Тема 3. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ И МОРЕХОДНЫЕ КАЧЕСТВА СУДНА

К эксплуатационным качествам судов относятся: грузоподъёмность, грузовместимость, скорость хода, автоном-ность, дальность плавания, а также оснащённость, надёжность (иногда и некоторые другие, например, прочность).

К мореходным качествам: плавучесть, остойчивость, непотопляе-мость, ходкость, управляемость, качка.

3.1. Мореходные качества.

Мореходность – способность судна выполнять возложенные на него задачи в условиях водной среды (моря и рек).

3.1.1. Плавучесть – способность судна сохранять безопорное рав-новесие полностью или частично погружённым в воду. Основа – закон Архимеда: «На тело, погружённое в воду (жидкость), дей-ствует сила поддержания, равная весу вытесненной воды (жид-кости), направленная перпендикулярно поверхности и прило-женная в центре погруженного объёма судна, центре величины Если судно обладает плавучестью, (т.е. равновесием), то сила веса должна быть равна силе поддержания: Р = D или Ерi = уV, Р = уV, где D - масса вытесненной воды, а D = уV - сила поддержания.

Уравнение плавучести: Р = убLBT, где б – коэффициент общей пол-ноты, LBT – главные размерения подводной части судна, у – удельный вес воды (жидкости) . Если Р и D расположены на одной вертикали, то судно плавает на ровном киле; если Р и D расположены в ДП, но не на одной вертикали, то судно плавает с дифферентом; если – не в ДП, то с креном. Определение плавучести судна сводится к сопоставлению расчётов нагрузки масс и положения центра тяжести судна (по чертежам) с расчётами объёмного водоизмещения положения центра величины (С) – по теоретическому чертежу. Зависимость водоизмещения судна от его осадки (в объёмных и весовых единицах) называется грузовым размером. Водоизмещение судна состоит из неизменяемой при эксплуатации (рейсе) величины – водоизмещении порожнём и изменяемой части – дедвейта. Эта зависимость, выраженная в табличной форме, называется грузовой шкалой. По грузовому размеру и грузовой шкале можно определить количество принятого (израсходованного) груза по изменённой осадке и наоборот, в том числе и изменение дедвейта. Непроницаемый объём корпуса судна выше ВЛ представляет собой запас плавучести, т.е. величину груза, который может принять суднодо затопления. Эта величина регламентируется Регистром в зависимости от условий эксплуатации судна, путём нанесения на бортах условных обозначений, называемых грузовой маркой. Величина запаса плавучести колеблется в широких пределах: 15-20% от водоизмещения у танкеров и до 100% - у пассажирских судов.

3.1.2. Остойчивость – способность судна, выведенного из положе-ния равновесия внешними силами, возвращаться в положение равновесия при прекращении действия этих сил.

Виды остойчивости: поперечная, продольная, статическая, дина-мическая, начальная, на больших углах наклонения. Наиболее важная – поперечная остойчивость, измеряется углами крена ( ). Главные характеристики остойчивости: метацентри-ческая высота, метацентрический радиус, коэффициент ос-тойчивости – зависят от взаимного расположения центра тяжес-

ти (G), центра величины (С), метацентра (М). Метацентрическая высота /h , Н/ - расстоянии между М и (G), метацентрический радиус /r ,R / – между М и С; /hD, /H,D / - коэффициент остойчи-вости. При наклонении судна положение центра величины С из- меняется ввиду изменения формы его подводного объёма. Вместе с этим в зависимости от угла наклонения изменяется величина восстанавливающего момента (Мв = Dhsina – это уравнение остой-чивости). Формула расчёта метацентрической высоты: h=zc+r-zg,

h=zm – zg метацентрического радиуса: r= zm – zc,

где zc,zg,zm - аппликаты центров величины, центра тяжести, мета-центра, r - метацентрический радиус.

Для приближённых вычислений приведённых величин можно ис-пользовать следующие зависимости: для определения высоты положения центра тяжести zg = (0,65-0,68)Н – для судна в полном грузу, где Н – высота борта; точнее эта величина определяется при расчёте нагрузки масс; для определения высоты положения центра величины zc = 0,5ТУ /б, где ,б – коэффициент общей полноты, Т – осадка судна; для определения метацентрического радиуса: r = К 2В2/бТ, где К = 0,086-0,089 эмпирический коэффициент, В – ширина судна, Т – осадка судна, б – коэффициент общей полноты, - коэффициент полноты ВЛ.

Поперечную остойчивость изучают сначала для малых углов наклонения (до 15 град), т.к. при этом зависимости между эле-ментами остойчивости наиболее простые. Затем – при любых уг-лах наклонения. После спуска судна на воду опытным путём ме- тодом кренования определяют истинные метацентрическую вы-соту и координаты центра тяжести. При рассмотрении остойчи-вости на больших углах наклонения аналитическим путём или графическим способом строятся диаграммы статической и дина-мической остойчивости /зависимости M,l = f(Q) ; Mдин .d = f(Qдин)/. С помощью этих диаграмм решаются практические задачи опре- деления параметров остойчивости судна при любых углах наклонения /Мв, Мкр, Q, h, Qкр и пр./. Диаграммы статической остойчивости строятся для каждой основной нагрузки суда, используя для этого интерполяционные кривые (пантакорены), построенные заранее для каждого судна. Диаграмма динамической остойчивости строится для определения параметров остойчивости при динамическом внешнем воздействии.(ветер, волна, рывок буксирного троса и пр.). Остойчивость морских судов должна соответствовать требованиям Регистра, согласно которым рассчитывается т.н. «критерий погоды» (К), т.е. отношение опрокидывающего момента (Мс) к динамическому кренящему моменту, возникшему от ветра и волн МV, т.е. К = Mc/MV >1, где Мс – минимальный момент, который при худшей загрузке и воздействии ветра и волн приводит к опрокидыванию судна; а МV – динамически приложенный реальный кренящий момент от воздействия ветра и волн. Мс берут по диаграмме статической остойчивости. Му – вычисляют по формулам Регистра. Имеющиеся на судне свободные поверхности жидкостей (жидких грузов) отрицательно влияют на его остойчивость, так же, как и подвешенные, сыпучие, катящиеся не закреплённые грузы. Для уменьшения этих влияний для подвешенных грузов рассчитывается поправка к метацентрической высоте и, при необходимости, уменьшается груз или высота его подвеса; для жидких – сокращается или совсем ликвидируется свободная поверхность жидкостей на судне. Для этого же сос-тавляется порядок приёма и расходования жидких грузов для каждого конкретного судна.

3.1.3. Непотопляемость – способность судна сохранять минималь- ные для продолжения эксплуатации мореходные качества (пла- вучесть, остойчивость) при затоплении части непроницаемых объ-ёмов.

Методы расчёта непотопляемости: постоянного и переменного водоизмещения. Постоянного – затопленная часть судна не счи- тается ему принадлежащей. Переменного – принятая аварийная вода считается дополнительным грузом. При аварийных (боевых) ситуациях возникает необходимость выравнивать крен и диффе-рент судна. Для оперативного и точного выполнения выравнива-ния рассчитываются специальные таблицы непотопляемости для этих операций. Улучшению непотопляемости приводит увеличе-ние запаса плавучести, установка поперечных водонепроницае-мых переборок.

3.1.4. Ходкость – способность судна развивать заданную скорость при минимальной затрате мощности (главных механизмов).

Скорость транспортного судна подразделяется на испытательную (максимальную) и эксплуатационную (экономическую). Энергия, вырабатываемая главными судовыми двигателями, передаётся движителю, который преобразует её в движение судна (упор). Для достижения заданной скорости судно должно преодолеть соответствующее сопротивление среды (воды и/или воздуха), которые складываются из сопротивления трения (Rтр), формы (Rф), волнового (Rв), выступающих частей (Rвч), воздушного (Rвоз), ледового (Rл) для судов ледового плавания. В совокупности эти сопротивления определяют т.наз. буксировочную мощность суд- на, которую необходимо подать на движитель для достижения заданной скорости (Nэ). При определении мощности двигателя следует учесть потери мощности при передаче её к движителю. Например, в редукторе, соединительной муфте, линии вала, учесть к.п.д. движителя. Поэтому т.н. индикаторная мощность (NI), учитывающая эти потери и служащая для выбора главного двигателя, необходима существенно больше. Соотношение Nэ/NI= называется пропульсивным коэффициентом. На ранних стадиях проектирования судна Nэ можно приближённо определить по формуле адмиралтейских коэффициентов, полученной выдаю-щимся судостроителем Афанасьевым N = D 2|3 V3 : C, где D - водо-измещение судна /т/, V - скорость /узлы/, С – адмиралтейский ко-эффициент, Nэ - в кВт. Для транспортных судов С = 340-540. Точнее Nэ можно определить, используя данные прототипа, т.е. судна наиболее близкого к проектируемому по основным характери-стикам. В этом случае предполагается равенство адмиралтейских коэффициентов проектируемого судна и прототипа. С = Спр . Тогда Nэ = Nэпр (D/Dпр)2/3 (V/Vпр)3, где Nэпр, Dпр , Vпр - характеристики прототипа. Точно Nэ рассчитывается по формуле

Nэ = RV / n, где R – полное сопротивление среды движению судна V – заданная скорость n – переходной коэффициент (п = 75 при Nэ в л.с.; п = 1000 при Nэ в кВт). Таким образом, основная задача сос-тоит в определении составляющих R. Из всех составляющих рас- счётным путём определяются Rтр и Rл . Остальные определяются при модельных испытаниях судна в опытовых бассейнах. При этом изготавливают точную масштабную копию корпуса судна, обеспечивая три условия подобия при испытаниях: геометричес- кое (модель), кинематическое (скорость движения), динамичес- кое (усилия). Затем в бассейне, буксируя модель голого корпуса судна, определяют совокупность сопротивлений формы и волно- вого ( Rф + Rв), т.н. остаточного. Коэффициент остаточного сопро-тивления модели и натуры считают равными (при соблюдении условий подобия) и поэтому легко пересчитывают это сопротивление с модели на натуру. Воздушное сопротивление определяют в аэродинамической трубе, обдувая сдвоенную мо-дель надводной части судна. Сопротивление выступающих частей также определяют в процессе модельных испытаний корпуса с выступающими частями. Для судов при разных скоростях весо-мость составляющих сопротивления меняется: для тихоходных с числом Фруда (Fr) менее 0,20 превалирует R трения; для быстро- ходных ( Fr = 0,25-0,35) превалирует остаточное сопротивление.

Rтр снижают, уменьшая смоченную поверхность и шероховатость обтекаемой поверхности; Rф - улучшая плавность обводов; Rв - заостряют нос, применяют бульб и пр.

Для повышения скорости при малой затрате мощности сконструи-рованы суда с гидродинамическими принципами поддержания: СПК, СВП, конструкции которых принципиально отличаются тем, что при движении часть корпуса (или весь) выходит из воды, бла-годаря чему резко уменьшается сопротивление трения (и вообще существенно изменяется качество и количество составляющих сопротивления среды).

3.1.5. Управляемость – способность судна сохранять заданный курс при внешних воздействиях и изменять его под воздействием средств управления.

Термины: поворотливость, устойчивость на курсе, рыскливость, циркуляция.

Циркуляция – траектория движения центра тяжести судна при переложенном руле. Элементы циркуляции: обратное и прямое смещение, выдвиг, угол дрейфа, угол курса, угол скорости, диаметр циркуляции период циркуляции, тактический диаметр. Возникающая при обтекании руля потоком сила действует в двух направлениях: уменьшение скорости движения (лобовое сопротивление); поворачивает и смещает судно вбок (сила дрейфа). При этом возникает крен, сначала внутрь круга циркуляции, затем – кнаружи. Поворотливость оценивается величиной диаметра циркуляции, отнесённого к длине судна. Максимальный эффективный угол перекладки руля – 35 град.; угол дрейфа – 12-15град.; угол крена – достигает для грузовых судов на полном ходу – 12-15 град., для пассажирских до – 12 град. Устойчивость на курсе проверяется количеством перекладок руля за минуту: 4-6 на 3-5град. Для увеличения эффективности управления применяют: поворотные насадки, подруливающие устройства, поворотные колонки, активные рули, крыльчатые движители и пр.

3.1.6. Качка – колебательные движения свободно плавающим судном около положения равновесия под воздействием внешних сил. Виды качки: бортовая, килевая, вертикальная.

Параметры качки: амплитуда (максимальное отклонение), размах (две амплитуды), полное колебание (четыре амплитуды), период Т (время полного колебания), частота с=1/Т (величина обратная периоду). Силы, действующие на судно при качке: возмущающие, гидродинамические, инерционные, демпфирующие. Возмущающие силы вызывают вынужденные колебания, инер-ционные – свободные. Качка оказывает отрицательные воздейст-вия как на экипаж, так и на работу механизмов и оборудования. Период свободных колебаний на тихой воде приближённо можно определить по формуле Т = СВ\ У h , где В – ширина судна, h - метацентрическая высота (начальная, поперечная); С – эмпи- рический коэффициент; для грузовых судов С = 0,78-0,81, для пас-сажирских – С = 0,85-0,88. Чем больше h, тем меньше Т, тем резче качка, опасней воздействие на людей и оборудование. Опасны при качке резонансные явления, когда период вынужденных колебаний близок к периоду собственных. Судоводитель должен знать период собственных колебаний своего судна и период вол-ны, определяемый по формуле г = 0,8Уу, где у – длина волны /м/ Период килевой качки на тихой воде: Тк = 2,4УТ, где Т – осадка судна, Тк – период килевой качки. Период вертикальной качки ра-вен периоду волны. Происхождение вертикальной качки: всплы- тие судна на вершине волны и погружение на подошве. При пла-вании судна на взволнованном море судно одновременно испы-тывает все три типа качки. Опасна волна с у = 90-100м, Н = 4-5м, Т=7-9с (максимальная у = 900м, Н = 18-20м). Для предотвращения резонансных явлений следует изменить курс судна по отношению к волне. Для уменьшения качки используют так называемые ус- покоители (пассивные и активные – управляемые): скуловые кили, активные бортовые рули, цистерны с переливающейся в них водой (Фрама, Флюма и др.). У танкеров в системе Флюма в качестве рабочей жидкости используют жидкий груз. Для успокоения килевой качки используют развал бортов в носу выше ВЛ.

3.2. Эксплуатационные качества судна.

3.2.1. Грузоподъёмность – масса грузов, которые может перевезти судно. Отличают чистую грузоподъёмность и полную (дедвейт) Чистая грузоподъёмность – полная масса перевозимого полезно- го груза в трюмах и пассажиров с багажом и провизией для них, выловленной рыбы и пр. Дедвейт /DW/– чистая грузо-подъёмность плюс судовые запасы (вода, ГСМ), экипаж с багажом, жидкий балласт. Водоизмещение порожнём /Dпор / – это масса постоянных грузов(корпус, механизмы, устройства, системы, оборудование), инвентарного снабжения (ЗИП), твёрдого балласта, воды, масла в котлах, агрегатах, механизмах. Полное водоизмещение судна /Dпол/ Dпол = DW + Dпор . Для сухо- грузов DW = 65-75% Dпол, для крупных танкеров DW = 82-85 Dпол Для обеспечения безопасности грузоперевозок в разных условииях с конца Х!Х в на судах стали наносить грузовую марку, по которой контролируется безопасная для данных условий судна и т.н. запас плавучести. По конвенции о грузовой марке 1966г в Регистр введены требования о грузовой марке.

3.2.2. Грузовместимость – суммарный объём всех грузовых поме-щений /м куб/. Различают грузовместимость по штучному (кипо-вая) и сыпучему (зерновая) грузу. Зерновая – это теоретический объём помещений за вычетом объёмов внутренних конструкций (4-5% от теоретического объёма). Киповая вместимость на 8-10% меньше вместимости по сыпучему грузу. Удельный погрузочный объём – объём, необходимый для размещения 1 т груза ( мкуб/т) = w/p, где w – кубатура трюмов (м куб), р – грузоподъёмность судна. Для судов генеральных грузов это – 1,9-2,1 м куб/т; для танкеров - 1.1-1.4 м куб/т; лесовозов – 2.3-2.7 м куб/т

Регистровая вместимость или регистровый тоннаж – объём в регистровых тоннах. Регистровая тонна = 100 фут куб = 2,83 м куб Валовая регистровая вместимость (брутто) – объём помещений корпуса и закрытых надстроек без учёта двойного дна, балластных цистерн, служебных помещений и постов, расположенных выше верхней палубы. Чистая вместимость – помещения, в которых перевозится коммерческий груз, включая пассажиров с их обслугой. Вместимость рассчитывают по международным Пра- вилам обмера судов. Грузовая марка и тоннажная марка предна- значены для контроля высоты надводного борта (запаса плаву-чести) судна при разных условий плавания. Основная Грузовая марка состоит из 3-х знаков: палубной линии, диска Плимсоля, гребёнки ВЛ - и наносится с обоих бортов судна контрастным цветом в районе мидель-шпангоута. Палубная линия наносится в районе пересечения палубы и борта снаружи. Центр диска Плим-соля – на пересечении плоскости мидель-шпангоута и ГВЛ. Гребё-нка ВЛ для различных условий плавания – справа от диска (для лесовозов – слева). Каботажные суда для Балтийского, Чёрного, Каспийского, Белого и Японского морей имеют особую грузовую марку ограниченного района плавания. Размещается она вправо и влево (для лесовозов) от международной грузовой марки (центра диска Плимсоля) на 1200 мм, имеет вид вертикальной линии и 3-х вертикальных им ВЛ: Л – летняя осадка, З – зимняя осадка, П – осадка в пресной воде. Если у судна нет международной грузовой марки, то особая грузовая марка наносится на её место, а внутри диска Плимсоля наносят вторую вертикальную линию. Если (для двух – и многопалубных судов) твиндечное пространство не засчитывается в грузовместимость судна, то в корму от диска Плимсоля на 1200 мм наносится знак тоннажной марки. В этом случае палубой надводного борта считается 2-я палуба

3.2.3. Скорость. Измеряется в узлах (для морских судов), в км/час (для речных). Узел – 1 морская миля/час; 1 морская миля – 1852м или 1 градусная минута земного меридиана. Экономической на-зывают наиболее выгодную скорость. История появления термина скорости «узел». Ранее использовался простейший гидродинамический лаг-доска и узлы, завязанные на линьке лага. Сколько узлов лаглиня вытравилось за борт в единицу времени (по песочным часам), такова и скорость.

3.2.4. Дальность плавания – расстояние, которое судно способно пройти экономической (заданной) скоростью без пополнения за- пасов топлива, котельной воды, ГСМ. В связи увеличением межконтинентальных рейсов дальность плавания достигает 15-20 тыс. миль.

3.2.5. Автономность – длительность пребывания судна в рейсе без пополнения запасов воды и пищи (судовых запасов), необходимых для жизни и нормального функционирования экипажа, жизни пассажиров.

3.2.6. Оснащённость – количество и качество оборудования, обес-печивающего эффективное использование судна по назначению.

3.2.7. Надёжность – способность судна выполнять заданные функ-ции в установленных условиях эксплуатации в предусмотренные сроки. Состоит из: долговечности – сохранение работоспособности до наступления предельного эксплуатационного состояния; и ремонтопригодности – приспособленности к восстановлению ра-ботоспособности после техобслуживания и ремонта.