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

Вопросы для самопроверки:

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?

Рекомендуемая литература: ОЛ9, ОЛ10.

морской транспортный судно

Лекция 13

Тема: 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.

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 Су. 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.

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.

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.

Вопросы для самопроверки:

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

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

В какую сторону кренится на циркуляции водоизмещающее судно?

Рекомендуемая литература: ОЛ11,ОЛ12, ДЛ6.

Лекция 14

Тема: 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.

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.

Основные составляющие сопротивления.

Из курса гидромеханики известно, что при установившемся движении в безграничной идеальной жидкости тело не испытывает сопротивления - парадокс Эйлера - 'Аламбера. Силы вязкости при этом отсутствуют, давление в носовой и кормовой оконечностях одинаковы - рисунок 13.2, а. Если тело приблизить к свободной поверхности, на последней возникнут волны, распределение давления вдоль тела изменится (рисунок 13.2, 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 - тело испытывает вязкостное сопротивление Rw.

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. 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 Fr = 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.

Вопросы для самопроверки:

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?

Рекомендуемая литература: ОЛ13,ОЛ14.

Лекция 15

Тема: 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:

Какие системы называются общесудовыми и почему?

Система водоснабжения?

Система вентиляции?

Рекомендуемая литература: ОЛ13,ОЛ14.

4. Практические занятия

Практическая работа №1

Тема: Рангоут и мачта судна

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

Вопросы:

Что такое рангаут?

Главный часть рангаута?

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.

Практическая работа №2

Тема: Теоретический чертеж и сечение корпусов судна.

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

Вопросы:

Теоретический чертеж корпусов судна

Изображение формы судна

Теоретический чертеж

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.

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).

Практическая работа №3

Тема: Общее понятие плавучести

Цель работы: Ознакомление студентов о понятии плавучести

Вопросы:

1.Понятие о плавучести судна

2. Действующие силы на судно

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: Xg, Yg, Zg. 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: Xg, Yg, Zg. 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:

(3.1)

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:

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 %.

(3.2)

 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.

Практическая работа №4

Тема: 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

Вопросы:

Что такое плавучесть судна?

Как определяется запас плавучести морских судов?

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. 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.

На судах, совершающих международные рейсы, и судах неограниченного плавания наносятся следующие грузовые марки.

- летняя грузовая марка Л, определяемая 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.

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.

Практическая работа №5

Тема: 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.

Вопросы:

Что такое остойчивость?

Как определяется центр тяжести судна?

Как определяется остойчивость 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, Мв>0 судно остойчиво, при 1?0, Мв?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, Мв>0

судно остойчиво, при

h ?0, Мв ?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); Zmo - аппликата поперечного метацентра.

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

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

(5.3)

где М0, Zgо - водоизмещение (масса) и аппликата центра тяжести порожнего судна; mi, Zi - 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.

Практическая работа №6

Тема: Метацентрические формулы остойчивости

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

Вопросы:

Как характеризуется продольная остойчивость?

Что такое метацентром?

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

. (6.1)

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:

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

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 mи направлен в сторону противоположную кренящему моменту и стремится 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.

(6.2)

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 Мдиф, 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 Мдиф моментов.

Под действием mкр Мдиф судно будет наклонятся до тех пор пока не наступит равенство моментов:

(6.6)

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} (6.8)

Ш=1є, тогда

{т·м/град} (6.9)

Практическая работа №7

Определение остойчивости опытным путём

Цель работы: Ознакомление студентов с методом определения остойчивости.

Вопросы:

Как называется опытное определение остойчивости судна?

По каким формулам определяется тангенс угла крена?

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

(7.1)

И восстанавливающий

(7.2)

Из условия равенства этих моментов определяем hоп;

(7.3)

Груз переносят по три раза на каждый борт и значение среднеарифметической высоты принимают за искомую.

Для более точного определения тангенса угла крена используют вески. Весок представляет собой грузик, подвешенный на тонкой проволоке длиной 1м. для ускорения гашения колебаний веска его грузик погружается в бачок с маслом. Отклонение веска определяются по горизонтальной линейке. Тангенс угла крена находится по формуле:

(7.4)

b - отклонение веска по линейке в метрах; л - длина проволоки от точки подвеса до линейки (л = 1м).

Таким образом tgи=b. Для исключения случайных ошибок определение тангенса угла крена производится одновременно по трем вескам, о затем усредняют.

Вес судна определяется следующим образом:

-замеряют осадки носом и кормой;

-по кривой грузового размера по известной средней осадке или по масштабу Бонжана определяют водоизмещение судна V;

-по взятой пробе уточняют величину удельного веса воды г;

-вычисляют вес судна по формуле

Р=г·V.

Действительное значение метацентрической высоты будет несколько отличатся от опытного:

(7.5)

Дh1 - поправка, учитывающая изменение остойчивости в результате выгрузки балласта после кренования; Дh2 - поправка, учитывающая влияние жидких грузов на остойчивость (Дh2=0,02-0,03м).

Практическая работа №8

Тема: Влияние на остойчивость и посадку судна перемещения груза

Цель работы: Целью настоящей работы является изучение влияния на остойчивость и посадку судна типичной грузовой операции - перераспределения грузов на судне и закрепление теоретического материала.

Вопросы:

Что такое перемещение грузов?

Что ухудшает остойчивость судна?

Экипажу судна довольно часто приходятся сталкиваться с операциями перемещения грузов на судне. Перемещение грузов (перекачка балласта, доставка продукции из обрабатывающего цеха в трюм и т.п.) вызывает изменение посадки и начальной остойчивости судна. Произвольное перемещение груза массой m может быть представлено суммой трех перемещений: вертикального 1z, поперечного горизонтального 1у и продольного горизонтального 1х.

Вертикальное перемещение груза приводит только к изменению метацентрических высот. Вертикальное перемещение груза вызывает изменение возвышения центра тяжести судна на величину

(8.1)

и, следовательно, приращение метацентрических высот

(8.2)

Новые метацентрические высоты (после выполнения грузовой сепарации) станут равными:

(8.3)

где Ь, Н0 - метацентрические высоты до перемещения груза.

Подъем груза ухудшает остойчивость судна, опускание груза улучшает ее.

Параметры посадки судна после перемещения груза находят по формулам:

(8.4)

в которых и - угол крена, вызванный перемещением груза; М - масса судна; Тн, Тк - осадки судна носом и кормой после перемещения груза; Хр - абсцисса центра тяжести площади исходной ватерлинии судна; определяется по чертежу гидростатических кривых в зависимости от средней осадки судна.

Поперечное горизонтальное перемещение груза вызывает лишь изменение крена судна. При поперечном горизонтальном перемещения груза возникает кренящий момент как момент пары сил на плече (у2 - у1) cosи:

(8.5)

Используя метацентрическую формулу остойчивости, получаем откуда

Мы рассматриваем малые углы крена, поэтому

.

Продольное горизонтальное перемещение груза приводит к изменению поперечной остойчивости и дифферента судна. На практике продольные наклонения судна чаще всего оценивают величиной дифферента. При перемещении груза вдоль судна изменение дифферента будет

(8.6)

Практическая работа №9

Тема: Влияние на посадку и остойчивость судна приема (снятия) малого груза

Цель работы: Целью работы является изучение влияния на посадку и остойчивость судна типичной грузовой операции - приёма или снятия груза; закрепление теоретического материала.

Вопросы:

Что такое перемещение грузов?

Что ухудшает остойчивость судна?

В теории судна под малыми понимают грузы, при приёме или расходовании которых борта судна в районе переменной ватерлиния можно считать вертикальными. Масса малого груза, как правило, не превышает 10-12 % водоизмещения судна.

При приеме или снятии малого трупа меняется остойчивость и посадка судна. Решение задачи в общем случае является затруднительным. Поэтому прием малого груза условно разделяют на две операции. Вначале полагают, что груз принят на заданный уровень так, чтобы крен и дифферент судна не изменялись. Затем груз перемещают в горизонтальной плоскости в заданную точку. Просуммировав результаты этих операций, получают параметры судна после приема груза в заданную точку. При приеме груза массой m изменяются метацентрические высоты, посадка и водоизмещение судна.

Принятие допущения для случая приёма малого груза позволяет получить аналитические выражения для элементов начальной остойчивости судна:

а) приращение средней осадки

(9.1)

где Р - вес принятого груза; mU- масса принятого груза; S - площадь действующей ватерлинии, определяется по кривым элементам теоретического чертежа в зависимости от средней осадки судна; г,с - удельный вес и плотность забортной воды; q - число тонн на 1 см осадки, определяется по кривым элементов теоретического чертежа в зависимости от средней осадки или рассчитывается по формуле q = 0,01 Рs.

б) приращение метацентрических высот

(9.2)

(9.3)

где - водоизмещение, средняя осадка и метацентрические высоты до приёма груза; Z- аппликата центра тяжести принятого груза; mГ - масса принятого груза.

Из формулы видно, что

при

при ;

при

Уравнение при

является уравнением горизонтальной плоскости, которую называют предельной. Приём груза в предельную плоскость не изменяет метацентрическую высоту судна, ниже предельной плоскости - увеличивает, а выше - уменьшает.

Так как

из (43) следует, что

,

т.е. коэффициент продольной остойчивости при приёме малого груза не меняет своего значения;

в) угол крена судна

(9.4)

где у - отстояние центра тяжести принятого груза от ДП;

г) приращение осадок судна носом и кормой

(9.5)

(9.6)

где х - отстояние центра тяжести принятого груза от плоскости мидель-шпангоута; - абсцисса центра тяжести площади действующей ватерлинии, определяется по кривым элементов теоретического чертежа в зависимости от средней осадки судна.

Из формул (9.5) и (9.6) видно, что приём малого груза на одну вертикаль с центром тяжести площади действующей ватерлинии не изменяет дифферента судна;

д) осадки носом и кормой после приёма груза

где - исходные осадки судна носом и кормой.

В случае расходования грузов в формулах (9.1) - (9.6) перед массой груза mГ необходимо доставить знак минус.

Практическая работа №10

Тема: Влияние на посадку и остойчивость судна приёма (снятия) большого груза

Цель работы: Целью работы является изучение влияния приёма и снятия большого груза на посадку и остойчивость судна.

Вопросы:

По какой формуле определяется аппликаты центра тяжести судна?

Что нужно для определения начальной остойчивости и посадки судна?

После приёма груза объёмное водоизмещение судна получает приращение, равное объёму корпуса, заключённому между конечной (после приёма груза) и начальной (до приёма груза) ватерлиниями.

Площадь ватерлинии при переходе от осадки Т0 к осадке Т1 изменяется значительно и поэтому формулы для малого груза дают большие погрешности. для определения характеристик посадки и остойчивости судна при приёме (снятии) большого груза пользуются кривыми элементов теоретического чертежа и диаграммами посадок.

...