Теория устройства судна

(23.9)

где g - ускорение свободного падения;

a - расчетное значение ускорения при бортовой качке, определяемое по рекомендациям норм.

Если требование не удовлетворяется, эксплуатация судна может допускаться с ограничением по погоде или при условии принятия дополнительных мер предосторожности по согласованию с Регистром.

Контрольные вопросы

1. Какие силы создают восстанавливающий момент при накренении судна?

2. Что такое метацентр и почему он так называется?

3. Что является мерой начальной остойчивости судна?

Пути совершенствования мореходных качеств. Общие положения

История судостроения -- это одновременно и история постоянного повышения мореходных качеств судов. Сначала конструкторы при решении этих задач шли чисто эмпирическим путем, затем развитие теории корабля дало новые идеи, а вместе с ними и новый импульс в этом направлении.

Основные цели, преследуемые при совершенствовании мореходных качеств:

-- повышение безопасности мореплавания,

-- улучшение обитаемости судна,

-- повышение экономических показателей эксплуатации судна,

-- снижение отрицательного влияния на окружающую среду, т. е. повышение экологичности.

Приоритеты целей в различные времена менялись, сегодня на первое место выходят вопросы экономики и экологии, которые тесно переплетены между собой.

Следует отметить, что мероприятия, направленные на улучшение какого-либо мореходного качества, как правило, оказывают положительное влияние и на некоторые другие. Так, например, успокоители качки снижают ее амплитуды и тем самым улучшают обитаемость судна. Вместе с тем снижается опасность перемещения грузов и, следовательно, частично решаются проблемы остойчивости. Кроме того, несколько повышаются ходовые качества судна за счет снижения его сопротивления и более стабильной работы пропульсивного комплекса.

Установка парусного вооружения, основного или вспомогательного, улучшает экономические показатели судна, его обитаемость (уменьшаются шум, вибрации), снижает амплитуды качки (известный «успокоительный» эффект парусов), способствует поддержанию экологической чистоты.

Многокорпусные суда обладают не только пониженным волновым сопротивлением, но и высокой поперечной остойчивостью. Плавучесть, остойчивость и непотопляемость судов нормируются Правилами Регистра, и этими нормами руководствуются при проектировании. На некоторых специализированных судах, перевозящих грузы на палубе (лесовозы, контейнеровозы), выше ватерлинии иногда делают развал бортов, что способствует повышению их остойчивости.

Проблемы могут также возникнуть при модернизации или ремонте. Так, один из распространенных вариантов модернизации -- удлинение судна -- может приводить к тому, что остойчивость станет недостаточной. Прием большого количества твердого балласта ведет к снижению грузоподъемности судна и вряд ли может считаться прогрессивным решением.

Рисунок 24.1 Схема бортового буля

В подобной ситуации иногда прибегают к установке бортовых булей (рисунок 24.1), которые простираются на часть длины судна. Таким образом в ФРГ в 1980 г. были модернизированы три грузовых судна. До переоборудования их длина составляла 216 м, а ширина 32,3м. Суда были удлинены на 14,8 м, и для повышения их остойчивости установили бортовые були, увеличившие ширину на 4 м. Общая длина этих булей составила 96 м. Их форма была выбрана после буксировочных испытаний различных вариантов моделей в опытовом бассейне. В результате скорость пере-оборудованного судна снизилась всего на 3,5 %, в то время как грузоподъемность возросла на 29 %.

Достаточно широко бортовые були используют на маломерных спортивных и прогулочных судах. В этом случае они позволяют не только увеличить остойчивость на стоянке и ходу, но также повышают запас плавучести и способствует обеспечению непотопляемости.

Основное внимание, однако, уделяется совершенствованию ходовых качеств судна, умерению его качки, повышению управляемости.

Методы повышения эффективности гребных винтов. Работа гребного винта сопровождается потерями мощности, во-первых, в самом преобразователе энергии -- движителе, во-вторых,-- при его взаимодействии с корпусом судна.

Выше было показано, что КПД гребного винта отличается от единицы вследствие потерь на создание вызванных осевых и окружных скоростей, концевых и профильных потерь. За исключением последних, все остальные потери -- индуктивные и зависят от коэффициента нагрузки по упору, увеличиваясь с его ростом.

Идеальный движитель имеет единственные потери энергии -- на создание вызванных осевых скоростей. Снижение этих потерь до нуля невозможно в принципе -- это противоречило бы идее создания упора гребным винтом как гидрореактивным движителем. Остальные индуктивные потери на создание вызванных окружных скоростей и концевые теоретически могут быть сведены к нулю, хотя достичь этого на практике не удается.

Профильные или конструктивные потери имеют вязкостную природу. На сегодняшний день конструкция и технология изготовления гребных винтов таковы, что достичь заметного эффекта за счет дальнейшего совершенствования формы профиля сечения, уменьшения толщины лопасти и диаметра ступицы, улучшения качества поверхности лопастей практически не удается -- все эти возможности уже исчерпаны. Таким образом, профильные потери у современных гребных винтов близки к своему нижнему пределу.

Мероприятия, предотвращающие кавитацию, в явном виде не влияют на эффективность работы гребного винта. Самым радикальным способом достижения той же цели -- отдаления кавитации - является увеличение дискового отношения, что, однако, влечет за собой снижение КПД винта. Таким образом, устранение кавитации можно рассматривать в качестве одного из способов повышения, пусть не прямого, а косвенного, КПД. гребного винта.

Определенные резервы скрыты и в улучшении взаимодействия винта с корпусом судна. Во-первых, речь может идти о более полной утилизации энергии попутного потока и соответствующего повышения пропульсивного коэффициента. Во-вторых, уменьшение неравномерности поля скоростей благоприятно сказывается на прочностных и кавитационных характеристиках гребного винта, снижает периодические составляющие упора и момента.

За последние 20 лет достигнуто снижение расхода топлива более чем на 20%, в основном благодаря успехам судовой гидромеханики. В первую очередь это объясняется широким использованием бульбовой носовой оконечности, затем следует назвать способы повышения эффективности комплекса гребной винт -- корпус судна. Все эти способы можно условно разделить на две группы: снижающие потери энергии гребного винта и улучшающие характеристики его взаимодействия с корпусом. Наиболее перспективными средствами первой группы являются: направляющие насадки, соосные винты, малооборотные винты повышенного диаметра, гребные винты с нагруженными концевыми сечениями лопасти и с осевой турбинкой на обтекателе ступицы. Взаимодействие улучшается за счет использования гребных винтов с большой откидкой лопастей, предвинтовых направляющих насадок, специальной профилировки кормовой оконечности, а также путем активного воздействия на поле скоростей в диске гребного винта.

Снижение потерь на создание вызванных осевых скоростей. Одним из эффективных способов снижения этих потерь следует назвать установку направляющих насадок (НН). Они представляют собой кольцевые тела, образованные крыльевым профилем, с минимальным зазором охватывающие лопасти гребного винта. Наибольшее распространение получили осесимметричные НН соосные с гребным винтом.

Площадь входного сечения такой насадки (рисунок 24.2) больше площади выходного, поэтому эти насадки еще называют ускоряющими. На элементе насадки, как на крыле, обтекаемом потоком с углом атаки а, возникают подъемная сила ?Y и сила профильного сопротивления ?Х. Результирующая этих сил отклонения в сторону движения судна и создает элементарную силу упора ?Т_Н.

Рисунок 24.2 Направляющая насадка

Проинтегрировав эти силы по всей окружности, получим упор насадки Т_н, который увеличивается с ростом коэффициента нагрузки по упору С_ТА. Упор Т_к комплекса гребной винт -- НН складывается из упоров его элементов:

Т_к = Т_В + Т_Н (24.1)

Более высокая, по сравнению с изолированным винтом, эффективность комплекса объясняется как увеличением скорости протекания жидкости через диск гребного винта, так и созданием упора направляющей насадкой. Оба эти фактора снижают величину С_ТА винта в НН и увеличивают его КПД. Дополнительный эффект достигается за счет резкого снижения концевых потерь -- зазоры между телом НН и лопастями винта настолько малы, что практически устраняют перетекание жидкости с нагнетающей поверхности на засасывающую.

НН дает положительный эффект только при достаточно высоких значениях С_ТА > 1,0. Особенно показано ее применение для тяжелонагруженных винтов, когда на ходовых режимах упор повышается на (20-30)%, а на швартовных до (40-50) %.

В последнее время на крупнотоннажных судах используют и неосесимметричные насадки - их профиль в каждом меридиональном сечении различен. Наряду с описанным выше эффектом, эти насадки способствуют направленному выравниванию поля скоростей в диске винта, что снижает нагрузки, вызывающие изгибные колебания валопровода. По некоторым оценкам, применение неосесимметричных насадок на крупных, танкерах в грузу повышает КПД на 6-9%, хотя в балласте может давать и отрицательный эффект (малые С_та).

Второй путь снижения потерь на вызванные осевые скорости -- использование гребных винтов большого диаметра. Увеличение последнего приводит к росту КПД вследствие снижения коэффициента нагрузки С_та. При этом несколько уменьшается коэффициент попутного потока, а вместе с ним и коэффициент влияния корпуса, однако общий эффект всегда положительный -- пропульсивный коэффициент в целом возрастает. Оценки для судна водоизмещением D = 50 тыс. т показали, что увеличение диаметра гребного винта с 6,3 до 8,6 м приводит к росту КПД винта на 26 %, снижению коэффициента влияния корпуса на 11 % и увеличению пропульсивного коэффициента на 12%.

Существенное повышение диаметра винта чаще всего должно сопровождаться соответствующим изменением формы кормовой оконечности: приданием ей полутуннельных образований, препятствующих прорыву воздуха к гребному винту.. Увеличение диаметра оптимального гребного винта ведет к снижению частоты вращения; так, в рассматриваемом примере она уменьшилась с 122 до 65 об/мин. В свою очередь это приводит к росту крутящего момента и соответствующему увеличению размеров и массы гребного вала.

Дополнительные проблемы: возможное повышение виброактивности гребного винта, сложность обеспечения его погружения при ходе в балласте.

Снижение потерь на создание вызванных окружных скоростей. Все способы повышения окружного КПД гребного винта сводятся к утилизации энергии закрученного потока. В этом плане достаточно давно известны и используются контрвинты (контрпропеллеры) - неподвижные конструкции, располагаемые перед винтом либо за ним. В первом случае контрвинт выполняет функции направляющего аппарата, во втором -- спрямляющего. В обоих случаях -- это несколько (две-четыре) профилированных, обтекаемых потоком с углом атаки неподвижных лопастей, на которых создается дополнительный упор. Контрвинт может увеличивать КПД тяжелонагруженного гребного винта на 10-15 %, но только в расчетном режиме. На других режимах эффективность конструкции снижается и может стать отрицательной. Это обстоятельство, а также некоторое ухудшение маневренности и уменьшение КПД гребного винта на заднем ходу существенно ограничивает применение контрпропеллеров.

В середине 60-х гг. западногерманский ученый Грим предложил использовать вращающийся контрпропеллер, установленный за гребным винтом. Эта конструкция, известная под названием направляющего лопастного колеса (НЛК) или просто колеса Грима, получила достаточно широкое распространение. Лопасти свободно вращающегося НЛК спрофилированы таким образом, что колесо работает как гидротурбина на внутренних радиусах (т. е. в закрученной струе гребного винта) и как обычный винт на наружных. НЛК не ухудшает маневренности, улучшает кавитационные и вибрационные характеристики гребного винта и в широком диапазоне скоростей увеличивает его КПД на (7--10)%.

В наибольшей степени утилизация энергии закрученного потока достигается в установке, содержащей два соосных гребных винта противоположного вращения. Дополнительные преимущества: возможность обеспечения большого дискового отношения 2(А_Е/А₀) при умеренной ширине лопасти, более полная утилизация энергии попутного потока (более высокий коэффициент влияния корпуса) и меньший, чем у эквивалентного одиночного винта, оптимальный диаметр.

Пропульсивный коэффициент соосного комплекса превышает таковой у одиночного винта на (15-20)%, причем большие значения относятся к слабонагруженным винтам. При Ста > > 3,0 направляющая насадка более эффективна, чем соосные винты. Соосные винты из-за сложности конструкции применялись только на торпедах. Первыми стали использовать такие движители на транспортных судах японские судостроители. Еще в конце 80-х годов соосными гребными винтами они оборудовали два судна - дедвейтом 37 тыс. т. и 6 тыс. т. В 1993 г, фирма «Мицубиси» построила танкер дедвейтом 258 тыс. т., на котором установлен 5-лопастной передний винт диаметром 9,9 м с частотой вращения 50,4 об/мин и 3-лопастной задний диаметром 8,8 м (84 об/мин). Расход топлива сократился на 15-20%.

Для обеспечения высоких (v_S > 25 уз) скоростей движения крупнотоннажных транспортных судов необходима большая мощность механической установки. В ряде случаев она не может быть эффективно переработана одним гребным винтом, установка двух винтов по традиционной схеме сопровождается снижением эффективности.

В связи с этим возникла идея создания двухвальных установок, диски винтов которых перекрывают друг друга. При этом возможны две модификации: когда винты расположены в одной плоскости и когда они сдвинуты в осевом направлении.

В обоих вариантах расстояние между осями винтов меньше их диаметра, они приближены к ДП, что способствует повышению коэффициента влияния корпуса. Кроме того, в той части, где диски винтов перекрывают друг друга, снижаются потери на закручивание потока. Если винты располагаются в одной плоскости, необходима синхронизация их вращения, установка теряет преимущества двухвальной с точки зрения живучести и: маневренности.

Рисунок 24.3 Перекрывающиеся гребные винты

Второй вариант лишен этих недостатков (рисунок 24.3), его необходимо рассматривать как единый комплекс гребные винты -- кормовая оконечность. При рациональном выборе формы последней и оптимальном взаимном расположении винтов пропульсивный коэффициент комплекса может на (5--8) % превышать таковой у эквивалентного по упору одиночного винта и быть на (20--25) % больше, чем у традиционной двухвальной установки. Недостаточная изученность всех аспектов (виброактивность, кавитационная стойкость перекрывающихся гребных винтов -- причина, по которой сегодня они не находят применения.

Способы предотвращения кавитации гребного винта. Прежде всего следует назвать винты тандем - расположенные друг за другом на одном гребном валу. Как правило, это два винта, но известна конструкция и с тремя винтами. КПД винтов тандем всегда ниже, чем КПД эквивалентного одиночного винта, однако возможность существенного увеличения дискового отношения (в два раза и более) оправдывает применение этих винтов в отдельных случаях, когда все средства отдаления кавитации уже исчерпаны.

Предотвращению кавитации может теоретически способствовать и установка замедляющей направляющей насадки. В этом случае скорость протекания жидкости через диск гребного винта снижается, уменьшается и КПД комплекса по сравнению с КПД одиночного винта, однако с этим приходится мириться, чтобы избежать вредных последствий кавитации.

Снижение концевых потерь. Все типы направляющих насадок предотвращают перетекание жидкости у края лопасти - это их дополнительный положительный эффект. Однако существуют конструкции, где эта цель - уменьшение концевых потерь является основной. К ним относятся гребные винты с нагруженными концевыми сечениями лопасти (гребные винты без концевых вихрей). Края лопастей таких винтов снабжены концевыми шайбами специальной профилировки либо просто отогнуты на 90°. Устранение концевых потерь и одновременное уширение рабочих периферийных сечений лопасти приводит к повышению КПД винта. Улучшаются и кавитационные характеристики такого винта, снижается его виброактивность.



Рисунок 24.4 Гребной винт

Рисунок 24.5 Предвинтовая с БОЛ направляющая насадка

В последнее время находит применение еще один способ повышения эффективности гребного винта. В центре осевого вихря, генерируемого работающим гребным винтом, на обтекателе ступицы устанавливаются специально спрофилированные лопасти, играющие роль турбины, предназначенной для утилизации энергии этого вихря. Данная конструкция -- осевая турбинка на обтекателе ступицы (ОТНОС) повышает КПД гребного винта на 2--4 %.

Улучшение характеристик взаимодействия гребного винта и корпуса. Здесь можно наметить два основных пути: приспособление гребного винта к заданному полю скоростей и направленное изменение характеристик потока в диске гребного винта.

Первый путь реализуется при проектировании гребного винта, приспособленного к попутному потоку. Недостатки -- учитывается только осевая неравномерность поля скоростей, да и то осредненная по окружности заданного радиуса.

Хорошие результаты получают при использовании гребных винтов с большой откидной лопастью (ГВ с БОЛ) (рисунок 24.4). Такая форма контура практически не изменяет ГДХ гребного винта, однако при работе в неравномерном поле скоростей существенно снижает амплитуды гидродинамических давлений и уровень вибрации кормовой оконечности.

Направленное изменение поля скоростей в диске гребного винта может осуществляться пассивными (без подвода энергии) и активными средствами.

Один из вариантов - асимметричная кормовая оконечность (АКО), закручивающая поток в сторону, противоположную вращению гребного винта. В результате повышается пропульсивный коэффициент, снижается боковая сила, уводящая судно с курса. Опыт эксплуатации судов с АКО подтверждает их высокие экономические показатели.

В последние годы на судах транспортного флота все шире применяются предвинтовые направляющие насадки (ПВНН). Они располагаются в кормовой оконечности судна, составляя с ним единое целое (рисунок 24.5).

Конструкции ПВНН весьма разнообразны: их диаметр может быть и большим и меньшим, чем у гребного винта; они могут быть соосными с винтом и сдвинутыми вверх относительно его оси. Иногда в насадках устанавливается спрямляющий аппарат типа контрвинта. ПВНН увеличивают пропульсивный коэффициент, снижают кавитацию и виброактивность гребного винта, и все это без ухудшения маневренности судна и его реверсивных характеристик.

Ограниченное применение находят направляющие конструкции крыльевого типа, располагаемые на корпусе или кронштейнах гребного винта.

Активное выравнивание поля скоростей может осуществляться с помощью вспомогательных водометных движителей либо винтов малого диаметра, располагаемых перед основным гребным винтом. На сегодняшний день эти способы еще не находят применения в силу относительной конструктивной сложности и недостаточной изученности.

Контрольные вопросы

1. Какие основные цели преследуются при повышении мореходных качеств судов?

2. Какие существуют способы снижения вязкостного сопротивления? Волнового?

3. Что собой представляют направляющие насадки и каково их назначение?

4. Какие известны способы снижения потерь энергии на закрутку потока за винтом?

5. Какие способы повышения пропульсивных качеств находят применение на современных судах?

Лабораторные занятия 1

Рангоут и мачта судна

Цель работы: Ознакомление студентов с понятиями рангоута и мачты судна.

Под рангоутом и такелажем судна понимают всю движущуюся или находящуюся в состоянии покоя оснастку - мачты, грузовые полумачты, реи, гафели, грузовые стрелы, ванты, штаги со всеми относящимися к ним деталями. Это название сохранилось со времен парусных судов, правда, его значение за это время существенно изменилось. Так, первоначально рангоут и такелаж парусного судна обеспечивали продвижение судна вперед, а в настоящее время их главной задачей на современных грузовых судах является размещение грузового устройства, а на пассажирских судах, ледоколах, буксирах и подобных им плавучих средствах -- сигнального оборудования.

Главной частью рангоута является мачта. В зависимости от цели применения различают сигнальные, грузовые и специальные мачты из дерева или из труб, изготовленных из стали или легкого металла. Для восприятия сил, возникающих вследствие бортовой и килевой качки при сильном волнении, мачты крепятся к бортам или в диаметральной плоскости при помощи вант и штагов, состоящих из стальных проволочных тросов. На сигнальных мачтах помещаются сигнальная и радиоантенная реи, а часто также и гафель для подъема флага страны (рисунок 1). Кроме того, на них находятся флажные фалы и держатель для фонаря.



Рисунок 1.1 Рангоут и такелаж грузовых судов: а -- грузовое и сигнальное устройства грузового судна старой конструкции; b -- грузовое судно с грузовыми стрелами и судовыми кранами.

Наиболее простую конструкцию имеют трубчатые мачты (рисунок 1.2, а), у которых спереди и сзади имеется по одной грузовой стреле. Для размещения других грузовых стрел на топе мачты монтируется салинг, и в двух-трех метрах над палубой к мачте крепится траверса. Концы траверсы опираются на короткие вентиляционные стойки.

Салинг и траверса часто состоят из одной коробчатой балки (рисунок 1.2, b). У наиболее часто встречающихся двуногих мачт обычно отсутствует стоячий такелаж, за счет чего повышается обзорность открытой палубы. Иногда при работе с тяжеловесными грузовыми устройствами на противоположной стороне устанавливаются штаги (рисунок 1.2, с).

Рисунок 1.2 Грузовые мачты: а - трубчатая мачта; b - трубчатая мачта с салингом и траверсой грузовой стрелы; с - двуногая мачта: 1 - антенный рей; 2 - рей; 3 - прожекторный рей; 4 - пост наблюдения на мачте («воронье гнездо»); 5 - ванты; 6 - стеньга; 7 - салинг; 8 - вентиляционная колонна; 9 - фундамент грузовой стрелы.

Грузовые полумачты в отличие от мачт редко снабжаются стеньгами и устанавливаются парами вне диаметральной плоскости судна между люками или на люках. Как правило, они не имеют штагов, но часто соединяются между собой посредством связывающего штага или траверсы.

Грузовые полумачты (рисунок 1.3) часто используются для вентиляции грузового трюма; в этом случае в них предусматриваются раструбы палубного вентилятора.

Рисунок 1.3 Грузовые полумачты: а - расположение полумачт; b - полумачты с траверсой; с - полумачты с топриком и вантами; d - полумачты без штагов: 1 - стеньга; 2 - траверса; 3 - грузовая полумачта; 4 - топрик; 5 - ванты.

Мачты и полумачты крепятся при помощи вант и штагов, которые почти во всех случаях состоят из стальных тросов. Они прикрепляются одним концом к мачте (салингу) или к полумачте прочными обухами (вантовыми обухами), а другим концом -- к основаниям вант (вант-путенсам) в непосредственной близости от фальшборта. Ванты или штаги обухами присоединяют к мачте или к вант-путенсам при помощи мочек; при наличии вильчатых канатных замков мочки не требуются. Между вантами или штагами и вант-путенсами расположены талрепы для подтягивания тросов.

Лабораторная работа 2

Теоретический чертеж и сечение корпусов судна

Цель работы: Ознакомление студентов с графическим изображением наружной поверхности корпуса судна, дающее полное представление о форме его обводов

Теоретический чертеж представляет собой графическое изображение теоретической поверхности корпуса судна, в качестве которой принимается внутренняя поверхность наружной обшивки (без учета наружной обшивки).

Он образуется путем проектирования различных сечений корпуса судна на три главные взаимно перпендикулярные плоскости: фронтальную, горизонтальную и профильную (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Главные взаимно перпендикулярные плоскости

За фронтальную плоскость проекции принимают продольно-вертикальную плоскость, проходящую вдоль всего судна по середине его ширины и разделяющую судно на две симметричные части - правую (правый борт) и левую (левый борт). Эту плоскость называют диаметральной плоскостью (ДП).

За горизонтальную плоскость проекции принимают плоскость, проходящую через самую нижнюю точку корпуса судна перпендикулярно диаметральной плоскости. Эту плоскость называют основной плоскостью (ОП).

За профильную плоскость принимают вертикально-поперечную плоскость, которую проводят посередине проектной (расчетной) длины судна. Эту плоскость, делящую судно на две части - носовую и кормовую, называют плоскостью мидель-шпангоута и обозначают знаком.

Для более полного изображения формы обводов на теоретическом чертеже поверхность корпуса судна рассекают системой вспомогательных плоскостей, параллельных указанным выше трем главным плоскостям проекции.

При пересечении поверхности корпуса судна плоскостями, параллельными плоскости мидель-шпангоута, получают кривые линии - теоретические шпангоуты. Изображение проекции всех шпангоутов на плоскости мидель-шпангоута называют корпусом.

При пересечении поверхности корпуса судна плоскостями, параллельными диаметральной плоскости, образуются кривые линии - батоксы. Изображение проекции всех батоксов па ДП называют боком.

Рисунок 2.2 Теоретический чертеж

При пересечении поверхности корпуса судна, плоскостями параллельными основной плоскости, получают кривые линии - теоретические ватерлинии. Изображение проекции всех ватерлинии на основную плоскость, образует третью проекцию теоретического чертежа, которая называется - полуширотой. Пересечение основной плоскости с диаметральной образует основную линию (ОЛ), а пересечение дп с теоретической поверхностью корпуса судна в днищевой части -- килевую линию. Ватерлиния, которая совпадает с поверхностью спокойной воды, при плавании судна с полной нагрузкой по проектную осадку, называется конструктивной (KВЛ) или грузовой (ГВЛ). Любая другая ватерлиния, соответствующая конкретному случаю нагрузки, называется расчетная.

Для точного построения теоретического чертежа производится мысленное сечение корпуса рядом дополнительных плоскостей, параллельных основным. Все линии теоретического чертежа должны иметь плавный характер, кроме мест, где поверхность корпуса имеет переломы.

По внешнему виду теоретического чертежа можно судить о назначении судна, ето мореходных качествах. Острые образования ватерлинии - признак того, что судно предназначено для больших скоростей. "Полные" образования говорят о том, что судно тихоходное. Наклонные носовые батоксы и развалистые шпангоуты характеризуют хорошую восходимость на волну, нос не зарывается в воду.

На теоретическом чертеже иногда проекцию "корпус" располагают в средней части проекции "бок", когда судно имеет значительную цилиндрическую вставку.

Проектные теоретические чертежи крупных судов выполняют в масштабе 1:100, малых судов - 1: 50 или 1:25.

При постройке судна теоретический чертеж выполняют на плазе в масштабе 1:1 или 1:10.

Изображение формы судна. Корпус судна симметричен относительно его диаметральной плоскости (рисунок 2.3). Ограничительные поверхности и плоскости сечений корпуса, а также объемы почти невозможно описать математическими функциями. Поэтому для изображения формы корпуса рассекают его системой плоскостей, и получаемые при этом линии сечений и ограничительные линии вычерчивают на так называемом теоретическом чертеже.



Рисунок 2.3 Изображение корпуса судна на теоретическом чертеже: а - бок, b - корпус, с - полуширота, 1 - корпус носовой оконечности, 2 - диаметральная плоскость, 3 - корпус кормовой оконечности

Для изображения корпуса судна теоретический чертеж, как правило, должен включать следующие проекции.

Бок. Этот чертеж изображает наружные контуры судна в разрезе по ДП, так как секущая плоскость проводится вертикально в продольном направлении корпуса. Кроме того, чертеж содержит сечения, лежащие на одинаковых расстояниях друг от друга и параллельные ДП, - так называемые батоксы. В зависимости от размеров судна принято давать от трех до пяти сечений; для более точного изображения формы судна при наличии конструктивных особенностей (бульб или острая форма) предусматривается еще одно сечение.

Полуширота. Обводы по ватерлинии дают сечения, которые при нормальном положении судна на плаву проводятся на равных расстояниях друг от друга параллельно уровню воды. Таким образом, они представляют собой ограничительные линии корпуса судна в горизонтальных плоскостях. Обычно ватерлинии делят конструктивную осадку на равное число одинаковых частей; иногда применяют более удобное разделение в метрах, а затем вычерчивают конструктивную ватерлинию.

Ватерлинии, начиная от основной плоскости по направлению к палубе, обозначают арабскими цифрами. Чтобы лучше показать переход шпангоутов в днище, часто проводят половинную ватерлинию (ВЛ1/2). Кроме того, на полушироте изображают контуры кромки палубы - вид сверху, кромки палубы бака и других надстроек, а также фальшборт.

Корпус. Контуры теоретических шпангоутов получатся, если корпус судна рассечь вертикально под прямым углом к основной плоскости. Теоретические шпангоуты делят длину судна между перпендикулярами на четное количество равных частей и обозначаются по направлению от носового перпендикуляра к кормовому арабскими цифрами; кормовым перпендикуляром является при этом шпангоут 20, а носовым - шпангоут 10. Чтобы отразить сложную форму оконечностей судна, вводят, кроме того, половинные шпангоуты, которые получают, например, обозначения: 1/2, 11/2...181/2, 191/2. В месте перехода в кормовую оконечность (крейсерская корма) проводят еще дополнительные шпангоуты, которые от кормового перпендикуляра в корму обозначаются по порядку отрицательными числами. Кроме того, на «корпусе» изображают контуры кромки палубы: вид с носа, палубы надстроек в оконечностях судна и фальшборта.

Чертеж по рыбинам. Рыбины возникают благодаря сечениям, которые проводятся под определенным углом к диаметральной плоскости (рисунок 2.4). Обычно так выбирают углы наклона сечений рыбин на «корпусе», чтобы они рассекали теоретические шпангоуты в среднем вертикально. Рыбины обозначают маленькими буквами по направлению изнутри наружу. Рыбина, которая проходит через скулу, называется скуловой. Обычно проводят 3-- 5 рыбин.

Рисунок 2.4 Чертеж по рыбинам

Теоретический чертеж

Положение секущих плоскостей всех четырех проекций (корпус, полуширота, бок и рыбины) на теоретическом чертеже видно из рисунка; обычно кормовая оконечность лежит слева, а носовая - справа. На «корпусе» справа расположены шпангоуты носовой оконечности, слева - шпангоуты кормовой, на «полушироте» - ватерлинии левого борта, в чертеже по рыбинам, лежащим под ним, - рыбины правого борта. Продольные сечения можно считать как сечениями правого, так и сечениями левого борта. На этих чертежах теоретические линии отражают объем корпуса судна по наружной кромке шпангоутов.

Внешнее ограничение объема корпуса судна является, таким образом, гладкой поверхностью, которая ограничена внутренней кромкой наружной обшивки, причем различные толщины и неровности, такие как соединения внахлест, удвоения и т. д., не учитываются.

Теоретический чертеж - основа всех судостроительных чертежей, например, положения и контура конструктивных шпангоутов (плазовый чертеж), разверток листов, а также теоретических расчетов судна (например, расчетов остойчивости и дифферента).

Лабораторная работа 3

Общее понятие плавучести

Цель работы: Ознакомление студентов о понятии плавучести

Под плавучестью судна понимают его способность плавать в определенном положении относительно поверхности воды, неся все предназначенные по роду его службы грузы, и иметь при этом заданное погружение (осадку). Во время эксплуатации судно по тем или иным причинам может получить пробоину, через которую внутрь его корпуса будет поступать вода. Поэтому, наряду с водоизмещением судна, важно знать запас его плавучести, т.е. количество груза, которое может быть принято на судно, чтобы оно не затонуло. Подобно тому, как мерой плавучести судна является объем, ограниченный его подводной поверхностью, запас плавучести измеряется объемом подводной части судна, причем сюда относят только те отсеки, водонепроницаемость которых обеспечена. На неподвижное судно, плавающего на тихой воде, действуют две категории сил: силы тяжести и силы гидростатического давления.

Силы тяжести складываются из веса всех частей судна и находящихся на нем грузов. Эти силы приводятся к одной равнодействующей Р, которая называется весом судна.

Сила тяжести всегда направлена по вертикали вниз и приложена в центре тяжести судна (ЦТ) точке G с координатами: X_g, Y_g, Z_g. Так как поверхность спокойной воды горизонтальна, то сила тяжести всегда перпендикулярна действующей ватерлинии.

Силы гидростатического давления действуют на всю поверхность погруженной в воду части корпуса судна. Они также приводятся к одной равнодействующей D, которая называется силой плавучести. Сила плавучести всегда направлена по вертикали вверх и приложена в центре величины судна (ЦВ) точке С с координатами: X_g, Y_g, Z_g. Центр величины точка С является геометрическим центром погруженного в воду объема судна V. В соответствии с законом Архимеда сила плавучести определяется как произведение объемного веса воды на объем погруженной в воду части корпуса судна:

где г - удельный вес воды, тс/м³; V - объемное водоизмещение, м³; г · V - весовое водоизмещение, тс; при этом г=с·g, где с - плотность воды, g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения. Водоизмещение является мерой плавучести и позволяет качественно охарактеризовать это свойство.

У всех судов: Y_c = Y_g = 0; X_c и X_g < 0; Z_c > Z_g

Запасом плавучести называют водонепроницаемый объем судна, расположенный выше действующей ватерлинии. Запас плавучести А отражает предельно возможное приращение силы плавучести судна до его полного ухода под воду. Он определяет наибольший вес груза, который может принять судно и является важнейшим фактором, обеспечивающим непотопляемость судна и измеряется в м³ или в %.

Запас плавучести судна составляет 150-250% от нормального водоизмещения судна. практически следует считать положение судна тяжелым, если остаточный запас плавучести составляет менее 30% от водоизмещения неповрежденного судна.

Лабораторная работа 4

Запас плавучести и грузовой размер судна

Цель работы: Изучение основных положений Международной Конвенции о грузовой марке. Определение высоты надводного борта с целью назначения судну минимально-допустимого запаса плавучести

Плавучесть -- одно из важнейших мореходных качеств судна, которое определяет возможность его эксплуатации и отличает от других видов транспортных средств.

Грузовой размер -- кривая водоизмещения V(Т) или М (Т).

Любое судно для обеспечения безопасности мореплавания должно иметь избыток водоизмещения -- запас плавучести. Под запасом плавучести понимают объем водонепроницаемости корпуса выше ватерлинии или то дополнительное количество груза, которое судно может принять до момента потери способности держаться на воде.

Запас плавучести морских судов определяется высотой надводного борта -- пока он сохраняется, судно плавает на воде. Минимальный надводный борт устанавливается Правилами регистра в зависимости от назначения судна, характера грузов, перевозимых судном; длины и конструктивных особенностей судна, условий плавания и т.д.

Назначенный судну надводный борт фиксируется нанесением на обоих бортах палубной линии, показывающей положение палубы надводного борта, относительно которой он рассчитывался, знака грузовой марки и грузовых марок, отмечающих наибольшие осадки, до которых судно может быть загружено в различных условиях плавания.

Палубная линия наносится посередине длины судна так, чтобы се верхняя кромка совпадала с линией пересечения верхней поверхности палубы с наружной поверхностью борта.

Знак грузовой марки судов, совершающих международные рейсы, имеет Форму кольца. которое пересекает горизонтальная линия (рисунок 4.1, а). Верхняя кромка этой линии проходит через центр кольца, расположенный посередине длины судна. Расстояние от верхней кромки палубной линии до центра кольца представляет собой минимальный надводный борт. Знак грузовой марки судов, не совершающих международных рейсов, а также рыболовных судов разделяется дополнительно вертикальной линией, проходящей через центр кольца (рисунок 4.1, б).

На судах, совершающих международные рейсы, и судах неограниченного плавания наносятся следующие грузовые марки (рисунок 4.1):

- летняя грузовая марка Л, опредёляемая верхней кромкой линия, проходящей через центр кольца;

зимняя грузовая марка З, получаемая путем прибавления к летнему надводному борту 1/48 летней осадки;

- зимняя грузовая марка для Северной Атлантики ЗСА на судах длиною не более 100 м проходит ниже зимней на 50 мм, для судов длиною более 100 м совпадает с зимней грузовой маркой;

- тропическая грузовая марка Т, получаемая путем вычета от летнего надводного борта 1/48 летней осадки;

- грузовая марка для пресной воды летом П, проходящая выше летней грузовой марки на величину дТ;

- тропическая грузовая марка для пресной воды ТП, расположенная выше тропической грузовой марки на величину дТ.

Рисунок 4.1 Грузовые марки

Все знаки, линия и буквы надводного борта должны быть ясно видны, окрашены белой или желтой краской на темном фоне или черной краской на светлом фоне. Грузовые марки должны обеспечивать возможность замера надводного борта с точностью ±2 мм.

Суда с минимальным надводным бортом должны загружаться так, чтобы ватерлиния не проходила выше верхней кромки соответствующей грузовой марки. Международная Конвенция о грузовой марке была принята в 1966 году. Согласно Конвенции, назначение грузовой марки состоит в обеспечении безопасности мореплавания за счет назначения судну минимально- допустимого запаса плавучести, выраженного через высоту надводного борта. Период освидетельствования судов по поводу грузовой марки один раз в 5 лет.

Лабораторная работа 5

Определение метацентрической высоты судна методом кренования

Цель работы: Целью работы является изучение одного из измерительных методов определения метацентрической высоты -- метода кренования и приобретение некоторых навыков по определению метацентрической высоты судна.

Остойчивостью называется способность судна, выведенного наклонением из положения равновесия, возвращаться к нему после устранения причины, приведшей к наклонению. Это одно из важнейших мореходных качеств судна, которое определяет возможность его эксплуатации.

Различают начальную остойчивость судна и остойчивость на больших углах наклонения. Вследствие ряда допущенной зависимости, описывающие начальную остойчивость, получаются более простыми, чем при больших углах наклонения. Эти зависимости справедливы только для бесконечно малых (до 10-12⁰) углах наклонения.

У судна, выведенного наклонением из положения равновесия, центр величины по пространственной траектории смещается в сторону крена. Плечо статической остойчивости служит показателем остойчивости судна. При 1>0, М_в>0 судно остойчиво, при 1?0, М_в?0 судно не остойчиво.

Точка пересечения линий действия сил поддержания судна в прямом и наклонном положениях будет являться центром кривизны кривой центров величины. Эта точка при поперечных наклонениях называется поперечным метацентром, при продольных -- продольным метацентром Расстояние от метацентров до центра величины называется поперечным метацентрическим радиусом r и продольным метацентрическим радиусом R Возвышение метацентров над центром тяжести судна называется поперечной метацентрической высотой h и продольной метацентрической высотой Н. Произведение водоизмещения на метацентрическую высоту называется коэффициентом остойчивости.

Метацентрические высоты являются критериями начальной остойчивости судна. При h >0, М_в>0 судно остойчиво, при h ?0, М_в ?0 судно не остойчиво. Таким образом, для суждения об остойчивости судна необходимо научиться вычислять метацентрические высоты.

Центр тяжести судна геометрическая точка, неизменно связанная с судном, через которую проходит равнодействующая сил тяжести, действующих на составляющие водоизмещения судна при любом положении последнего в пространстве. Центр величины геометрически представляет собой центр тяжести объема подводной части судна.

Опыту кренования с последующим расчетом положения центра тяжести судна и его остойчивости подвергаются вновь стоящиеся суда, суда после капитального ремонта, переоборудования или укладки балласта. Кренования судна производится по возможности в состоянии нагрузки порожнем и с полным снабжением. Порядок опыта кренования и обработка его результатов оговаривается Правилами Морского Регистра судоходства. Поперечная метацентрическая высота судна, характеризующая начальную отстойчивостъ судна, определяется из опыта кренования с помощью формулы

(5.1)

где М₀ -- масса порожнего судна (массовое водоизмещение), вычисляемая по масштабу Бонжана, а при отсутствии дифферента - по чертежу гидростатических кривых (кривые элементов теоретического чертежа); и - измеренный в процессе опыта малый угол крена от поперечного переноса груза массой m на расстояние 1 рад; кренящие моменты от переноса груза должны быть такими, чтобы и⁰?1⁰-3⁰.

Для определения из опыта кренования положения центра тяжести судна используется зависимость

(5.2)

где r₀ - поперечный метацентрический радиус судна, вычисляемый по теоретическому чертежу, а при отсутствии дифферента - по чертежу гидростатических кривых; Z₀ - аппликата центра величиям судна, вычисляемая по интегральным кривым статических моментов площадей шпангоутов относительно основной плоскости, а при отсутствии дифферента - по чертежу гидростатических кривых; h₀ - поперечная метацентрическая высота, найденная из опыта по формуле (1); Z_mo - аппликата поперечного метацентра.

Для судна, плавающего с дифферентом, М₀ и Z_mo можно также найти по диаграммам Фирсова-Гундобина.

Полученное по данным опыта кренования значение Z_g (также, как и М₀) сообщается в «Информации об остойчивости для капитана». Величины М₀ и Z_go используются в эксплуатационных условиях для расчёта фактических водоизмещения и положения центра тяжести судна Z_g :

(5.3)

где М₀, Z_gо - водоизмещение (масса) и аппликата центра тяжести порожнего судна; m_i, Z_i - масса и аппликата центра тяжести i-го переменного груза на судне.

Нормирование остойчивости морских промысловых судов производится в соответствии с Правилами Морского Регистра судоходства, которые распространяются на закрытые палубные суда, плавающие в водоизмещающем состоянии. Морской Регистр судоходства предъявляет к остойчивости судов общие и дополнительные требования. Общим требованиям должны удовлетворять все суда независимо от их назначения. Дополнительные требования дифференцированы в зависимости от назначения судна.

Общие требования включают проверку остойчивости судна на одновременное действие динамически приложенного давления ветра и бортовой качки судна, требования к диаграмме статической остойчивости и метацентрической высоте и проверку остойчивости судна в условиях обледенения.

Лабораторная работа 6

Метацентрические формулы остойчивости

Цель работы: Ознакомление студентов о способности судна - остойчивости, водами остойчивости и метацентрическими формулами.

Остойчивость - это способность судна наклоненного действиям внешних сил из положения равновесия, возвращаться к состоянию равновесия после прекращения действия этих сил. Наклонения судна могут происходить под действием таких внешних сил, как перемещение, прием ли расходование грузов, давление ветра, действие волн, натяжение буксирного троса и пр.

Остойчивость, которую судно имеет при продольных наклонениях, измеряемых углами дифферента ш, называют продольной. Она, как правило, довольно велика, поэтому опасности опрокидывания судна через нос или корму никогда не возникает.

Остойчивость, которую судно имеет при поперечных наклонениях, измеряемых углами крена и, называют поперечной. Поперечная остойчивость является важнейшей характеристикой судна, определяющий его мореходные качества и степень безопасности плавания. При изучении поперечной остойчивости различают начальную остойчивость и остойчивость при больших углах крена.

Продольная остойчивость характеризуется наклонениями судна вокруг поперечной оси, проходящей через центр тяжести площадь ватерлинии. Эти наклонения вызывают дифферент судна, который представляет собой разность осадок носа и кормы d

.

Пусть на судно, плавающего по ватерлинию ВЛ, подействовал какой-то внешний момент и под действием этого момента судно получило наклонение на угол и. При данном наклонении судна его вес не меняется, так как не происходит перемещения или приема грузов, соответственно не меняется положение центра тяжести.

С изменением формы погруженного в воду объема судна изменяет свое положение центр величины точка С, как геометрический центр погруженного в воду объема. Центр величины перемещается в точку С₁.

Центр кривизны кривой, по которой перемещается центр величины при наклонениях судна, называется метацентром:

- поперечный метацентр точка m

- продольный метацентр точка M.

Радиус кривизны кривой, по которой перемещается центр величины при наклонении судна называется метацентрическим радиусом:

- поперечный метацентрический радиус r

- продольный метацентрический радиус R.

После наклонения судна под действием кренящего момента на угол и на судно действуют две силы:

1. Сила тяжести Р, приложенная в центре тяжести точка G и направленная вниз перпендикулярно новой ватерлинии ВЛ₁;

2. Сила плавучести г·V, приложенная в новом центре величины точка С₁ и направленная вверх перпендикулярно новой ватерлинии ВЛ₁.

Эти силы не лежат на одной вертикали. Они образуют пару сил с плечом GK. Момент этой пары сил m_и направлен в сторону противоположную кренящему моменту ис тремится вернуть судно в прямое положение равновесия и поэтому называется восстанавливающим моментом.

При поперечных наклонения этот момент называется поперечным восстанавливающим моментом.

Поперечная метацентрическая высота есть превышение поперечного метацентра над центром тяжести судна.

где h - поперечная метацентрическая высота.

При малых углах наклонения sinи = и (радиан), тогда

. (6.3)

Формулы (2.2) и (2.3) называют формулами поперечной остойчивости.

Аналогично рассматривается задача при продольных наклонениях, когда на судно действует дифферентующий момент М_диф, и судно наклоняется в продольной плоскости на угол ш.

(6.4)

(6.5)

где М - продольный восстанавливающий момент; Н - продольная метацентрическая высота.

Продольная метацентрическая высота есть превышение метацентра над центром тяжести судна.

Формулы (6.4) и (6.5) называются метацентрическими формулами продольной остойчивости.

Метацентрические формулы остойчивости находят широкое применение в практике:

1. Можно определить углы крена и и дифферента Ш, зная значения соответствующего кренящего и дифферентирующего М_диф моментов.

Под действием m_кр М_диф судно будет наклонятся до тех пор пока не наступит равенство моментов:

Отсюда

(6.7)

2. Метацентрические формулы остойчивости позволяют определить моменты, вызывающие крен на один градус, дифферент на один градус и один сантиметр осадки, что дает возможность быстро решать ряд практических задач.

Положим и=1°, тогда

{т·м/град}

Ш=1є, тогда

{т·м/град}

Лабораторная работа 7

Определение остойчивости опытным путём

Цель работы: Ознакомление студентов с методом определения остойчивости

Выполнение условий равновесия и остойчивости судна проверяется расчетом в процессе проектирования судна. однако при постройке судна возможны различного рода отклонения в нагрузке судна и, соответственно в остойчивости от проектной.

Опытное определение остойчивости судна называется кренованием. Сущность кренования заключается в том, что при горизонтально-поперечном переносе груза создаются известные кренящие моменты. Судно наклоняется до тех пор, пока момент восстанавливающий не станет равным моменту кренящему. Из условий равенства этих двух моментов определяют метацентрическую высоту, которая является мерой остойчивости судна. полученное опытным путем значение метацентрической высоты записывается в формуляр корпуса судна.

Наклонение судна осуществляется за счет переноса с борта на борт специально принятого твердого балласта, который укладывается на палубе симметрично диаметральной плоскости судна в двух-четырех группах. Суммарный вес балласта определяется из условия возможности создания крена до 3-5є при прохождении всего балласта на одном борту.

После переноса груза, вес которого известен, на известное расстояние l (от диаметральной плоскости до борта) на судно действует момент кренящий

И восстанавливающий



Из условия равенства этих моментов определяем h_оп;

...