Лекция № 2.5 ( 2 часа ). Тема: Особенности управляемости судов и составов

1. Способы движения скоростных судов. Силы и моменты действующие на судно и его элементы при движении в не водоизмещающем положении.

Наиболее радикальным способом повышения скорости судов является подъем корпуса судна из воды в воздух – в среду, почти в 800 раз менее плотную по сравнению с водой. В рассматриваемых ранее режимах движения судов были выделены режимы глиссирования и парения, которые относятся к принципам динамического поддержания движения судна в не водоизмещающем положении. Маневренные качества судов с динамическими принципами поддержания значительно отличаются от маневренных качеств водоизмещающих судов. К этим судам относятся: суда на подводных крыльях (СПК), глиссирующие суда (ГС) и суда на воздушной подушке (СВП). По своим ходовым качествам они значительно превосходят водоизмещающие суда, поэтому их относят к категории скоростных.

Глиссирование представляет собой движение судна по поверхности воды с использованием как поворотного, так и подъемного действия водного потока на днище судна для подъема корпуса из воды. При глиссировании сила веса судна D уравновешивается гидродинамической силой давления воды на днище F_п , а момент силы М_Д уравновешивается суммой моментов М_о - от силы упора винта, от струй воды на кормовую смоченную часть плоского днища и от подъемной силы воздушного потока, обтекающего днище. К глиссирующим судам относятся теплоходы типа «Заря».

У судна наподводных крыльях(СПК) при установившемся движении подъемные силы носового Y_н и кормового Y_к крыльев уравновешивают вес судна D. Подводные крылья в плане могут быть эпилептической, прямоугольной и стреловидной формы. СПК «Ракета», «Метеор» и «Буревестник» имеют стреловидные крылья.Подводное крыло СПК, как правило, имеющее сечение аэродинамического профиля, располагается относительно горизонтальной плоскости под определенным углом атаки α

Х = С_х (0,5ρυ²)Ѕ; Y = С_у (0,5ρυ²)Ѕ где: ρ- плотность воды; υ- скорость потока; Ѕ- площадь крыла; С_х и С_у- опытные коэффициенты.

Суда на воздушной подушке(СВП) нашли широкое распространение, как в нашей стране, так и за рубежом Сфера их применения определяется экономическими показателями и путевыми условиями. Их можно эксплуатировать круглый год, на мелководье и с минимальными затратами на причальное хозяйство. Различают три типа СВП: со статической воздушной подушкой, с динамической воздушной подушкой и со статической и динамической воздушными подушками. Суда со статической ВП поднимаются и удерживаются над водой слоем сжатого воздуха, нагнетаемого под корпус вентиляторами и др. нагнетателями, Сила веса судна G при этом уравновешивается равнодействующей сил давления сжатого воздуха под корпусом судна Рп.

Для уменьшения расхода воздуха, нагнетаемого под корпус судна, у судов с полным отрывом от воды (суда амфибийного типа) по периметру судна выполняется гибкое ограждение – «юбка» из почных материалов. У судов с частичным отрывом от воды или без отрыва, «юбка» устанавливается в передней части корпуса, а по бортам продольные кили – скеги. Кормовая часть с ДРК у этих судов находится в воде. К судам первого типа относятся «Нева», «Сормович», к судам второго типа – «Зарница», «Орион».

У судов с динамической воздушной подушкой отделение корпуса от воды возникает под действием подъемной силы воздушного крыла (как у самолета) и увеличения силы подъема крыла за счет экрана (т.е. расположенной близко от крыла поверхности воды или земли. Эти суда наз. экранолетами, которые мощным маршевым двигателем разгоняется до скорости около 100км/ч, а затем за счет появления динамической воздушной подушки отделяется от воды и парит над ней на высоте 2-6 м, постепенно увеличивая скорость.

Экранопланом наз. судно со статической и динамической воздушными подушками. Они отделяются от воды за счет статической воздушной подушки, затем с помощью маршевых двигателей набирается скорость, появляется динамическая воздушная подушка, которая в дальнейшем удерживает судно над водой, стартовые двигатели после набора скорости выключаются. Важнейшей характеристикой этих судов является их аэродинамическое качество, т.е. отношение подъемной силы крыла Y_В к силе лобового сопротивления Хв, или отношение аэродинамических коэффициентов крыла С_ув и С_хв : k =Yв/Хв = Сув/Схв .

Маневренные качества глиссирующих судов завися от скорости движения судна, при увеличении которой резко увеличивается диаметр циркуляции. Находящийся в воде ДРК обеспечивает достаточную рулевую силу и судно хорошо слушается руля. Инерционные характеристики глиссирующих судов зависят от водоизмещения судна, которое резко увеличивается при снижении скорости, поэтому тормозной путь и выбег у них невелики. Все суда движущиеся в не водоизмещающем положении гораздо больше подвержены аэродинамическому воздействию, чем водоизмещающие суда.

Маневренные качества СПК отличаются от обычных судов резким увеличением (в 2-3 раза) диаметра циркуляции с увеличением скорости хода. При ходе на крыльях угловая скорость поворота судов после перекладки руля очень быстро достигает установившейся величины, т.е. поворот выполняется с практически постоянной угловой скоростью. Кривая линии пути судна при повороте на 90^о, близка к усеченной по оси Х переходной кривой, наз. кривой- радиоидой или клотхоидой. Длина дуги клотхоиды L, или длина пути судна при движении в эволюционный период циркуляции определяется по формуле L = √2υ³α/q . Знание характера кривой на участке циркуляции при ходе на крыльях от ее начала до поворота на 90^о, позволяет судоводителю решать такие задачи как: определение возможности прохождения криволинейного участка с малым радиусом закругления; величину опасного расстояния до встречного и обгоняемого судна на котором выполнить поворот невозможно и т.п. Знание величины диаметра циркуляции при различных режимах работы движителя позволяет правильно определить выбор начальной точки поворота. При выполнении циркуляции с перекладкой руля более 15-20^о кормовая часть судна начинает касаться воды, резко возрастает сопротивление движению, двигатель испытывая перегрузку снижает обороты и судно переходит в режим плавания на корпусе. Во избежание этого следует плавно перекладывать руль не более 10-12^о т/х «Ракета», и не более 20^о т/х «Метеор». Несмотря на большую скорость движения, СПК быстро гасят инерцию, как только корпус касается воды. Это дает возможность выполнять маневры заканчивающиеся остановкой судна на более высоких скоростях. Неправильные течения не оказывают влияния на управляемость СПК, но при волнении судно испытывает толчки и удары ухудшающие управляемость и устойчивость на курсе. Для предупреждения последнего следует снижать скорость. Допустимая высота волны для т/х «Ракета» при движении на крыльях 0,8м, на корпусе 1,5м; для т/х «Метеор» соответственно 1,3м и 2,0м.

Различают три режима движения СПК: на крыльях, на корпусе и переходный. Движение на корпусе выполняется при небольшой частоте вращения движителя, при увеличении оборотов увеличивается подъемная сила крыльев, корпус начинает глиссировать и постепенно выходит из воды. Период перехода из водоизмещающего положения в положение на крыльях наз. переходным. Он зависит от состояния судна и водной поверхности, размещения груза, его нельзя ускорять и затягивать (обычно 2-2,5 мин.). При этом следует двигаться прямо, без лишних перекладок руля, при отсутствии крена и дифферента.

Для обеспечения безопасного расхождения судоводитель должен умело и быстро оценивать относительное перемещение судов, знать углы, поворот на которые делает поворот безопасным. Если СПК находится в точке А и движется со скоростью υ₁, а встречное судно, курс которого неизвестен, находится в точке В, на расстоянии D, и движется со скоростью υ_2. Если учитывать наихудший возможный курс судна из точки В, направленный перпендикулярно линии курса судна, находящегося в точке А, то зона курсовых углов, при которых возможно столкновение, лежит в пределах от 0^одо α^о. Максимальный угол α ограничен касательной к окружности, радиус которой равен расстоянию, проведенному из точки В до момента встречи в точке М. Из прямоугольного треугольника АМВ найдем:

tgα_{max =} υ₂t/υ₁t =υ₂/υ₁ где: t – время движения

Очевидно, если СПК сделает поворот вправо или влево от находящегося прямо по курсу судна в точке А на угол больший α, то столкновение судов невозможно. Безопасными максимальными углами отворота для СПК при расхождении с пассажирскими судами явл. угол 25^о, с грузовыми – 20^о и с толкаемыми составами – 15^о. В практике движение судов под прямыми углами на реке редки и курс встречного судна определить легче. Угол пересечения курсов обычно не превышает 40-45^о и после определения курса угол отворота определяется решением косоугольного треугольника

Sinα = 0,7υ₂ / υ₁ рекомендуемый угол отворота равен 10^о.

Суда на воздушной подушке (СВП) в качестве органа управления имеют: воздушные рули, устанавливаемые в отходящем от винтов потоке воздуха; бортовые жалюзи и захлопки; воздушные винты регулируемого шага, устанавливаемые на поворотных пилонах, а на судах со скегами – водяные рули. Изменение направления тяги винтов является очень эффективным способом управления СВП. СВП более других скоростных судов подвержены воздействию ветра. Диаметр циркуляции амфибийных СВП находится в прямой зависимости от скорости движения и определяется по формуле D = 2υ²/g tgθ где: υ- скорость на циркуляции м/с; g-ускорение свободного падения м/с²; θ-угол крена, град. Так при движении со скоростью 100-120 км/ч, диаметр циркуляции т/х «Сормович» увеличивается в 5-6 раз. После создания воздушной подушки разгон СВП до полного хода 0,5-0,7 км Величина пути гашения инерции Ѕ_Т = Рυ²_о k/F_з.х. где: Р- весовое водоизмещение; υ – скорость хода; F_з.х.- упор движителей на заднем ходу; k –коэффициент для СВП «Сормович» =0,035.

1. Особенности управляемости буксируемых и толкаемых составов.

Управляемость буксируемого состава зависит от длинны буксирного троса, места его крепления на буксировщике, мощности буксировщика, габаритных размеров, массы и формы учалки состава, габаритных размеров пути. Для обеспечения буксировщику хорошей устойчивости на курсе и хорошей поворотливости буксирный гак должен находиться на 0,5- 1,0 м от ц.т. судна в сторону кормы по ДП. При выполнении маневров поворота и оборота важно учитывать создаваемый силой тяги на гаке Fг кренящий момент Мк. Чем выше точка крепления буксирного троса над центром величины (ц.в.), тем больше кренящий момент, под действием которого при резкой перекладке руля и рывках буксирного троса может опрокинуться буксировщик Мк = Fг h cosα sinα где: h – расстояние от ц.т. до гака. Чем больше длина буксирного троса, тем хуже поворотливость состава, но меньше сопротивление от отбрасываемой движителями струи. На коротком буксире управляемость состава лучше, но больше сопротивление встречного потока, а на очень коротком тросе увеличивается рыскливость состава. Управляемость состава улучшается при использовании рулей судов состава последнего счала.

Управляемость толкаемого состава зависит от его длины и ширины, степени загрузки барж, форм оконечностей, числа движителей, типа ДРК и мощности толкача, а также места его установки относительно ДП состава. Из-за большого значения соотношения длины и ширины устойчивость на курсе кильватерных составов лучше чем у пыжевых. Однако при хорошей устойчивости на курсе, толкаемые составы менее поворотливы, поэтому всякое изменение курса требует большего времени. Особенности циркуляционного движения толкаемого состава следующие: уменьшение скорости примерно в 2 раза, появление больших углов дрейфа (до 50^о) и большое смещение кормовой части состава от первоначального курса в сторону противоположную повороту. Улучшает маневренность состава при выполнении оборотов раздельная перекладка ПН кормовыми отверстиями к ДП и работой движителей «враздрай». Большое влияние на управляемость состава оказывает скорость ветра, который меняет траекторию и увеличивает ширину полосы движения, вызывает дрейф, а у порожнего состава может вызвать потерю управляемости. Груженый толкаемый состав имеет большой тормозной путь.

Более подробно вопросы управления буксируемыми и толкаемыми составами будут рассмотрены в разделе 4 данной дисциплины.

Лекция 2.6.1( 2 часа ). Тема: Факторы влияющие на управляемость судов.По данной теме проводится 2-х часовая лабораторная работа №2.4

1. Влияние на управляемость судна состояния его водоизмещения, направления и интенсивности движения.

На управляемость судна, его устойчивость на курсе значительное влияние оказывает состояние его водоизмещения т.е. наличие крена и дифферента, интенсивность работы движителей и скорость движения.

Крен судна образовавшийся в результате неправильного распределения весовой нагрузки по ширине судна, вызывает произвольное отклонение судна от прямолинейного курса в сторону противоположную крену, т.е. при крене на правый борт судно уклоняется влево по ходу, при крене на левый борт – вправо по ходу. Это явление объясняется тем, что сопротивление воды, действующего на корпус судна со сторону правого и левого борта будет неодинаковым. Со стороны борта крена судна, где смоченная поверхность корпуса больше, сопротивление превышает сопротивление воды с противоположного борта и судно стремится уклониться в сторону меньшего сопротивления, т.е. в сторону противоположную крену.

Дифферент судна на нос ухудшает устойчивость судна на курсе и вызывает чувствительность к перекладкам руля, при малейшей перекладке оно уклоняется от прямолинейного курса и становится трудно управляемым даже на прямолинейных участках пути. Дифферент на корму вызывает чрезмерно повышенную устойчивость судна на курсе, при необходимости изменения курса оно плохо реагирует на перекладку руля. Это объясняется тем, что при наличии дифферента гидродинамическое воздействие на корпус судна по его длине значительно отличается от обычных эксплуатационных условий. При дифференте на нос, корма судна, имеющая меньшее сопротивление окружающей воды, становится более подвижной и чувствительной к перекладкам руля, а при дифференте на корму – наоборот. Кроме этого при дифференте судна изменяется момент рулевой силы вследствие того, что положение ц.т. смещается вдоль ДП судна, увеличивая или уменьшая плечо этой силы.

Скорость судна – значимый фактор его управляемости. С одной стороны сила набегающего потока на руль от работающего движителя прямо сказывается на рулевой силе и управляемости судна. Чем больше скорость – тем лучше управляемость, но только при достаточных габаритах пути и прямолинейном движении. В условиях мелководья и стесненности пути, повышенная скорость судна вызывает его рыскливость, динамическую просадку и явления присоса, что может привести к аварии. При выполнении крутых поворотов, увеличение скорости ведет к росту центробежных сил, вызывающих дрейф судна от циркуляции (раскатку), опасного в стесненных условиях. Кроме того эти силы вызывают крен судна в сторону противоположную повороту, который при большой скорости может достигать опасной величины, нарушающей остойчивость судна. Судоводитель в каждой ситуации обязан правильно выбрать оптимальную – безопасную скорость.

К внешним факторам, оказывающим большое влияние на управляемость и маневренные элементы судна, относятся ветер, волнение, течение, рельеф дна и берегов и мелководье.

1. Влияние на управляемость судна ветрового воздействия.

Ветер оказывает значительное влияние на управляемость судна, особенно если оно имеет большую высоту надводного борта и надстроек. Степень и характер ветрового воздействия на судно зависит от многих факторов в т.ч. площадь парусности и расположение его центра, отношение высоты надводного борта к осадке судна, сила ветра и его направление относительно ДП судна, курс и скорость судна относительно направления ветра. Чем сильнее влияние ветра, тем больше вызываемый им дрейф (перемещение) судна и тем большую полосу занимает судно в процессе движения. Это необходимо учитывать при маневрировании и движении судна, особенно в стесненных путевых условиях.

Направление ветра определяется сторонами света (румбами), а относительно судна «ветер дует в компас» и определяется курсовым углом или направлением воздействия на судно: встречный, встречно-навальный и встречно-отвальный (0-60^о); бортовой навальный или отвальный (60-130^о); попутный, попутно – отвальный и попутно – навальный (130-180^о).

Сила ветра характеризуется его скоростью и измеряется в баллах или в м/с.

Центр парусности судна – геометрический центр площади надводного борта. От его расположения во многом зависит характер ветрового воздействия на судно.

При решении задач о влиянии ветра на движущееся судно необходимо отличать истинный, действительный ветер от относительного, кажущегося ветра. Кажущийся ветер тот, который ощущается на движущемся судне .

При движении судна скорость истинного ветра υ_в геометрически складывается со скоростью набегающего воздушного потока, наз. курсовым ветром, сорость которого равна скорости судна. Направление ветра обозначается названием той части горизонта, откуда дует ветер. При отсутствии на судне ветрочета (круга СМО) или других приборов, истинный ветер можно вычислить графически. Для чего:

Через произвольную точку О проводят линию меридиана N – S. Под углом, равным курсу, произвольным масштабом от точки Ооткладывают отрезок равный скорости судна в м/с. Затем из точки О проводят линию в ту сторону, откуда дует кажущийся ветер и откладывают на ней скорость кажущегося ветра в м/с в том же масштабе. Соединив концы векторов прямой полумают направление и скорость истинного ветра. Направление его будет в компас и параллельно линии соединяющей концы векторов. Истинный ветер всегда отклонен от курса больше, чем кажущийся, и дует в тот же борт, называемый наветренным, противоположный борт наз. подветренным.

При действии ветра, направленного под углом к ДП судна, возникают его боковой снос (ветровой дрейф), крен судна, разворот на или под ветер, изменение скорости движения. Угол β_в между ДП судна и направлением вектора скорости движения наз. углом ветрового дрейфа. Чтобы обеспечить заданное направление движения судна, нужно внести поправку на ветровой дрейф, для чего изменить курс на величину угла дрейфа. При бортовых ветрах, дующих под углом к ДП, меньшим 90^о, точка приложения силы А из центра парусности смещается к носу, при углах более 90^о, - к корме. Это смещение Δι может быть определено выражением: Δι =(0,25 – α_к/2π)L где α –угол кажущегося ветра.

Рассмотрим систему сил и моментов, действующих на судно, движущееся прямолинейным курсом при бортовом ветре.

На судно будет действовать аэродинамическая сила А, сздающая ветровой дрейф по направления действия ветра со скоростью υ. Скорость движения судна υ будет слагаться из скорости движения υ_х, создаваемой упором движителей Fд, и скорости ветрового дрейфа υ_у. При равномерном движении с углом дрейфа βв равнодействующая сил сопротивления воды R будет отклонена от ДП в сторону действия ветра. Составляющая R_у, перпендикулярная ДП, будет уравновешивать давление ветра, т.е. А=R_у. Составляющая R_х уравновешивает упор винтов F_д. Точка приложения силы А, или аэродинамический центр давления (ц.д.), не совпадает с точкой приложения силы R_у, или гидродинамическим центром давления. Эти силы образуют моменты, которые поворачивают судно на ветер или под ветер в зависимости от взаимного расположения точек приложения сил R и А. Момент силы А наз, ветровым моментом Мв.

Точки приложения сил R_у и А находятся на разной высоте, поэтому возникает кренящий момент и крен в сторону действия силы А. У судов с большой парусностью при сильном шквалистом ветре ветровоу крен может достичь опасных значений.

Для того чтобы судно двигалось прямолинейно по линии 1 – 1, нужно с помощью руля создать поворачивающий момент Мр, направленный в противоположную сторону, т.е. руль переложить на несколько градусов вправо.

Давление ветра А_у, дующего перпендикулярно ДП, определяют по формуле А_у = с_у (ρ_в/2)Ѕ_п (k_вυ_в²), где с_у –коэффициент учитывающий обводы корпуса в надводной части, (с_у=1,2); ρ_в – массовая плотность воздуха, (ρ_в =0,125кгс с²/м²); Ѕ_п – площадь парусности, м²; υ_в – скорость кажущегося ветра на высоте мостика, м/с; k_в – коэффициент уменьшения скорости ветра с высотой, (k_в = 0,9 в незащищенных от ветра местах рек, k_в = 0,75-0,6 вблизи причалов, шлюзов, берегов). Ветровой момент можно определить по формуле

Мв = Ау ι_в = 1,2 ρ_в/2(k_вυ_в)²Ѕ_пsinα_к(0,25+а₁±α_к/360)L, где α_к – угол между ДП судна и кажущимся ветром(от носа судна); а₁ = b_ц.п./L (b_ц.п. отстояние Центра Парусности от мидельшпангоута). Величина скорости ветрового дрейфа υ_др под действием силы А_у определяется по формулеυ_др = √ А_у /51ω₉₀^о LT, где ω₉₀² –коэффициент силы сопротивления воды движению судна лагом (0,7-0,9); L –длина судна, м, T – осадка судна, м.

На судно, движущееся передним ходом, при бортовом ветре будут действовать четыре момента: ветровой Мв, позиционный МR_п, рулевой М_р и момент боковой силы МT_у, возникающей на винтах от косого натекания на винты потока воды.

Ветровой момент, Мв, в зависимости от расположения Ц.П. и Ц.Т. или вида силуэта надводной части судна, может быть направлен на ветер ( ц.п. к корме от ц.т. или ц.в. судна), или под ветер (ц.п. к носу от ц.т или ц.в. судна).

Позиционный момент, МR_п,от гидродинамической силы давления воды на корпус судна, движущегося с углом дрейфа, будет направлен на ветер.

Момент боковой силы,МT_у, на винтах всегда направлен под ветер.

Момент руля Мр, направлен на ветер или под ветер в зависимости от знаков и величин вышеперечисленных моментов.

Так как скорость ветра постоянно меняется, для удержания судна на прямом курсе требуется менять угол перекладки руля, поэтому устойчивость на курсе всех судов при ветре ухудшается.

В рассмотренном примере, если не перекладывать руль, судно будет разворачиваться на ветер и КУ ветра будет уменьшаться.

Но ветровой момент может быть направлен и подветренную сторону.

Судоводитель должен знать: минимальные скорости движения, удерживающие судно на курсе, при ветрах разной силы; безопасный курсовой угол ветра для движения с минимальной скоростью; минимальную скорость на циркуляции,обеспечивающую управляемость в течении всего маневра.

1. Влияние течения на управляемость судна.

На маневренные качества судов и их движение существенное влияние оказывают течения. Воздействие течения на судно во многом зависит от величины погруженной в воду части корпуса судна, направления и скорости течения. Направление течения определяют направлением изкомпаса. На озерах, крупных водохранилищах и в прибрежных морских районах, не имеющих постоянных течений, могут возникать течения, вызванные ветровым воздействием. Для средних широт скорость ветрового течения определяется выражением

υ_т = 0,1(υ_в /√ sinφ) где υ_в- скорость ветра м/с; φ – широта места.

Движение против течения зависит от скорости хода и скорости течения. Назовем скорость судна относительно грунта абсолютной или истинной скоростью υ_п, скорость относительно воды – относительной υ_о, а скорость течения относительно грунта – переносной υ_т, тогда согласно механическому принципу относительности Галилея получим равенство

υ¯_п = υ¯_о + υ¯_т , котороеозначает, что вектор абсолютной скорости равен геометрической сумме векторов относительной скорости судна и переносной скорости течения. Отложив на карте от данной точки величину и направление векторов υ_о и υ_т как стороны параллелограмма величину υ_и находят как диагональ параллелограмма. При постоянных υ_о и υ_т величину υ_и определяют по формуле υ¯_и = √ υ_о² + υ_т ² - 2υ_оυ_тcosq_т, где q_т – угол между ДП судна и направлением течения.

Угол между линией пути судна ОА и ДП судна наз. углом сноса от течения β_Т , по теореме синусов угол β =(υ_т / υ_и)sinq_т = (υ_т /υ_о)sinρ