Влияние мелководья и узкости на маневренные характеристики судна

Влияние мелководья начинает проявляться с уменьшением глубины по отношению к осадке судна, определяемой выражением:

,

где d – осадка судна, м;

V – скорость судна, м/с;

g – ускорение свободного падения, м/с².

При решении практических задач по маневрированию судна мелководьем можно считать, когда отношение глубины к осадке судна Н/d < 3.

При движении судна на мелководье в дополнение к расходящимся волнам возникают поперечные волны в носовой и кормовой оконечностях. Происходит наложение одних волн на другие (интерференция), вследствие чего волновое сопротивление нарастает и скорость судна уменьшается. Существенное влияние на волнообразование оказывает отношение H/d и относительная скорость, определяемая числом Фруда по глубине:

(6.)

При числе Фруда менее 0,6 волнообразование сходно с волнообразованием на глубокой воде. При числе Фруда равном единице (F_r = 1) угол между волнами и диаметральной плоскостью судна возрастает до предельного угла 90° и волновое сопротивление становится максимальным, а скорость судна «критической». Ее можно определить из выражения (6.):

F_r = 1,

При числе Фруда больше единицы (F_r > 1) сопротивление воды падает, но обычно у судов не хватает мощности машин, чтобы создать закритическую скорость.

Потерю скорости на мелководье при плавании в зоне докритических скоростей можно приближенно определить по эмпирической формуле С.И. Демина:

(7.)

где V – скорость на глубокой воде, м/с;

Н – глубина, м;

d – средняя осадка судна, м.

Потеря скорости , полученная по формуле (7.) должна получится со знаком «минус».

Мелководье существенно влияет на маневренные характеристики судна. Натурные исследования и исследования на моделях крупнотоннажных судов показали:

- для данного угла перекладки руля судно более медленно реагирует в начале поворота;

- скорость поворота значительно меньше, чем на глубокой воде;

- угол дрейфа для одинаковых скоростей поворота меньше, чем на глубокой воде, следовательно, обратное смещение, выдвиг по первоначальному курсу и диаметры циркуляции увеличиваются.

Диаметр установившейся циркуляции на мелководье можно определить по формуле [15]:

(8.)

где D_ц – диаметр установившейся циркуляции на глубокой воде, м.

Для расчета выдвига судна по первоначальному курсу l, на мелководье можно использовать зависимость:

Натурные испытания танкера «Магдала» (водоизмещение 230 тыс. т, осадка 19,1 м, скорость хода 12 уз.) при циркуляциях на мелководье дали следующие результаты (табл. 4.).

Таблица 4.

Результаты испытаний танкера «Магдала»

Результаты таблицы 4. показывают, что:

- диаметр циркуляции при глубине 26 м возрастает почти на 50%; влияние глубины на циркуляцию показано на рис. 1.

- выдвиг судна по первоначальному курсу увеличивается более, чем на 50%;

- поступательная (линейная) скорость судна с уменьшением глубины несколько увеличивается в конце циркуляции, вследствие уменьшения угла дрейфа;

- угловая скорость судна с уменьшением глубины становится постепенно ниже и в первую минуту поворота меньше, чем установившаяся;

- в начале поворота время, необходимое для достижения заданного изменения курса возрастает при уменьшении глубины, но не на значительную величину.

При движении судна на мелководье основное влияние на его инерционно-тормозные характеристики оказывают три фактора: увеличение сопротивления воды, увеличение присоединенных масс и моментов инерции, изменение коэффициента влияния корпуса на движитель.

При движении судна на мелководье коэффициент упора винта по сравнению с глубокой водой увеличивается. Изменение упора винта Р_е в зависимости от глубины показано на рис. 2.: кривая Р_е = f(H) соответствует примерно одинаковым скоростям, т.е. для одинаковых величин , принятых для случая движения при числе F_r = 0,5.

Кроме того, на мелководье возникает необходимость снижения частоты вращения винта вследствие перегрузки двигателя.

Оценка влияния мелководья на инерционно-тормозные характеристики судна существенно зависит от того, при каких начальных условиях производить сравнение. Если сравнивать тормозные пути при одинаковых режимах движения, то тормозные пути на мелководье будут меньше аналогичных на глубокой воде на 20-30 %. Однако соотношение существенно изменится, если сравнивать тормозные пути при одинаковых начальных скоростях.

Рис. 1. Зависимость диаметра циркуляции от глубины танкера:

L = 312 м; D = 250 тыс. т

Так, например, для теплохода «Борис Бувин» сокращение тормозного пути на глубине 8 м при маневре с полного маневренного хода на полный задний составляет 33%, однако это происходит в основном из-за снижения скорости на мелководье при том же режиме движения с 12,9 до 11,1 уз. Реальное сокращение тормозного пути со скорости 11,1 уз составило 4,4 %, т. е. логично, что более правильно сопоставлять для практических целей инерционно-тормозные

Рис.2. Изменение упора винта в зависимости от глубины, полученное на моделях крупнотоннажных судов (Ре´ – упор винта на глубокой воде)

свойства при одинаковых начальных скоростях на глубокой воде и мелководье.

Результаты моделирования, подтвержденные натурными наблюдениями, показывают, что выбег судна S_в при свободном торможении на мелководье всегда меньше, чем на глубокой воде. На рис. 5.8. приведены значения среднеквадратической погрешности δS_в(V) = (S_в¥ – S_вм)/S_в¥ в зависимости от соотношения глубины и осадки Н/d и числа Фруда по глубине . Как видно из рис.5.8. δS_в значимо только на предельном мелководье и больших скоростях. Практически во всем диапазоне δS_в(V) ≤ 10 %, т. е. сопоставимо с точностью определения инерционно-тормозных характеристик согласно РШС.

При активном торможении на мелководье возможно как относительное сокращение тормозного пути, так и его увеличение по сравнению с той же начальной скоростью на глубокой воде. На рис. 4. приведены δS_т, при активном торможении на предельном мелководье Н/Т = 1,25 в зависимости от F_{r н} и соотношения между упором винта на задний ход и сопротивлением воды в начале торможения k=P_з.х/R_н. При больших начальных скоростях, когда F_rн ≥ 0,5 и k < 1÷1,2, тормозные пути сокращаются на 2-10%. При торможении с малых начальных скоростей (F_{r н} ≤ 0,4) реверсом при полном или среднем заднем ходе (k > 3) тормозные пути на предельном мелководье на 2-6 % больше, чем на глубокой воде. Однако абсолютное значение этого увеличения пренебрежимо мало и ниже точности экспериментального определения S_т. Для теплохода «Борис Бувин», например, это увеличение превысило 10-15 м.

Рис. 3. Относительное изменение выбега судна S(V) на мелководье	Рис. 4. Относительное изменение тормозного пути судна на мелководье: – эксперимент на теплоходе «Профессор Ухов»
Данные по тормозным характеристикам, показанные на рис. 3. и 4. относятся к судам малотоннажным и не могут быть распространены на крупнотоннажные суда. Это подтверждают испытания крупнотоннажного танкера водоизмещением 230 тыс. тонн, проведенные на мелководье при соотношении глубины и осадки Н/d = 1,5. Сравнение длин тормозных путей на глубокой воде и на мелководье с одной и той же начальной скоростью 8 узлов при даче полного хода назад показало, что тормозной путь на мелководье сокращается на 17% (рис. 5.). При больших скоростях и соотношении глубины к осадке Н/d < 1,5 сокращение тормозного пути может достигать, как упоминалось выше, на 20-30%. Испытания рассмотренного танкера при соотношении глубины к осадке Н/d = 1,2 показало, что тормозной путь уменьшался на 25% по сравнению с тормозным путем на глубокой воде.	Рис. 5. Траектории движения танкера Δ = 230 тыс. т при активном торможении (начальная скорость 8 уз.): 1 – на глубокой воде, 2 – при отношении глубины к осадке Н/d = 1,5