Теория устройства судна

Рисунок 12.5. Грузовое устройство саморазгружающего судна: 1--днищевой транспортер; 2 -- элеватор; 3-- выносной транспортер

В грузовых трюмах настил второго дна выполняется со значительным уклоном от борта к диаметральной плоскости, что способствует ссыпанию груза на ленту транспортера. Спасательные средства предназначаются как для спасения экипажа и пассажиров с гибнущего судна, так и для оказания помощи людям с других судов, терпящих бедствия.

Причины гибели судов могут быть самыми различными: пожар, посадка на мель, утрата плавучести, потеря остойчивости и др. Спасательные средства должны обеспечивать не только эвакуацию людей с гибнущего судна, но и в наибольшей степени ограждать их от неблагоприятных воздействий внешней среды (высокая температура горящей на поверхности воды нефти; низкая --в арктических водах), создавать условия для нормальной жизнедеятельности в течение некоторого времени.

Все морские суда снабжаются спасательными средствами в соответствии с Международной конвенцией по охране человеческой жизни на море (СОЛАС-74/83) и разработанными на ее основе соответствующими Правилами Регистра.

Все спасательные средства можно разделить на две категории-- индивидуального и коллективного пользования.

Индивидуальные спасательные средства предназначены для кратковременного поддержания человека на плаву. Кратковременного потому, что даже в достаточно теплой воде (t = 20°С) человек от переохлаждения теряет сознание через 2--2,5 ч, а его гибель наступает через 8--10 ч. При t= 10°С это время соответственно составляет 0,5 ч и 1--1,5 ч. Считается, что допустимое время пребывания человека в воде без специальной одежды при t =10°С равно 3--5 мин, а при t = 20°С -- не более 40 мин. К индивидуальным спасательным средствам относятся спасательные круги, жилеты, нагрудники, а также костюмы-комбинезоны, некоторое время предохраняющие от переохлаждения.

Основным спасательным средством на морских судах служит шлюпочное устройство, включающее шлюпки и катера, а также механизмы для их спуска и подъема. Количество спасательных средств и их номенклатура определяются Регистром в зависимости от типа судна и района его плавания. Так, общее число мест в спасательных шлюпках, размещенных на каждом борту судна, должно быть равным: на пассажирских, экспедиционных и промысловых судах -- половине общего количества людей; на прочих судах -- общему количеству мест на судне. В дополнение к шлюпкам, а иногда взамен них могут устанавливаться спасательные плоты.

На морских судах всех назначений предусматривается наличие как минимум одной моторной (дежурной шлюпки), имеющей скорость не менее 4--6 уз. Эта шлюпка должна быть готова для немедленного использования в случае падения человека за борт.

Спасательные шлюпки могут быть открытого и закрытого типа. Максимальная вместимость спасательной шлюпки не должна превышать 150 человек, а ее полная масса с людьми и снабжением, 20,3 т. Шлюпки вместимостью 60--100 человек должны быть либо моторными, либо с механическим приводом на гребной винт, вместимостью более 100 человек -- только моторными.

В связи с тем, что возможно заливание открытых шлюпок, они должны обладать, внутренним запасом плавучести, достаточным для того, чтобы полностью залитая шлюпка оставалась на плаву со всеми находящимися в ней людьми, механизмами и снабжением. Указанный запас плавучести обеспечивается либо воздушными ящиками, обычно совмещаемыми с бортовыми сидениями, либо за счет утолщения бортов (рисунок 12.6). Последнее характерно для пластмассовых шлюпок, в пространстве между наружной и внутренней обшивкой которых находится легкий заполнитель.

Рисунок 12.6 Обеспечение внутреннего запаса плавучести

Для защиты людей от непогоды шлюпки данного типа снабжают специальными закрытиями ярко-оранжевого цвета, хорошо заметного на морской поверхности.

Основные недостатки открытых шлюпок -- возможность их заливания и плохая защита спасающихся от экстремальных температур и атмосферных осадков. Определенные преимущества в этом плане имеют закрытые самовосстанавливающиеся шлюпки, которые в последнее время находят все большее применение. В' конструкции этих шлюпок используются два способа самовосстановления -- пассивный и активный. В первом случае восстановление происходит за счет формы надводной части шлюпки и положения ее ЦТ (рисунок 12.7), во втором -- за счет перетекания жидкого балласта из днищевого отсека в несимметричный бортовой (рисунок 12.8). В самовосстанавливающихся шлюпках люди пристегиваются к сидениям "ремнями, чтобы в случае ее опрокидывания при спуске они не получили травм и чтобы не изменялось положение ЦТ шлюпки.

Рисунок 12.7 Пассивное самовосстановление шлюпки

Рисунок 12.8. Активный способ восстановления

Аварии танкеров в ряде случаев сопровождаются разливом нефтепродуктов и их возгоранием. В подобной ситуации обычные спасательные шлюпки практически бесполезны, поскольку не могут предохранить людей от высокой температуры, достигающей 1000°С и более, и задымленности. Поэтому наливные суда снабжаются специальными танкерными спасательными шлюпками.

Для защиты людей от огня используются два принципа: непрерывное орошение поверхности шлюпки водой и термоизоляция корпуса. В любом случае танкерные шлюпки должны выдерживать воздействие пламени с температурой не менее 1200°С в течение как минимум 10 мин. Шлюпки должны быть самовосстанавливающимися. В негерметичном корпусе создается избыточное давление воздуха, что защищает обитателей шлюпки от дыма. Необходимый для этого, а также для нормальной работы двигателя запас сжатого воздуха хранится в специальных баллонах. Спасательные шлюпки располагаются на открытой палубе таким образом, чтобы можно было обеспечить безопасную посадку в них людей, а затем и спуск на воду при крене судна на любой борт до 20° и дифференте до 10°.

Спускают шлюпки с помощью специальных устройств -- шлюпбалок. Последние могут быть поворотными (радиальными), заваливающимися и гравитационными (рисунок 12.9). Первые два типа шлюпбалок работают только за счет внешних источников энергии, в настоящее время они используются редко. Гравитационные шлюпбалки вываливают шлюпки за борт и вертикально спускают их на воду только под действием сил тяжести, на всю операцию при этом уходит не более 2 мин, для этого достаточно только отдать стопоры, крепящие шлюпбалку по-походному. Каждую пару шлюпбалок обслуживает одна лебедка с ручным или механическим приводом. Они предназначены для контроля спуска спасательной шлюпки на воду и для ее подъема на борт судна.

Рисунок 12.9 Принципы работы щлюпбалок: а - радиальной; б - заваливающейся; в - гравитационной.

В последнее время появился принципиально новый тип спускового устройства - продольный кормовой наклонный слип, с которого закрытая спасательная шлюпка соскальзывает в воду (рисунок 12.10). Корпус шлюпки герметичен и допускает кратковременное погружение в воду при сбрасывании с судна. Посадка людей осуществляется в кормовой части шлюпки, когда она еще находится на судне. Специальные кресла, оборудованные привязными ремнями, позволяют обитателям шлюпки воспринимать динамические нагрузки при наиболее удобном положении тела. Спасательные плоты, наряду со шлюпками, находят применение на морских судах. Они бывают жесткими и надувными. Материалом для жестких плотов служат легкие сплавы или пластмассы.

Плоты снабжаются камерами плавучести, их грузоподъемность 4-12 человек. Широкого распространения жесткие плоты не получили из-за своей громоздкости.

Рисунок 12.10 Схема спускового устройства со слипом

Надувные плоты пассажировместимостью 6--25 человек в походном положении хранят в контейнерах, занимающих сравнительно мало места. Конструкция устройства для крепления контейнеров с плотами выполнена таким образом, что позволяет приводить их в готовность двумя способами. В первом случае экипаж освобождает от крепления контейнеры и сбрасывает их в воду, во втором освобождение контейнера происходит автоматически за счет срабатывания гидростата, когда тонущее судно погружается в воду. Обладающий положительной плавучестью контейнер всплывает, его створки раскрываются, пусковой линь, закрепленный одним концом на палубе судна, включает систему газонаполнения, которая приводит плот в рабочее (надутое) состояние за 1--3 мин, в зависимости от температуры окружающего воздуха. В обоих случаях посадка осуществляется либо с воды (люди прыгают за борт и вплавь добираются до плота), либо, реже, с помощью специальных трапов. Компактность хранения надувных плотов описанной конструкции обусловила их широкое применение на судах малых и средних размеров, причем в некоторых случаях это единственные спасательные средства (например, на СПК, СВП).

Основные недостатки этих плотов -- необходимость прыгать в воду, иногда с большой высоты; на плот люди попадают в мокрой одежде, что при низкой температуре воздуха может привести к переохлаждению и гибели.

В последнее время созданы плоты новых конструкций: они надуваются на палубе судна, здесь же проводится посадка людей, затем с помощью кран-балки их спускают за борт. Всем плотам присущ один общий недостаток -- невозможность активного перемещения, поскольку они не оборудованы двигателями. Однако следует отметить, что сегодня потерпевшим кораблекрушение нет необходимости самостоятельно добираться до берега. Более того, они должны держаться как можно ближе к месту гибели судна. Дело в том, что в рамках Международной космической системы определения местоположения самолетов и судов КОСПАС -- САРСАТ на все современные морские суда устанавливаются аварийные радиобуи -- автоматически действующие устройства, посылающие радиосигналы, которые служат для радиопеленгования и наведения спасателей на место аварии.

Аварийный радиобуй либо сбрасывается экипажем с терпящего бедствие судна, либо всплывает после его гибели. В воде он автоматически включается и передает сигнал бедствия, содержащий сведения о судне (его тип, название, государственная принадлежность), характере бедствия и времени, прошедшем с начала аварии.

Якорное устройство

Основное назначение якорного устройства -- обеспечение надежной стоянки судна в заданном районе моря. Кроме того, оно может использоваться для снятия судна с мели, способствовать управлению судном в стесненных условиях плавания.

Главные элементы якорного устройства: якоря, якорные цепи (канаты), якорные механизмы, клюзы, стопоры (рисунок 12.11).

По назначению различают якоря: становые и вспомогательные (стоп-анкеры). Первые играют главенствующую роль -- они удерживают судно в заданном месте. Стоп-анкеры используются в дополнение к основным для удержания судна с отданным становым якорем в определенном положении, а также для снятия его с мели. При этом становые якори заводятся а катерах или шлюпках. Количество якорей и их масса зависят от размеров и типа судна и определяется Правилами Регистра.

Рисунок 12.11 Схема якорного устройства 1-брашпиль, 2-стопор, 3-якорь, 4-цепной ящик.

Для выполнения своих функций становой якорь должен обладать большой держащей силой, которая определяется коэффициентом к_д, представляющим отношение этой силы к силе тяжести якоря. Для одного и того же якоря указанный коэффициент зависит от типа грунта.

Многообразие конструкций основных судовых якорей можно разделить на два типа: якоря со штоками, зарывающиеся в грунт одной лапой, и якоря, входящие в грунт двумя лапами. К первому типу относится адмиралтейский якорь (рисунок 12.12,а), отличающийся простотой конструкции и хорошими держащими свойствами (к_д = 912). Недостаток такого якоря -- трудоемкость и сложность его подъема и закрепления на судне по-походному. Тем не менее адмиралтейские якоря находят применение на современных судах, особенно в качестве стоп-анкеров. Мировой рекорд по глубоководной стоянке в 1959 г. был установлен научно-исследовательским судном «Витязь», когда он удерживался на глубине 11022 м с помощью двух адмиралтейский якорей.

Бесштоковый якорь Холла входит в грунт двумя лапами, составляющими единое целое с коробкой (рисунок 12.12,б). Не очень высокий коэффициент держащей силы (k_a = 34) компенсируется относительной простотой конструкции и удобством в эксплуатации. Тяжелые якоря Холла используют на крупных судах. В последнее время появились якоря повышенной держащей силы. Они, подобно якорю Холла, входят в грунт двумя подвижными лапами, которые благодаря конструкции одновременно выполняют и функцию штока, препятствующего опрокидыванию якоря. Якорь удерживает судно на месте посредством якорной цепи, один конец которой соединен с якорем, а другой закреплен на судне. Якорная цепь состоит из звеньев, которые, в свою очередь, собираются в смычки длиной 25--27 м. Между собой смычки соединяются специальными разъемными звеньями. Смычки образуют якорную цепь, длина которой составляет 50--300 м. Чтобы предотвратить скручивание цепи, в нее включают специальные поворотные звенья-вертлюги. Цепь крепится к судну специальным быстроразъемным глаголь-гаком, устанавливаемым в цепном ящике. Глаголь-гак должен иметь дистанционный привод управления, расположенный в доступном месте и позволяющий в случае необходимости быстро отдать якорную цепь.

Рисунок 12.12 Якоря: а - адмиралтейский, б - Холла

Калибр якорной цепи определяется диаметром прутка звена. У крупных судов калибр составляет 100--130 мм.

Якорь поднимается специальными якорными машинами-лебедками с горизонтальной осью (см. рисунок 12.11) -- брашпилями, которые располагаются в ДП судна и обслуживают якорные цепи обоих бортов или с вертикальной осью -- шпилями. В состав шпиля входит электродвигатель, редуктор, специальная' звездочка и турачка (рисунок 12.13). Звездочка -- литая цилиндрическая деталь с желобом, соответствующим форме звеньев. Входя в зацепление с цепью, звездочка выбирает ее или травит, поднимает либо опускает якорь.

Рисунок 12.13 Шпиль 1-- турачка; 2 -- звездочка; 3 -- редуктор; 4 -- электродвигатель

Турачки -- специальные барабаны -- служат для намотки швартовных тросов при швартовке судна.

В состав якорного устройства входят также якорные стопоры, предназначенные для удержания якоря в походном положении и для предотвращения передачи усилий с отданной якорной цепи на якорные механизмы.

Для крепления якоря по-походному и обеспечения беспрепятственного прохода якорной цепи служат якорные клюзы -- специальным образом оформленные отверстия в корпусных конструкциях.

Обычные якорные устройства рассчитаны на стоянку при глубине моря до 200 м, на больших глубинах якорные цепи не применяют, так как они рвутся под действием силы тяжести. В этом случае используют особый выделки тросы, стальные либо синтетические.

Глубоководные якорные устройства устанавливают на специальных судах -- буровых, океанографических, научно-исследовательских.

Швартовное и буксирное устройства

Основное назначение швартовного устройства -- крепление судна к причалу, к борту другого судна, к рейдовой бочке и т. д. Наиболее распространенные способы швартовки к причалу-- бортом и кормой (рисунок 12.14).Несмотря на относительную сложность второго способа (необходимо дополнительно использовать якорное устройство), ему иногда отдают предпочтение, так как плата за стоянку судна в порту зависит от длины занимаемого им причала.

Рисунок 12.14 Способы швартовки судна: а -- бортом; б -- кормой

В состав швартовного устройства транспортного судна входят швартовные механизмы, тросы, клюзы, киповые планки, кнехты, вьюшки и банкеты для хранения тросов, стопоры, кранцы и др. В качестве швартовных используются стальные, синтетические или растительные тросы. В носовой части судна швартовным механизмом служит брашпиль, на турачки которого накладываются швартовные тросы при подтягивании судна к причалу во время швартовки. На кормешвартовные механизмы -- шпиль или лебедки.

В последнее время получили распространение автоматические швартовные лебедки, контролирующие натяжение канатов. Когда изменяется положение судна относительно причала (во время грузовых операций, сопровождающихся изменением осадки по причине приливных колебаний уровня моря и др.) швартовная лебедка автоматически выбирает или потравливает трос, обеспечивая заданное его натяжение.

Через швартовные клюзы (рисунок 12.15, а) пропускаются тросы, идущие на берег. При леерном ограждении для этой цели служат киповые планки. Основное их назначение, так же, как и клюзов, -- предохранять швартовные тросы от излома и перетирания в месте их прохода через борт судна. В этом плане удобны киповые планки с вращающимися вертикальными и горизонтальными роульсами (рисунок 12.15, б).

Рисунок 12.15 Элементы швартовного устройства: а - клюз; б - киповая простая и с роульсами; в - кнехт

Кнехты -- литые или сварные тумбы -- предназначаются для крепления на них швартовных тросов. Обычно на транспортных судах устанавливают парные кнехты (рисунок 12.15, в), симметрично относительно ДП по правому и левому борту судна.

Для временного задержания троса при переносе его с барабана лебедки на кнехты используют переносные и стационарные стопоры различных типов.

В походном положении стальные тросы хранятся на так называемых вьюшках -- специальных барабанах. Для хранения синтетических и растительных тросов применяют банкеты -- приподнятые над палубой деревянные решетки, не препятствующие стеканию воды и обеспечивающие просушку троса.

Для предохранения корпуса от повреждений во время швартовки и стоянки судна у причала (или борта другого судна) применяют временные кранцы. Мягкий кранец представляет собой парусиновый мешок, заполненный каким-либо упругим материалом (например, пробковой крошкой) и оплетенный снаружи растительным тросом. Простейшими кранцами являются автомобильная шина (мягкий) и деревянная чурка (жесткий кранец). В последнее время распространение получили гидравлические кранцы -- резиновые баллоны со стальным каркасом. Все типы временных кранцев вывешиваются за борт швартующегося судна и остаются там во время стоянки.

На некоторых специальных судах (например, буксирах) устанавливают и постоянные кранцы, к которым относятся привальные брусья, кормовые и носовые буксирные кранцы.

Буксирное устройство предназначено для буксировки судна (или другого плавучего сооружения), а также для обеспечения возможности самому быть буксируемым. В морской практике используются три основных способа буксировки: в кильватер, лагом, толканием (рисунок 12.16).

Рисунок 12.16 Способы буксировки: а -- в кильватер; б -- лагом: в -- толканием

В первом случае буксируемое судно на тросе следует в кильватер за буксирующим. Буксировка может проводиться на длинном (в открытом море) и коротком (в стесненных условиях) канате. При проводке караванов во льдах используют и буксировку в кильватер вплотную. С этой целью в корме ледокола делают специальный вырез для форштевня буксируемого судна.

Буксировку лагом применяют только в сложной обстановке -- в портах, для перестановки судов. Для крепления судов бортом Друг к другу используют элементы швартовного устройства. Буксировка толканием осуществляется только у специальных морских составных судов, включающих несамоходную грузовую секцию и буксир-толкач.

Буксирное устройство транспортных судов предполагает буксировку в кильватер. В носу и в корме для этого располагаются усиленные кнехты. Для прохода буксирного троса в носу делают специальный буксирный клюз; в корме для этой цели чаще всего используют клюзы швартовного устройства.

В состав буксирных устройств и специальных буксирных судов дополнительно входят буксирные лебедки, гаки, буксирные дуги и арки, оградители буксирного троса, линеметательные аппараты и другие элементы.

Контрольные вопросы

1. В чем назначение рулевого устройства и каков его состав?

2. Какие элементы входят в грузовое устройство сухогрузного судна? Наливного?

3. Какие типы судовых спасательных средств существуют?

4. Что входит в состав якорного устройства?

5. Для чего служат швартовное и буксирное устройства и из каких элементов они состоят?

Средства управляемости и элементы циркуляций

Управляемость всех судов обеспечивается с помощью средств управления -- специальных устройств, создающих нормальные к диаметральной плоскости силы. Указанные средства управления принято подразделять на главные (ГСУ) и вспомогательные (ВСУ).

Эффективность ГСУ во многом определяется скоростью, возрастая с ростом последней. Поэтому их часто называют пассивными. К ГСУ относятся рули различных типов, поворотные винтовые насадки, направляющие аппараты судов с водометными движителями. Все они предназначены для обеспечения управляемости в основном режиме движения судна.

ВСУ называют также средствами активного управления (САУ), для своей работы они требуют подвода энергии. С их помощью может осуществляться маневрирование судна при предельно малых скоростях или даже при отсутствии хода. Наибольшее распространение получили такие САУ, как подруливающие устройства и поворотные винтовые колонки.

Самым распространенным ГСУ является рулевое устройство, включающее рабочий орган -- перо руля (или просто руль) -- и баллер, с помощью которого руль поворачивается. Перо руля представляет собой крыло малого удлинения с симметричным профилем сечения. Угол его поворота относительно ДП судна называют углом перекладки руля. Руль работает по принципу несущего крыла, возникающие на нем подъемная сила и сила сопротивления определяются величиной соответствующих коэффициентов и скоростью движения. Безотрывное обтекание руля, сопровождающееся ростом коэффициента подъемной силы, наблюдается до углов атаки а = 3035°, этими же значениями и ограничивается угол перекладки руля. Классификацию рулей можно провести по двум признакам - по способу соединения с корпусом и по расположению оси баллера относительно пера руля. Простой руль (рисунок 13.1, а) опирается на корпус в двух или более точках, а подвесной (рисунок 13.1, в) висит на баллере. Промежуточный вариант (рисунок 13.1, б) называют полуподвесным рулем. С целью уменьшения необходимого для поворота руля момента на баллере его ось смещают относительно передней кромки пера -- такие рули называются балансирными (рисунок 13.1, б). Пример не балансирного руля показан на рисунке 13.1, а; руль, представленный на рисунке 13.1, б, часто именуют полу-балансирным.

Рисунок 13.1 Основные типы судовых рулей а - простой небалансирный; б - полуподвесной (полубалансирный); в - подвесной балансирный

Площадь руля S_R в значительной степени определяет era эффективность. Обычно ее принято выражать в долях произведения длины судна L на его осадку Т:

(13.1)

где коэффициент k для различных судов лежит в пределах:

Тип судна k

Быстроходные пассажирские 85

Морские грузовые 40--70

Рыбопромысловые 20--40

Морские буксиры 30--40

Поворотная направляющая насадка (рисунок 13.2), охватывающая гребной винт, закрепляется на баллере, ось которого располагается в районе середины ее длины. При перекладке насадки на ней возникает боковая сила; кроме того, дополнительное поперечное усилие создается за счет отклонения струи винта.

Рисунок 13.2 Поворотная винтовая насадка со стабилизатором

В результате направляющая насадка обеспечивает на 40-50 % большую боковую силу, чем обычный руль, имеющий такую же площадь проекции на ДП.

Рули повышенной эффективности (РПЭ). В ряде случаев требуемые показатели управляемости не могут быть обеспечены при помощи обычных рулей или поворотных насадок. Возникает задача -- при малом отличии в габаритах и приводе существенно увеличить создаваемую рулевым устройством боковую силу.

В современных РПЭ используются в основном два известных принципа повышения коэффициента подъемной силы крыла С_у. Первый из них заключается в установке поворотного закрылка, площадь которого составляет 20-30 % общей площади крыла. При неизменном угле атаки, отклонение закрылка приводит к возрастанию Су, причем максимальное значение этого коэффициента может увеличиться на 50% по сравнению с немеханизированным крылом.

Во втором случае используется уже известными нам эффект Магнуса, возникающий при обтекании вращающегося цилиндра -- ротора -- поперечным потоком.

Подъемная сила крыла, передняя кромка которого совмещена с вращающимся цилиндром, существенно возрастает, увеличивается и критический угол атаки, до которого крыло обтекается безотрывно.

Оба эти принципа повышения боковой силы используются при создании механизированных РПЭ -- это рули с закрылками и роторные рули. Совмещение обоих принципов привело к созданию роторного руля с закрылком (рисунок 13.3).

Рисунок 13.3 Роторный руль с закрылком

В передней кромке пера руля установлен вертикальный цилиндр, в задней -- поворотный закрылок. Все элементы устройства образуют общий крыльевой профиль и при неподвижном цилиндре и не отклоненном закрылке РПЭ работает как обычный руль. Когда включены все средства механизации рассматриваемого РПЭ, создаваемая им боковая сила резко возрастает, существенно увеличивается и критический угол атаки. Как правило, включается ротор и отклоняется закрылок только при значительных углах перекладки руля, поэтому все зависимости С_у(а) исходят из начала координат, соответствующего неработающему ротору и не отклоненному закрылку. Эффективность механизации руля иллюстрируется следующими данными: по сравнению с обычным руль с закрылком уменьшает диаметр циркуляции вдвое; роторный -- в 2,5 раза; роторный руль с закрылком -- более чем в 3 раза. Еще большей эффективности можно ожидать от предложенного в С. Петербургском государственном морском техническом университете руля, оборудованного двумя роторами, на входящей и выходящей кромках.

Следует, однако, отметить, что из-за сложности всех описанных выше РПЭ они не находят широкого применения на судах.

Циркуляция судна. Если на судне, движущемся в установившемся режиме (прямолинейно с постоянной скоростью), переложить руль, то оно начнет двигаться по криволинейной траектории, называемой циркуляцией. Если при этом не изменять угол перекладки руля, то весь процесс движения, также называемый циркуляцией, можно разделить на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся. Первый из них определяется началом и концом перекладки руля и по времени весьма непродолжителен. Окончание второго периода совпадает с моментом, когда все элементы криволинейного движения приобретают постоянное значение, т. е. когда наступает установившееся движение.

До перекладки руля судно движется прямолинейно, на него действуют две лежащие в ДП и взаимно уравновешивающиеся силы: сопротивление движению и полезная тяга движителей. Как только руль выводится из нейтрального положения в ДП, на нем возникает гидродинамическая поперечная сила, под действием которой судно начинает дрейфовать в сторону, противоположную перекладке руля, и поворачиваться относительно вертикальной оси. Обтекание корпуса перестает быть симметричным, на нем, как на крыле предельно малого удлинения, также возникает поперечная сила, способствующая повороту судна в нужном направлении. Рост угловой скорости судна сопровождается ростом момента сопротивления вращению, в результате наступает установившееся движение, когда ЦТ судна движется по окружности постоянного диаметра Б_С, называемого диаметром установившейся циркуляции. Последняя, наряду с В_С, характеризуется следующими элементами:

- тактическим диаметром циркуляции: кратчайшим расстоянием между положениями ДП судна на прямом и обратном курсах D_T = (0,91,2) D_C;

- выдвигом - расстоянием, проходимым ЦТ судна в направлении прямого курса от момента начала перекладки руля до момента поворота на 90°:

- прямым смещением - расстоянием, на которое перемещается ЦТ судна в направлении, нормальном к первоначальному прямолинейному курсу, при повороте ДП судна на 90°:

- обратным смещением - наибольшим расстоянием, на которое удаляется ЦТ судна в сторону, противоположную повороту:

Элементы циркуляции зависят от угла перекладки руля а. Приведенные выше пределы их изменения характерны для морских транспортных судов при максимальных углах а = 3035°.

Все перечисленные характеристики имеют практическое значение: величину выдвига необходимо знать при отворачивании от берега или другого препятствия, прямое смещение нужно учитывать при расхождении судов, а тактически диаметр циркуляции - при маневрировании в узкостях.

Основным показателем поворотливости судна является диаметр установившейся циркуляции. Для судов с обычными рулями при а = 3035° этот диаметр изменяется в пределах

Важной характеристикой циркуляции является и ее период-- время, необходимое судну для полного поворота на 360°. Этот период зависит от скорости движения и от значения D_c и для транспортных судов составляет 3-5 мин.

Падение скорости и крен судна на циркуляции. Сопротивление движению судна на криволинейной траектории возрастает, а скорость при неизменной мощности механической установки падает. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что уменьшение скорости в основном определяется отношением диаметра установившейся циркуляции к длине судна. С достаточной степенью точности найти скорость на циркуляции можно, используя формулу Г. В. Соболева:

(13.2)

где v₀ -- скорость судна на прямом курсе

Движение на установившейся циркуляции сопровождается креном судна. Действительно, на него при этом действуют следующие силы: приложенная в ЦТ и направленная вдоль радиуса Rc наружу циркуляции центробежная сила инерции:

(13.3)

а также гидродинамические реакции на корпусе У_п и на руле Y_R. Последняя невелика, и ею можно пренебречь. Центр тяжести расположен выше точки приложения силы Y_H, поэтому водоизмещающие суда обычно кренятся наружу циркуляции. Наличие крена немедленно вызывает появление восстанавливающего момента, величина которого может быть найдена по метацентрической формуле остойчивости Мв=GhИ. Приводя моменты к точке приложения в общем случае неизвестной силы Y_H, запишем

(13.4)

где z_g, z_H -- аппликаты ЦТ судна и точки приложения Y_H; h -- метацентрическая высота

Сопоставляя (13.3) и (13.4) и принимая z_H=T/2, запишем выражение для определения угла крена

(13.5)

Практическое использование формулы (13.5) затруднено тем, что в нее входит скорость v на установившейся циркуляции, которая также подлежит определению. С учетом зависимости (13.2), начала перекладки руля до момента поворота на 90°:

(13.6)

Пример 13.1. Для судна «Инженер» определим падение скорости и крен на циркуляции. Дополнительно известно v₀ = 20 уз, DC/L = 4,3. По (13.2) находим

т. е. скорость на циркуляции составляет v = 0,68v₀-

Зная дополнительно z_g = 10,8м, h=1,10м, (по 13.5) рассчитаем угол крена

Оценка той же величины по (13.6) дает

Очевидно, что установившийся крен на циркуляции не представляет для «Инженера» сколь-нибудь серьезной опасности с точки зрения снижения остойчивости.

Контрольные вопросы:

1. Что собой представляет судовой руль? Почему углы его перекладки ограничены?

2. Что такое циркуляция и какой ее элемент является основным показателем поворотливости судна?

3. В какую сторону кренится на циркуляции водоизмещающее судно?

Сопротивления воды движению судна. Общие положения

Ходкостью называют способность судна двигаться с заданной скоростью при эффективном использовании мощности энергетической установки. Это мореходное качество в значительной степени определяет энергетические затраты, сопутствующие эксплуатации судна, а следовательно и экономические показатели последнего.

На любое тело, движущееся в жидкости, действует сила сопротивления. Чтобы ее преодолеть, к телу необходимо приложить полезную тягу-усилие, равное по величине и противоположное по направлению. При этом будет обеспечено установившееся движение, т. е. прямолинейное с постоянной скоростью. Именно такое движение является предметом изучения в курсе «ходкость».

Устройство, предназначенное для создания полезной тяги„ называется движителем. Таким образом, ходкость включает два раздела: сопротивление среды движению судна и движители. Остановимся на первом из них, который изучает закономерности формирования силы сопротивления, определяющие ее факторы, влияние условий эксплуатации судна.

Сила сопротивления, действующая на движущееся судно, зависит от скорости его перемещения, характеристик судна (его размеров и формы) и характеристик среды (физических свойств жидкости: ее плотности и вязкости). Большинство существующих судов надводные; они испытывают сопротивление со стороны воды и со стороны воздуха.

Вода -- практически несжимаемая жидкость, ее плотность, можно считать не зависящей от давления и температуры и, как уже говорилось выше, принимать равной р=1т/м³ для пресной и р=1,025 т/м³ для морской воды. В отличие от плотности кинематическая вязкость для пресной и соленой воды практически одинакова, однако она зависит от температуры:

t °С 4 8 12 16 20

10⁶v м²/с 1,57 1,39 1,24 1,11 1,01

В нашей стране при расчетах сопротивления судов температура воды считается равной t = 4°С, кинематическая вязкость при этом составляет v= 1,57 * 10^-6 м²/с.

И плотность и кинематическая вязкость воздуха зависят от температуры и давления. При атмосферном давлении и температуре t =15°С эти величины принимают значения р=1,23кг/м³, v= 1,44 * 10^-5 м²/с, которые и используются в расчетах сопротивления.

В несовпадении температур воды и воздуха нет противоречия - практически всегда они не одинаковы. В то же время, конкретные значения температур, закладываемые в расчеты ходкости, имеют принципиальное значение - они позволяют сопоставлять результаты, полученные в различных научных лабораториях, конструкторских бюро и т. д.

По давней традиции в морском флоте для измерения скорости принята специальная единица - узел, который равен одной морской миле в час. В свою очередь морская миля составляет 1852 м, что равно 1' земной дуги по меридиану т. о. 1_уз = 1852/3600 = 0,514 м/с. Для судов внутреннего плавания скорость обычно измеряется в километрах в час (км/ч).

Режимы движения судов. Все силы, действующие на движущееся судно, могут быть приведены к главному вектору и главному моменту, которые располагаются в диаметральной плоскости (ДП). Последнее объясняется тем, что корпус симметричен относительно ДП, а движение установившееся.

Схема сил, действующих на судно, приведена на рисунке 14.1. Вертикальная составляющая главного вектора -- сила поддержания R_z уравновешивает силу тяжести судна G, горизонтальная - сила сопротивления R_x - в свою очередь уравновешивается создаваемой движителем полезной тягой Т_Е. Главный момент М уравновешивает дифферентующие моменты, возникающие вследствие того, что вертикальные (R_z и G) и горизонтальные (R_х и Т_Е) силы противоположного направления в общем случае действуют вдоль разных линий.

При невысоких скоростях движения сила поддержания практически полностью определяется гидростатикой, посадка судна остается такой же, как и без хода.

Рисунок 14.1 Силы, действующие на судно

По мере увеличения скорости все большую роль начинают играть гидродинамические силы. За счет их вклада в силу поддержания водоизмещающий объем и осадка уменьшаются, судно подвсплывает, приобретает ходовой дифферент. Дальнейший рост скорости движения приводит к тому, что корпус практически полностью выходит из воды и судно начинает скользить по ее поверхности. При этом гидростатические силы постепенно уменьшаются до нуля, а сила тяжести судна уравновешивается гидродинамической силой поддержания.

В соответствии с природой действующих на судно сил поддержания и характером изменения ходовой посадки различают три режима движения: плавание, переходный и глиссирование. Как указывалось выше, режим движения определяется скоростью. Однако в размерном виде скорость может характеризовать режим движения лишь конкретного судна. Поэтому в качестве безразмерного критерия используется относительная скорость -- число Фруда по водоизмещению, записываемое следующим образом:

(14.1)

где v - скорость движения м/с; g = 9,81 м/с² -- ускорение свободного падения; D-водоизмещение (масса) судна, т; p-плотность воды, т/м³.

В (14.1) величина выступает в роли некоторого обобщенного линейного размера, который в силу неизменности массы судна (D = const) также остается неизменным при всех режимах движения. Число Фруда в традиционной записи

(14.2)

здесь использовано быть не может -- рост скорости приводит к уменьшению погруженного V объема корпуса, соответственно снижаются и его смоченная поверхность Щ и длина L действующей ватерлинии, которая фигурирует в качестве характерного размера в (3.2).

Режим плавания наблюдается при невысоких относительных скоростях движения; условия, определяющие его, можно записать в виде

; (14.3)

где г = рg- удельный вес воды, кН/м³;V - объемное водоизмещение судна без хода (v = 0), м³.

В переходном режиме увеличивается относительная скорость движения, соответственно изменяется условие равновесия вертикальных сил:

(14.4)

где V₁ < V -- погруженный объем корпуса; R_гд -- гидродинамическая сила поддержания.

Режим глиссирования -- скольжения по поверхности воды -- наступает при высоких относительных скоростях и характеризуется условиями

G = R_гд, (14.5)

Выходу на режим глиссирования в значительной степени способствует дифферент на корму, возникающий еще в переходном режиме. Дальнейший рост скорости сопровождается уменьшением угла дифферента и снижением смоченной поверхности корпуса.

При больших относительных скоростях F_rD>>3 начинается рикошетирование, когда скольжение по воде чередуется с подлетами (как плоский камень, брошенный параллельно поверхности воды). Подобный режим может наступить у высокоскоростных спортивных судов. Для того чтобы не допустить отрыва их корпуса от воды, принимаются специальные меры.

Границы между режимами достаточно условны; качественного изменения характера движения при достижении соответствующих относительных скоростей (F_rD = 1,0 и F_rD = 3,0) не происходит.

Основная часть современных кораблей и судов морского флота движется в режиме плавания, их называют водоизмещающими. В эту категорию, наряду с прогулочной весельной лодкой водоизмещением D=0,5 т и речным буксиром D=20 т, входят самые крупные военные корабли -- ударные авианосцы США (например, «Энтерпрайз», D=91 000 т), и самые крупные суда (например, сверхкрупнотоннажный танкер «Батиллус», D=630000т).

Переходный режим характерен для не очень больших, относительно быстроходных судов и кораблей. Так, например, знаменитые русские миноносцы типа «Новик» двигались в этом режиме; соответствующее максимальной скорости число Фруда Fгр = 1,8. Близки к ним в этом плане и современные фрегаты (таблица 14.1). В режиме глиссирования движутся высокоскоростные катера, относящиеся к судам с динамическим поддержанием (СДП).

Таблица 14.1 Характеристики некоторых судов

Судно	Водоизмещение D, т	Скорость vs уз	Мощность ЭУ, Рs, кВт	Относительная скорость FrD	Энерговооруж. vs = кВт/т
Навалочное	230000	12,6	13900	0,270	0,061
Контейнеровоз	77100	24	42000	0,605	0,545
Ударный авианосец	80000	35	220000	0,88	2,70
Пассажирский лайнер	41500	36	177000	1,00	4,25
Многоцелевой фрегат	3320	29	32000	1,23	9,64
Миноносец «Новик»	1300	37	22000	1;80	17,0
Глиссирующий катер	70	45	4600	3,60	66
Судно на подводных крыльях	330	62	25000	3,86	76
Судно на воздушной подушке	220	69	11200	4,61	51

К тому же классу относятся и другие быстроходные транспортные средства, у которых в расчетном режиме движения сила тяжести судна уравновешивается динамической силой поддержания. Это -- суда на подводных крыльях (СПК), суда на воздушной подушке (СВП) и суда - экранопланы (СЭП). Все СДП- сравнительно небольшие суда, водоизмещение которых на сегодня не превышает 500 т. Это объясняется тем, что за скорость приходится очень дорого платить -- энергозатраты стремительно возрастают с увеличением числа Фруда. Так, в таблице 14.1 для некоторых судов и кораблей приведены относительные скорости- F_rD и соответствующие им значения энерговооруженности, или удельной мощности, т. е. мощности, приходящейся на тонну водоизмещения v_s = Р_s/D (Р_s - мощность главной энергетической установки, ЭУ; D- водоизмещение).

На основании анализа данных таблицы 14.1 можно прийти к выводу, что создание высокоскоростных крупнотоннажных СДП -- задача на сегодняшний день совершенно нереальная. Подтверждением тому служит и пример 14.1.

Пример 14.1. Оценим мощность механической установки и ее массу, необходимые для того, чтобы навалочное судно водоизмещением D = 230000 т (см. таблице 14.1) двигался в режиме глиссирования.

Определим запасы топлива, обеспечивающие дальность плавания S=16000 миль. Примем F_rD =3,5, v_s = 65 кВт/т, найдем требуемую мощность энергетической установки (ЭУ)

Принимая для оценки удельную массу у_м40 кг/кВт, что соответствует современным паротурбинным и дизельным установкам большой мощности, определим массу ЭУ:

Приняв удельный расход топлива q_Т0,2 кг/кВт-ч и рассчитав скорость движения судна

определим запас топлива, необходимый для преодоления заданной дальности плавания:



Таким образом, суммарная масса ЭУ и запасов топлива почти в 4раза должна превысить полное водоизмещение рассматриваемого судна.

Основные составляющие сопротивления

Из курса гидромеханики известно, что при установившемся движении в безграничной идеальной жидкости тело не испытывает сопротивления -- парадокс Эйлера -- д'Аламбера. Силы вязкости при этом отсутствуют, давление в носовой и кормовой оконечностях одинаковы -- рисунок 14.2, а. Если тело приблизить к свободной поверхности, на последней возникнут волны, распределение давления вдоль тела изменится (рисунок 14.2, б), появится сила, направленная в сторону, противоположную скорости,-- волновое сопротивление. При движении в вязкой жидкости на теле создается пограничный слой, линии тока оттесняются от поверхности, соответственно в кормовой оконечности снижается давление (рисунок 14.2, в) -- тело испытывает вязкостное сопротивление R_w.

В свою очередь это сопротивление можно представить состоящим из двух частей - сопротивления трения R_F, и формы R_vP -- за счет трансформации эпюры давлений.

На основании изложенного сопротивление судна, которое движется, пересекая свободную поверхность воды, можно записать в виде

(14.6)

(в дальнейшем индекс «х» в обозначении сопротивления будем опускать).

Используя известную из гидромеханики форму представления сил динамической природы, запишем общую формулу сопротивления:

 (14.7)

где С - коэффициент полного сопротивления судна; Щ- площадь его смоченной поверхности.

Очевидно, что по аналогии с (14.6) и коэффициент полного сопротивления можно представить в виде суммы составляющих:

(14.8)

где -соответственно коэффициенты сопротивления, трения, формы, волнового и вязкостного.

Рисунок 14.2 Сопротивление движению тела: а -- в безграничной идеальной жидкости; б -- вблизи поверхности в идеальной жидкости, в -- в безграничной вязкой жидкости.

Силы вязкостной природы определяются числом Рейнольдса

(14.9)

- критерием динамического подобия, характеризующим соотношение вязкостных и инерционных сил;

Волнообразование, а следовательно и волновое сопротивление, зависят от отношения инерционных и гравитационных сил,. т.е. от критерия динамического подобия

- числа Фруда [см. (14.2)]. Тогда коэффициенты сопротивления можно представить в виде

(14.10)

Выражение (14.10) записано в предположении справедливости гипотезы о независимости отдельных составляющих. В соответствии с этой гипотезой вязкость жидкости не оказывает влияния на процессы волнообразования, а последние, в свою очередь, не влияют на вязкостное сопротивление. Строго говоря, данная гипотеза не отвечает действительности -- взаимное влияние имеет место. Однако для большинства судов оно настолько мало, что имеет порядок погрешности соответствующих экспериментов и расчетов.

Рисунок 14.3 Составляющие сопротивления 1 -- судно; 2 -- модель.

Допускаемая гипотезой нестрогость с лихвой окупается существенным упрощением экспериментальных и теоретических методов изучения сопротивления. Доля составляющих сопротивления различной природы зависит как от формы судна, так и, в значительно большей степени, от скорости его движения. При невысоких числах Фруда (Fг<0,20) преобладает вязкостное сопротивление, с ростом относительной скорости волнообразование становится все более интенсивным, соответственно возрастают волновые сопротивление и его роль в общем балансе (рисунок 14.3). Коэффициент вязкостного сопротивления от скорости зависит слабо, незначительно уменьшаясь с ее ростом. Вследствие различия в числах Рейнольдса соотношение между коэффициентами вязкостного и волнового сопротивления у модели и натурного судна не одинаково.

Большинство морских транспортных судов проектируется таким образом, чтобы относительная скорость их движения не превышала F_r = 0,250,30, когда величина волнового сопротивления не является чрезмерной. Ограничение скорости водоизмещающих судов и кораблей, вызванное указанными выше причинами, часто называют волновым барьером.

Увеличение размеров судна при неизменной скорости движения приводит к снижению числа Фруда и, соответственно, волнового сопротивления. В этом плане крупные суда имеют определенные преимущества перед более мелкими.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит сопротивление судна при его движении?

2. Какие существуют режимы движения судна?

3. Перечислите основные и дополнительные составляющие сопротивления судна.

4. Что такое буксировочная мощность судна и как она связана с мощностью главной энергетической установки?

Судовые системы. Назначение и классификация судовых систем

Комплекс трубопроводов с арматурой, обслуживающих их механизмов, емкостей, аппаратов, приборов, устройств, средств управления и контроля представляют собой судовые системы. Их назначение -- обеспечение нормальной эксплуатации судна, в первую очередь, такие его важнейшие качества, как плавучесть, остойчивость, непотопляемость, обитаемость, взрыво- и пожаробезопасность.

Все имеющиеся на судне системы можно разделить на две группы: общесудовые и системы, обслуживающие энергетическую установку. На некоторых судах, кроме того, имеются и специальные системы, обеспечивающие их специфические нужды.

Общесудовые системы по выполняемым функциям объединены в следующие группы: трюмные, балластные, противопожарные, микроклимата, санитарные, сжатого воздуха и газов.

Трюмные системы предназначены для удаления за борт воды, скопившейся в корпусе судна в процессе эксплуатации либо попавшей в него в результате аварии. В их состав входят: осушительная, водоотливаная, перепускная, а также система нефтесодержащих трюмных вод.

Балластные системы, включающие креновые и дифферентные, служат для приема, удаления и перекачки водяного балласта с целью направленного изменения посадки (осадки, углов крена и дифферента) и остойчивости судна.

Трюмные и балластные системы взаимосвязаны, они могут иметь общие участки трубопроводов, общие и взаимозаменяемые механизмы; это приводит как к снижению протяженности и массы систем, так и к повышению их надежности.

Системы пожаротушения включают системы водяного пожаротушения, паротушения, пенотушения, углекислотного тушения, систему инертных газов и другие, а также системы пожарной сигнализации.

На каждом судне имеется несколько систем пожаротушения,, в наибольшей степени отвечающих назначению судна и характеру перевозимого на нем груза.

Системы искусственного микроклимата предназначены для создания и поддержания в судовых помещениях необходимых параметров воздушной среды. С этой целью используют системы вентиляции, отопления, охлаждения помещений, осушения и кондиционирования воздуха.

Системы бытового водоснабжения включают системы питьевой, пресной мытьевой и бытовой забортной воды. Назначения всех перечисленных систем определяются их названиями.

К санитарным системам относится также сточная система, служащая для сбора и удаления с судна сточных и хозяйственно-бытовых вод.

Системы сжатого воздуха предназначены для получения, хранения и транспортировки к потребителю воздуха требуемых параметров. Различают системы низкого, среднего и высокого давления.

Наиболее развиты специальные системы танкеров. В их состав входят грузовые и обеспечивающие системы. Первые предназначены для приема, перекачки в пределах судна и выгрузки жидких грузов. Обеспечивающие включают следующие системы: газоотводную, подогрева жидкого груза, мойки танков, их орошения. Газоотводная система служит для сообщения танков с атмосферой, поддерживает в них безопасное давление при грузовых операциях.

Система подогрева повышает температуру нефтепродуктов, снижает их вязкость и тем самым облегчает их всасывание насосами и транспортировку при разгрузке.

Система мойки предназначена для очистки танков и трубопроводов при перемене сортов перевозимого груза, приемке балласта, подготовке к ремонту и т. д.

Специальная система служит для орошения забортной водой нагретых палубы и надводной части танкера с целью снижения температуры груза -- это способствует уменьшению его потерь от испарения. К специальным относятся также системы погружения, всплытия и регенерирования воздуха подводных лодок; системы подъема СВП; системы грунтоотсоса и грунторазмыва спасательных судов и т. д.

Основные требования, предъявляемые ко всем системам: высокая надежность, живучесть, коррозионная стойкость, компактность и малая масса, высокая степень автоматизации и механизации, приемлемые экономические показатели.

Контрольные вопросы

1. Какие системы называются общесудовыми и почему?

2. Система водоснабжения

3. Система вентиляции

Движители, методы их расчета. Типы судовых движителей. Краткие сведения из теории движителей

Движителем называется преобразователь энергии, предназначенный для создания полезной тяги Т_Е. Последняя уравновешивает сопротивление R и обеспечивает судну установившееся движение. При этом в общем случае должно выполняться условие

...