Мореходные качества судна "Андрей Бубнов"

Мореходные качества судна "Андрей Бубнов"

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение

1.1. Основные характеристики и размерения т/х «Андрей Бубнов»

1.2. Грузовместимость и грузоподъемность судна

2. Контроль и регулирование плавучести и посадки

3. Контроль и регулирование остойчивости судна

3.1. Построение диаграммы статической остойчивости

3.2. Построение диаграммы динамической остойчивости

3.3. Расчет общей продольной остойчивости

4. Контроль и обеспечение непотопляемости судна

5. Качка и безопасное штормование судна

5.1. Расчет амплитуды качки

5.2. Определение опрокидывающего момента с учетом б.к

5.3. Особенности плавания в штормовую погоду

6. Контроль и регулирование прочности корпуса судна

7. Контроль и регулирование движения судна

7.1. Двигатели и движители

8. Заключение

9. Используемая литература

1. Вступление

Современное морское судно представляет собой сложное в конструктивном плане сооружение, которое в процессе эксплуатации подвергается одновременному воздействию двух движущихся сред – воды и воздуха.

Каждое судно характеризуется навигационными (мореходными) и эксплуатационно-экономическими качествами.

К навигационным качествам судна относят:

·                   плавучесть — способность судна плавать в требуемом положении относительно поверхности воды при заданной нагрузке;

·                   остойчивость — способность судна, наклоненного внешними сила­ми, возвращаться в исходное положение равновесия после прекращения их действия;

·                   непотопляемость — способность судна оставаться на плаву и сохра­нять необходимую остойчивость после затопления одного или не­скольких отсеков корпуса;

·                   ходкость — способность судна развивать заданную скорость в опре­деленных путевых условиях при затрате минимально необходимой мощности энергетической установки;

·                   управляемость — способность судна сохранять заданное направле­ние движения или изменять его в соответствии с желанием судоводите­ля;

·                   плавность качки — способность судна при плавании на взволнован­ной воде раскачиваться с возможно меньшей частотой и амплитудой;

·                   прочность — способность корпуса судна не разрушаться и не изме­нять своей формы под действием внешних сил, появляющихся при экс­плуатации.

К эксплуатационно-экономическим качествам судна относят сле­дующие:

·                   Грузоподъемность — масса груза, принимаемого на борт судна при заданной высоте надводного борта. Различают дедвейт — предельную грузоподъемность судна, при которой его осадка соответствует установ­ленной грузовой марке, и чистую грузоподъемность - предельную массу груза, которую может принять судно, погруженное по грузовую марку, при необходимом запасе топлива, питьевой воды, продовольст­вия и наличия на борту полного экипажа.

·                   Грузовместимость — объем помещений (трюмов) судна, предназна­ченных для размещения груза. Валовая вместимость — объем помеще­ний судна, определяемый по специальным Правилам обмера и служа­щий для расчета сбора в портах. При этом учитывается объем всех помещений под верхней палубой, в надстройках и рубках, за исключе­нием междудонного пространства, топливных и балластных цистерн. Чистая вместимость учитывает объем только коммерчески эксплуати­руемых помещений. Валовая и чистая вместимости измеряются в реги­стровых тоннах, являющихся единицами объема: 1 рег. т = 2,83 м3 (100 фут3).

Основными задачами, стоящими перед мореплавателями и перед всем морским транспортом Украины является обеспечение своевременной доставки грузов морем согласно действующим рейсовым план-графиком и безаварийность плавания.

Остойчивость судна должна быть проверена перед выходом в море и должна удовлетворять требованиям Регистра и «Правилом безопасности морской перевозки грузов».

Теплоход «Андрей Бубнов» был построен в 1976 году и спущен на воду под названием «Волго – Балт 197», в последствии был передан АСК «Укрречфлот» и переименован – «Андрей Бубнов».

Утверждая неизменный статус Украины как морской державы, Компания АСК «Укрречфлот» стремится максимально удовлетворить спрос партнеров на фрахтовом рынке, гарантируя при этом своевременную и качественную перевозку, переработку и хранение грузов по схеме "от двери до двери". Компания имеет статус национального перевозчика Украины и сертифицирована на соответствие международному стандарту качества ISO 9001. За 35 лет успешной деятельности на Европейском фрахтовом рынке АСК "Укрречфлот" превратилась в мощную корпорацию, в состав которой входят более 200 грузовых и пассажирских судов различного класса и назначения, которые в 2004 году перевезли 9 млн. тонн различных грузов, 7,0 тысяч круизных туристов и около 1,7 млн. пассажиров. Это составляет более 55 % от общего объема перевозок, осуществляемых всем морским и речным транспортом Украины. Регион работы нашего грузового и пассажирского флота - порты более чем сорока стран Волжского, Днепровского, Дунайского, Черноморско-Азовского, Средиземноморского, Балтийского, Северного и других бассейнов Мирового океана. Помимо флота, в состав "Укрречфлота" также входят Херсонский, Николаевский, Днепропетровский, Запорожский и Черниговский речные порты; страховая, экспедиторская, фрахтовая, брокерская и агентские компании; туристическое бюро, судоремонтно-судостроительные предприятия на Днепре и Дунае.

Освидетельствование судов в эксплуатации является составной частью классификационной деятельности, заключается в проверке соответствия судна правилам и включает в себя как минимум:

·                   проверку наличия согласованной технической документации, сертификатов на материалы и комплектующие изделия, актов службы технического контроля организации, актов судовладельца, актов предыдущих освидетельствований;

·                   наружный осмотр, измерения, проверку в действии и испытания;

·                   оформление и выдачу документов Речного Регистра.

Каждое судно ставится на классификационный учет инспекции:

1) после постройки судна;

2) после смены пункта приписки и перехода в связи с этим в район деятельности другой инспекции;

3) при переходе в класс Морского Регистра из класса другой классификационной организации;

4) если судно ранее было снято с учета или не состояло на учете какой-либо инспекции;

5) при смене судовладельца.

На судне должен храниться акт о проверке судовладельцем пригодности судна к эксплуатации перед началом навигации.

1.1 Основные характеристики и размерения судна

Тип судна – стальное, однопалубное, двухвинтовое грузовое судно, без седловатости, с двойным дном, двойными бортами. С баком и ютом, с машинным отделением и рубками, расположенными корме, с 4 грузовыми трюмами.

Название – «Андрей Бубнов»

Назначение – перевозка навалочных и генеральных грузов.

Класс – КМ * Л4 М-СП

Год постройки – 1976, г. Комарно, Чехословакия.

Запасы 100% - 180 тонн, включая 110 тонн топлива.

Длина наибольшая – 114 м.,

Ширина – 13 м.,

Высота борта – 5,5 м.,

Осадка по гр.м. в сол. Воде – 3,63 м.,

Осадка в балласте – 2,55 м.,

Водоизмещение по гр.м. – 4460 т.,

Дедвейт – 3208 т.,

Водоизмещение порожнем – 1252 т.,

Мощность СЭУ – N = 1020 кВт.,

Скорость в грузу – 13,8 уз.

Экипаж – 15 человек.

1.2. Грузовместимость и грузоподъемность судна.

Таблица статей нагрузок

Таблица статей нагрузок взята из «Информации об остойчивости судна при перевозке навалочных грузов» т/х «Андрей Бубнов»

Загрузка навалочных грузов УПО 1,35 м3/т

Водоизмещение судна в грузу со 100% запасами находятся как сумма масс всех нагрузок на судно:

D = SP1 + SP2 + SP3

где P1 = 605,3 + 896 + 637 + 889 = 3024,3 т. – масса перевозимого груза.

SP2 = 180,3 т. – масса запасов, в том числе 110 т. топлива.

SP3 = 1252,4 т. – водоизмещение судна порожнем

D = 3027,3 + 180,3 + 1252,4 = 4460 т.

Статические моменты водоизмещения судна относительно миделя рассчитываем по формуле:

Мх = Мх1 + Мх2 + Мх3

где Мх1 = 21670 + 15098 + (- 2007) + (- 20269) = 14492 тм – статический момент от перевозимых грузов.

Мх2 = - 6168 тм – статический момент от запасов.

Мх3 = - 9518 тм – статический момент судна порожнем.

Мх = 14492 + (- 6168) + (- 9518) = - 1195 тм

xg = Mx / D = - 1195 / 4460 = - 0,27 м.

Статический момент водоизмещения судна в грузу относительно основной плоскости определяется как сумма статических моментов нагрузок:

Мz = Mz1 + Mz2 + Mz3

где Mz1 = SPZ = 1737 + 3064 + 1815 + 3227 = 9843 тм – статический момент от перевозимых грузов.

Mz2 = PZ = 431 тм – статический момент от запасов.

Mz3 = 5373 тм – статический момент судна порожнем.

Mz = 9843 + 431 + 5373 = 15648 тм

Zg = Mz / D = 15648/4460 = 3,51 м.

2. Контроль и регулирование плавучести и посадки.

Перед загрузкой судна в порту и в море на промысле составляется грузовой план и рассчитывается остойчивость судна в соответствии с данными Информации об остойчивости. После погрузки судно не должно иметь крена, а его дифферент должен быть в допустимых для нормальной эксплуатации пределах. При всех изменениях нагрузки, обусловленных проведением грузовых операций в море, принятием на борт улова или сдачей его на другие суда, грузовой план корректируется, а при значительных изменениях весовых нагрузок составляется заново. В плавании и на стоянке судна надлежит осуществлять контроль его посадки и остойчивости по результатам расходования запасов топлива, воды и т.п. Во всех условиях загрузки судна необходимо следить, чтобы оставался надводный борт, достаточный для сохранения необходимого запаса плавучести, и грузовая марка, установленная для данного сезона и района плавания, не оказалась под водой. При балластировке судна, расходовании запасов, перекачке топлива и воды необходимо следить за остойчивостью, руководствуясь данными Информации об остойчивости. В необходимых случаях для повышения остойчивости балластировка судна водой должна производиться в наиболее низко расположенные танки (цистерны). Не заполненные доверху танки и цистерны могут быть опасными, они снижают остойчивость, поэтому нужно всегда стараться иметь минимальное количество частично заполненных танков. Заполнение танков и цистерн и любые другие работы, которые могут привести к изменению остойчивости, крена или дифферента, должны производиться только с разрешения капитана и с уведомлением вахтенного помощника капитана. При больших кренах или недопустимых дифферентах во время грузовых операций прежде всего должны быть приняты меры по выявлению причин их появления и только после их устранения следует с осторожностью производить спрямление судна. При отрицательной начальной остойчивости попытки выпрямить судно перекачкой балласта с борта на борт приводит к перекрениванию судна; при этом судно у причала может удерживаться в прямом положении за счет натяжения швартовов. При обрыве швартовов судно может резко накрениться, приняв воду в открытые иллюминаторы или другие отверстия, что, в конечном счете, приводит к опрокидыванию судна и его затоплению.

Во время плавания всегда должны быть закрыты водонепроницаемые двери ниже палубы переборок, клинкеты и клапаны, установленные на водонепроницаемых переборках, втором дне, палубах и платформах, клапаны переточных каналов водоотливной и осушительной системы.

В плохую погоду все входы в рубки и надстройки, бортовые иллюминаторы и другие отверстия, через которые вода может проникнуть внутрь корпуса, должны быть закрыты. Также должны быть закрыты крышки воздушных трубок топливных цистерн.

Перед началом загрузки трюмов и других грузовых помещений второй помощник капитана вместе со старшим помощником обязан осмотреть их, чтобы убедиться в отсутствии водотечности наружной обшивки, водонепроницаемых переборок, второго дна, палуб, трубопроводов. После выгрузки осмотр должен произвести второй помощник капитана. До начала погрузки необходимо очистить отверстия сеток приемных колодцев водоотливной и осушительной системы, проверить их действие, закрыть решетки колодцев во втором дне, тщательно осмотреть и очистить льяла, проверить целостность льяльных лючин и пайолов. Периодически должен производиться ряд проверок, служащих обеспечению непотопляемости судна. Не реже одного раза в семь дней проверяется исправность и герметичность водонепроницаемых и противопожарных закрытий, иллюминаторов, запорных устройств вентиляционных трубопроводов и наружных грибков. Проверку обязаны производить заведующие соответствующими помещениями. Ежедневно должна проверяться исправность действия и герметичность водонепроницаемых дверей с дистанционным приводом, не реже одного раза в семь дней, а также перед выходом в рейс – навесных дверей в главных поперечных переборках. Старший помощник вместе со старшим механиком обязан один раз в месяц проверять состояние водонепроницаемых дверей судна и о результатах проверки докладывать капитану. Недостатки должны быть немедленно устранены, о чем делается запись в судовом журнале и в журнале технического состояния судна. Производство на судне, находящемся на плаву, работ, связанных с нарушением водонепроницаемости подводной части корпуса судна, а также ремонт и регулирование закрытий подводных отверстий производятся только с разрешения капитана под постоянным контролем вахтенной службы. До начала работ капитан обязан дать указания вахтенной службе и назначить ответственного за обеспечение безопасности судна из числа лиц командного состава.

Для безопасности и удобства людей, плавающих на судне, для сохранной доставки грузов судно должно обладать рядом море­ходных качеств: плавучестью, остойчивостью, непотопляемостью, плавностью качки, ходкостью и управляемостью.

Изучением мореходных качеств судна занимается специальная наука — теория корабля но основные сведения о них необходимо знать каждому моряку, чтобы понимать и правильно использо­вать законы, по которым судно плавает. В истории мореплавания известно немало случаев, когда прочные суда погибали со всей командой вследствие плохих мореходных качеств судна.

В процессе эксплуатации мореходные качества судна могут изменяться, так как они зависят от многих факторов, напри­мер, от количества принятого груза, его размещения и т. д.

Знание теории корабля позволяет судоводителю выбрать правильную схему загрузки судна и избе­жать опасных положений при различных условиях плавания.

Плавучесть— это способность судна плавать, имея заданную нагрузку и оп­ределенную осадку.

На судно, плавающее на спокойной воде, постоянно действуют две силы (рис. 1 а):

сила веса D, которая приложена в центре тяжести судна G и направлена вниз;

Рис 1. Действие сил веса и поддержания на судно:

а —в прямом положении; б —в наклоненном (без пере­мещения центра тяжести, например, под действием вет­ра или волнения)сила поддержания, соответствующая по закону Архимеда мас­се вытесненной судном воды V. Она приложена в центре величи­ны судна С (центре тяжести подводной части) и направлена вверх.

Чтобы плавающее судно находилось в равновесии, эти две си­лы должны быть равны по величине и направлены в противопо­ложные стороны по одной вертикали.

При плавании в штормовую погоду, а также в случае пробои­ны, течи судно принимает значительное количество воды, увеличивающей его массу. Поэтому судно должно иметь определенный запас плавучести.

Запас плавучести — это непроницаемый для воды объем кор­пуса судна, находящийся выше действующей ватерлинии. Этот объем образует помещения, ограниченные верхней водонепрони­цаемой палубой, а также надстройки при условии, что они водо­непроницаемы, т. е. имеют водонепроницаемые двери и другие закрытия. При отсутствии запаса плавучести судно затонет при попадании внутрь корпуса даже небольшого количества воды.

Мерой запаса плавучести является отношение над­водного объема корпуса к объемному водоизмещению судна.

Для сухогрузных судов запас плавучести составляет 25—50% водоизмещения, для наливных—10—25% и пассажирских —до 100%.

Необходимый для безопасного плавания судна запас плавуче­сти обеспечивается приданием судну в процессе проектирования достаточной высоты надводного борта, устройством водонепрони­цаемых закрытий и делением судна на отсеки прочными водоне­проницаемыми переборками и палубами. При отсутствии перебо­рок и палуб любое повреждение подводной части судна при не­возможности заделать его приводит к полной потере запаса пла­вучести и гибели судна.

Запас плавучести зависит от высоты надводного борта — чем выше надводный борт, тем больше запас плавучести. Минималь­ная допустимая высота надводного борта определяется Правила­ми Регистра Украины в зависимости от типа судна. Для контроля за ее сохранением на обоих бортах судна наносят особую грузо­вую марку.

Марки углублений (рис. 2). Для быстрого определения осадки судна на носу и в кормовой части судна наносят арабские или римские цифры — марки углублений.

На судах заграничного плавания марки углублений наносят: на правом борту в дециметрах и обозначают арабскими цифрами, высота цифр и интервала между ними равны 1 дм; на левом бор­ту— в футах и обозначают римскими цифрами, высота цифр и ин­тервалы между ними равны 1/2 фута. На судах внутреннего плава­ния марки углублений наносят в дециметрах. Нижние кромки цифр соответствуют той осадке, которую они обозначают.

Марки углублений накернивают при постройке судна и нано­сят на темном фоне белой краской, а на светлом фоне— черной.

По известной осадке можно легко определить дедвейт и водоизмещение судна, используя специальную таблицу — грузовую шкалу.

Грузовая шкала позволяет решать и обратные задачи, например, как изменится осадка при при­еме известного количества груза и т. п. Такая шкала является одним из важнейших судовых документов.

Рис. 2. Марки углублений:

a — в дециметрах; б — в футах; в — другой вариант марок углублений в дециметрах

Рис. 3. Международная грузовая марка

Грузовая марка (рис. 3) показывает минимальный допустимый надводный борт с учетом района плавания судна и времени года.

Грузовые марки наносятся в соответствии с требованиями Международной конвенции по охране человеческой жизни на море и Правил Регистра Украины о грузовой марке. Суда загранплавания должны иметь Международное свидетельство о грузовой марке, а каботажные суда, плавающие во внутренних водах,— свидетельст­во Регистра Украины, учитывающее более легкие условия плавания между портами СНГ.

Марка наносится (накрашивается) следующим образом. На обоих бортах судна в средней части на уровне верхней (главной) палубы надводного борта наносят горизонтальную линию длиной 300 мм, которая называется палубной линией. От ее верхней кром­ки вниз откладывают высоту минимального летнего надводного борта и наносят горизонтальную линию длиной 450 мм. Из сере­дины этой линии; как из центра, описывают

окружность диамет­ром 300 мм. Если грузовую марку наносят по Правилам Регистра, то по бокам круга наносят буквы «Р» и «С» высотой 115 мм и шириной 75 мм. На расстоянии 540 мм от центра круга (диска Плимсоля) в нос проводят вертикальную линию, а перпен­дикулярно ей —марки (горизонтальные линии длиной 230 мм, так называемую «гребенку»).

Летняя марка — это верхняя кромка линии, проходящей через центр круга, или линии, отмеченной буквой Л (S). Осадка судна в тропиках отмечается маркой Т (Т); для зимнего плавания -маркой 3 (W); для зимнего плавания в Северной Атлантике--маркой ЗСА (WNA). Эта марка наносится только на судах дли­ной не более 100,5 м. Осадка судна в пресной воде указывается маркой П (F), в пресной воде в тропиках — ТП (TF).

Посадкой называется положение судна относительно поверхности воды. Судно может занимать различное положение. Диаметральная плоскость судна наклонена на некоторый угол  (рис. 4) по отношению к вертикальной плоскости, который называется углом крена. Пло­скость мидель-шпангоута может быть наклонена к вертикальной пло­скости на некоторый угол , который называется углом дифферента.

Посадка судна, при которой плоскость мидель-шпангоута и ДП вер­тикальны (y = 0, q = 0), называется прямой. Судно, имеющее такую посадку, называют сидящим на ровный киль.

Если q > 0, y = 0, то судно сидит на ровный киль, но с креном, при q = 0, q = 0 > 0 судно сидит прямо, но с дифферентом. Если судно имеет крен и дифферент, то его посадку называют произвольной.

У судна, имеющего посадку с дифферентом, осадки носом Тн и кор­мой Тк различны. Разность осадок носом и кормой определяет диф­ферент судна:

d = Тн - TK.

Рис. 4. Характеристики посадки судна

Полусумму осадок судна носом и кормой называют средней осадкой:

Тср = (Тн + Тк) / 2 (1)

Продольные наклонения судна происходят относительно попереч­ной оси, проходящей через центр тяжести площади ватерлинии. По­ложение центра тяжести действующей ватерлиний F относительно ми­деля определяется абсциссой хf.

Осадка судна в районе центра тяжести площади ватерлинии

ТF = Тср + D TF (2)

где D TF — поправка к средней осадке, м.

Для определения поправки рассмотрим треугольники abF и AВС. Из подобия треугольников ab/(bF) = AВ/(АС) или D TF / хf = (Тн - Tк)/L,

откуда D TF = [(Тн - Tк)/L] хf

Подставив полученное значение  TF в выражение (2), получим

ТF = Тср + [(Тн - Tк)/L] хf (3)

При расчетах поправки ТF следует учитывать знак перед xf. Если центр тяжести F площади ватерлинии расположен в нос от миделя, то абсцисса xf берется со знаком плюс, если же он расположен в корме от миделя, то xf — со знаком минус.

При определении осадок по формулам (1) и (3) допускаются некото­рые погрешности, однако их достоверность достаточна для практиче­ских расчетов. Для измерения фактических осадок служат марки осадок, которые наносят на обоих бортах корпуса на носовом и кормо­вом перпендикулярах.

Осадку носом и кормой определяем пользуясь таблицей элементов теоритического чертежа, приведенной в «Информации об остойчивости»

Средняя осадка d = 3.63 м.

Аппликата поперечного метацентра – Zm = 5,77 м

Момент, дифферентующий на 1 см МТС = 101тм/с

Абсцисса центра величины xс = - 0,12 м

Абсцисса ЦТ ватерлинии xf = - 0,95 м

Определим поперечную метацентрическую высоту:

h = Zm – Zg = 5,77 – 3,51 = 2,26 м

Определяем дифферентующий момент Мдиф

Мдиф = Mx – D xc = - 1195 – 4460 (- 1,12) = - 660 тм

Определяем дифферент t

t = Мдиф / 100МТС = - 660 / 100*101 = - 0,065 м

Определяем осадку носом dн и кормой dк

dн = d + t (0,5 – xf/L) = 3,63 + (- 0,065 (0,5 – (-0,95/110)) = 3,6 м

dк = d – t (0,5 + xf/L) = 3,66 м

Рис. 5. План загрузки.

Одним из важнейших навигационных качеств судна является остойчивость. В реальных условиях плавания, кроме силы тяжести и силы поддержания, на судно действуют дополнительные силы, например сила ветра на надводную поверхность судна. Практика судовождения знает случаи опрокидывания судов при перемещении в трюме сыпучих или плохо закрепленных единичных грузов. Отсюда следует, что, для того чтобы судно плавало в заданном равновесии, недостаточно, чтобы оно удовлетворяло только основным уравнениям плавучести. Оно должно сопротивляться также внешним силам, стремящимся вывести его из положения равновесия.

Остойчивостью называют способность судна, отклоненного от поло­жения равновесия действием внешних сил, возвращаться в первона­чальное положение после прекращения действия этих сил.

Остойчивость зависит от формы корпуса и положения ЦТ судна, поэтому путем правильного выбора формы корпуса при проектировании и правильного размещения грузов на судне при эксплуатации можно обеспечить достаточную остойчивость, гарантирующую предотвраще­ние опрокидывания судна при любых условиях плавания.

Остойчивость при поперечных наклонениях, т. е. при крене, назы­вают поперечной. Поперечную остойчивость в зависимости от угла кре­на делят на начальную при малых (до 10—15°) углах крена и остойчи­вость при больших углах крена.

Наклонения судна происходят под действием пары сил. Момент этой пары сил, вызывающий поворот судна вокруг продольной оси, называют кренящим моментом — Мкр. Рассмотрим пример образова­ния кренящего момента от воздействия на судно ветра (рис. 6). Сила ветра, приложенная в ЦТ площади надводной части судна (площади парусности), вызывает его боковое движение (дрейф), а совместно с си­лой, возникающей от сопротивления воды R6, приводит к появлению кренящего момента:

Mкр=Pвlкр.

где Мкр — кренящий момент, кН • м;

Рв — сила действия ветра, кН;

lКр — плечо кренящей пары, м.

Плечо кренящей пары lкр зависит от формы корпуса судна и в прак­тических расчетах определяется в соответствии с указаниями Речного Регистра в зависимости от ширины корпуса, осадки и положения цент­ра парусности судна.

Рис. 6. Возникновение кренящего момента

Действию кренящего момента препятствует восстанавливающий мо­мент Мв, который характеризует способность судна сопротивляться внешним воздействиям.

По характеру действия внешних сил, вызывающих наклонения суд­на, различают статическую и динамическую остойчивость. Если кре­нящий момент нарастает от нуля до конечного значения постепенно и не вызывает угловых ускорений, а следовательно, и сил инерции, то остойчивость при таком наклонении называют статической. Если же кренящий момент действует на судно внезапно, то возникают угло­вое ускорение и сила инерции, а остойчивость при таком наклонении называют динамической.

2.1. Построение диаграммы статической остойчивости.

Для построения диаграммы статической остойчивости необходимы величины плеч статической остойчивости.

Плечи статической остойчивости рассчитываем по формуле:

lст = lф – Zg sin q

где lф – плечо формы для соответствующего угла крена q

Zg – аппликата центра тяжести судна

q - угол крена

Плечи формы находим с пантокарен п. 3. 7. «Информации по водоизмещению для каждого угла крена от 10 до 70о

По данным таблицы строим диаграмму статической остойчивости.

2.2   Построение диаграммы динамической остойчивости.

Диаграмма динамической остойчивости – это кривая, выражающая зависимость работы восстанавливающего момента (плеча динамической остойчивости) от углов крена .

Кривая динамической остойчивости является интегральной кривой по отношению к диаграмме статической остойчивости.

Для ее построения производим расчет плеч динамической остойчивости lq

lq = 1/2dq SSlст

где SSlст – интегральная сумма плеч lст

1/2dq = 1/2 * 10о/57,3 = 0,08725

Следовательно, lq = 0,08725 SSlст

По данным таблицы строим диаграмму динамической остойчивости.

Рис. 8. Диаграмма динамической остойчивости.

Максимальное значение нагрузки, при котором еще возможно равновесие, соответствует положению, когда прямая из центра О станет касательной к диаграмме. Поэтому для нахождения опрокидывающего момента и угла опрокидывания из начала координат проводят прямую ОВ, касательную к диаграмме динамической остойчивости. Отрезок ВК на оси ординат численно равен минимальному опрокидывающему моменту Мопр.

При действии на судно большего динамического кренящего момента оно опрокинется.

qопр = 55о

В данном случае наше судно перевозит навалочный груз. К навалочным относятся грузы, ко­торые складывают на судно без специальной укладки и распределе­ния (зерно, каменный уголь, железная руда, бокситы, глинозем и т.д.). При наклонениях судна эти грузы смещаются подобно жидкости, если есть свободная поверхность и их перемещение не ограничено. Но вли­яние таких грузов на остойчивость имеет свои особенности. Смещение груза возможно только при углах наклонения, превышающих угол естественного скоса. Этот угол определяется углом крутизны, при ко­тором находящийся в пирамиде груз остается в покое.

Примем для упрощения, что поверхность груза аа совпадает с ва­терлинией ВЛ0 (рис. 9, а). При наклонении судна на угол крена q1, равный углу покоя а, груз пересыпаться не будет. Когда угол крена q 2

Рис. 9. Перемещение сыпучего груза при наклонении судна

станет больше угла покоя a (рис. 9, б), груз начнет пересыпаться, при­чем уровень поверхности груза a 1a 1 будет сохранять с плоскостью действующей ватерлинии ВЛ2 постоянный угол a.

Сыпучий груз смещается, как правило, слоем значительной толщи­ны. Смещение вызывается ударом волны, местной вибрацией или ка­кой-либо другой дополнительной причиной. Сместившийся груз при обратном наклонении судна в исходное состояние возвращается лишь частично. Инструкция для капитана по эксплуатации судна требует в случае образования такого крена немедленного установления выз­вавшей его причины и следования благоприятным курсом в ближайший порт для устранения крена.

Безопасность перевозки зерна нормируется конвенцией по охране человеческой жизни на море и Регистром Судоходства Украины. Для перевозки зерна установлены требования, учитывающие появление дополнительного кренящего момента от смещения зерна в различных случаях загрузки судна, в том числе при установке дополнительных временных пере­борок, называемых шифтингбордсами. Шифтингбордсы закладывают в специальные гнезда, устроенные в поперечных комингсах люка или в пиллерсах под ними, а в пролете упрочняют стойками, которые с по­мощью канатов с талрепами прикрепляют к бортам.

Для других навалочных грузов обеспечение безопасности перево­зок определяется лишь общими организационными рекомендациями, на основании которых для каждого опасного в отношении смещения груза должен выполняться проверочный расчет по специальной мето­дике. Специальные требования по перевозке включаются капитану в информацию об остойчивости.

Рис. 10. Определение посадки судна при приеме груза, т/х «Андрей Бубнов»

В судовых документах нашего т/х имеются графики для определения посадки судна при приеме или снятии груза (рис. 10). В данном примере при массовом водоизмещении судна 4460 т дополнительно в точку А при­нимают груз массой 200 т. Осадка носом увеличится на 200*0,25/100= = 0,5 м, а кормой уменьшится на 200*0,11/100=0,22 м. Здесь ве­личины 0,25 и 0,11 определены по графику, а 1/100 — переводной коэффициент из сантиметров в метры.

2.3. Расчет общей продольной остойчивости.

Из «Информации об остойчивости судна «Андрей Бубнов» при перевозке навалочных грузов» в табл. «Гидростатический элемент» выбираем значение момента, дифферентующего на 1 см осадки МТС = 101 тм

По формуле

Мдиф1см = 0,01*(qДН/L)

находим продольную метацентрическую высоту Н.

Н = Мдиф1см*L / 0,01*q*Д = 101*110/0,01*9,81*4460 = 25,4 м

Для продольной прочности судна продольная метацентрическая высота должна быть не меньше Н = 25,4 м.

3. Контроль и обеспечение непотопляемости судна.

Непотопляемостью называют способность судна сохранять плаву­честь и необходимую остойчивость после затопления одного или не­скольких отсеков корпуса. Обеспечение непотопляемости является важнейшим условием безопасности плавания судна.

Характеристики непотопляемости судов нормируются Правилами Регистра. Судно признается удовлетворяющим требованиям непотоп­ляемости, если аварийная ватерлиния при затоплении расчетных отсе­ков ни в одной точке не пересекает предельную линию погружения, проведенную на бортах корпуса ниже кромки незакрытых отверстий на 75 мм.

Требования к остойчивости поврежденного судна считаются выпол­няемыми, если расчеты для случая затопления указанного числа отсе­ков покажут следующее:

·                   начальная метацентрическая высота в конечной стадии затопле­ния, определенная методом постоянного водоизмещения, составляет не менее 0,05 м;

·                   угол крена при этом без принятия мер по спрямлению не превышает 15°;

·                   аварийная ватерлиния на 300 мм проходит ниже отверстий в бор­тах или переборках;

·                   диаграмма статической остойчивости поврежденного судна имеет достаточную площадь участков с положительными плечами.

В период проектирования судна разрабатывают документ, содержа­щий информацию об аварийной остойчивости и посадке аварийного судна. Пользуясь ею, капитан в случае аварии имеет возможность оце­нить состояние поврежденного судна и принять необходимые меры по его спасению.

Непотопляемость судов обеспечивается прежде всего определен­ными конструктивными мероприятиями, а также грамотными действия­ми экипажа в аварийной ситуации. Так, при проектировании судна выбирают такую высоту непроницаемого надводного борта, при кото­рой обеспечиваются достаточные запасы плавучести и остойчивости.

Важнейший фактор, обеспечивающий непотопляемость судна, — разделение корпуса на отсеки прочными водонепроницаемыми перебор­ками. Разбивку на отсеки выполняют с учетом возможных поврежде­ний и влияния затопления каждого из отсеков на крен, дифферент и остойчивость судна. Объем любого отсека должен быть меньше запаса плавучести, а уменьшение остойчивости при затоплении отсека не должно сопровождаться опрокидыьанием судна. В процессе проекти­рования выполняют специальный расчет и строят кривую предельных длин отсеков, которая определяет максимально допустимое расстояние между водонепроницаемыми переборками. Число переборок должно удовлетворять требованию по их минимуму, обеспечивая при этом за­данные требования по сохранению мореходных качеств после затопле­ния части отсеков.

Иногда на крупных судах отсеки, ограниченные поперечными переборками, делят продольными водонепроницаемыми переборками. Однако наличие таких переборок может вызвать опасный крен судна после затопления отсека, ширина которого меньше ширины судна. Для ликвидации крена в подобных случаях разрабатывают систему затопле­ния отсеков, что позволяет при сохранении достаточной остойчивости спрямить судно.

Важное значение для сохранения мореходных качеств судна после затопления одного из отсеков имеют предупредительные организаци­онно-технические мероприятия, для выполнения которых личный со­став проходит специальную подготовку и тренировку. К таким меро­приятиям относятся: поддержание в процессе эксплуатации судна не­проницаемости наружной обшивки, палуб, переборок и сохранение гер­метичности люковых закрытий; сохранение необходимого запаса пла­вучести и остойчивости; содержание средств борьбы за живучесть в полной готовности к действию.

Борьба за непотопляемость судна обеспечивается быстрыми и точ­ными действиями экипажа согласно разработанным инструкциям и наставлениям.

Комплекс предупредительных мер по сох­ранению непотопляемости в случае аварии включает следующее.

1. Контроль остойчивости неповрежденно­го судна, которая должна быть достаточной для компенсации ее потерь, вызванных затоп­лением, и сохранения ее нормированного ава­рийного минимума. С этой целью при состав­лении исполнительного варианта каргоплана, а также в течение рейса нельзя допускать превышения предельного значения статического момента водоизмещения Мz приведенного в Информации об остойчивости и в Информации о непотопляемости.

2. Заблаговременную оценку с помощью Информации о непотопляемости степени обес­печения непотопляемости в конкретном рейсе и прежде всего выявление и фиксирование на доске нагрузки и остойчивости (оперативном планшете) одиночных отсеков, а также пар смежных отсеков, при затоплении которых в данном рейсе непотопляемость не обеспечена.

3. Обеспечение водонепроницаемости кор­пуса в процессе эксплуатации с целью преду­преждения поступления воды в отсеки и рас­пространения ее в смежные отсеки в случае затопления одного из них.

4. Обеспечение и поддержание постоянной и немедленной готовности экипажа и техниче­ских средств к борьбе за непотопляемость.

В Информации о непотопляемости для каждого варианта затопления приведены кон­кретные меры. Наряду с этим может возник­нуть возможность и необходимость использо­вать и другие общие меры из приведенного ниже перечня.

Меры по сохранению аварийной остойчи­вости и плавучести:

а) предотвращение поступления забортной воды в неповрежденные помещения при крене, дифференте и при качке путем закрытие всех иллюминаторов, люков, дверей и других от­верстий, за исключением используемых в борь­бе за живучесть судна;

б) снижение интенсивности поступления воды в поврежденные отсеки путем соответст­вующего маневрирования судном при данных гидрометеорологических условиях;

в) предотвращение поступления воды из поврежденных отсеков в смежные помещения через отверстия в переборках и сварные швы;

г) откачка фильтрационной воды из непо­врежденных отсеков;

д) подкрепление деформированных пере­борок, находящихся под аварийным напором воды;

е) заделка пробоины и откачка воды из поврежденных отсеков при первой возмож­ности;

ж) контроль за состоянием отсеков, смеж­ных с аварийным.

Меры по повышению аварийной остойчи­вости:

а) откачка жидких грузов из высокораспо­ложенных неповрежденных танков и цистерн;

б) прием водяного балласта в низкорас­положенные цистерны (при достаточном запасе аварийной плавучести);

в) быстрое удаление воды с палуб судна;

г) удаление льда с палуб и надстроек;

д) удаление груза с верхних палуб (в са­мых крайних случаях).

Меры по повышению аварийной плаву­чести:

а) откатка воды из неповрежденных тан­ков и цистерн. При недостаточной аварийной остойчивости или недопустимом ее снижении такая откатка разрешается только из цистерн, расположенных выше ЦТ судна;

б) осушение затопленных отсеков после заделки пробоин.

Меры по спрямлению и удифферентовке судна:

а) перекачка жидких грузов в цистерны, наиболее удаленные от района повреждения, или прием в них жидкого балласта;

б) откатка жидких грузов из цистерн, рас­положенных вблизи района повреждения, если это позволяет остойчивость;

в) перекачка жидких грузов из цистерн поврежденного борта в цистерны неповрежденного борта или балластировка последних.

Меры по повышению (частичному восста­новлению) аварийной остойчивости и плаву­чести:

а) меры по повышению остойчивости должны предшествовать мерам по спрямлению судна, это особенно важно в тех случаях, когда начальная метацентрическая высота от­рицательна или близка к нулю;

б) следует всегда помнить, что крен после аварии может быть вызван отрицательной на­чальной остойчивостью или несимметрией за­топления относительно диаметральной пло­скости.

При отрицательной начальной остойчиво­сти совершенно недопустимо спрямление судна контрзатоплением отсеков противоположного борта, так как это может привести к перевали­ванию и опрокидыванию судна через противо­положный борт. В таких случаях крен следует уменьшать исключительно восстановлением остойчивости путем затопления или осушения только симметричных относительно ДП от­секов;

в) принципиально важно оценить знак на­чальной остойчивости до принятия мер по вос­становлению остойчивости и плавучести. Для этого значение, начальной метацентрической высоты h должно быть оценено заранее на ос­нове данных Информации и оперативного планшета. Свидетельством отрицательной на­чальной остойчивости после затопления могут быть следующие характерные признаки:

появление крена при точно установленном симметричном относительно ДП затоплении;

переваливание с борта на борт под воздей­ствием случайных причин (перекладки руля на ходу, волнения и т. д.);

наличие крена, противоположного вызван­ному несимметрией затопления;

большие количества фильтрационной воды в отсеках и в помещениях судна при пустых днищевых отсеках.

При восстановлении остойчивости и спрям­лении судна цистерны должны заполняться и осушаться полностью; манипуляции по приему балласта при перекачке необходимо произво­дить одновременно только с одной парой ци­стерн; крен и дифферент следует уменьшать не сразу, а по этапам.

Основной документ по непотопляемости — Оперативная информация о непотопляемости судна (ОИ), которая дает возможность решать задачи трех типов:

·                   заранее на стадии составления каргоплана дать ограничения или рекомендации по обеспе­чению аварийной посадки и остойчивости в данном рейсе;

·                   заранее или на любом этапе рейса опре­делить и оценить аварийную посадку и остой­чивость при затоплении одного или группы отсеков, выделить (по обоснованным призна­кам) те тяжелые случаи повреждения и затоп­ления отсеков, в которых судно обречено и борьба за его спасение становится бессмыс­ленной;

·                   в зависимости от полученной оценки ава­рийного состояния дать для каждого случая затопления конкретные рекомендации по пер­воочередным мерам борьбы за спасение судна и по срочным мерам для спасения экипажа в случае, если судно обречено.

Следует помнить, что только Оператив­ная информация, составленная достаточно полно для конкретного судна, позволяет наи­более точно определить аварийную посадку и остойчивость судна. При отсутствии Информа­ции или при устаревших ее формах для грубой оценки состояния судна при затоплении единич­ного отсека могут быть использованы прибли­женные формулы (табл. формул), полученные ме­тодом постоянного водоизмещения при за­топлении отсеков трех категорий:

1) отсек затоплен полностью и объем воды в нем не зависит от того, сообщается он с забортной водой или нет;

2) отсек затоплен не полностью и не со­общается с забортной водой;

3) отсек затоплен не полностью и сообща­ется с забортной водой.

В формулах (см. табл. формул) приняты сле­дующие обозначения:

относящиеся к состоянию судна до затоп­ления отсека:

s0 — объемное водоизмещение судна. м3;

S, xf —площадь (м2) и абсцисса ЦТ пло­щади ватерлинии, м;

h, H—поперечная и продольная началь­ные метацентрическне высоты судна, м;

d, d H, dK—осадки (углубления) при ЦТ ва­терлинии и при носовом и кормо­вых перпендикулярах, м;

L — длина судна между перпендикуля­рами, м;

относящиеся к затопленному отсеку:

V — объем воды в затопленном отсеке, а для отсека 3-й категории — объем воды в затопленном отсеке по первоначальную ватерлинию до за­топления отсека, м3;

х, у, z — координаты ЦТ объема V, м;

s -- потерянная площадь ватерлинии, т. е. площадь поверхности воды в затопленном отсеке на уровне первоначальной ватерлинии до за­топления отсека, м2:;

xs, уs, — координаты ЦТ потерянной пло­щади ватерлинии, м;

isx, isy — собственные моменты инерции по­терянной площади ватерлинии от­носительно осей, параллельных ко­ординатным, м4;

ix, iv — собственные моменты инерции свободной поверхности воды в за­топленном отсеке относительно осей, параллельных координат­ным, м';

относящиеся только к случаю затопления отсека 3-й категории:

S' — действующая площадь ватерли­нии, которую судно имело до за­топления отсека, м2;

х'f, у'f — координаты ЦТ действующей пло­щади ватерлинии S', м;

ipx, ipy— потерянные моменты инерции пло­щади ватерлинии, м4;

d'—осадка (углубление) судна при ЦТ действующей площади ватер­линии S, м.

Посадку судна и изменение его остойчивости при затоплении отсека полностью, как может быть при затоплении междудонного пространст­ва, оценивают по методу начальной остойчивости, используя все зави­симости из задачи о приеме груза.

Для оценки посадки и остойчивости судна при затоплении отсека, сообщающегося с забортной водой, но не заполняемого полностью,

удобнее пользоваться методом по­стоянного водоизмещения. Суть ме­тода состоит в том, что заполнен­ный водой отсек исключают при оп­ределении элементов плавучести, а масса судна остается неизменной. Для решения задачи зададим эле­менты затопленного отсека (рис.11):

S0T — площадь затопленного отсека ( потерянная площадь ватерлинии), м2;

Jx, Jy — моменты инерции потерянной площади относительно продольной и по­перечной осей, м4;

х, у, z — координаты ЦТ затопленного отсека, м.

Рис. 11. Затопление отсека III кате­гории

Тогда изменение средней осадки судна после затопления отсека

DT = (r Va) / r(S – Sот) = Va / S - Sот

где r — плотность воды, т/м3;

V3 — объем затопленного отсека, м3;

S — пло­щадь действующей ватерлинии, м2.

Осадки носом и кормой после затопления отсека

Тн, к = Т + DT + (L/2)tgy

Изменение поперечной метацентрической высоты определяется из­менением метацентрического радиуса и аппликаты ЦВ:

Dhm = Dr + Dzc

Метацентрический радиус изменяется в связи с уменьшением мо­мента инерции площади ватерлинии на размер площади затопленного отсека:

Dr = DJx/V = - (Jx + Sотy2)/V

где Jx — момент инерции площади первоначальной ватерлинии, м4;

V — объемное водоизмещение судна, м3.

Таблица формул для расчета аварийной остойчивости и посадки судна при затоплении одиночного отсека.

4. Качка и безопасное штормование судов.

Качкой называют сложное колебательное движение, которое судно может совершать как твердое тело при плавании на спокойной или взволнованной поверхности воды. Возможность колебательного про­цесса определяется наличием сил или моментов, оказывающих сопро­тивление перемещениям и стремящихся возвратить судно в исходное положение.

Под действием возмущающей силы судно может иметь шесть воз­можных видов перемещений: три поступательных в направлении осей х, у, z и три колебательных вокруг этих осей. Однако только три из них могут иметь колебательный характер. Вертикальные колебания (сила действует в направлении оси z), приводящие к периодическим по­гружениям и всплытиям, называют вертикальной качкой. Колебания вокруг оси у, вызывающие наклонения с борта на борт, называют бор­товой качкой (переменный крен). Колебания вокруг оси х, вызываю­щие продольные наклонения, называют килевой качкой (переменный дифферент).

Сила в направлении оси х вызывает ускорение или торможение дви­жения, а сила в направлении оси у— боковое смещение (дрейф). Мо­мент вокруг оси z вызывает лишь отклонение от курса.

Колебания судна обычно происходят одновременно, но их раздель­ное изучение облегчает задачу, а результирующее перемещение, оп­ределяющее положение судна относительно воды, может быть полу­чено суммированием результатов.

Характеристиками колебательного процесса являются:

амплитуда качки — наибольшее отклонение судна от положения равновесия;

размах качки — полное перемещение от одного крайнего положе­ния до другого (сумма двух амплитуд следующих друг за другом коле­баний);

частота качки w — число полных колебаний судна за время 2nt;

период качки t — интервал времени между двумя последователь­ными колебаниями отклонений судна в одном и том же направлении (два размаха), t = 2p/w;

коэффициент динамичности качки — отношение амплитуды кач­ки к амплитуде волны, отражающее реакцию судна на воздействие ре­гулярных волн.

Если возмущающая сила приложена однократно, то колебательный процесс под действием сопротивления быстро затухает. Амплитуда максимального отклонения зависит от значения приложенной силы и характеристик судна, а частота или период качки — только от ха­рактеристик судна. Поэтому такие колебания называют собственными, или свободными.

Наиболее важным параметром качки является частота, которая при совпадении с частотами действующих сил может привести к резо­нансным колебаниям и значительному, иногда многократному, увеличе­нию амплитуды. Обеспечение плавания без попадания в условия резо­нансных колебаний возлагается на судоводителя. При отсутствии рас­четных данных с достаточной точностью период свободной бортовой качки может быть определен по формулe

tq = Kk (B/h1/2m) (1)

где Kk — размерный коэффициент (принимают Kk = 0,83-:-0,86 с/м для пассажирских судов, 0,75-:-0,85 с/м для грузовых судов и 0,62-:-0,72 с/м для буксиров; большие значения коэффициента относятся к порожнему судну, меньшие — к груженому);

В — ширина судна, м;

hm — малая метацентрическая высота, м.

Из формулы (1) видно, что чем меньше метацентрическая высота, тем больше период качки, а следовательно, плавнее качка. Поэтому в процессе проектирования и эксплуатации судна стремятся к тому, что­бы его метацентрическая высота имела минимальное значение, обе­спечивающее безопасность мореплавания.

Периоды свободной килевой и вертикальной качки одинаковы и приближенно могут быть определены:

ty = tверт – (2,7-:-3)Т

где Т — осадка судна, м.

Связь между периодом бортовой качки и метацентрической высотой позволяет заметить, что при увеличении остойчивости (hm возрастает) снижается плавность качки (tq убывает), т. е. возрастает частота коле­баний w.

На волнении повторяемость возмущающих сил (встреча с волной) оказывается регулярной, что может привести к резонансным колеба­ниям. Частота встречи с волной зависит от скорости судна и волны, угла их встречи. Если считать, что судно идет к направлению распро­странения волн под углом , то относительная скорость встречи

c' = vcos j ± cB, (2)

где v — скорость судна, м/с;

сB — скорость распространения волны, м/с (знак плюс соответствует встречной волне, минус — попутной).

Частота встречи (частота возмущающей силы) соответствует отно­шению длины волны к относительной скорости встречи, т. е.

tB = lB/ c'

Длина волны lB определяется расстоянием между двумя соседними вершинами или подошвами волн. Высота волны определяется по верти­кали от нижней точки ее впадины (подошвы) до высшей точки вершины (гребня). Период волны tB определяется временем, в течение которого две соседние волны проходят через одну неподвижную точку простран­ства. Приближенно скорость распространения волны

св=1,25 l1/2B.

Тогда кажущийся период волны

tB = lB / (vcos j ± 1,25 l1/2B). (3)

Судоводитель должен сопоставить период собственных колебаний судна [формулы (1) и (2)] с вынужденными колебаниями —(3). Для обеспечения безопасности движения различие между ними долж­но быть не менее 20 %. Как видно из выражения (3), частоту возму­щающей силы можно изменить изменением скорости судна и угла встречи с волной.

На практике безопасную скорость судна и курсо­вой угол часто выбирают с помощью специальных диаграмм Ремеза, Власова и других.

Влияние качки учитывают главным образом при нормировании мореходных качеств. В нормировании остойчивости качка учитывается при определении допускаемых моментов, а для судов класса М-СП и при нормировании отно­сительного ускорения при борто­вой качке, которое соответствует удовлетворительной обитаемости. Сводится это к тому, чтобы уско­рение, испытываемое человеком, не превышало значения, равного од­ной десятой части ускорения сво­бодного падения (0,lg). Если это требование не удовлетворяется, то на судне следует выполнить меро­приятия, снижающие амплитуду бортовой качки.

Рис. 12. Возникновение сил на ску­ловых килях при качке

Наиболее простым средством являются скуловые кили — пласти­ны, установленные на скуловом поясе перпендикулярно обшивке (рис. 12). Протяженность их соот­ветствует длине цилиндрической вставки, ширина — габаритам шпангоута. При действии возму­щающего момента Мв скуловые ки­ли создают момент сопротивления силам Р. Применяют также актив­ные скуловые кили (бортовые ру­ли, стабилизирующие качку).

Рис. 13. Цистерны для успокоения качки:

/ — свободное пространство цистерн; 2, 4 — соответственно воздушный и водяной соединительные каналы; 3 — система кла­панов

Существуют и другие виды гасителей колебаний, к которым отно­сятся пассивные успокоительные цистерны, представляющие собой бор­товые цистерны, соединенные воздушным каналом сверху и водяным снизу (рис. 13). Каналы снабжены системой клапанов, обеспечивающих перетекание жидкости при крене. Сопротивление воздуха, силы инерции и трения тормозят перетекание жидкости в такой мере, что период перетекания оказывается равным периоду качки суд­на и отстает по фазе от колебаний судна на 90° и колебаний вол­ны на 180°. Таким образом, жидкость перекает в сторону подни­мающегося борта и ее масса создает момент, успокаивающий качку судна. При режимах качки, близких к резонансу, цистерны уменьшают амплитуды качки примерно вдвое. Если жидкость перемещается насосами, то такие успокоительные цистерны счи­таются активными.

Наиболее сложным и дорогостоящим является применение гиро­скопических успокоителей. Тяжелый диск (гироскоп) успокоителя вра­щается с большой скоростью вокруг оси, соединенной с рамой. Ось качания рамы расположена горизонтально в поперечной плоскости судна и специальными цапфами соединена с его корпусом. При кач­ке судна и вращении гироскопа возникает сложное движение рамы — прецессия, приводящая к появлению в цапфах реакций, создающих стабилизирующий момент.

4.1                                                     Расчет амплитуды качки

Амплитуда качки судна рассчитывается по формуле

                           qr = 109k*x1*x2*    r*S

где k – коэффициент учитывающий влияние скуловых килей, k = 1 (скуловые кили отсутствуют).

x1 – безразмерный множитель, зависящий от отношения ширины судна к осадке (В/d):

B/d = 13/3,63 = 3,58 по табл. 2.1.3.1-1[3] x1 = 0,79

x2 – безразмерный множитель, зависит от коэффициента полноты сВ

где сВ = V/LBT = D/gLBT = 4460/1,025*110*13*3,63 = 0,84

по табл. 2.1.3.1-2[3] для сВ > 0,7 x2 = 1,0

r – параметр определяемый по формуле:

r = 0,73 * 0,6(zq – d)/d = 0,73 + 0,6 ((3,51 -3,63)/3,63) = 0,71

S – безразмерный множитель, зависит от района плавания и периода качки Т

Т = 2сВ/   h

где с = 0,373 + 0,023 В/d – 0,043 L/100 = 0,373 + 0,023(13/3,63) -0,043* *(110/100) = 0,408

 Т = 2 * 0,408 *13/   2,26 = 7,07

по табл. 2.1.3.1-3[3] для Т = 7,07 S = 0,098 при неограниченном районе плавания.

 qr = 109 * 1 *0,79 *1 * 0,71* 0,098 = 22,7o

T = 7,07

qr = 22,7o

4.2.                          Определение опрокидывающего момента с учетом бортовой

качки.

На диаграмме динамической остойчивости (рис.8) вправо начала координат откладываем r – амплитуду качки динамической остойчивости в точке А1

Через точку А1 проводим прямую, перпендикулярную оси абсцисс и на ней откладываем отрезок АА1 = 2 qr..

Полученная точка А будет начальной для кривой динамической остойчивости.

Из начала (точка А) проводим касательную к диаграмме динамической остойчивости. Отрезок АА1 продлеваем до пересечения с вертикалью из точки на абсциссе 1 рад (57,3о).

Эта вертикаль пересекается с касательной к кривой в точке В. Отрезок ВС равен плечу опрокидывающего момента ВС.

 ВС = 0,85 м lqопр = 0,85 м

Определим опрокидывающий момент с учетом качки:

 Мопрmin = D* lqопр = 4460*0,85 = 3790 нм

 Мопрmax =D* lqопр*q = 4460*0,85*9,8 = 37800 нм

4.3. Особенности плавания в штормовую погоду.

Конструкция современных морских судов обеспечивает большую проч­ность, надежную работу судовых ме­ханизмов и хорошие мореходные ка­чества. Однако плавание и управле­ние судном в шторм остаются слож­ной задачей. Обеспечение безава­рийного плавания в этот период тре­бует большого напряжения в работе всего экипажа, особенно судоводите­лей, четких знаний, умения и созна­тельной дисциплины.

Основные факторы, действующие на судно во время шторма — ветер и волнение. Ветер оказывает влияние на судно в зависимости от конструктивных особенностей. При развитых надстройках, избыточном надводном борте, небольшой осадке увеличи­ваются крен и дрейф судна. Ветер встречных направлений увеличивает сопротивление движению судна, ухудшает его управляемость. Если курс проходит вблизи берега, отме­лей, рифов, то дрейф в их сторону во время плавания становится опас­ным.

Главную опасность для судна во время шторма представляют волнение, вызывающее качку, напряжение в корпусе и удары волн. Сильная бортовая качка создает большие динамические нагрузки на корпус и судовые механизмы. В результате этого могут появиться деформации и тре­щины в наружной обшивке корпуса и в палубах. Возникающие инерционные силы могут явиться причиной сдвига с фундаментов механизмов и устройств, смещения груза; удары волн и качка ухудшают управляемость, снижают скорость судна; рулевая машина работает с большой нагрузкой из-за частных перекладок руля.

Неправильная загрузка судна повлекшая смещение груза, или от­сутствие опыта в управлении судна, в шторм приводят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями, связанными с опрокидыванием на. Плавание с большой скоростью навстречу волне (особенно при неправильной загрузке) может вызывать напряжение корпуса, которое превысит допустимый предел, и судно может переломиться. На волне корма небольших судов и судов в балласте периодически поднимается, оголяя гребной винт, что приводит к пере­напряжению в работе главного дви­гателя.

На судне в балласте качка значи­тельно сильнее, особенно опасна для него встречная волна, которая, уда­ряясь в поднятое волной днище носо­вой части корпуса, вызывает сильную вибрацию.

В сильный шторм волны могут повредить или смыть палубные гру­зы, разрушить люковые закрытия, вентиляторы, судовые устройства и системы. Это создает опасность про­никновения воды в трюмы, влечет за собой подмочку груза, а иногда и гибель судна.

Судоводитель должен всегда пом­нить, что ошибки в управлении суд­ном в шторм могут привести даже самое современное судно к аварий­ному состоянию или его гибели. Без­аварийное плавание в шторм зависит от высоких профессиональных зна­ний и опыта экипажа, подготовлен­ности судна, заблаговременного по­лучения прогнозов погоды и умелого управления.

Составная часть повседневной ор­ганизации службы независимо от предстоящего плавания, продолжи­тельности рейса, прогнозируемой по­годы является подготовкой судна к штормовым условиям плавания. Суд­но должно быть приведено в такое состояние, которое обеспечит безо­пасность плавания в любых погодных условиях. Подготовка судна к плава­нию начинается при стоянке в порту. Особое внимание уделяется погрузке. При составлении грузового плана не­обходимо предусмотреть обеспечение остойчивости, местной и общей проч­ности корпуса, мореходных качеств на момент выхода судна из порта, на период рейса и приход в порт на­значения с учетом расходования су­довых запасов в рейсе и качествен­ную доставку груза получателю. Во время погрузки необходимо конт­ролировать остойчивость, при необ­ходимости производить перерасчеты;

тщательно следить за укладкой, на­ливом, штивкой и сепарацией, креп­лением груза. Особый контроль не­обходимо осуществить за погрузкой и креплением тяжеловесных и палуб­ных грузов. Доступ к палубным ме­ханизмам и пробкам воздушных трубок балласта, льял или льяльных колодцев должен быть свобод­ным.

При подготовке судна к рейсу сле­дует руководствоваться Рекоменда­циями по обеспечению безопасности плавания судов в осенне-зимний пе­риод и в штормовых условиях (РОБПС-84).

Штормование. Если плавание суд­на в нужном направлении или в на­правлении ближайшего порта-убе­жища невозможно из-за очень слож­ных штормовых условий, то выпол­няется штормование — особый вид плавания, при котором судно удер­живается на месте или идет курсом и скоростью, наиболее благоприят­ными относительно направления вет­ра и ветровых волн. Практикой уста­новлено, что при штормовании про­тив волны наиболее безопасной яв­ляется минимальная скорость, при которой судно еще слушается руля.

Способ штормования определя­ется судоводителями с учетом кон­структивных особенностей судна, его загрузки, остойчивости и района пла­вания:

на носовых курсовых углах — на­иболее распространенный вид, реко­мендуется для судов, имеющих пол­ные обводы в носовой части (кор­пус конструктивно укреплен и рас­считан на большие волновые нагруз­ки с дифферентом на корму). На курсах носом на волну судно легче управляется, более устойчиво на кур­се. Остойчивость судна сохраняется. Размахи бортовой качки уменьшают­ся. Скорость минимальная;

на кормовых курсовых углах вы­полняется только в том случае, ког­да длина волны значительно отли­чается от длины судна, имеющего нормальную или повышенную остой­чивость; в этом случае возрастает рыскливость, снижается устойчи­вость на курсе;

в дрейфе — штормование с засто­поренными главными двигателями. Опасно для судна при сильном шквальном ветре.

Судно с большой метоцентрической высотой — остойчиво, но будет иметь сильную и резкую бортовую качку, при которой возможны по­вреждения корпуса, сдвиг механиз­мов, нарушения креплений и сме­щение груза.

Судно с большой парусностью мо­жет быть положено на борт. Спо­соб требует большого водного прост­ранства, свободного от навигацион­ных опасностей с подветренной сто­роны.

Штормование лагом к волне. В этом случае судно в наибольшей сте­пени подвержено воздействию волны и ветру. Штормовать данным спо­собом могут суда с повышенной остойчивостью. Качка у таких судов плавная, оно легко восходит на вол­ну, не принимая много воды на палубу.

В штормовых условиях о повороте судна на новый курс экипаж пре­дупреждается заблаговременно. При очень сильном шторме наиболее опасным является положение судна лагом к волне. Чтобы повернуть суд­но на новый курс, устанавливается закономерность изменения размеров ветровых волн и только после про­хождения очередной наиболее разви­той волны выполняется поворот.

Поворот при плавании судна про­тив волны совершают как вправо, так и влево, позволив судну ували­ваться под ветер и уменьшив ход до минимального. Поворот судна начи­нают перекладкой руля на борт (30—35°) и дают полный ход, когда корма окажется на обратном склоне крутой волны. Во время поворота, при подходе высоких волн с кормо­вых углов руль следует отводить к ДП заблаговременно. По окончании поворота изменением скорости хода вывести судно из зоны усиленной качки.

Поворот при плавании судна по волне начинают, когда на обратном склоне последней из серии крупных волн окажется носовая часть судна с таким расчетом, чтобы вторая поло­вина поворота выполнялась в период относительно спокойного волнения. Если у судна перед поворотом период бортовой качки больше периода волн, то первую половину поворота выполняют на малом ходу, а вто­рую— как можно быстрее, не наби­рая большой инерции хода.

В другом случае, когда перед пово­ротом период бортовой качки меньше периода волн, тогда первую полови­ну нужно выполнять на большом ходу, а вторую как можно быстрее, но не набирая большой инерции хода.

5. Контроль и регулирование прочности корпуса судна.

Прочность корпуса определяет способность судна восприни­мать действующие в процессе эксплуатации нагрузки, не разрушаясь. Для оценки прочности судна определяют внешние нагрузки, дейст­вующие на корпус, напряжения в различных наиболее нагруженных его элементах и сопоставляют их с нормативными допускаемыми зна­чениями. Если полученные расчетом напряжения не превышают до­пустимое, то прочность корпуса считается обеспеченной. При этом очень важно, чтобы прочность корпуса была достаточной при мини­мальной массе. Корпусы речных судов рассчитывают в соответствии с Правилами Регистра Судоходства Украины.

На корпус движущегося судна могут действовать постоянные и случайные нагрузки. Постоянные нагрузки, действующие в течение всего периода эксплуатации, — это вес корпуса, надстроек, судовых механизмов и принятого груза, силы поддержания и силы сопротивле­ния воды движению судна. Случайные нагрузки воздействуют на кор­пус в течение какого-либо промежутка времени и возникают при уда­рах волн, посадке судна на мель, столкновении судов.

Для упрощения расчетов действующие нагрузки условно делят на две категории: вызывающие общий изгиб корпуса или местный из­гиб отдельных его элементов.

При плавании на тихой воде изгиб корпуса вызывается неравно­мерностью распределения по длине судна сил тяжести и сил поддер­жания. Для построения эпюры весовой нагрузки qB (рис. 14, а) при­нимают, что силы тяжести, действующие в пределах каждой теорети­ческой шпации, распределены равномерно. Значение этих сил рассчи­тывают для каждой шпации отдельно с учетом всех составляющих. Силы поддержания распределяются по длине судна пропорционально погруженным площадям шпангоутов, что и отражает эпюра этих сил

Полученную ступенчатую нагрузку, равную разности сил тяжести и сил поддержания, называют эпюрой нагрузки судна q (рис. 14, б).

По нагрузке судна вычисляют срезывающие силы FТВ и изгибающие моменты МТВ, действующие на корпус при плавании на тихой воде. Их определяют соответственно как сумму сил или сумму моментов, взятых слева или справа от рассматриваемого сечения. Значение и знак изгибающего момента в каждом сечении корпуса зависят от характера распределения нагрузок по длине судна. Очевидно, что чем больше не­равномерность нагрузки, тем больше и изгибающий момент.

Рис. 14. Эпюры нагрузок, вызывающих общий изгиб корпуса

При выходе судна на волну силы поддержания перераспределяют­ся по длине корпуса благодаря_изменению формы погруженного объе­ма. При этом судно может попасть миделем на вершину (рис. 15, а) или на впадину волны (рис. 15, б). В первом случае в палубе возни­кают дополнительные напряжения растяжения (+Ds), а в днище — сжатия (-Ds), что соответствует перегибу корпуса; во втором, на­оборот, палуба подвергается дополнительному сжатию, а днище — растяжению, что соответствует прогибу корпуса.

Рис. 15. Положение судна при постановке на волну

Наибольшие расчетные изгибающие моменты как для прогиба, так и для перегиба (Мр, кН * м) вычисляют алгебраическим суммирова­нием наибольших значений изгибающих моментов, возникающих на тихой воде, с дополнительным волновым изгибающим моментом М дв:

МР = МТВ + МДВ

Аналогично наибольшие расчетные перерезывающие силы как для прогиба, так и для перегиба определяют алгебраическим суммирова­нием наибольших значений перерезывающих сил, возникающих на тихой воде FTB, с дополнительной волновой перерезывающей силой FДВ:

FР = FТВ + FДВ.  

Способность корпуса выдерживать нагрузки, действующие на отдельные его перекрытия и связи, определяет местную прочность. Среди местных нагрузок выделяют гидростатическое давление при аварийных затоплениях отсеков, сосредоточенные и распределенные силы при приеме и снятии грузов в районе грузоподъемных устройств, реакции кильблоков при постановке в док, сосредоточенные силы при швартовке и буксировке, силы обжатия корпуса льдом при ледовой проводке судна.

Давление воды на поперечное сечение корпуса (рис. 16) определя­ют с учетом движения судна на волнении, т. е. нагрузки на днище qД и на борта qб вычисляют по осадке уровня волновой ватерлинии. Прочность палубных перекрытий должна обеспечивать восприятие поперечной равномерно распределенной нагрузки qн.

Правилами постройки ледоколов и транспортных судов для пла­вания в ледовых условиях предусматривается комплекс конструктив­ных мероприятий по подкреплению корпуса, обеспечивающих безопас­ность плавания во льдах.

Днищевые перекрытия речных судов проверяют также на восприятие реакции платформ и кильбло­ков косяковых тележек при подъе­ме судов на слипы.

Нормальные s   и касательные t  напряжения в связях корпуса:

s = MP/W;            t  = FPS/Jt

где МР — расчетное значение из­гибающего момента, кН * м;

 W — мо­мент сопротивления, м3;

 Fp — расчет­ное значение срезывающей силы, кН;

 S — статический момент площади попе­речного сечения относительно нейтраль­ной оси, м3;

 J — момент инерции площади поперечного сечения относительно нейтральной оси, м4;

 t — толщина ли­ста в рассматриваемом сечении по ли­нии кратчайшего разреза, м.

Рис. 16. Эпюры нагрузок, действую­щих на поперечное сечение судна

Фактические напряжения в конструкциях корпуса вычисляют как алгебраическую сумму напря­жений от общего изгиба и мест­ных нагрузок.

При вычислении напряжений от общего изгиба (рис. 17) в рас­четное сечение корпуса судна для определения момента инерции и мо­мента сопротивления включают все продольные балки набора, а также пояса днищевой и бортовой обшивок и настила палубы. Листы обшив­ки, расположенные между балками набора, при критических нагруз­ках выгибаются и теряют устойчивость. Поэтому усилия общего из­гиба будут воспринимать только пояски обшивки, непосредственно примыкающие к продольным балкам набора. Ширину поясов принимают равной 50t (где t — толщина обшивки корпуса).

Рис. 17. Определение напряжений в связях корпуса судна:

/ — продольные балки набора; 2 — пояса обшивки корпуса, включенные в расчет при определении напряжений от общего изгиба

По полученным значениям моментов сопротивления рассчитывают нормальные напряжения для всех сечений, которые по высоте корпу­са распределяются по линейному закону. В крайних волокнах па­лубы и днища напряжение достигает максимального значения. В данном случае сечение палубы испытывает напряжение сжатия , а сечение днища — напряжение растяжения + . Положение нейтраль­ной оси, где нормальные напряжения в сечениях корпуса равны нулю, определяется ординатой zH0.

Существенное значение для обеспечения эксплуатационной проч­ности корпуса имеет как порядок размещения груза в трюме или на палубе (равномерность укладки), так и очередность загрузки трюмов. Нарушение технологии загрузки может вызвать дополнительный из­гибающий момент и привести к перелому корпуса судна. Ре­гистром Украины утверждается инструкция по погрузке, выгрузке и балластировке для судов каждого типа. Отклонение от инструкции может привести к нарушению прочности, поэтому выполнение ее должно строго соблюдаться командным составом судна.

Правилами Регистра установлено два способа расчета прочности:

по допускаемым напряжениям и разрушающим (предельным) нагруз­кам. В первом случае за расчетные напряжения в проверяемой свя­зи корпуса принимают наибольшие нормальные и касательные на­пряжения, которые не должны быть больше допускаемых. Так, сум­марные напряжения от общего изгиба и местной нагрузки в продоль­ных балках набора могут составлять 0,75 т для сечений посередине пролета и 0,85т для опорных сечений (где т — напряжение в свя­зях корпуса, соответствующее пределу текучести).

В поперечных связях корпуса, воспринимающих лишь усилия от местных нагрузок, напряжения могут достигать 0,75т, а в отдельных элементах водонепроницаемых переборок — предела текучести.

При проверке прочности по касательным напряжениям нормы до­пускаемых напряжений принимают равными половине значения до­пускаемых нормальных напряжений. При этом касательные напряже­ния от общего изгиба не должны превышать 0,3т. При проверке проч­ности конструкций корпуса по разрушающим нагрузкам устанавли­вают, во сколько раз действующие усилия должны быть меньше пре­дельных, приводящих конструкцию к разрушению.

Для предупреждения потери общей и мест­ной прочности, вызванной неправильным (не­благоприятным) размещением грузов, необхо­дим их контроль в каждом рейсе.

Общая прочность корпуса в судовых ус­ловиях может быть проверена расчетным ме­тодом, с помощью диаграмм контроля прочно­сти, а также с помощью моделирующих (ана­логовых) и цифровых приборов.

Расчетные методы в последнее время ока­зываются неприемлемыми в судовых условиях, так как более точные из них громоздки и не­удобны, а более упрощенные не учитывают влияние распределения груза.

Удачным и перспективным оказался ком­бинированный метод, сочетающий в себе бере­говой этап — расчет прочности на ЭЦВМ, с по­строением рабочих диаграмм контроля прочно­сти и судовой этап — элементарные расчеты вручную или с помощью мини-ЭВМ.

До 1979 г. на суда выдавалась Инструк­ция по загрузке судна с рабочими диаграмма­ми для контроля общей прочности. С 1979 г. эта Инструкция включена в виде раздела в новую типовую форму Информации об остой­чивости и прочности грузового судна. С по­мощью такой Информации проверка прочности производится по изгибающим моментам и пе­ререзывающим силам в тех сечениях корпуса, где могут возникнуть наибольшие напряжения.

Порядок проверки прочности по изгибаю­щему моменту состоит в следующем: в стан­дартную таблицу Информации записываются массы (численно равные весу) Рi грузов, за­пасов и балласта, расстоянии хн i от центров этих масс до плоскости данного сечения. Затем вычисляется сумма моментов Мх - SРiхнi. На диаграмме контроля прочности (рис. 18) по горизонтали, соответствующей дифференту судна, в метрах, откладывается дедвейт DW = SPi и через полученную точку а прово­дится вертикаль, на которой откладывается сумма моментов Мх = SРiхнi, млн. тс*м. Так получается точка А, характеризующая состоя­ние прочности судна.

Прочность судна по изгибающему моменту в данном сечении считается достаточной, если точка А находится в безопасной зоне, т. е. ле­жит между линиями «Опасно — перегиб в рейсе» и «Опасно — прогиб в рейсе». Если точка А лежит за пределами линий «Опасно — перегиб на рейде» и «Опасно — прогиб на рейде», то прочность достаточна только для плавания в условиях рейда.

Аналогично проверяется прочность по пе­ререзывающим силам, с той лишь разницей, что для этого используется другая диаграмма (рис. 19) и по вертикали откладывается часть дедвейта, расположенная в нос от контролиру­емого сечения. Если хотя бы для одного сече­ния прочность по изгибающему моменту или перерезывающим силам оказывается недоста­точной для заданных условий плавания, необ­ходимо перераспределить груз по длине судна.

Прогиб (перегиб) судна можно уменьшить или устранить перемещением груза или запасов ближе к оконечностям (мидель-шпангоуту).

Использование моделирующих приборов для контроля загрузки с учетом необходимой посадки, остойчивости и прочности позволяет быстро и достаточно точно проверить несколь­ко вариантов загрузки и выбрать приемлемый, а иногда и оптимальный вариант.

С ростом скорости, и размеров судов при плавании на волнении участились случаи слеминга, приводящего к повреждению днища и бортов судна. В наиболее тяжелых случаях по­вреждения охватывают до 30% длины судна в носу, а прогибы достигают 300 мм. что приво­дит к разрыву связей и обшивки корпуса, за­топлению носовых трюмов.

Условия появления слеминга: волнение с встречных курсовых углов;

близость кажущего­ся периода волнения собственному периоду килевой качки; кажущаяся крутизна волны не менее 1/50; скорость вертикальных колебаний корпуса не менее 3,5 м/с. Днищевой слемннг появляется при осадке носом менее 0,04 - 0,05 длины судна.

Для судоводителя важно объективно оце­нить интенсивность удара вря слемииге для решения вопроса о поддержании скорости без опасения повредить корпус.

Из средств приборного контроля слеминга в эксплуатационных целях известны лишь единничные приборы для оценки частоты ударов (на судах типов «Росток», «Зоя Космодемьян­ская»). Практически судоводитель вынужден оценивать интенсивность слеминга чисто субъективно, чаще всего по силе звука и частоте ударов в единицу времени.

Рис. 18. Диаграмма контроля общей прочно­сти по изгибающим моментам

Регулирование и контроль за обеспечени­ем местной прочности палубных перекрытий, платформ, двойного дна, люковых закрытий осуществляется: путем назначения для каждого перекрытия допускаемых удельных нагрузок. Величины этих нагрузок указаны на чертежах палуб судовой документации и обычно лежат в пределах 1,0—10 тс/м2.

Рис. 19. Диаграмма контроля общей проч­ности по перерезывающим силам

6.               Контроль и регулирование движения судна.

Ходкость—способность судна развивать с помощью движителей за­данную скорость, преодолевая сопротивление окружающей среды — воды и воздуха. Сила сопротивления движению судна зависит от физических свойств среды. Важнейшими физическими характеристика­ми жидкости являются плотность и вязкость.

Плотностью называется величина, определяемая отношением мас­сы вещества к занимаемому им объему, т/м3

  r= m/V1

где т — масса жидкости, т;

 V1 — объем, м8.

Вязкость (внутреннее трение) — свойство жидкостей оказывать со­противление перемещению одной их части относительно другой. При течении вязкой жидкости в трубе ее скорость возрастает от нулевого значения у стенки трубы до максимального значения на оси. Между слоями, движущимися с разными скоростями, действуют касатель­ные силы внутреннего трения: слой, перемещающийся быстрее, увле­кает за собой слой, движущийся медленнее, а тот в свою очередь тор­мозит первый. Вязкость жидкостей увеличивается с понижением тем­пературы; она характеризуется коэффициентами динамической  и кинематической v вязкости.

Вязкость жидкости, а также шероховатость поверхности вызывают изменение скорости обтекания вблизи поверхности корпуса. Благодаря молекулярным силам сцепления частицы воды, непосредственно сопри­касающиеся с обшивкой корпуса, как бы прилипают к ней и движутся со скоростью, равной скорости судна. По мере удаления от поверхно­сти корпуса скорость частиц в слое воды уменьшается. На некотором удалении частицы имеют скорость невозмущенного потока. Зона, в ко­торой наблюдается изменение скоростей движения частиц жидкости, называется пограничным слоем.

Относительное смещение слоев воды в пограничном слое и измене­ние при этом гидродинамического давления вдоль смоченной поверх­ности корпуса вызывают сопротивление движению судна.

Полное сопротивление движению судна складывается из пяти основ­ных составляющих:

  R = RT + RФ + RB + RBЧ + Rвозд

Сопротивление трения RT — равнодействующая сил трения, возни­кающих вследствие вязкости воды между корпусом движущегося суд­на и ближайшими к нему слоями воды пограничного слоя. Сопротив­ление трения зависит от скорости судна, размеров и формы смоченной поверхности корпуса и степени ее шероховатости:

 RT = xT (r/2) v2 W

где xT — безразмерный коэффициент сопротивления трения;

 v — скорость судна, м/с;

W — площадь смоченной поверхности корпуса, м2.

Площадь смоченной поверхности определяют по теоретическому

чертежу или эмпирической формуле:

W = L(1,36T + 1,13dВ),

где L, В, Т — главные размерения судна, м;

 d — коэффициент полноты во­доизмещения корпуса.

Снижение сопротивления трения на практике достигают устране­нием шероховатости наружной обшивки, периодическими очисткой и окраской подводной части корпуса стойкими и самополирующимися красками мелкой зернистости, планомерной борьбой с обрастанием корпуса водорослями и ракушками у судов смешанного плавания.

Сопротивление формы RФ образуется при понижении давления во­ды за кормой судна и появлении добавочных сил, препятствующих его движению. Равнодействующая сил, возникающих вследствие разности гидродинамических давлений вдоль корпуса и зависящих от его фор­мы, называется сопротивлением формы:

  RФ = xФ(r/2) v2 W

где xФ — безразмерный коэффициент сопротивления формы.

Сопротивление формы может быть уменьшено при проектировании корпуса судна путем улучшения его обтекаемости, увеличения отноше­ния L/B и обеспечения примыкания кормовых ветвей ватерлинии к ДП в подводной части корпуса под возможно меньшими углами.

Волновое сопротивление RB обусловлено влиянием волн на распре­деление гидродинамических давлений вдоль смоченной поверхности судна:

RВ = xВ(r/2) v2 W

где В — безразмерный коэффициент волнового сопротивления (находят по специальным графикам, составленным по результатам модельных испытаний судна).

Для уменьшения волнового сопротивления задаются возможно большими значениями отношения L/B и коэффициента продольной пол­ноты. При прочих равных условиях достигается значительное умень­шение волнового сопротивления у катамаранов. С целью снижения волнового сопротивления корпуса морских судов изготовляют с носо­выми бульбами.

Сопротивление формы и волно­вое сопротивление образуют оста­точное сопротивление, определяе­мое по модельным испытаниям судна в опытовом бассейне:

 RO = RФ + RB

Сопротивление выступающих частей RBЧ образуется сопротивлением рулей, насадок, кронштейнов гребного вала и других выступающих частей корпуса. Конструкторы стремятся уменьшить сопротивление выступающих частей, придавая им хорошо обтекаемую форму и сокра­щая их число.

Сопротивление воздуха RВ03Д характеризует воздействие на судно воздушной среды. При проектировании судна для уменьшения сопро­тивления воздуха надстройкам придают обтекаемую форму и макси­мально уменьшают их размеры.

6.1. Двигатели и движители.

Двигатели, с помощью которых судно приво­дится в движение, называются главными. Главные двигатели вме­сте с оборудованием, необходимым для их работы, составляют главную энергетическую установку судна.

На морских судах в качестве главных двигателей устанавли­вают двигатели внутреннего сгорания (дизели), реже — паровые и газовые турбины. На судах старой постройки сохранились паро­вые машины. Все перечисленные двигатели являются тепловыми, т. е. вырабатывают механическую энергию из тепловой. Теплота выделяется при сгорании нефтяного топлива или, в атомных уста­новках, при делении атомных ядер.

Тепловые двигатели различают по роду рабочего тела, при рас­ширении которого теплота превращается в работу. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах рабочим телом служит смесь газов, получаемая при сгорании топлива. В паровых маши­нах и турбинах рабочим телом служит водяной пар.

Судовые дизели. Двигатель, в котором топливо сгорает непо­средственно внутри рабочего цилиндра, называется двигателем внутреннего сгорания. Если при этом воспламенение топлива осу­ществляется за счет температуры сжатия воздушного заряда, дви­гатель называется дизелем. Смесь газов, образующихся при сго­рании топлива, имеет высокое давление и температуру. Расширя­ясь внутри цилиндра, газы перемещают поршень и движение его передается через кривошипно-шатунный механизм коленчатому валу. Для получения большей мощности и равномерного вращения вала двигатели делаются многоцилиндровыми. Мощ­ность судовых дизелей бывает самой различной: от нескольких десятков лошадиных сил — на небольших катерах до 30—40 тыс. л. с.— на крупнотоннажных судах.

Основные достоинства дизеля перед другими двигателями — наименьший расход топлива (150—180 г/л с.-ч) и сравнительно небольшое вспомогательное оборудование. За счет меньших запа­сов топлива и меньших размеров машинного отделения увеличива­ется полезная грузоподъемность судна. Однако при мощности свы­ше 10—20 тыс. л. с. установка становится громоздкой и не всегда выгоднее турбинной.

Судовые паровые турбины работают на ином принципе. Свежий пар подводится в направляющий аппарат (сопло), где расширяется и приобретает большую скорость. Из сопла струя па­ра направляется на рабочие лопатки турбинного диска, который жестко закреплен на валу. Передавая лопаткам свою энергию, пар заставляет диск, а вместе с ним и вал вращаться со скоростью нескольких тысяч оборотов в минуту. Направляющий аппарат и диск с лопатками называются ступенью турбины. Рассмотренная простейшая турбина является одноступенчатой.

Главные турбины делаются многоступенчатыми. Ступени обыч­но размещают в двух корпусах — турбине высокого дав­ления (ТВД) и турбине низкого давления (ТНД). Отработав последовательно во всех ступенях, пар выпускается из ТНД в кон­денсатор. Полученная пресная вода снова направляется в глав­ные котлы для образования пара. Мощность обеих турбин пере­дается на гребной винт через зубчатый редуктор, с которым тур­бины образуют единый главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА). Для осуществления реверса в корпусе ТНД установлена турбина заднего хода (ТЗХ).

Паротурбинные установки уступают дизельным в экономично­сти (расход топлива 180—250 г/л. с.-ч.), но могут быть построены на большую мощность при сравнительно небольших габаритах. Благодаря равномерному вращению вала турбины отличаются ис­ключительно малым износом деталей.

Паровые турбины применяют в основном на крупных судах, где требуется мощность более 10—20 тыс. л. с, а также на судах с атомными реакторами. Мощность существующих ГТЗА достигает 70—80 тыс. л. с, причем на судне иногда устанавливают до четы­рех таких агрегатов.

Судовые газовые турбины. Принцип работы простейшей газо­турбинной установки (ГТУ) показан на рис. 25. Воздух из атмо­сферы засасывается компрессором, сжимается и затем подается в камеру сгорания, куда одновременно впрыскивается топливо. Об­разующиеся при сгорании топлива газы поступают в турбину и приводят ее в движение. Турбина вращает компрессор и гребной винт.

Компрессор, камера сгорания и турбина собираются в единый агрегат. Для первоначального раскручивания турбины служит пусковой электродвигатель, питающийся током от вспомогатель­ного дизель-генератора. Реверс осуществляется обычно с помощью винта регулируемого шага.

Судовые ГТУ по экономичности близки к паровым турбинам, а по весу и габаритам — наиболее легкие и компактные из всех применяемых двигателей. Мощность судовых ГТУ достигает 30 тыс. л. с. в агрегате. На морских судах ГТУ стали применять сравнительно недавно, по мере накопления опыта эксплуатации и совершенствования конструкций они должны получить значи­тельное распространение.

Судовые атомные установки. Источником тепловой энергии в этих установках служит атомный реактор, в котором происходит деление ядер урана и других расщепляющихся материалов. На рис. 26 показана схема атомной энергетической установки ледоко­ла «Ленин». Установка выполнена двухконтурной. В первом кон­туре теплоносителем служит обычная дистиллированная вода под высоким давлением, циркулирующая через реактор. Теплота, вы­деленная в результате атомной реакции, непрерывно отводится этой водой в парогенераторы, где вырабатывается пар второго контура, используемый для работы четырех главных турбин мощ­ностью по 11 тыс. л. с.

Каждая турбина приводит в действие через редуктор два гене­ратора постоянного тока напряжением 600 В. Через главный рас­пределительный щит электроэнергия питает средний гребной элект­родвигатель мощностью 19,6 тыс. л. с. и два бортовых по 9,8 тыс. л. с. Для защиты экипажа от вредных излучений реакторы и все агрегаты первого контура окружены надежной биологической за­щитой из слоя воды и стальных плит.

Основное преимущество судов с атомными установками — практически неограниченная дальность плавания без пополнения запасов топлива. Суточный расход ядерного горючего не превы­шает нескольких десятков граммов, а смену тепловыделяющих элементов в реакторах можно производить один раз в два-три года.

Передачи. Мощность главных двигателей может передаваться на гребной винт посредством прямой, зубчатой или электрической передачи (рис. 27).

Прямая передача представляет собой валопровод, со­стоящий из нескольких соединенных в одну линию валов, лежащих в опорных подшипниках. Наиболее ответственные узлы валопровода — главный упорный подшипник и дейдвудное устройство. Глав­ный упорный подшипник воспринимает упорное давление, созда­ваемое гребным винтом, и передает его корпусу судна. Дейдвудное устройство служит опорой для концевого (дейдвудного) вала и одновременно уплотнением места выхода вала наружу.

Прямая передача самая простая и распространенная. Однако она применима в основном при малооборотных двигателях, так как у большинства судов наибольший к. п. д. "гребного винта достига­ется при частоте вращения 100—200 об/мин.

Если дизель или турбина имеет большую частоту вращения, чем требуется для винта, применяют зубчатую передачу, при которой между двигателем и валопроводом включен понижающий зубчатый редуктор. Быстроходные двигатели при равной мощности имеют меньшие размеры и массу, поэтому, несмотря на наличие ре­дуктора, установка в целом получается более компактной и лег­кой. Достоинством передачи является и то, что она позволяет ра­ботать на один винт нескольким двигателям, часть из которых можно при желании отключать с помощью гидромуфт. Однако в зубчатой передаче теряется 2—3% полезной мощности.

При электрической передаче главные дизели или тур­бины приводят в движение генераторы, а электроэнергия от них питает гребные электродвигатели, которые вращают винты. Элект­ропередача обеспечивает судну высокие маневренные качества, по­этому широко применяется на ледоколах, ледокольно-транспортных судах, паромах, буксирах-спасателях, на некоторых пассажирских судах. Недостаток передачи — сложность оборудования, значитель­ная потеря мощности (10—15%).

Судовым движителем называется специальное устройство для пре­образования работы главного двигателя или другого источника энер­гии в полезную тягу, которая обеспечивает поступательное движение судна.

К судовым движителям относят гребные винты, гребные колеса, водометные и крыльчатые движители.

Гребной винт представляет собой гидравлический механизм, лопа­сти которого захватывают забортную воду и сообщают ей дополнитель­ную скорость в направлении, противоположном движению судна. При этом гидродинамические силы, возникающие на лопастях, создают осе­вую равнодействующую силу, называемую упором движителя. Упор движителя передается корпусу судна через жестко связанный с ним упорный подшипник.

Основными характеристиками винта являются:

диаметр — диаметр окружности, описываемой наиболее уда­ленными от оси точками лопастей; у крупных судов диаметр вин­тов может достигать 8—10 м;

шаг — расстояние, которое прошел бы винт за один оборот в плотной среде, при отсутствии скольжения. По величине шаг вин­та близок его диаметру;

частота вращения — число оборотов в минуту на расчетном режиме, при котором винт имеет наибольший к. п. д.; у крупных и средних судов — 100—200 об/мин, у небольших — 500 об/мин и более.

По направлению вращения различают винты правого и левого вращения. Винт правого вращения при переднем ходе вращает­ся по часовой стрелке (если смотреть с кормы в нос). У такого винта, если взгляд наблюдателя направлен перпендикулярно дис­ку винта, правые кромки верхних лопастей расположены дальше, чем левые. У винта левого вращения — наоборот.

Одновинтовые суда чаще имеют винт правого вращения. Двух­винтовые суда для лучшей управляемости оборудуются винтами разного вращения.

По конструкции гребные винты делятся на винты фиксирован­ного и регулируемого шага.

Винты фиксированного шага (ВФШ) — это обычные винты с неизменяемым шагом. Они бывают цельнолитыми или со съемны­ми лопастями. Цельнолитые винты проще в изготовлении, имеют более высокий к. п. д., а потому и самые распространенные. Вин­ты со съемными лопастями применяют главным образом у судов ледового плавания, у которых возможны более частые поломки лопастей. Ступицы и лопасти таких винтов делают стальными.

Винты регулируемого шага (ВРШ) в отличие от ВФШ имеют полую ступицу увеличенного диаметра; в ней размещен механизм, с помощью которого можно поворачивать лопасти вокруг их вер­тикальной оси и тем самым изменять шаг винта. Управляют ме­ханизмом поворота лопастей с мостика посредством привода, рас­положенного в валопроводе.

Конструкция ВРШ позволяет, не изменяя направление и час­тоту вращения винта, осуществлять реверс (задний ход), удержи­вать судно на месте, устанавливать наиболее выгодный шаг винта для разных режимов работы судна. Все это делает судно более маневренным, значительно снижает расход топлива на перемен­ных режимах. Важным достоинством является и то, что ВРШ позволяет применить на судне нереверсивный главный двигатель.

Поэтому, несмотря на сложность конструкции, ВРШ широко используются на промысловых судах, буксирах, паромах, а в по­следние годы —и на крупных транспортных судах. На новых тан­керах типа «Крым» установлен ВРШ диаметром 7,5 м.

Если скорость набегающего на винт потока vр (рис. 20), а радиаль­ная скорость юг, то угол атаки данного элемента сечения лопасти л оп­ределяется углом между результатирующей скоростью v1 и линией нулевой подъемной силы (ЛНПС). Подъемная сила и сила лобового со­противления сводятся к результирующей силе Yв. Одна из ее проекций дает силу полезного упора винта РВ, а вторая — силу сопротивления вращению RBP. Момент силы RBP относительно оси гребного винта пре­одолевается главным двигателем судна.

Гребные винты имеют относительно малую массу, небольшие разме­ры, надежны в эксплуатации, недороги в изготовлении и позволяют ис­пользовать большинство малооборотных главных двигателей без редукторных передач; их КПД достигает 70 %.

Рис. 20. Схема действия гребного винта

7. Заключение

«Информация об остойчивости» является судовым документом, предназначенным для капитана и судового командного состава в качестве руководства при решении вопросов связанных с практической оценкой безопасности плавания судна при перевозке навалочных грузов.

Данная работа показывает мореходные качества т/х «Андрей Бубнов» и мероприятия по обеспечению безопасного плавания. При данной загрузке судна произведен расчет статической и динамической остойчивости, расчет амплитуды качки, определение опрокидывающего момента, расчет общей продольной остойчивости, рассчитана посадка судна.

ЛИТЕРАТУРА

1.                 Н.Г. Смирнов «Теория и устройство судна», М., 1992.

2.                 А.А. Антонов «Устройство морского судна», М., 1974

3.                 А.Д. Дидык и др. «Управление судном и его техническая эксплуатация», М., 1990.

4.                 Г.Г. Ермолаева «Справочник капитана дальнего плавания», М., 1988.