Основы управления судном

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

Техническое задание

Глава 1. Постановка судна на якорь

1.1 Суммарная аэродинамическая сила при различной скорости ветра

1.2 Гидродинамическая сила при различной скорости течения

1.3 Коэффициент динамичности

1.4 Радиус судна, стоящего на якоре

1.5 Наибольшая держащая сила якорной системы для песчаного грунта

Глава 2. Управление судном в шторм

2.1 Длина волны

2.2 Период собственных поперечных и продольных колебаний

2.3 Границы резонансных зон при бортовой и килевой качке

2.4 Режим штормования

2.5 Условия возникновения заливаемости в соответствии с контуром заливаемости

2.6 Условия отсутствия слеминга

Глава 3. Буксировка судов морем

3.1 Сопротивление воды движению судна по методу Э. Э. Папмеля

3.2 Сопротивление воды движению буксирующего судна

3.3 Сопротивление буксируемого судна

3.4 Упор винта буксирующего судна

3.5 Разрывная прочность троса

3.6 Длина буксирной линии

Список использованной литературы

Приложение 1

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по дисциплине

«Основы управления судном»

Вариант 10

D = 4400 т;

N_i = 1500 лс;

L_max = 105 м;

L_в = 100 м;

B = 15 м;

d_ср = 3,4 м;

d_н = 3,6 м;

F_н = 3,8 м;

S_н = 130 м²;

h = 0,65 м;

C_в = 0,8;

d = 0,71;

P = 2500 кг;

I_полн = 325 м;

d = 41 мм;

r = 3;

f₁ = 0,2;

V = 6,0 узл;

q = 40°;

ф_к = 8,0 с;

U = 21 м/с;

V_пх = 14,0 узл;

D_в = 3,0 м.

1 Постановка судна на якорь

1.1 Суммарная аэродинамическая сила при различной скорости ветра

Рассчитываем суммарную аэродинамическую силу при различной скорости ветра:

R_а = 0,61·C_в·V_вк²·S_н (1.1)

S_н - площадь проекции надводной части корпуса судна на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, м²;

V_вк - скорость кажущегося ветра, м/с;

C_в - коэффициент воздушного сопротивления, равный 0,8ч1,0.

Строим график

R_а = f(V_вк):

Таблица 1. Суммарная аэродинамическая сила

Vвк, м/с	5	10	15	20	25
Rа, Н	1784,25	7137	16058,25	28548	44606,25

Рисунок 1. - График зависимости аэродинамической силы от скорости кажущегося ветра

1.2 Гидродинамическая сила при различной скорости течения

Рассчитываем гидродинамическую силу при различной скорости течения:

R_т = 58,8·B_т·V_т²·sin Q_т (1.2)

B_т - проекция подводной части корпуса на ДП судна, м²;

V_т - скорость течения, м/с;

Q_т - угол между направлением течения и ДП судна, град (Q_т = 30°).

Значение B_т определяем по формуле:

B_т = 0,9·L_max · d_ср (1.3)

L_max - наибольшая длина судна, м;

d_ср - средняя осадка судна, м.

B_т = 0,9·105·3,4 = 321,3 м²

Таблица 2. Суммарная гидродинамическая сила

Vт, м/с	0	1	2	3	4	5	6
Rт, Н	0	9446,22	37784,88	85015,98	151139,52	236155,5	340063,92

Строим график

R_т = f(V_т):



Рисунок 2. - График зависимости гидродинамической силы от скорости течения.

Предполагая, что течение и ветер направлены в одну сторону, определяем результирующую силу при выбранном среднем значении скорости течения:

F_а = R_а + R_т (1.4)

1.3 Коэффициент динамичности

Ввиду неравномерности внешней нагрузки, вводим коэффициент динамичности K = 1,5, тогда результирующая сила равна:

F_ср = K·F_а (1.5)

Результаты вычислений сводим в таблицу:

Таблица 3. Сводная таблица: минимальная длина якорной цепи и полная длина вытравливаемой якорной цепи

Результир. Fср	Длина l при h,м	длина L1	длина la
	20,0	40,0	60,0	80,0	100,0		20,0	40,0	60,0	80,0	100,0
59353,7	90,5	131,1	164,3	193,8	221,3	25,0	115,5	156,1	189,3	218,8	246,3
67382,8	96,2	138,9	173,6	204,4	232,9	37,5	133,7	176,4	211,1	241,9	270,4
80764,7	104,9	151,0	188,2	221,0	251,1	50,0	154,9	201,0	238,2	271,0	301,1
99499,3	116,0	166,5	206,9	242,2	274,5	62,5	178,5	229,0	269,4	304,7	337,0
123586,7	129,0	184,6	228,7	267,1	301,9	75,0	204,0	259,6	303,7	342,1	376,9

По полученным данным строим график:

Рисунок 3. - График зависимости длины якорной цепи от результирующей силы внешнего воздействия

1.4 Радиус судна, стоящего на якоре

Определяем радиус судна, стоящего на якоре.

R = L_max + l_а + 25 (1.8)

R - радиус места судна по корме, м;

L_max - наибольшая длина судна;

25 - количество якорь-цепи, необходимое потравить при усилении ветра.

Таблица 4. Радиус места судна, стоящего на якоре

Vвк, м/с	Радиус R, м
	20	40	60	80	100
5	245,5	286,10	319,26	348,85	376,30
10	263,7	306,42	341,13	371,94	400,40
15	284,9	331,04	368,20	400,96	431,06
20	308,5	359,03	399,38	434,71	466,97
25	334,0	389,55	433,67	472,05	506,91

1.5 Наибольшая держащая сила якорной системы для песчаного грунта

Определяем наибольшую держащую силу якорной системы для песчаного грунта.

Т_як = 9,81·( r · p + f₁·g·l_а ) (1.9)

r - коэффициент держащей силы якоря (r = 3);

p - масса якоря в воде, кгс

p_вод = 0,87·p_воз = 0,87·2550 = 2218,5 кгс;

f₁ - коэффициент присасывания якорной цепи к грунту (f₁ = 0,3).

Результаты вычислений для различных скоростей ветра и глубин места якорной стоянки сводим в таблицу:

Таблица 5. Наибольшая держащая сила якорной системы

h,м	Держащая сила якорной системы при Vвк, м/с
	5	10	15	20	25
20	133049,4	157302,8	177119,7	194799,6	211202,5
40	143894,9	169440,3	190184,6	208598,3	225609,5
60	156588,1	184154,7	206362,6	225943,7	243930,0
80	170712,7	200884,7	224997,6	246111,7	265389,1
100	185898,9	219123,9	245488,7	268430,0	289258,4

Рисунок 4. - График зависимости держащей силы якорной системы от глубины места при заданной скорости ветра.

Выполняется условие T_як ? F_ср, якорная стоянка надёжна

2. Управление судном в шторм

2.1 Длина волны

Для определения длины волны используем универсальную диаграмму качки (Диаграмма Ю.В. Ремеза). Для этого откладываем отрезок равный скорости судна (V = 6 узл) в направлении курсового угла фронта волны (q = 40°), затем из конца отрезка восстанавливаем перпендикуляр до пересечения с соответствующим кажущимся периодом волны (ф_к = 8,0 сек), находим длину волны (л = 135 м).

Проверяем данный кажущийся период волны, подставляя в следующую формулу значение длины волны:

ф_к = л/(1,25·vл ± 0,514·V·cos q ) (2.1)

ф_к = 135/(1,25·v135 + 0,514·6·cos 40°) = 8,0 сек

(знак «+», т.к. волнение встречное)

2.2 Период собственных поперечных и продольных колебаний

Определяем период собственных поперечных и продольных колебаний.

Период поперечных колебаний:

T₁ = f·B/vh (2.2)

B - ширина судна, м;

h - начальная метацентрическая высота, м;

f - коэффициент для морских судов (f = 0,8).

T₁ = 0,8·15/v0,65= 15 сек

Период продольных колебаний:

T₂ = K·vd_ср (2.3)

d_ср - средняя осадка судна, м;

K - коэффициент, зависящий от отношения

B/d_ср ( B/d_ср = 4,4)

K = 2,85

T₂ = 2,85·v3,4= 5,3 сек

2.3 Границы резонансных зон при бортовой и килевой качке

Определяем границы резонансных зон при бортовой и килевой качке. Близкими к резонансу считают режимы качки, при которых отношение периодов собственных колебаний судна T₁ и T₂ к кажущемуся периоду волны ф_к лежит в пределах

T/ф_к = 0,7ч1,3.

Проверяем условие резонанса при данных условиях:

При бортовой качке

T₁/ф_к = 15/8,0 = 1,88 > 1,3,

следовательно, данный режим качки можно считать безопасным.

При килевой качке

T₂/ф_к = 5,3/8,0 = 0,66

(0,66 не лежит в пределах T/ф_к = 0,7ч1,3), следовательно опасность резонанса отсутствует.

2.4 Режим штормования

Определяем условия возникновения заливаемости в соответствии с контуром заливаемости.

Для входа в контур заливаемости необходимо найти:

F = L · cos q_ш/(10·F_н) (2.6)

T = ф_к/T₂ (2.7)

L - длина судна по ватерлинии, м;

q_ш - курсовой угол фронта волны при штормовании, град;

F_н - высота надводного борта в носу судна, м;

ф_к - кажущийся период волны при штормовании, определенный на новом курсе с помощью диаграммы Ремеза, с;

T₂ - период собственных продольных колебаний судна, с.

F = 100·cos 40°/(10·3,8) = 0,003

T = 8,0/5,3= 1,51

Определяем число Фруда:

F_r = V/v(g · L) (2.8)

V - скорость судна при штормовании, м/с;

L - длина судна по ватерлинии, м;

g = 9,8 м/с² - ускорение свободного падения.

F_r = 6/v(9,8·100) = 0,19

2.5 Условия возникновения заливаемости в соответствии с контуром заливаемости

Войдя по полученным значениям в контур заливаемости Ньютона, делаем вывод, что при выбранных курсе и скорости возникает умеренная заливаемость.

2.6 Условия отсутствия слеминга

Определяем условия отсутствия слеминга.

Для этого находим истинный период волны:

ф = ф_к/2 + v((ф_к/2)² ± 0,64·V·ф_к·cos q) (2.9)

ф = 8,0/2 + v((8,0/2)² - 0,64·6·8,0·cos 40°) = 10,3 сек

Средняя высота волны (м):

h_ср = 0,035·ф·³v (U·ф²) (2.10)

U - скорость истинного ветра, м/с.

h_ср = 0,035·10,3·³v(21·10,3²) = 4,7 м

Максимальная высота волны (м):

h_вmax = 2,11·h_ср = 2,11·4,7 = 9,9 м (2.11)

Проверяем условие отсутствия слеминга:

L·h_вmax/(d_н·л) ? A (2.12)

L - длина судна по ватерлинии, м;

d_н - осадка носом, м;

A - коэффициент, зависящий от числа Фруда и отношения

L/B = 105/15 = 7,0 ( A = 0,5).

100·9,9/(3,6·135) = 990/486 = 2

2 ? 0,5

Исходя из полученного результата, можно сделать вывод, что при данных условиях судно не удовлетворяет условию отсутствия слемминга.

3. БУКСИРОВКА СУДОВ МОРЕМ

3.1 Сопротивление воды движению судна по методу Э.Э. Папмеля

Находим сопротивление воды движению судна по методу Э. Э. Папмеля. Для этого определяем:

Коэффициент остроты корпуса.

ш = 10·B·д/L_в (3.1)

д - коэффициент общей полноты корпуса

д=D_об/L_в·В·d_ср= 0,863

Ш = 10·15·0,863/100 = 1,29

Поправка на длину судна л_в = 1,00 так как L_в= 100 м.

Относительная скорость буксировки для каждой заданной скорости движения каравана (2; 4; 6; 8; 10; 12 узл).

V₀ = V_с·v(ш/L_в) (3.2)

Vс - заданная скорость движения каравана, узл.

Коэффициент сопротивления С по диаграмме Э.Э. Папмеля в зависимости от коэффициента остроты корпуса ш и относительной скорости буксировки V.

Таблица 6. Коэффициент сопротивления

Vс	2	4	6	8	10	12
V0	0,23	0,45	0,68	0,91	1,14	1,36
С	77	98	108	107	100	96

3.2 Сопротивление воды движению буксирующего судна

Находим сопротивление воды движению буксирующего судна.

Размещено на http://www.allbest.ru/

(3.3)

K - коэффициент, учитывающий влияние выступающих частей (K = 1,0);

D - весовое водоизмещение судна, тс.

3.3 Сопротивление буксируемого судна

Определяем сопротивление буксируемого судна как сумму сопротивлений корпуса судна и застопоренного винта.

R₁ = R + R_в (3.4)

R_в - сопротивление застопоренного винта, кгс.

Сопротивление одного застопоренного винта (в кгс) определяют в зависимости от заданной скорости каравана по выражению:

R_в = 2,24·D_в²·V_с² (3.5)

D_в - диаметр винта, м.

Таблица 7. Сопротивление каравана

Скорость движения, узл.	R буксирующего судна, кгс	R буксируемого судна, кгс	Сопротивление каравана Rобщ, кгс
		R	RВ	R1
2	378,3	378,3	80,6	459,0	837,3
4	1189,0	1189,0	322,6	1511,6	2700,6
6	2427,6	2427,6	725,8	3153,4	5581,0
8	4356,1	4356,1	1290,2	5646,3	10002,5
10	7282,9	7282,9	2016,0	9298,9	16581,7
12	10924,3	10924,3	2903,0	13827,3	24751,6

Рисунок 5. - График сопротивления буксира, буксируемого судна и каравана

судно управление шторм буксировка

3.4 Упор винта буксирующего судна

Находим упор винта буксирующего судна.

P_е = N_i/9·V (3.6)

N_i - индикаторная мощность, л. с.;

V - скорость судна при мощности N_i, узл.

P_е = 1500/9·14 = 11,90 тс

Полученное значение P_е откладываем по оси ординат графика сопротивлений. Из полученной точки проводим горизонтальную прямую до пересечения с кривой R_общ, из этой точки проводим вертикальную прямую, пересечение которой с осью абсцисс дает величину максимальной скорости буксировки (V_max = 8,62 узл), а пересечение с кривой R₁ - величину тяги на на гаке (F_Г ? 6,6 тс).

3.5 Разрывная прочность троса

Находим разрывную прочность троса.

R_разр = K·F_Г (3.7)

K - коэффициент запаса прочности, (K = 5 ч 6).

R_разр = 6·6,6 = 39,6 тс

По правилам Морского Регистра буксирный трос выбираем по характеристике снабжения.

N_с = ?^? + 2·B·h + 0,1·S_н (3.8)

? - водоизмещение судна при осадке по летнюю грузовую ватер-линию, т;

B - ширина судна, м;

h - высота от летней грузовой ватерлинии до верхней кромки настила палубы, м;

S_н - площадь проекции надводной части корпуса судна на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, м².

N_с = 4400 ^? + 2 · 15 · 3,8 + 0,1·130 = 395,5

С полученной характеристикой снабжения входим в таблицу, приведенную в правилах Морского Регистра, и выбираем длину и разрывную прочность штатного буксирного троса, предназначенного для аварийной буксировки.

l = 180 м;

R_разр = 224 кН = 22,4 тс.

Уменьшаем разрывную прочность троса на коэффициент запаса прочности (K = 5 ч 6) и получаем тягу на гаке:

F_Гав = 22,4/6 = 3,73 тс.

Из полученной величины тяги на гаке находим скорость буксировки (V = 6,5 узл) и необходимую для этого силу упора винта P_e = 6,5 тс.

Из сортамента стальных канатов, по полученной разрывной прочности, выбираем необходимый трос и его диаметр и вес погонного метра:

d = 19 мм

m = 1,48 кг/м

3.6 Длина буксирной линии

Определяем длину буксирной линии.

Минимальную длину принимаем равной трем длинам буксирующего судна для исключения влияния кильватерной струи на буксирное судно:

L = 3·105 = 315 м.

Увеличение расстояния между судами за счет изменения формы буксирной линии определяется следующим образом. Задаёмся двумя величинами нагрузки на буксирную линию: рабочей нагрузкой, равной тяге на гаке (F_Г = 3,43 тс), и максимально допустимой нагрузкой, равной половине разрывной плотности троса.

F_max = R_разр/2 (3.9)

F_max = 22,4/2 = 11,2 тс

Используя преобразованное из уравнения цепной линии выражение, определяем полурасстояние X₁ и X₂ между судами при действии указанных двух величин нагрузки.

X₁ = C₁·ln(S/C₁ + vS²/C₁² + 1) (3.10)

X₂ = C₂·ln(S/C₂ + vS²/C₂² + 1) (3.11)

S - полудлина буксирной линии, м;

C₁, C₂ - параметры цепной линии:

C₁ = F_Г/q (3.12)

C₂ = F_max/q (3.13)

q - вес одного погонного метра буксирного троса в воде

q = 0,87·1,48 = 1,288 кг/м

C₁ = 3430,0/1,3 = 2896,86 м

C₂ = 11200,0/1,3 = 8698,35 м

Увеличение расстояния между судами за счет изменения формы буксирной линии.

?X = 2·(X₂ - X₁) (3.14)

Увеличение расстояния между судами за счет упругого удлинения буксирной линии ?S определяем по выражению:

?S = (F_max - F_Г) ·2S/d²·E (3.15)

d - диаметр буксирного троса;

E - модуль упругости троса (E = 3,7 тс/мм²).

Таким образом, общее увеличение расстояния между судами:

2a = ?X + ?S (3.16)

Условие выбора достаточной длины буксирной линии:

2a ? h_в. (3.17)

Определяем провис троса:

f₁ = v(C₁² + S²) - C₁ (3.18)

f₂ = v(C₂² + S²) - C₂ (3.19)

Таблица 8

Принимаемая длина линии 2S, м	Нагрузка на буксируемую линию F, тс	Провис f, м	Полурасстояние между судами Х, м	ДХ	ДS	2a
	Fг	Fmax	f1	f2	X1	X2
50,00	3,73	11,20	0,11	0,04	49,57	49,86	0,57	0,28	0,85
100,00	3,73	11,20	0,43	0,14	98,31	99,43	2,23	0,56	2,79
200,00	3,73	11,20	1,73	0,57	193,40	197,74	8,67	1,12	9,79
300,00	3,73	11,20	3,88	1,29	285,46	294,94	18,96	1,68	20,64
400,00	3,73	11,20	6,90	2,30	374,69	391,08	32,77	2,24	35,01

Длина буксирной линии

Рисунок 6. - График зависимости длины буксирного троса от высоты волны.

Используя результаты расчета, определяем:

V_max = 8,62 узл;

h_Bmax = 8,2 м при длине имеющегося троса (180 м).

Список используемой литературы

1. Правила классификации и постройки морских судов, том 1 - СПб.: Российский Морской Регистр Судоходства, 2007.- 502 с.

2. Снопков В. И. Управление судном: справочное пособие. М.: Транспорт, 1991.- 359 с.

3. Сортамент стальных тросов.- М.: Судостроение, 1996.- 588 с

4. Щетинина А.И. Управление судном и техническая эксплуатация.- М.: Транспорт, 1975.- 608 с

Приложение 1

Размещено на Allbest.ru

...