Где Н —• высота Наводного борта, м 2 страница

Угол tf измеряется от линии ветра в сторону, противоположную стороне перекладки руля, до линии, соединяющей точки 2 и 3. Дис­танции циркуляции 5 — расстояние между этими точками. Угол зави­сит в общем случае от целого ряда параметров судна, характеризую­щих его гидродинамические и аэродинамические особенности. Значе­ния угла if и дистанции S могут быть рассчитаны с помощью ЭВМ, поскольку требуется решение системы дифференциальных уравнений. Наличие в уравнениях большого числа коэффициентов, значения ко- юрых определяются приблизительно, ограничивает возможности рас­четных методов циркуляции в условиях ветра п волнения.

На рис 11.3 приведены результаты расчета циркуляции в услови­ях ветра и волнения для теплохода «Борис Бувин» в балласте. Стрел­ками показано направление ветра. Сравнение расчетных траекторий с широкомасштабными натурными данными показало, что точность paj* работанного на кафедре управления судном ЛВИМУ им. адм. С О. Ма­карова экспериментально-расчетного метода определения циркуляции в условиях ветра и волнения лежит в пределах 17—19 % при опре-

делении тактического диаметра циркуляции и 10 % в определении выдвига

В обязательной информации в таблице маневренных элементов управляемость судна представлена лишь поворотливостью. С практи­ческой точки зрения, в реальных условиях плавания не менее важное значение имеет оценка судоводителями возможности осуществления прямолинейного движения судна в условиях ветра. Судоводитель дол* жен располагать информацией, позволяющей ему судить о возможно­сти осуществления управляемого движения в определенном направ­лении относительно курсового угла ветра как на глубокой воде, так и на мелководье, об углах дрейфа, с которыми это движение осуще-^ ствляется.

Инерционно-тормозные характеристики. Влияние ветра на инер- ционно-тормозные характеристики во многом зависит от конструктив­ных особенностей судна, однако для встречного ветра (<?=0°) и по­путного (<7=180°) можно проследить некоторые особенности этого влияния. В первую очередь представляет интерес ветер силой 8 м/с (4 балла) — предельно допустимый при сдаточных испытаниях. Ре­зультаты моделирования свободного и активного торможения сред­нестатистических судов морского флота, смоделированные по средним параметрам 25 типов судов, показывают, что у судов водоизмещением более 10 тыс. т инерционно-тормозные характеристики при ветре до 4 баллов включительно могут отличаться друг от друга до 26 % п выбегу и до 8 % по тормозному пути. Отличия от штилевых значений- составят 18 % по выбегу и 4 % по тормозному пути. Под выбегом суд* на при свободном торможении здесь понимается путь, пройденный от начала свободного торможения до достижения 20 % начальной ско­рости.

Учитывая значительную величину погрешностей, результаты на турных испытаний, проведенные при ветре, должны быть исправлень и приведены к условиям безветрия. Если влияние ветра на активно' торможение может быть скомпенсировано повторением эксперимента! на обратном курсе и осреднением, то для свободного торможения ма­неврирование на прямом и обратном курсе и осреднение не обеспечи-о вают компенсации сноса даже при курсовых углах ветра 0 и 180°. Од нако можно ограничиться одним экспериментом, проведенным пр встречном или попутном ветре, если каждое экспериментальное значе­ние S*(V) для приведения к безветрию умножить на поправочный коэф­фициент ц (рис. N.4), зависящий от скорости ветра и отношения фак­тической скорости в каждый момент замера к начальной скорости.

Влияние ветра на инерционно-тормозные характеристики усилива­ется на промежуточных курсовых углах ветра. На рис. 11.5 показана влияние курсового угла ветра скоростью 8 м/с на параметры свобод­ного торможения теплохода «Борис Бувин». Пунктиром показано зна­чение выбега судна при безветрии. Вследствие первоначального дви­жения с углом дрейфа при свободном торможении судно начинает те­рять управляемость и приводится к ветру. Максимальный угол от­клонения от курса 85,5° и максимальное боковое отклонение 0,77 кб происходят при курсовых углах ветра 100—130°, однако наиболее быст­ро судно тормозится при начальных курсовых углах ветра 40—60Р. Аналогичная информация может быть получена для любого типа су­дов морского флота после моделирования его движения.

Влияние ветра и волнения. На рис. 11.6 приведено сопоставление расчетной и экспериментальной траекторий теплохода «Борис Бувин»

Рис. 11.5. Параметры свободного тормо­жения теплохода «Борис Бувин»: X — смещение в направлении линии первона­чального курса; Y — смещение в направлении перпендикулярной липни первоначального кур­са; ДК° — угол изменения курса вправо к кон. ну свободного торможения (V”0,2V*)

Рис. 11.6. Сопоставление расчетной и экспериментальной траектории дви­жении теплохода «Борис Бувин» при маневре ППХ—СТОП; h, ip — экспе­риментальное и расчетное время соот­ветствующей позиции; ветер 10,3 м/с; волнение 2 м

при маневре «ППХ—СТОП» при ветре скор стью 10,3 м/с и волнении h—2 м. Приведе ные на рис. 11.6 данные дают основание г ворить о хорошей сходимости результатов пригодности алгоритма для анализа измен ния инерционно-тормозных характерист конкретных типов судов в условиях ветрово нового воздействия.

Дополнительное уменьшение выбега тормозного пути судна вследствие вол пени значительно. Однако до Лз% «l-f-1,5 м суще?; ственного влияния волнения не отмечается.

Ветроволновое воздействие на инерцион но-тормозные характеристики носит индив Р„С 118 Экстренное юрмо- дуальный характер для каждого типа суди жение теплохода «Борис При этом может учитываться либо среднеста Бувин» в зависимости от тистическое волнение, сответствующее каждо неврГппх” ПЗХ* ^{ЛЛЯ МЭ} скорости ветра, либо с конкретными значения-

ви высот волн 3%-ной обеспеченности и коэф­фициентами развитости волнения.

Информация о ветроволновом влиянии может носить обобщенный» характер (рис. 11.7) или быть представлена в виде конкретных тра­екторий (рис. 11.8).

Ориентировочные оценки точности применяемости метода: по ак тивиому торможению 65_т^14%; б/_т^20 %; по свободному торможе­нию aS_t^9 %; 6S(V)^17 % (в конце свободного торможения). Па? сбавлению хода 65(0^8% разгону 6S(V)^14%. Обобщая, можно сказать, что расстояние, пройденное судном до достижения определен­ной скорости V, получено с погрешностью, не превышающей 18 % при свободном торможении и подтормаживании и 15 % при активном тор­можении и разгоне.

11.4. Обоснование выбора курса и скорости при плавании на волнении

Судно, отклоненное от положения устойчивого равновесия на ти-< хой воде и затем предоставленное самому себе, будет совершать ко­лебания относительно положения равновесия, называемые собствен­ными или свободными. Они возникают при вертикальной, бортовой и килевой качке.

Колебания, вызываемые волнением, называются вынужденными. Эти колебания возникают при всех видах качки (в том числе при про­дольной горизонтальной, поперечно-горизонтальной, а также при рыс­кании судна).

На регулярном волнении свободные колебания очень быстро зату­хают и остаются только вынужденные.

При равенстве значений периода собственных колебаний и перио­да возмущающей апы наблюдается резкое увеличение амплитуд, на­зываемое резонансом соответсгвущего вида качки. Резонанс может иметь место только при вертикальной, бортовой и килевой качке. На рис. 11.9 в качестве примера приведен характерный график зависи­мости амплитуды 0_О бортовой качки на регулярном волнении от от­ношения периода собственных колебаний судна 7® к периоду возму­щающей силы т.

Рис 11.9. Типичная амплитудно-ча- стотная характеристика бортовой качки судна

При нерезонансных режимах бортовой качки на регулярном вол­нении ее амплитуды будут определяться формулой

(112)

Ть

где по...... наибольший уклон взволнованной поверхности.

Как следует из формулы (И.2):

0_о<1,95а_о при {Т_е/х)С0,7; при (7*0у_т)]>1

Угол ао обычно не превышает 8—10°, причем его величина умень­шается с ростом длины волны. Поэтому, если курс и скорость на вол­нении будут подобраны таким образом, что на регулярном волнении отношение Т_%(х будет меньше 0,7, то амплитуда бортовой качки в

этом случае не будет превышать 20°, а при 7*_в/, >1,3—15°. Нало­жение в последнем случае более жестких ограничений на предельные значения амплитуд связано с тем, что при T_$fx >*1,3 следует ожидать неблагоприятных значений угла сдвига фаз колебаний судна по от­ношению к волнам.

Кажущийся период волны

1,95 Я,

с+у cos q

При неограниченно больших отношениях глубины к длине судна формула (10.3) приобретает вид

(П.Ь)

19£

Таким образом, изменяя курс или скорость судна, можно изме­нять значения кажущегося периода волны т и избежать резонанса или резонансной зоны, определяемой зависимостью,

0,7<-

или, что то же самое,

	1,3				(11.6)

Для расчетного определения периодов собственных бортовых ко­лебаний может быть использована формула

Г_в=—, (ИЛ)

где — коэффициент, зависящий от типа судна и состояния нагрузки;

В — ширина судна;

А — начальная поперечная метацентрическая высота.

ИМО рекомендует принимать следующие приближенные значе­ния коэффициента k% для каботажных и промысловых судов.

Суда каботажного плавания (кроме танкеров) в балласте — 0,88; промысловые суда с полными запасами для открытого моря — 0,80; креветочные прибрежного лова 0,95; с танками для живой ры­бы — 0,60.

Приближенные значения коэффициента k% для морских транс­портных судов в грузу (кроме танкеров и газовозов) приведены в табл. 11.3

Значения периода собственных продольных колебаний дает гра­фик, представленный на рис. 11.10.

Исследования, проведенные Ю. В. Ремезом, показали, что разра­ботанная им униБерсальная штормовая диаграмма может быть с до­статочной для практики точностью использована как при регулярном, так и нерегулярном волнении. Входя в диаграмму по среднему кажу­щемуся периоду, можно успешно определять сочетания курсов и ско­ростей, отвечающих резонансным режимам бортовой и килевой качки на реальном морском волнении.

11.5. Универсальные штормовые диаграммы Ю. В. Ремеза

Для облегчения задачи управления судном в шторм советскими учеными были предложены специальные диаграммы для выбора курса и скорости в штормовых условиях. Такие диаграммы разработаны В. Г. Власовым, С. Н. Благовещенским, Л. М. Ногидом, Ю. В. Ре­мезом.

В практике плавания наибольшее распространение получили уни­версальные диаграммы Ю. В. Ремеза для больших и произвольных глубин.

В теории волн глубина считается большой, если она превышает половину длины волны. Однако для целей практики применение уни­версальной штормовой диаграммы Ю. В. Ремеза для больших глубин можно расширить до значений глубин, превышающих четверть длины волны. Это будет соответствовать общей точности исходных данных.

Универсальная диаграмма для больших глубин (рис. 11.11) со­стоит из верхней и нижней частей.

По вертикальной оси верхней части диаграммы отложены длины волн X, по горизонтальной — проекции скорости судна на линию бега волн Vcos^. Здесь V — скорость судна, уз; q — курсовой угол бега волн, град.

Правая половина диаграммы отвечает ходу на встречном волне­нии, под которым понимаются курсы прямо против волны (вразрез волне) и волна в скулу. Средняя вертикаль соответствует курсу лагом к волне при любой скорости судна либо любому положению судна по отношению к набегающим волнам при нулевой скорости. Левая поло­вина отвечает ходу на попутном волнении, включая в это понятие курсы волны в раковину и прямо по волне. Левой половине диаграм­мы соответствуют отрицательные значения Vcosq(§(f<q<. 180°).

Верхняя часть диаграммы содержит семейство кривых, каждая из которых построена для определенного значения кажущегося периода волны т. Эти значения надписаны на соответствующих кривых.

Когда судно не имеет хода либо идет лагом к волнам, кажущий­ся период волны т совпадает с ее истинным периодом (периодом по отношению к неподвижному наблюдателю) т₀. Таким образом, орди­ната пересечения вертикальной оси диаграммы с кривой, отвечающей данному значению кажущегося периода т, определяет собой длину волны А,, истинный период которой равен то. Так, например, при то= =8с т=100 м, при то=12с Х — 225 м и т. д. На встречном волнении кажущийся период волны оказывается меньше истинного, на попут­ном, если только судно не обгоняет волну, — больше истинного.

Если на попутном волнении проекция скорости судна на направ­ление распространения волн Vcos</ совпадает со скоростью волн, ко­торая равна 2,43 \ПГ уз, то кажущийся период волны обращается в бесконечность, т. е. волны на судно не набегают и он$ движется, как бы «оседлав» волну. В этом случае на чисто попутном волнении суд­но по отношению к системе волн как бы неподвижно. Наблюдателю, находящемуся на судне, будет казаться, что оно дрейфует.

Указанному случаю на диаграмме соответствует штриховая кри­вая х = оо.

Нижняя часть диаграммы включает семейство концентрических полуокружностей с центром, расположенным в начале координат диа­граммы, и пучок лучей, исходящих из центра. Каждая полуокружность отвечает определенному значению скорости V (уз), каждый луч — определенному курсовому углу q. Правая часть диаграммы отвечает встречному, а левая — попутному волнению.

Поскольку при построении диаграммы принято, что волны бегут справа налево, вектор скорости судна направлен из центра к пери­ферии ее нижней части вдоль луча, соответствующего данному значе­нию курсового угла q. Определенному сочетанию скорости судна и курсового угла отвечает точка нижней части диаграммы, являющая­ся конном вектора скорости судна.

7102°9бо до0 6Ь° 7йР ^ Рис. ПН. Универсальная шгормоная диаграмма Ю. В Ремеза для больших глубин: Кдлина волны.Vckopocn суд.ы. d курсовой угол бега волны

Нижняя часть диаграммы дает возможность графически находить значения Kcos^ при данном сочетании V и q, а также решать обрат­ную задачу определения всех значений V и q, отвечающих заданной величине К cos q.

Так, например, если У=12 уз, а ^=60⁹, то, проводя через точку пересечения соответствующих окружностей и луча вертикальную пря­мую, найдем по пересечению последней с горизонтальной осью диа­граммы, что У cos <7=6 уз.

Решение обратной задачи сводится к проведению из нижней час­ти диаграммы вертикальной прямой, абсцисса которой представляет собой заданную величину V cos q. Указанная задача имеет бесчислен­ное множество решений, так как для всех точек, лежащих на этой прямой, значения Vcosq> для которых конец вектора скорости судна располагается на указанной вертикальной прямой, являются решени­ем поставленной задачи.

Например. Проводя на нижней части диаграммы вертикальную прямую, соответ­ствующую Vcos<7 = 8y3: при q~*Q° V—8 уз; при q — 45° У=11,5 уз; при (/=60° У-16 уз и т. д.

Зоны курсовых углов, близких к нулю или 180°, когда бортовая качка оказывается незначительной даже в условиях резонанса, но мож­но ожидать усиления килевой качки, отмечены на графике вертикаль­ной штриховкой. Зона курсовых углов, близких к 90°, когда судно рас­полагается почти лагом к волне и резонанс бортовой качки становится особенно опасным, а килевая оказывается весьма малой, отмечена горизонтальной штриховкой.

Над диаграммой помещена вспомогательная шкала для определе­ния значений т, ограничивающих резонансные зоны качки. Иа средней линии этой шкалы нанесены величины периода собственьыл колеба ний судна Ть а на верхней и нижней линиях на тех же вертикалях отложены Ге/1,3 и Т₉ /0,7 соответственно.

На шкалах Ли В, расположенных слева от диаграммы, ь*ие:евы высоты нерегулярных волн 3 %-ной обеспеченности и значительного волнения Л1/3- Справа от диаграммы помещена шкала степени волне- пни в баллах.

Таким образом, диаграмма допускает три входа: по длине волны, по высоте волны и по степени волнения.

Как уже указывалось, приведенная универсальная штормовая диа­грамма применима с достаточной точностью для глубин, превышающих четверть длины судна. Резонансная качка на волнах повышенной кру­тизны, характерных для мелководья, особенно опасна для небольших судов. В связи с этим Ю. В. Ремезом разработана универсальная штор­мовая диаграмма, позволяющая оперативно выбирать безопасные курсы и скорости судна при шторме на любых, в том .числе и на весь­ма малых глубинах. «

1.

11.6. Использование универсальной штормовой диаграммы

Из трех возможных входов в диаграмму (по длине волны, по вы­соте волны и по степени волнения в баллах) при непосредственном вы­боре безопасных курсов и скоростей судна, находящегося в штормовой обстановке, следует использовать вход по длине волны.

Для определения границ резонансных зон на диаграмме прово­дятся вертикальные прямые через точки пересечения горизонтальной

линии, отвечающей данной длине волны А, с кривыми т=Тя /0,7 и т=7'в/1,3.

Вертикальные линии, точно соответствующие резонансу, являются осями симметрии соответствующих резонансных зон. Иными словами, горизонтальные расстояния от этих линий до линий, отвечающих пра­вой и левой границам резонансных зон, одинаковы. Это свойство можно использовать для контроля правильности определения границ резонансных зон.

Пример 1. Определить резонансные сочетания курсовых углов н скоростей и гра­ницы резонансных зон бортовой качки для судна, имеющего период собственных коле­баний Т₉ = 12 с на волне длиной Л=30 м.

Решение (рис. 11.12). Находим точки С и D пересечения горизонтальной прямой Х = 30 м с кривыми т=Т 9 «*12 с. Проводим через эти точки вертикальные ли­нии, определяющие сочетания курсовых углов и скоростей, точно отвечающих резо­нансу.

По вспомогательной шкале, помещенной над диаграммой, прочитываем значе­ния т, соответствующие границам зон. При «* 12 с они приближенно равны 9,2 и 17,2 с.

Далее следует найти на диаграмме точки С_х и С₂ пересечения горизонтальной прямой Х=30 м с кривыми т=9,2 с и т = 17,2 с глазомерной интерполяцией. Через точки проводим вертикальные прямые, определяющие границы резонансных зон. Эти зоны на рис. 11.12 заштрихованы.

Для избежания усиленной бортовой качки в режиме резо­нанса или близких к нему режи­мах следует выбрать скорость и курс судна относительно волн так, чтобы вектор скорости суд­на оканчивался вне зашрихован- ных зон.

Резонанс бортовой качки не приводит к существенному росту амплитуд на чисто встречном или чисто попутном волнении и близ­ких к ним курсах. Секторы, соот­ветствующие таким курсовым уг­лам (0—12°, 168—180°), на ди­аграмме заштрихованы верти­кальной штриховкой. На рис. 11.12 эти секторы не показаны.

Таким образом, если конец вектора скорости судна попадет в верхние части резонансных зон, которые оставлены незаштрихо- ванными, то режим бортовой кач­ки не должен считаться опасным.

Опасность, наоборот, возра­стет, если вектор скорости окан­чивается в нижних частях резо­нансных зон бортовой качки, т. е. курсовой угол приближается к 90°. Безоговорочно должны ис­ключаться такие сочетания кур­сов и скоростей, при которых конец вектора скорости судна

принадлежит резонансной зоне бортовой качки, а курсовой угол волны заключен в пределах 78°<<7<102°.

Примнр 2. Определить резонансные сочетания курсовых углов и скоростей и гра­ницы резонансной килевой качки для судна, имеющего период собственных продоль­ных колебаний 7*^ — 4 с на волне Л**30 м.

Решение (рис. 11.12). Находим точку Е пересечения горизонтали А.*=30 м с кривой т*“4с. Точка пересечения этой горизонтали с кривой т=»4 с в случае обгона судном волны лежит за пределами диаграммы, т. е. соответствует скорости, превышаю­щей 24 уз. Через точку £ проводим вертикальную линию. Сочетания курсовых углов и скоростей, при которых конец вектора скорости попадет на эту вертикальную ли­нию, точно соответствует резонансу килевой качки.

По верхней вспомогательной шкале находим значение т, отвечающее границам . резонансной зоны. При Тф«*4 с они приближенно равны 3,1 и 5,7 с. Находя на гори* зонтали А.=*30 м точки Е\ и £₂, соответствующие этим значениям т, проводим через них вертикальные линии, ограничивающие резонансную зону.

В целях избежания усиленной килевой качки следует выбирать курс так, чтобы вектор скорости судна оканчивался вне указанной зоны. Однако учитывая, что в положении лагом или почти лагом к вол­не амплитуды килевой качки не могут достигать больших значений, такие сочетания курсов и скоростей, при которых вектор скорости оканчивается в секторе 78°<<7<102°, являются допустимыми в смыс­ле килевой качки даже если они принадлежат резонансной зоне.

Следует отметить, что информацию о резонансной зоне, получен­ную с диаграммы, не всегда можно использовать с высокой степенью эффективности. Это объясняется тем, что ввиду относительно малого значения периода собственных продольных колебаний судна зоны ки­левой качки оказываются настолько широкими, что для выхода за их пределы иногда требуются чрезвычайно большие изменения курсовых углов и скоростей, вплоть до поворота на обратный курс. Кроме того, из-за большого демпфирования амплитуда килевой качки не имеет такого острого пика при резонансе, как амплитуда бортовой качки, поэтому небольшие изменения курса и скорости весьма эффективны для уменьшения бортовой качки, и не сильно сказываются на килевой.

Несмотря на это, знание неблагоприятных сочетаний курса и ско­рости, соответствующих резонансу килевой качки, дает судоводителю возможность принимать решения о выборе метода штормования. Ес­ли, например, известно, что резонанс наступает на встречном волне­нии, то это является основанием для того, чтобы предпочесть штор- мование на попутном волнении. Если известны резонансные сочетания курса и скорости, то становится ясным, в какую сторону изменять фак­тические курс и скорость, чтобы, если и не выйти за пределы резонан­сной зоны, то по крайней мере не ухудшить положения судна. Если, например, резонанс наступает при отсутствии хода (кривая г =Т+ пересекается с прямой, отвечающей данной длине волны, непосредст­венно на оси ординат), то уменьшение скорости судна\ зачастую пред­принимаемое судоводителями в условиях тяжелого иггорма, поставит судно не в лучшие, а в худшие условия. Такого случая для морских транспортных судов следует ожидать, когда (8-г-10)Г_Ср при пла­вании в грузу и (11-7-13) Г_Ср при плавании в балласте.

Кроме того, при резонансе сдвиг фаз килевой качки по отношению к волце близок к 90°. Это означает, что в момент нахождения впадины или гребня волны у миделя судно имеет наибольший дифферент на нос или на корму. При таком угле сдвига фаз принципиально невоз­можно выбрать курсовые углы, которые одновременно соответствова­ли бы выгодным условиям в отношении перемещений носа и

кормы: при любой длине волны курсовые углы, наиболее благо­приятные для носовой оконечно­сти, оказываются самыми небла­гоприятными для кормы, и на­оборот.

Максимальная потеря скоро­сти судна на волнении также на­блюдается при резонансе киле­вой качки. Эти обстоятельства лишний раз указывают на то, что штормование в резонансном ре­жиме килевой качки ставит суд­но в очень тяжелые условия и по­этому должно быть исключено.

Можно отметить, что для любого морского транспортного судна с осадкой до 16—18 м ре­зонанс килевой качки не насту­пает на волнах любой длины, ес­ли судно идет на чисто попутном волнении и при этом его скорость превышает 8—9 уз.

Пример 3. Определить положение первой и второй резонансных зон дли судна, имеющего период собственных

г»._Л ,, ,₀ „ колебаний Г о «16 с; при значительной

Рис. I!13. К определению резонансных кур- , ⁴ , ‘