воды из-за наличия стесненности фарватера. Приращение осадки судна при движении по мелководью в общем случае объясняется уменьшением гидростатического давления воды под днищем корпуса судна. Это уменьшение является следствием уве­личения скорости обтекания днища водой из-за стесненности потока, понижения уровня воды у бортов, а также условий волнообразования у движущегося судна. Работающие гребные винты также влияют на просадку судна. Вопросом приращения осадки при движении судна в стесненных условиях занимались многие советские и зарубежные исследователи. В результате теоретических и экспериментальных исследований разра­ботано большое количество методов и эмпирических зависимостей для определения просадки судна в различных условиях плавания и конст­руктивных особенностей судов. Наиболее общее решение имеет так на­зываемый классический метод. Этот метод основывается на непосред­ственном применении закона Бернулли и закона неразрывности жид­кости. Модифицируя уравнение Бернулли и принимая, что величину давления р можно выразить высотой водяного столба над условным уровнем Н, уравнение Бернулли примет вид H+(U 2 /2g)=const, где Н - глубина, м; U - скорость потока воды, омывающего судно, называемая скоростью встречного потока, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с 2 . При сравнительно малых докритических скоростях движения сни­жается роль собственного волнообразования судна. Перераспределение погруженного объема судна на ходу может быть приближенно объяс­нено изменением свободной поверхности воды из-за наличия стеснен­ности фарватера. Рассмотрим случай движения судна в канале. Движение его в соответствии с уравнением Бернулли приводит к увеличению скорости движения воды вдоль корпуса судна, а это приводит к понижению зеркальной поверхности воды (глубины Н). После преобразования, обозначив H 0 -H x = ΔH, получаем величину понижения зеркальной поверхности воды (просадку судна) ΔH=U(2V+U)/2g.

14. Эффект гидродинамического взаимодействия.

Одной из опаснейших навигационных ситуаций является расхож­дение судов на небольших траверзных расстояниях. В этом случае на их корпусы могут воздействовать дополнительные внешние силы, обусловленные гидродинамическим воздействием корпусов. В резуль­тате действия этих сил суда могут терять управляемость и может воз­никать аварийная ситуация, происходить столкновения судов. Морская практика зарегистрировала достаточно большое коли­чество столкновений, которые произошли в результате гидродинамиче­ского взаимодействия судовых корпусов. В зависимости от сочетания различных факторов и взаимного по­ложения судов возникающие при гидродинамическом контакте на кор­пусах судов поперечные силы Y г и моменты М г могут менять свой знак и может происходить не только «притяжение», но и «расталкивание» судов. Поперечная сила Y г положительна по знаку, если она направ­лена в сторону борта встречного или обгоняемого судна. Момент зарыскивания М г считается положительным по знаку, если он стремится развернуть носовую оконечность рассматриваемого судна в сторону борта встречного или обгоняемого судна. Физическая сущность явления гидродинамического взаимодейст­вия двух судовых корпусов принципиально может быть изложена следующим образом. Из гидромеханики известно, что в идеальной жидкости вдоль ли­ния потока выполняется закон сохранения энергии, который записы­вается в виде уравнения Бернулли, Р + ρV 2 /2g=const, где р - давление в произвольной точке линии тока. Па; ρ - плотность воды, т/м 3 .Предположим, что два одинаковых судна движутся в идеальной (невязкой) жидкости параллельно с одинаковой скоростью при рас­стоянии между бортами. Этот случай равносилен гид­ромеханически случаю обращенного движения, когда оба судна не­подвижны, а на них набегает однородный поток жидкости, имеющий на бесконечном удалении от судов скорость u 0 . Применим уравнение Бернулли к линиям потока жидкости, обте­кающим корпус рассматриваемого судна l. Для линии тока АВ: р 0 + u 0 2 /2g=p b + u b 2 /2g p b - р 0 =ρ/2g для линии тока АС; р 0 + u 0 2 /2g=p c + u b 2 /2g; p c - р 0 =ρ/2g Поскольку корпус судна обладает определенными размерами, а жидкость неразрывна, то скорости частиц жидкости в точке С вблизи борта судна будут больше, чем в точке А на удалении от судна. Таким образом, в точке С давление будет понижено по сравнению с давлени­ем на удалении от судна, т.е. возникает разрежение. В точке потока В. расположенной на стороне борта судна, обра­щенного к судну-партнеру 2, поток жидкости имеет скорость u b , ко­торая больше скорости u c , поскольку между корпусами судов поток поднимается. Следовательно, разрежение со стороны борта, обращенно­го к судну-партнеру, будет еще большим. За счет перепада давления нa внешнем и внутреннем бортах на корпус судна будет действовать по­перечная гидродинамическая сила присасывания. В случае, если корпус судна обладает заметной несимметрией относительно миделя, то поперечная сила присасывания Yг может быть приложена на некотором отстоянии от ЦТ, т.ч. на корпус судна будет действовать момент зарыскивания Мг определенного знака.

15. Сущность влияния мелководья на управление судном. Потери скорости и критическая скорость судна на мелководье.

Практикой установлено, что на мелководье по сравнению с глубо­кой водой резко ухудшается эксплуатационная устойчивость судна на курсе, повышается рыскливость; заметно ухудшается и поворотли­вость судов. На мелководье резко уменьшаются углы дрейфа, угловая скорость поворота и соответственно увеличивается радиус установившейся цир­куляции при одинаковых углах перекладки руля. Исследования А. Д. Гофмана показали, что ухудшение поворотливости на мелко­водье носит закономерный характер. Для определения радиуса уста­новившейся циркуляции па мелководье Rм им получена следующая зависимость: Rм=R ∞ /(1+0.1d/H-0.71(d/H) 2), где R ∞ -радиус установившейся циркуляции на глубокой воде, м. Отношение угловой скорости поворота на мелководье w м к угло­вой скорости на глубокой воде w ∞ , оказалось весьма стабильным для судов различных типов. Для определения среднеквадратической погрешности тактического диаметра циркуляции D Т и выдвига l 1 В. И. Нестеренко провел широ­комасштабный натурный эксперимент на теплоходе «Борис Бувин», выполненный на глубокой воде и на мелководье. Среднеквадратическая погрешность составила 5 %, что свидетельствует о применимости формулы для морских судов. Можно рекомендовать судоводителям морских судов применять номограммы для корректировки циркуляции на глубокой воде в условиях мелководья. Для расчета выдвига l 1 на мелководье можно применить зави­симость l 1 /L= 2.38 +0.36(D T /L),где L - длина судна, м. Расчеты показывают, что, например, для d/H=0,9 увеличение выдвига на мелководье по отношению к выдвигу на глубокой воде составляет 62 %, а при d/H =0.5 - около 17 %. Как видно из приведенного анализа, количественное изменение параметров циркуляции на мелководье по сравнению с глубокой во­дой может быть существенным и судоводитель обязан это учитывать при плавании в стесненных условиях. Эта информация необходима и для разбора аварий, связанных со столкновением судов и посадкой на мель. Уменьшение угла дрейфа на мелководье является благоприятным обстоятельством, поскольку оно позволяет увеличивать размеры судов для беспрепятственного прохождения лимитирующих поворотов.

Обычно для проведения ходовых или сдаточных испытаний, чтобы исключить влияние мелководья, выбирают полигон с глубиной, опре­деляемой выражением H>4d+3V 2 /g, где d - осадка судна, м; V - скорость судна, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с 2 . При решении практических задач управления судном мелководьем можно считать, когда отношение глубины к осадке судна H/d<3. Для расчета скорости на мелководье может быть применена формула, полученная А. П. Смирновым, V м = k v k δ k B / d V ∞ где V м - скорость судна на мелководье, м/с; V ∞ - скорость судна на глубокой воде, м/с; k v - коэффициент пропорциональности; k δ - коэффициент пропорциональности за полноту водоизмещения подводной части корпуса судна; k B / d - коэффициент пропорциональности отношения ширины судна к осадке B/d . Критич. скорость - скорость движения судна, при которой наблюдается равенство между скоростью движения судна и скоростью движения волны = спутная волна (Vкр=(gHгл) 1/2).

16. Способы определения проседания и дифферента судна на мелководье.

Определение запаса воды под корпусом судна при плавании в ка­налах и на мелководье. Величина клиренса К (глубина под килем) должна быть не менее суммы навигационных запасов: K>∑z i или K=(H+ΔH)-(d+Δd+a)>z0+z1+z2+z3, где H - навигационная глубина, м; ΔH - поправка глубины на отклонение уровня воды (положительна, когда уровень выше ординара), м; d - осадка (наибольшая) судна в воде стандартной плотности (р=1025 кг/м 2), м; Δd - поправка осадки судна на соленость воды, м; а - поправка на обледенение судна, м (учитывается в каждом конкретном случае); z0 - запас на крен судна, м; z1-минимальный навигационный запас, м; z2- вол новый запас, м; z3- скоростной запас, м. z0=B/2*sin(Θ+ Θ Д), где В - ширина судна, м.; Θ - угол крена от ветра, град; Θ Д - динамический угол крена, град;

19. Особенности управления судном при плавании в каналах.

При движении судна по каналу увеличиваются волнообразование и сопротивление воды, скорость движения уменьшается. Кроме того, для сохранности ложа канала местными правилами плавания преду­смотрено ограничение скорости движения судов

При смешении судна с оси канала и движении вблизи его бровки возникают силы отталкивания от берега, вследствие чего нос судна стремится развернуться в сторону оси канала, а корма "присасывается" к берегу. Для воспрепятствования такого «присасывания» и обес­печения прямолинейного движения судна вдоль откоса канала руль следует положить в сторону бровки. При этом, если скорость движения вдоль откоса канала уменьшается, то судно уходит в сторону берега, а при увеличении скорости - в сторону оси канала. Необходимо так­же учитывать возможность ухода носовой оконечности судна от мели. При движении мимо расширенных участков канала вследствие асимметрии обтекания корпуса потоком воды у судна увеличивается рыскливость. При подходе к такому участку оно стремится развер­нуться в сторону расширения, после прохода-в противоположную сторону. На прямолинейном участке канала судно должно следовать по его оси. Уклонение от оси канала допустимо лишь при расхождении судов. Встречные суда должны первоначально уклониться таким образом, чтобы их левые борта находились примерно на оси канала. Когда расстояние между ними станет равным примерно трем длинам большего из судов, они должны постепенно уклоняться на необходи­мое траверзное расстояние, обеспечивающее безопасное рас­хождение. Для обеспечения безопасного движения при обгоне в канале боль­шое значение имеет скорость движения при работе главных двигате­лей на минимально устойчивом режиме. Для обгона необходимо вы­бирать прямолинейные участки канала. Траверзное расстояние между судами при расхождении должно быть равным расстоянию между от­косом канала и судном. В этом случае обтекание корпусов обоих су­дов будет более равномерным, и явление присасывания будет незначи­тельным. При расхождении двухвинтового судна желательно работать од­ним винтом, расположенным к осевой линии канала. В этом случае уменьшается отсос воды со стороны берега, к которому подошло судно, что приводит к уменьшению ухода его от откоса. Для улучшения управляемости судов в момент расхождения час­тота вращения движителей на некоторый момент может быть увели­чена. Это не вызовет резкого увеличения скорости. При встречах и обгонах судов в каналах и реках просадка увели­чивается более интенсивно, чем на глубокой воде и это необходимо учитывать судоводителю. Подходя к глубоким выемкам и поворотам канала, где судовой ход не просматривается, необходимо заранее уменьшать скорость, сле­довать с осторожностью и подавать соответствующий звуковой сигнал, предписанный правилом 34 (в) МППСС-72, а также по возможности оповещать другие суда по УКВ-связи о своем подходе к криволиней­ному участку. Судно необходимо вести ближе к выпуклому берегу. При сильном ветре безопасность расхождения в некоторых случа­ях может быть обеспечена только при остановке одного из встречаю­щихся судов и смещении его с оси канала. Проходя мимо стоящих у берега судов, необходимо заблаговре­менно снижать скорость движения до минимальной. При плавании по реке большое значение при управлении судном будет иметь течение.

21. Основные понятия морской буксировки. Виды буксировки.

Буксировка в кильватер осуществляется при морских и дальних океанских плаваниях; буксировка борт о борт - в портах, на хорошо защищенных от морской волны акваториях; буксировка толканием - преимущественно на реках и озерах. В настоящее время буксировка толканием стала применяться и на море. Сочлененные барже-буксирные составы, состоящие из очень больших (дед­вейтом примерно 10000 т), оборудованных высокими стойками барж и мощных буксиров с устройством в носовой части для соеди­нения с баржей, используются для перевозок круглого леса из со­ветских дальневосточных портов в Японию. Буксирный караван может состоять из двух судов - буксирую­щего и буксируемого, либо из нескольких буксирующих судов и од­ного крупного плавучего объекта, либо из мощного буксирного судна и состава из нескольких буксируемых плавсредств. Морские и океанские буксировки в кильватер за кормой на бук­сирном канате выполняют после подготовки, в которую входят: тщательная проработка рейса с учетом гидрометеорологических факторов, оборудование каравана буксирными принадлежностями, техническими средствами, необходимыми для обеспечения безопас­ности буксирной операции (линеметательные установки, средства аварийной связи, спасательные средства). В таких случаях исполь­зуют мощные буксирные суда с неограниченным районом плава­ния или транспортные суда, которые дополнительно оборудуют средствами для крепления буксирных тросов либо используют для этой цели штатное оборудование, расположенное в кормовой части судна. К плановым буксирным операциям чаще всего привлекают буксиры-спасатели и ледоколы. Вынужденные буксировки аварийных судов могут выполняться буксирами-спасателями экспедиционного отряда АСПТР или транс­портными судами, находящимися вблизи бедствующего судна. Ка­питан буксирующего судна на месте принимает решение о способе крепления буксирного троса, его длине, скорости движения кара­вана и выборе пути следования.

22. Расчет тяги винта и тяги на гаке буксирующего судна. Паспортная диаграмма тяги.

Максимальный упор, развиваемый буксирующим судном, определим по формуле: Р = 4400*N е /(H в *n), N е = 0,87 * В сопротивление буксируемого судна, кроме того, включается сопротивление застопоренного винта R" б = R" + R зв R" = 6 * W" * V 2 , W" = b" * B" * T" R зв = 2,24 * (D" в) 2 * V 2 , кгс; V - в узлах R S = R б + R" б (R=R0+R1=Rш; Fг=Рш-R0)

23. Определение скорости буксировки и прочности буксирного троса на тихой воде.

V б =V 0 (R0/(R0+R1) 1/2 -скорость буксировки на тихой воде м/с; Fг=R0(V 2 0 - V 2 б)/ V 2 1 - сила тяги на гаке, kH. Допустимая сила тяги на гаке Fдоп= Рразр/k, kH. Где k-коэф.запаса прочности. Vдоп= V б (Fдоп/Fг) 1/2 , уз.

24. Относительное перемещение судов при буксировке на волнении.

Теоретические основы морской буксировки. При плавании на тихой воде горизонтальная составляющая натяжения буксирного троса рав­няется тому сопротивлению, которое оказывает буксируемое судно при данной скорости. Сопротивление буксируемого судна и собственное сопротивление преодолеваются упором гребного винта (буксиров­щика). При неравномерной работе машин буксировщика, рыскании бук­сирующего и буксируемого судов, страгивании с места в начале букси­ровки, резком повороте буксировщика, внезапно налетевшем шквале и в некоторых других случаях, когда наблюдаются рывки и появ­ляются динамические нагрузки, в буксирном тросе могут возникнуть усилия большие, чем максимальный упор гребного винта буксиров­щика. Перечисленные выше причины возникновения в буксирном тросе значительных усилий, превышающих максимальный упор винта, встречаются как при работе на тихой воде, так и при буксировке в штормовых условиях. Но при плавании на взволнованном море или на мертвой зыби в буксирном тросе могут возникнуть усилия, которые во много раз превысят нормальные значения тяги. Это объясняется тем, что буксирующее и буксируемые суда то сближаются, то удаля­ются друг от друга, вследствие чего натяжение буксирного троса все время изменяется. При таком орбитальном движении центр тяжести каждого из судов, если бы око было свободным, описал бы около своего среднего положения некоторую орбиту. Уравнения такой орбиты в параметрической форме: х =а cos(2Пt/τ y =b sin(2Пt/τ) где τ - период волны, с; а и 6 - некоторые постоянные для данного судна и данной волны. Академик А. Н. Крылов показал, что величина а и b не превыша­ют половины высоты волны. Следовательно, если взять значение а рав­ным половине высоты волны, то будет учтен наихудший случай. В приведенном выше уравнении нас интересует только величина х, которая представляет собой изменение расстояния между судами на качке. Влияние вертикальных колебаний судов на усилия в буксир ном канате при принимаемых в морских буксировках длинах буксир­ных линий практически ничтожно. Определим усилия, возникающие при горизонтальных перемеще­ниях буксирующего и буксируемого судов вследствие их орбитального движения при плавании на волнении. Определим характер ускорения движения судна на волнении: х" = - 2л/ τ (a sin(2Пt/τ)) х"" =-4л 2 / τ 2 (a cos(2Пt/τ)). Наибольшее ускорение будет в том случае, если cos(2Пt/τ)=1, х"" =-4л 2 / τ 2 a=w.Усилие, которое возникает в этом случае, F=mx", где т - масса судна, т. Следовательно, для того чтобы воспрепятствовать судну массой т совершать орбитальное движение, к нему необходимо приложить силу, равную F. Наибольшее значение эта сила приобретает при х""=w: Fmax=mw. Таким образом, при морской буксировке необходимо подбирать буксирную линию гак, чтобы расстояние между судами могло нзменяться на значение, равное высоте волны 2а= hв. При этом в буксирных канатах не должно возникать напряжений, превышающих их прочность.

26. Способы подачи и крепления буксирного троса.

Приемы подачи буксирного троса в порту зависят от того, мо­гут суда стать Сорт о борт или не могут. В обоих случаях требу­ется провести некоторые подготовительные работы. На буксиров­щике подготавливают брагу и буксирный трос. На буксируемом судне готовят брагу или отклепывают якорь (якоря) и освобожда­ют якорную цепь для крепления буксирного троса. Если суда могут стать лагом, то после швартовки один конец буксирного троса крепят к якорной цепи или браге, затем трос проводят вдоль борта буксируемого судна так, чтобы он прохо­дил чисто от всех выступающих частей; полезно его в несколь­ких местах прихватить концом из растительного троса. Оставшуюся часть буксирного троса укладывают на корме буксировщика длин­ными шлагами так, чтобы конец, идущий к буксируемому судну мог свободно вытравливаться. Отдельные шлаги следует крепить при помощи схваток к кнехтам. Усилия, затрачиваемые на разрыв этих схваток, будут тормозить вытравливание троса. В качестве более надежного средства против преждевременного вытравлива­ния буксирного троса можно рекомендовать переносные стопоры для тросов. Буксирный трос может быть подан как с буксирующего, так и с буксируемого судна. Если суда не могут стать лагом друг к другу, буксирующее судно становится на якорь впереди буксируе­мого и буксирный трос подают при помощи буксирного катера, ко­торый с буксирующего судна доставит на буксируемое проводник из синтетического троса достаточной прочности для последующей передачи буксирного троса. Буксируемое судно выбирает провод­ник, затем буксирный трос, который крепят одним из указанных ниже способов. Проводник можно подать и другими способам», например с помощью линеметательной установки. Если необходимо начинать буксировку в открытом море, прием подачи буксирного троса выбирают в зависимости от способности буксируемого судна маневрировать. Если буксируемое судно име­ет возможность работать своей машиной, то оно подходит к корме буксирующего судна на такое расстояние, которое позволяет ис­пользовать линеметательные приборы или даже подать бросатель­ный конец. При таком взаимном расположении суда, если возник­нет угроза навала их друг на друга, могут легко разойтись, для чего буксируемому судну нужно только дать ход назад. После по­дачи линя передают проводник из синтетического троса, затем на проводнике подают буксирный трос, который крепят к браге или якорной цепи. Если буксируемое судно не может двигаться, то бук­сирный трос подают с буксирующего судна. Операция подачи буксира занимает длительное время, поэтому прежде всего надо выяснить, какое судно дрейфует по ветру быст­рее: буксирующее или буксируемое. Для этой цели буксировщик подходит к корме буксируемого судна, ложится в створ его мачт, стопорит машины, и с него некоторое время ведется наблюдение за взаимным дрейфом. При подаче буксирного троса далеко в море проводник пере­дают со шлюпки при помощи поплавка или линеметателыюго при­бора. Если подача ведется со шлюпки, то ее спускают с большей частью уложенного проводника. Если невозможно спустить шлюп­ку, проводник можно подать при помощи какого-либо поплавка, который буксирует на длинном лине буксирующее судно. В качест­ве такого поплавка могут быть использованы анкерок, спасатель­ный круг, спасательный нагрудник или какой-либо плавучий предмет. На транспортных судах выбор способа крепления буксирных канатов (тросов) определяется в зависимости от размеров и осо­бенностей устройства судов, наличия средств для крепления бук­сирных тросов, а при вынужденных буксировках - еще и от погод­ных условий. Во всех случаях должно быть обеспечено надежное крепление тросов и предусмотрена возможность изменения длины буксирного троса и его немедленной отдачи. На буксирующем судне буксирный трос может быть закреплен за кнехты или за брагу, обнесенную вокруг прочных судовых кон­струкций на корме. На буксируемом судне, если оно буксируется носом вперед, буксирный трос может быть соединен с якорной цепью или непосредственно с якорем либо закреплен за бра­гу или за кнехты. Рассмотрим некоторые спо­собы крепления буксирных тросов, используемые в морской практике при случайных (вынужденных) буксировках транспортных судов. Самым простым способом крепления буксирного троса на небольшом буксирующем суд­не является его крепление не­посредственно на кнехтах. Буксирный трос прово­дят через швартовный клюз или киповую планку и кладут 1-2 шлага на ближайший по длине судна кнехт, затем крепят его на следующем кнехте. Если кнехтов на борту более двух и они расположены в ряд по длине, то на нервом кладут один шлаг, на втором два и окончательно крепят буксирный трос на третьем. Таким способом крепления на­грузка от буксира распределяется на несколько точек. На корме буксирующего судна обычно нет таких устройств, как брашпиль и якорные цепи. В этой части судна крепление бук­сирного троса значительно сложнее, чем на баке, поэтому заранее готовят для крепления буксира брагу. Брагу крепят большей частью за прочные конструктивные элементы верхних сооружений» за рубку, комингс люка и даже за надстройку. Описанным способом удобно крепить буксирный трос н на ровнопалубных судах, проводя брагу вокруг комингса кормового трю­ма. На кнехт следует накладывать такое число шлагов браги, ко­торое допускается его нагрузкой. Оставшаяся часть тягового уси­лия должна быть передана на комингс грузового люка пли на другие прочностные конструкции, расположенные на палубе судна. Трос браги следует брать такой же прочности, как и буксирный, или делать его из нескольких шлагов. Самым простым способом крепления буксира на буксируемом судне является крепление буксирного троса к двум или одной якор­ным цепям. Такой способ крепления имеет положитель­ные стороны: цепи перетираются не так быстро, как тросы всех ви­дов. Кроме того, крепление за якорные цепи позволяет регулиро­вать длину буксирной линии в довольно широких пределах.

27. Управление судном при буксировке. 28. Способы уменьшения параметров рыскания буксируемого судна.

Буксирный канат закреплен на буксирующем и буксируемом су­дах, и они начинают двигаться. Этот момент является ответствен­ным, так как при движении со значительным ускорением в буксир­ной линии может возникнуть чрезмерное усилие. Когда буксирный канат начинает обтягиваться, необходимо машину застопорить и в дальнейшем увеличивать скорость понемногу. Полную длину буксирного каната устанавливают по выходе на достаточную глу­бину. Изменять курс следует плавно, избегая крутых поворотов даже в том случае, если судно развило постоянную скорость. По достижении судами полной скорости буксировки буксирное устройство необходимо осмотреть. Нагрузка, приложенная к дета­лям и конструкциям, которые служат для крепления буксирного каната, не должна превышать допустимой. Если буксировка осу­ществляется на нескольких канатах, необходимо выровнять их на­тяжения. У места, где возможна отдача буксирного троса, должен быть инструмент, позволяющий или перерубить буксирный трос, или привести в действие отдающее устройство. Может быть предусмот­рено перенесение нагрузки на страховочный трос в случае обрыва основного буксирного троса. На корме буксирующего и на носу буксируемого судов должна быть установлена вахта для наблюдения за работой буксирного устройства. Во время буксировки в шторм курс необходимо располагать так, чтобы орбитальное движение обоих судов оставалось в пределах, допустимых данной бук­сирной линией. Наибольшее влияние орбитального движения обоих судов на усилия в буксирном канате наблюдается при их следовании против вол­ны пли по волне. При плавании курсами, параллельными волнам (лагом к волне), это влияние будет минимальным и проявляется в форме рыскания буксируемого судна. Большое значение имеет со­отношение длины волны и расстояния между судами. Рекомендует­ся иметь такую длину буксирного троса, чтобы и буксируемое, и буксирующее суда одновременно всходили на волну и спускались с нее; при этом разность фаз орбитального движения судов сводит­ся к минимуму.

Все суда, когда они идут на буксире, рыскливы. При буксировке вплотную рыскливости нет, по мере увеличения расстояния между судами путем удлинения буксирного каната начинается рыскание, которое увеличивается до тех пор, пока буксирный ка­нат не войдет в воду. С этого момента рыскание замедляется. Предотвратить рыскание при помощи руля возможно лишь в том случае, если скорость рыскания позволяет рулевому удерживать судно на курсе. Необходимо помнить следующее: чем больше ско­рость буксировки, тем больше рыскает буксируемое судно; чем короче буксирный трос, тем порывистее рыскание; чем длиннее буксирный трос, тем дальше отходит буксируемое судно от курса, но рыскание теряет свою порывистость и позволяет рулевому дер­жать судно на курсе. Увеличение расхождения до требуемого значения может быть осуществлено уменьшением скорости буксировки. Однако такое уменьшение лимитируется управляемостью обоих судов, гак как их управляемость будет падать с уменьшением скорости дви­жения. Поворот на некоторый угол относительно направления бега волн приводит иногда к увеличению бортовой качки, которая может стать нежелательной, например из-за риска потерять палубный груз, но уменьшать скорость не всегда можно, так как это грозит потерей управляемости. Поэтому иногда приходится одновременно применять оба способа маневрирования, т. е. изменять курс отно­сительно бега волн и вместе с тем уменьшать скорость.

5. Обеспечение безопасности якорной стоянки. Способы обнаружения дрейфа судна.

Условия безопасной якорной стоянки. Держащая сила (в Н) якорного устройства F x складывается из держащий силы якоря F я и держащей силы участка якорной цепи, лежащей на грунте: Fx = Fя + (aq f) g, где а - длина участка цепи, лежащей на грунте, м; q - линейная плотность якорной цепи в воде, кг/м; f - коэффициент трения цепи о грунт; g - ускорение свободного падения.

Линейная плотность якорной цепи (в кг/м): в воздухе q= 0.021d 2 ц, в воде q=0,021*0,87^^0.018 d 2 ц, где d u - калибр якорной цепи, мм. Коэффициент трения при протаскивании якорной цепи по раз­личному грунту (без учета присасывания) определяется по табл. Держащая сила может быть получена через массу якоря G и удельную держащую силу К: K = F я /gG = 0.73γ г (b як /l як)(66/М як)h 3 як где g - ускорение свободного падения (9,81 m/c s); γ г - плотность грунта, т/м 3 ; b як - ширина лапы якоря, м; l як - длина лапы якоря, м; М як - величина, зависящая от типа якоря и глубины погружения его лап; h як - погружение лапы якоря, м. h як = l як sinα як; здесь α як - угол наклона лап якоря, ° (для якоря Холла а=45°). Безопасность якорной стоянки зависит от совокупности ряда фак­торов: состояния судна, характера грунта и в первую очередь гидрометеорологической обстановки. Следует всегда помнить, что даже самая благоприятная якорная стоянка при определенном изменении гидрометеорологических условий может оказаться небезопасной и потребуется немедленная съемка с якоря для перемены места стоянки или выхода в открытое море. В связи с этим категорически запрещается при стоянке судна на якоре производить в машинном отделении какие-либо работы, связан­ные с выводом из строя главного двигателя, рулевого и якорного уст­ройств. Машина должна находиться в готовности, срок которой уста­навливается капитаном судна в за