Управление многовинтовыми судами.

Одновинтовые суда, по сравнению с многовинтовыми, в общем случае имеют более высокий пропульсивный КПД. Однако, управление такими судами в стеснённых условиях (например, в узостях, при выполнении швартовных операций, во льдах и т.п.) намного сложнее. Живучесть одновинтового судна ниже, чем многовинтового. Кроме того, на крупнотоннажных судах с повышенными скоростями технически затруднительно сосредоточить большую мощность на одном валу.

С учётом указанных и некоторых других обстоятельств на крупных пассажирских судах, обычно, применяются двух вальные установки. Трёх и четырех вальные установки находят применение на быстроходных судах большого водоизмещения и на ледоколах.

Для обеспечения симметричной управляемости винты двухвинтовых, а также бортовые винты у трех винтовых судов имеют противоположное направление вращения.

Винты двухвинтовых судов чаще имеют наружное на переднем ходу направление вращения, что уменьшает вероятность повреждения винтов плавающими предметами. Однако, с точки зрения повышения эффективности руля, расположенного в диаметральной плоскости, целесообразнее винты внутреннего вращения. На некоторых двухвинтовых судах для повышения поворотливости устанавливают два пера руля за винтами.

Двухвинтовое судно при выходе из строя одной машины или повреждении одного винта может двигаться и управляться с помощью руля и второго винта, а при выходе из строя рулевого устройства - сохраняет управляемость с помощью двух винтов. Кроме того, двухвинтовое судно может разворачиваться, практически, на месте за счёт работы винтов “враздрай”. Разворачивающий момент при этом получается за счёт смещения винтов в разные стороны от ДП, т.е. наличия “плеча”. Боковое перемещение кормы пи этом увеличивается за счёт разности давлений воды у бортов кормового подзора, создаваемой противоположно направленными струями от винтов.

К недостаткам двухвинтовых судов следует отнести пониженную эффективность расположенного в ДП руля, особенно, в случае винтов наружного вращения, а также повышения опасности повреждения винтов о причал во время швартовных операций. Трех винтовые суда, как бы объединяют в себе маневренные свойства одно и двухвинтовых судов. Управляемость четырех винтовых судов соответствует управляемости двухвинтовых.

1.11. ВЛИЯНИЕ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ

Аэродинамические силы, действующие на судно. Сила ветра оценивается в баллах двенадцати бальной шкалы, помещенной в МТ-75 (табл. 49). Для каждого значения силы ветра, выраженной в баллах, в таблице приведены средние значения, а также нижние и верхние пределы скорости ветра, выраженные в м/с, км/час и в узлах. В таблице приведены также средние значения давления ветра на нормальную к ветру поверхность, выраженные в кгс/м².

Скорость ветра в судовых условиях измеряется над верхним мостиком с помощью анемометра. При этом измеряется непосредственно, так называемая, кажущаяся скорость ветра , вектор, который представляет из себя разность двух векторов – вектора истинного ветра и вектора скорости судна , т.е

(1.69)

На неподвижном судне

Вектор кажущегося ветра, помимо скорости, характеризуется курсовым углом q_w, т.е. углом между носовой частью диаметральной плоскости и кажущимся направлением ветра (за направление ветра принимается то, откуда дует ветер).

Курсовые углы измеряются от 0º до 180º вправо и влево от ДП. Равнодействующая сил давления ветра на надводную часть – аэродинамическая сила А, благодаря вытянутой форме надводной части судна (форма крыла), не совпадает в общем случае с направлением кажущегося ветра, а отклоняется в сторону траверзного направления.

При рассмотрении вопросов движения судна надводная и подводная части корпуса судна рассматриваются как крыло, обладающее двумя свойствами: точка приложения равнодействующей смещается к передней кромке по направлению движения; равнодействующая стремится по направлению к нормали к поверхности.

Под аэродинамическими силами и моментами понимают усилия, обусловленные перемещением судна относительно воздуха и приложенными к надводной части корпуса судна. Эти силы достигают значительных величин при наличии ветра. Они зависят от скорости ветра, скорости судна, площади и конфигурации надстроек, расположения и габаритов палубного груза, а также от угла между ветровым потоком и диаметральной плоскостью судна.

При решения большинства задач для математического описания сил от ветра мгновенное положение и скорость судна связывают с полем постоянного ветра, для чего используют понятия истинного и кажущегося ветра. Под истинным ветром понимают ветер в координатах связанных с Землей. Кажущийся ветер - это ветер в координатах, связанных с судном.

C появлением угла дрейфа на корпусе судна возникает гидродинамическая сила R_г, поперечная составляющая которой R_гу создает момент М_г. Указанный момент направлен в сторону, противоположную моменту аэродинамической силы . По этой причине для удержания судна на курсе необходимо переложить руль, для того, чтобы момент на нем компенсировал разность моментов аэро- и гидродинамических сил т.е. М_р³ М_а + М_г. Когда это условие не выполняется, то наступает потеря управляемости. Плечо гидродинамической силы в безразмерном виде (в длинах корпуса судна) можно рассчитать по формуле:

(1.71)

где - отстояние центра бокового сопротивления от мидель-шпангоута.

Угол ветрового дрейфа который возникает при этом, можно рассчитать по формуле:

(1.72)

где V_л - скорость судна по лагу, узлы.

Значение коэффициента дрейфа k_a можно рассчитать по формуле:

(1.73)

где S_н - площадь проекции надводной части корпуса на ДП;

S_П -площадь проекции подводной части корпуса на ДП;

d_оп - коэффициент общей полноты;

Т - средняя осадка, м;

L - длина судна между перпендикулярами,м.

Здесь площадь парусности выражается в м²,скорость кажущегося ветра в м/с,а сила R_ау в кН.

Чтобы не выполнять каждый раз громоздкие расчеты по формуле (1.72) для конкретных судов строятся специальные таблицы и номограммы, аргументами для входа в которые служат величины W, q_w, T_ср и V_л. Такие таблицы и номограммы позволяют определить угол дрейфа с точностью порядка 1º–1, 5º.

В формуле 1.70 величина принимается положительной, если центр парусности смещен в нос от миделя и отрицательный при его смещении в корму. Знак величины аналогично указывает направление смещения точки приложения аэродинамической силы от миделя. Из приведенной формулы видно, что при курсовых углах приближающихся к 0º или 180º, точка приложения аэродинамической силы смещается в четверть длины судна соответственно в нос или в корму от центра парусности, т.е. навстречу направлению ветра.

Расположение центра парусности по длине судна зависит от размеров и расположения надстроек и других надводных частей, а также от дифферента судна и его осадки. Площадь парусности и положение центра парусности можно рассчитать по чертежу бокового вида судна с учетом масштаба. Таким образом, при наличии ветра на судно действует аэродинамический момент М_а, стремящийся развернуть судно относительно вертикальной оси и поставить его лагом к ветру.

Условие сохранения управляемости при ветре и волнении. Как уже отмечалось, при сильном ветре и, соответственно, большом угле ветрового дрейфа, для удержания судна на курсе приходится перекладывать руль на значительный угол, чтобы скомпенсировать алгебраическую сумму моментов поперечных аэро- и гидродинамических сил. Наибольшей величины суммарный момент этих сил достигает при кормовых курсовых углах ветра, когда моменты М_г и М_а имеют одинаковые знаки. Условие сохранения управляемости для этого случая имеет вид:

М_а+М_г < M_p (1.74)

Аэродинамический момент М_а, как уже отмечалось, пропорционален квадрату скорости ветра и зависит от курсового угла ветра; гидродинамический момент М_г пропорционален квадрату скорости судна, а момент руля М_р пропорционален квадрату скорости судна и углу перекладки руля d. Поэтому решение уравнения (1.74) позволяет определить угол перекладки руля, необходимый для удержания судна на курсе при заданной величине отношения скоростей ветра и судна и данном курсовом угле ветра q_w.

В теории корабля существуют способы аналитического расчета величин, необходимых для определения моментов М_г и М_р, входящих в уравнение (1.74) и получения искомого угла перекладки руля. Однако следует отметить, что результаты получаются недостаточно надежными, т.к. зависимости этих величин от параметров корпуса и руля довольно сложны и еще не вполне изучены. Для судоводителя нужно знать, при каких условиях судно теряет способность удерживаться на заданном курсе.

Потеря управляемости характеризуется условием:

d_к +d_уд ³ d_мах (1.75)

где d_к ‑ требуемый угол перекладки руля для компенсации постоянного сноса;

d_уд –необходимый угол перекладки, для удержания судна на курсе.

d_max – максимальный угол перекладки для данного судна.

При этом значение d_уд будет равным d_т.в или d_в в зависимости от погодных условий: d_т.в – угол перекладки, необходимый для выравнивания рыскания судна на тихой воде; d_в–угол перекладки, необходимый для выравнивания рыскания судна на волнении.

Угол d_т.в для судов, обычно, невелик и колеблется в пределах 2‑5°. Этот угол легко определить простым наблюдением. Угол d_в рекомендуется принимать равным 10‑15°.

На тихой воде, для удержания судна на курсе, манипулирование рулем будет происходить на угол d_т.в вокруг нулевого положения руля и формула (1.75) примет вид d_уд ³ d_мах.

При плавании в условиях ветра руль перекладывают на постоянный угол d_к и манипулируют им вокруг этого положения на угол d_в.

Значение W/V и q_w, при которых судно теряет управляемость при данных осадке и дифференте, можно определить экспериментальным путем. Для этого нужно выполнить ряд галсов, отличающихся по курсу на 20‑30° в условиях свежего и умеренного ветра. На каждом из галсов нужно, постепенно снижая обороты и производя измерения скорости W и курсового угла q_w кажущегося ветра, зафиксировать по лагу скорость V, при которой судно перестает управляться. Величины W/V и q_w, полученные из такого эксперимента, определяют условие потери управляемости при данных осадке и дифференте.

Таким образом, нет необходимости выполнять наблюдения в условиях штормового ветра. Это обосновывается тем, что потеря управляемости определяется не абсолютным значением скорости ветра, а отношением скорости ветра к скорости судна. При этом нужно только учитывать, что если наблюдения производятся при отсутствии значительного волнения, то считать, что судно потеряло управляемость нужно тогда, когда перекладка руля на угол d_к не обеспечивает удержание судна на курсе, несмотря на то, что при большей перекладке руля судно еще продолжает управляться. Если же руководствоваться перекладкой руля на максимальный угол d_max, то это приведет к тому, что полученные результаты не будут оправдываться при плавании в условиях значительного волнения.

При этом ошибки кажутся, направленными в опасную сторону – судно будет терять управляемость при значениях W/V гораздо меньших, чем полученные из эксперимента.

Эксперименты следует выполнять для двух типичных состояний судна – в грузу и в балласте, а полученные результаты свести в таблицу, из которой можно было бы по заданному курсовому углу находить отношение W/V, при котором судно теряет управляемость.