Влияние условий плавания на остойчивость судна

3.12.1 Статическое и динамическое давление ветра.Давление ветра на судно распределяется неравномерно и зависит от высоты расположения данной части судна над уровнем моря, степени ее обтекаемости и направления ветра по отношению к судну. На практике, принято считать, что давление ветра приводится к одной равнодействующей силе Р_v, зависящей от давление ветра р_v и площадь парусности судна А_v.

Давление ветра принимают по таблицам, приводимой в Правилах Регистра, в зависимости от категории судна (ограниченного или неограниченного плавания).

Под площадью парусности понимают площадь проекции надводной части судна на диаметральную плоскость в прямом положении. Статическое давление ветра (рис. 3.30, а) вызывает дрейф судна, т.е. его движение в направлении, перпендикулярном ДП, с некоторой скорость V. При этом возникающие силы сопротивления воды R, с некоторым приближением, можно считать приложенным на половине осадки судна. В таком случае, плечо статического кренящего момента l_w1 равно

l_w1 = p_v A_v (z_п – d/2)/100g Δ,

или l_w1 = p_v A_v z_v /100g Δ,

где p_v- давление ветра, Па, определяемое по таблице 3 в зависимости от района плавания судна;

z_v - плечо парусности, м, принимаемое равным измеренному по вертикали расстоянию от центра площади парусности А_vдо центра площади проекции подводной части корпуса на диаметральную плоскость, или, приближенно, до середины осадки судна;

z_п - аппликата центра парусности судна над основной плоскостью

A_v - площадь парусности, м² ;

Δ - водоизмещение судна, т;

g- ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с².

Рисунок 3.30 – Определение кренящего момента при статическом

и динамическом давлении ветра.

При динамическом давлении ветра, когда при налетевшем шквале сила давления ветра Р_v прикладывается к судну практически мгновенно, силы сопротивления воды еще не успевают развиться. Поступательному перемещению судна препятствуют силы инерции самого судна Р_ин.с, равнодействующая которых приложена в ЦТ судна, и сила инерции присоединенной массы воды Р_ин.в, которую судно увлекает за собой.

Таблица 3.1

Можно считать, что точка приложения равнодействующих инерционных сил Р_ин находится на уровне ватерлинии (рис 3.30, б), поэтому плечо кренящего момента от динамического приложенного давления ветра может быть найден по формуле

l_w1 = p_v A_v z /100g Δ,

где z - аппликата центра парусности судна над ватерлинией.

Углы крена при действии статических или динамических кренящих моментов определяется при помощи диаграммы статической остойчивости.

Рисунок 3.31 – Ветровой крен на волнении:

а) – при крене на наветренный борт;

б) – при крене на подветренный борт

3.12.2 Ветровой крен на волнении.Рассмотрим совместное влияние шквала ветра и волнения на судно (рис. 3.31), которое под действием качки наклонилось: а) на наветренный борт; б) на подветренный борт.

В первом случае на судно действуют два одинаково направленных динамических момента: восстанавливающий m_Θ1 и кренящий m_кр.дин.

Динамический угол Θ_дин крена определяется по диаграмме статической остойчивости. Наибольший динамический момент m_дин.max, который судно с заданной диаграммой статической остойчивости способно выдержать не опрокидываясь, определяется полным использованием запаса динамической остойчивости, т.е. равенством площадей АВС и СDЕ на рис. 3.31, а.

Во втором случае динамическое наклонение судна создается разностью моментов m_Θ1 и m_кр.дин, так как кренящий и восстанавливающий моменты имеют разные знаки. Определение динамического угла крена показано на рис. 3.31, б.

Как видно, во время шквального ветра динамические углы крена будут более значительными в том случае, когда на волнении судно накренилось на наветренный борт. Эта ситуация, как более опасная для судов, принимается за расчетную при нормировании их остойчивости.

3.12.3 Обледенение судов.Для судов, плавающих в зимних сезонных зонах, установленных Правилами Регистра СССР о грузовой марке, учитывают возможность обледенения, влияние которого равносильно приему высоко расположенного груза, увеличивающего водоизмещение, аппликату ЦТ и площадь парусности и ухудшающего остойчивость. Особенно опасно асимметричное обледенение, создающее кренящий момент, действие которого в условиях пониженной остойчивости может приводить к возникновению значительных углов крена.

Малые суда обмерзают сильнее, чем крупные, что объясняется большей заливаемостью и забрызгиванием их при шторме, а также более крупными относительными размерами такелажа, рангоута, комингсов люков и других надводных частей судна. Помимо этого, верхние участки корпуса малых судов обмерзают интенсивнее соответствующих участков крупных судов, что приводит к неблагоприятному распределению ледовой нагрузки. Таким образом, даже при одинаковой скорости обмерзания, обледенение тем опаснее, чем меньше судно. Статистика гибели судов от обледенения включает главным образом сравнительно небольшие промысловые суда, поэтому эксплуатация малых судов (длиной менее 20 м) в условиях возможного обледенения, как правило, не допускается.

Для судов, плавающих севернее параллели 66,3⁰ N и южнее параллели 60⁰S, а также в Беринговом и Охотском морях, в Татарском проливе, Правила Регистра устанавливают расчетные нормы обледенения. Масса льда на квадратном метре площади общей горизонтальной проекции открытых палуб, включающих сумму горизонтальных проекций всех открытых палуб и переходов независимо от наличия навесов, принимают равным 30 кг. Момент по высоте горизонтальной нагрузки определяют по возвышениям ЦТ соответствующих участков палуб и переходов.

Масса льда на квадратный метр площади парусности - 15 кг. Для судов, плавающих в зимнее время в остальных районах зимней сезонной зоны, нормы обледенения принимают вдвое меньшими.

3.12.4 Попутное волнение. Движение судна на волнении может привести к значительному снижению его остойчивости. Это обусловлено тем, что сечение судна поверхностью моря – «волновая ватерлиния» не плоская. Особенно резко влияние волнения на остойчивость проявляется при попутных курсовых углах, когда скорость судна близка к скорости бега волн. На подошве волны в воду входят более полные носовые и кормовые участки корпуса (J_x - увеличивается), что приводит к увеличению остойчивости по сравнению с тихой водой. На вершине волны более полные участки корпуса наоборот выходят из воды, и поэтому остойчивость судна снижается. Можно предположить, что наибольшее изменение остойчивости происходит при равенстве длины волны λ и судна L (λ = L), но поскольку наибольшие ординаты ватерлинии, обусловленные развалом бортов, как правило, находятся на расстоянии 0,6 ¸ 0,8 L, то опасная длина волны с учетом курсового угла будет

λ » к L cos φ⁰.

Опасными значениями являются к = 0,6 ¸ 0,8 и курсовые углы φ = 0¸40⁰.

Как видно из приведенной формулы, попутное волнение наиболее опасно для малых судов. По этой причине, скорость судна Vs (в уз.), длиной менее 20 метров при ходе на попутном волнении при длине равной или превышающей ее длину, не должна быть больше вычисленной по формуле

Vs = 1,4 .

Вопросы и задачи для самоконтроля

1. Какой кренящий момент и какой угол крена будет больше: при статическом действии ветра или при динамическом действии ветра (давление ветра одинаково)?

2. На сколько уменьшится метацентрическая высота судна при обледенении, когда масса льда 10 т и возвышение его центра тяжести 12 м? Первоначальная осадка судна d = 4 м, число тонн на см осадки q_см = 10 т/см и h = 0,6 м.

3. Определить значение кренящего момента от действия шквального ветра на судно давлением 1005 Па . Водоизмещение судна 2300 т, А_v = 1200 м² , z = 8 м, d = 4м.

Грузовой план судна

В Кодексе торгового мореплавания Украины статья 146 «Размещение груза на судне», сформулирована следующим образом:

«Груз размещается на судне по усмотрению капитана, но не может быть помещен на палубе без письменного согласия страхователя, за исключением грузов, перевозки которых на палубе допускаются в соответствии с действующими правилами и обычаями.

Перевозчик несет ответственность за правильное размещение, крепление и сепарацию грузов на судне. Указания перевозчика относительно погрузки, крепления и сепарации груза обязательны для юридических и физических лиц, выполняющих грузовые работы».

Составление грузового плана — это сложная инженерная задача. От правильной загрузки судна зависит количество принятого груза, его со­хранность, а также безопасность самого судна, экономические показатели его работы, годовые производительность и провозоспособность. После­дние показатели определяют коэффициент использования как грузоподъемности, так и грузовместимости, норму грузовых работ и, следовательно, простои судна под грузовыми операциями. При неудачном размещении груза может оказаться нежелательный дифферент, слеминг, заливаемость, усиленная качка, и, вследствие этого, снижение скорости, увеличение опасности штормовых повреждений и возникновения аварийных ситуаций.

Исходя из вышеизложенного, можно сформулировать основные условия размещения груза на судне:

- обеспечение требуемой посадки и остойчивости на всех этапах рей­са, исключая чрезмерную остойчивость;

- сохранение общей и местной прочности корпуса;

- максимальное использование грузоподъемности или грузовместимости в зависимости от удельно-погрузочной кубатуры груза;

- обеспечение максимальной производительности грузовых работ и сведение времени нахождения в порту к минимуму;

- обеспечение оптимального дифферента на переходах;

- исключение возможности порчи груза, смешения грузов из разных коносаментных партий;

- обеспечение благоприятной возможности проведения грузовых работ в промежуточных портах захода;

- как итог − получение максимальной прибыли в данных условиях фрахта за счет оптимальной организации морской перевозки.

Все это делает разработку грузового плана судна довольно трудоемкой операцией. Обычная последовательность при расчете загрузки судна следующая:

1. Определяется общее количество груза, который может быть размещен на судне в данном рейсе.

2. Исходя из условий максимального использования грузоподъемности (или при больших μ − грузовместимости) и наиболее возможного фрахта, производится подбор груза.

3. Производится распределение груза по трюмам и твиндекам с позиции остойчивости, прочности, необходимого дифферента; а также в зависимости от возможности совместной перевозки и обеспечения сохранности груза с учетом грузовых операций в промежуточных портах.

Грузовой план составляется до начала погрузочных работ. Для специализированных судов при разработке грузового плана, помимо общих требований, должны также учитываться и технология обработки грузов, и особенности размещения грузов, и особенности самого груза.

Для обычного судна составляются два грузовых плана − предварительный и исполнительный.Для специализированных судов их может быть и больше. Например, для судов с горизонтальным способом производства грузовых операций грузовой план (по его назначению, этапам разработки и прохождения) составляется в 3 этапа: ротационный, предварительный и исполнительный.

Ротационныйгрузовой план ролкера − это графическое изображение грузовых палуб судна, разделенных на блоки, в которых определены места и положение отдельных унифицированных грузовых мест. Каждому блоку и штатному месту присваивается определенный шифр, необходимый для планирования загрузки судна и информации о грузе портов захода. Этот план разрабатывается в конструкторском бюро проектировщиками и, в соответствии с ним, производится разметка палуб, устанавливается штатное оборудование для крепления грузовых мест. На основании ротационного плана составляются инструкция по загрузке судна и специальная таблица для расчета остойчивости.

Предварительныйгрузовой план разрабатывается до постановки судна под погрузку. При этом выделяются грузы по списку Правил МОПОГ (Международного кодекса морской перевозки опасных грузов − IMDG Code). Этот план включает расчеты дедвейта, метацентрической высоты, осадки и дифферента судна на момент отхода из базового порта.

Основными критериями оценки качества составления предварительного грузового плана является обеспечение безопасности плавания и сохранной перевозки грузов. По предварительному грузовому плану капитан обязан установить возможность его практического осуществления с учетом удовлетворения требований обеспечения остойчивости и возможной балластировки (как в порту погрузки, так и на протяжении рейса по мере расходования судовых запасов).

В процессе погрузки составляют исполнительный грузовой план,который отличается от предварительного отступлениями в результате неподачи запланированного груза, обнаруженными неточностями в расчетах, переадресовкой партий груза и т.п.

Исполнительный грузовой план соответствует фактической загрузке судна.Расчеты основных параметров этого плана, остойчивости, продольной прочности и посадки судна делают после окончания погрузки путем контрольного расчета. Указанные данные капитан должен сообщить и портнадзор до отхода судна в рейс.

При составлении грузового плана желательно использовать чертеж размещения грузов, в которых указаны объемы и координаты центров тяжести судовых помещений (танков, трюмов, твиндеков, балластных цистерн и т.п.).

3.13.1 Порядок составления грузового плана