ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №8
Тема: ОБЕСПЕЧЕНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ СУДОВ. УСПОКОИТЕЛИ КАЧКИ
Теоретическая часть:
Управляемость - способность судна двигаться по заданной траектории, т. е. менять направление движения в соответствии с действиями управляющего устройства, установленного на судне. Управляемость является качеством судна, зависящим от траектории его движения и от внешних условий (ветер, волнение, течение, глубина и ширина фарватера). Траектория может быть прямолинейной и криволинейной, поэтому различают такие качества как устойчивость на курсе и поворотливость.
Устойчивость на курсе - способность судна сохранять прямолинейное направление движения.
Поворотливость - способность судна изменять направление своего движения и описывать траекторию заданной кривизны.
Устойчивость на курсе и поворотливость находятся в противоречии друг с другом. Чем более устойчиво прямолинейное движение судна, тем труднее его повернуть, т. е. ухудшается поворотливость. Но с другой стороны, улучшение поворотливости судна затрудняет его движение в постоянном направлении: в этом случае удержание судна на курсе связано с напряженной работой рулевого или авторулевого и частой перекладкой руля. При проектировании судов стремятся найти оптимальное сочетание этих свойств.
Влияние различных факторов на управляемость судов:
1) Размерения и форма корпуса судна
Увеличение отношения L/B приводит к росту сопротивления поперечному перемещению судна, а, следовательно, к ухудшению поворотливости и улучшению устойчивости на курсе.
При увеличении отношения d /L поворотливость судна ухудшается незначительно. Одновременное увеличение L/B и d /L, а это равносильно уменьшению отношения B/d , ведет к ухудшению поворотливости, повышая устойчивость на курсе. Влияние отношения B/d на поворотливость особенно заметно у грузовых судов, когда их сравнивают в состоянии порожнем и в грузу.
Увеличение коэффициента общей полноты св приводит к улучшению поворотливости и ухудшению устойчивости на курсе . Поэтому суда, имеющие полные обводы, обладают лучшей поворотливостью.
Форма кормы и носовых образований значительно влияют на поворотливость судна. Особенно сильное влияние оказывает степень подреза кормовой оконечности. Поворотливость существенно увеличивается с возрастанием площади кормового подреза. Форма носовых образований меньше влияет на поворотливость.
2) Крен и дифферент судна
Независимо от причин появления крена управляемость судна при нем ухудшается. Как правило, при наличии крена и при движении судна на прямом курсе с прямо поставленным рулем судно стремится уклониться в сторону, противоположную крену.
Влияние дифферента на управляемость судна необходимо учитывать как в процессе эксплуатации, так и при загрузке судна. Если судно имеет значительный дифферент на корму, то его поворотливость ухудшается и наоборот. Наличие дифферента на нос улучшает поворотливость судна, однако оно становится более рыскливым, особенно на волнении.
3).Ветер, течение и волнение моря
Ветер в значительной мере влияет на управляемость судна, исходя из нескольких факторов: силы и направления ветра, площади парусности, осадки и дифферента судна. С увеличением силы ветра увеличивается рыскливость судна – для его удержания на курсе требуется частая и большая перекладка руля. Силу ветра принято оценивать по шкале Бофорта. Судоводителю важно знать, при каких скоростях и направлениях ветра, скорости судна и его осадке движение на прямом курсе будет устойчиво. Для этого на судах существуют полярные диаграммы, в которые входят по средней осадке, силе и направлению ветра, площади пера руля и другим факторам.
Волнение моря способствует рыскливости судна, т. к. при подходе под косым углом к гребню волны судно уваливается в направлении его движения, как бы соскальзывая с гребня. Когда судно, оказывается, по другую сторону гребня, наблюдается обратное явление. Угол рыскания зависит от курсового угла волны и увеличивается по мере возрастания волнения моря. Особенно неблагоприятным плавание судна будет при наличии ветровых волн и зыби от курсовых углов с направления 120–180 градусов при скорости судна близкой к скорости бега волн. В этом случае очень сильно ухудшается управляемость судна вплоть до полной потери, когда судно, захваченное набегающей волной, приобретает скорость волны и стремится развернуться лагом к ней – явление «брочинг» (от английского broaching). Значительно ухудшается управляемость судна под воздействием ударов волн при встречном волнении – явление слеминг (от английского slamming). Чтобы избежать такой ситуации рекомендуется снизить скорость или изменить курс судна относительно бега волны.
Течение значительно затрудняет управление движением судна. Совпадение направления течения и курса судна ухудшает управляемость, увеличивает фактическую длину тормозного пути судна. Течение оказывает значительное влияние при выполнении им циркуляции. Так, циркуляция, выполненная по течению, увеличивает выбег судна по курсу вследствие сноса. Это обстоятельство необходимо учитывать для избегания навала на суда, стоящие на якоре, при разворотах на течениях.
4). Мелководье
При плавании судна на малых глубинах происходит значительное ухудшение управляемости судна. Малые глубины начинают сказываться на управляемости при Н < 2d. При плавании на малых глубинах крупнотоннажные суда маневрируют в условиях, когда ухудшается поворотливость, но судно хорошо держится курса.
Циркуляция судна
Циркуляцией называют траекторию, описываемую ЦТ судна, при движении с отклоненным на постоянный угол рулем. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Угол между вектором линейной скорости судна и ДП называют углом дрейфа . Эти характеристики не остаются постоянными на протяжении всего маневра.
Циркуляцию принято разбивать на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся.
Первый период (маневренный) – период, в течение которого происходит перекладка руля на определенный угол. С момента начала перекладки руля судно начинает дрейфовать в сторону, противоположную перекладке руля, и одновременно начинает разворачиваться в сторону перекладки руля. В этот период траектория движения ЦТ судна из прямолинейной превращается в криволинейную с центром кривизны со стороны борта, противоположного стороне кладки руля; происходит падение скорости движения судна.
Второй период (эволюционный) – период, начинающийся с момента окончания перекладки руля и продолжающийся до момента, когда наступает равновесие всех действующих на судно сил, а угол дрейфа перестает расти и скорость движения судна по траектории становится тоже постоянной. В этот период возрастают гидродинамические силы давления на корпус судна, возрастает угол дрейфа, кривизна траектории меняет знак, центр кривизны траектории перемещается внутрь циркуляции. Скорость движения судна вдоль траектории, начавшая падать в маневренный период, продолжает уменьшаться. Радиус траектории в эволюционный период является величиной переменной.
Третий период (установившийся) – период, начинающийся по окончании эволюционного, характеризуется равновесием действующих на судно сил: упора винта, гидродинамических сил на руле и корпусе, центробежной силы. Траектория движения ЦТ судна превращается в траекторию правильной окружности или близкой к ней.
Рис. 8.1 Элементы циркуляции
Геометрически траектория циркуляции характеризуется следующими элементами:
Dо– диаметр установившейся циркуляции – расстояние между диаметральными плоскостями судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180º при установившемся движении;
Dц– тактический диаметр циркуляции – расстояние между положениями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180º;
l1– выдвиг (поступь) – расстояние между положениями ЦТ судна перед выходом на циркуляцию до точки циркуляции, в которой курс судна изменяется на 90º;
l2– прямое смещение – расстояние от первоначального положения ЦТ судна до положения его после поворота на 90º , измеренное по нормали к первоначальному направлению движения судна;
l3– обратное смещение – наибольшее смещение ЦТ судна в результате дрейфа в направлении, обратном стороне перекладки руля (обратное смещение обычно не превышает ширины судна В, а на некоторых судах отсутствует совсем);
Тц– период циркуляции – время поворота судна на 360º .
Успокоителями качки
Успокоителями качки принято называть устройства, которые применяются для уменьшения амплитуды качки судна. Действие установленных на судне успокоителей качки состоит в том, что они создают переменный стабилизирующий момент, противоположный по знаку возмущающему моменту волны. В настоящее время применяются успокоители только бортовой качки. Уменьшить амплитуды килевой и вертикальной качки с помощью успокоителей практически трудно, т.к. еще не созданы успокоители, способные развивать значительно большие, чем при бортовой качке, стабилизирующие моменты. Успокоители качки делятся на пассивные и активные. Действие рабочих органов пассивных успокоителей основано на создании стабилизирующего момента за счет колебательных движений судна во время качки, т.е. при их использовании отпадает необходимость в специальных источниках энергии. В активных успокоителях переменный стабилизирующий момент создается принудительно с помощью особых механизмов, управляемых специальным регулирующим устройством, которое, в свою очередь, реагирует на колебания судна. Активные успокоители более эффективны, но на их работу нужно затрачивать дополнительную мощность.
Пассивные успокоители. К числу пассивных успокоителей качки относятся скуловые кили и пассивные успокоительные цистерны.
Рис. 8.2 Пассивные успокоители качки
Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством уменьшения бортовой качки и потому находят самое широкое применение.
Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: закрытого, не сообщающегося с забортной водой (I рода) и открытого, сообщающегося с забортной водой (II рода). Цистерны наполовину заполнены водой (иногда, топливом) и соединены каналами. Пассивные успокоительные цистерны наиболее эффективны при резонансной качке. При некоторых условиях и режимах нерегулярного волнения такие успокоители могут привести к увеличению амплитуд качки. Наличие свободной поверхности жидкости в цистернах также неблагоприятно влияет на остойчивость судна. Вследствие указанных причин пассивные цистерны в настоящее время практически не используются.
Активные успокоители. К активным успокоителям качки относятся бортовые управляемые рули, активные успокоительные цистерны и гироскопические успокоители-стабилизаторы. Бортовые управляемые рули являются весьма эффективным средством уменьшения бортовой качки и получили широкое распространение на транспортных и особенно на пассажирских судах. Практика показывает, что бортовые рули целесообразно применять при скоростях, превышающих 10-15 узл. В этом случае бортовые рули приводят к значительному (в несколько раз) снижению амплитуд бортовой качки. Активные успокоительные цистерны обычно выполняют в виде цистерн I рода. Для регулирования движения воды применяют либо насосы, установленные в водяном канале, либо воздуходувы, расположенные в воздушном канале. Управление насосом или воздуходувкой осуществляется с помощью специальной автоматики таким образом, чтобы можно было регулировать подачу воды из одной цистерны в другую и обеспечивать требуемое изменение стабилизирующего момента. Эффективность установки не зависит от скорости судна: цистерны одинаково умеряют качку на ходу и на стоянке. Недостатки активных цистерн: сложность конструкции, высокая стоимость, применение сложной регулирующей аппаратуры, снижение грузоподъемности судна необходимость затрат дополнительной энергии.
Гироскопический успокоитель качки представляет собой мощный гироскоп, вращающийся на оси в раме. Гироскоп устанавливают вертикально. Крен судна при бортовой качке вызывает поворот оси гироскопа - так называемую прецессию гироскопа. Вследствие этого возникает гироскопический момент, который является стабилизирующим моментом успокоителя. Гироскопические успокоители могут быть как пассивными, так и активными. У пассивного успокоителя прецессия возникает как реакция на качку судна. В активных успокоителях прецессия создается принудительно за счет передачи внешней энергии электродвигателю, управляемому автоматическим регулятором, реагирующим на режим качки судна. Недостатки: значительная масса, большая стоимость, сложность устройства и эксплуатации.