Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сравнивая танкеры дедвейтом 250 и 25 тыс. т, заметим, что мощность судовой энергетической установки (СЭУ) большего судна не будет десятикратно превышать мощность СЭУ меньшего судна. Фактически она может превышать, последнюю менее чем в 3 раза, и все же такая относительно малая мощность может дать танкеру дедвейтом 150-300 тыс. т Very Large Crude Carrier (VLCC) ту же скорость в море, которую имеет танкер меньшего дедвейта.

При нормальном состоянии моря VLCC управляются почти так же, как и танкеры дедвейтом 25 тыс. т. Удержание на курсе не представляет особенных сложностей в море, и только тогда, когда необходимо погасить скорость, мы обнаруживаем, что для этого нужно большее пространство.

Для остановки танкера дедвейтом 250 тыс, >т в грузу может потребоваться дистанция более 3 миль и свыше 20 мин времени.

Управлению судном надо учиться

Для познания возможностей и ограничений в управлении крупнотоннажными танкерами судоводитель должен иметь условия для их практического изучения без риска. Такие условия есть в центре обучения управлению судами в Порт-Ревель вблизи Гренобля (Франция). Здесь на озере действует флот, состоящий из моделей танкеров, выполненных в масштабе 1:25.

Модели судов дают не только уникальную возможность управлять уменьшенными копиями крупнотоннажных танкеров в различных условиях, но и сокращать время маневров по сравнению с обычными условиями, поскольку время маневрирования для моделей масштаба 1:25 проходит в 5 раз быстрее, чем в реальных условиях.

Когда я наблюдал и анализировал маневры на озере, мне стало ясно, что положение центра вращения (ЦВ) играет решающую роль в объяснении поведения судов. Если считать фактом существование ЦВ, то каждое перемещение судна можно рассматривать как логический результат действующих на него сил. Модель, выполненная в определенном масштабе, и ее прототип одинаково реагируют на силы, посредством которых управляется судно, а также на воздействие водной среды и ветра. Конечно, существует разница в размерах объектов управления и масштабе времени, но результат маневра одинаков как по выполнению, так и по восприятию.

В ливанском порту Сайде мне вновь представилась возможность вернуться на обычные суда. И я снова убедился в сходстве между судном и моделью, как ранее убедился в сходстве модели и судна, когда прибыл из оживленного нефтеперевалочного порта Аруба в центр обучения управлению судами. Хотя мне прежде не приходилось ставить судно на морской причал (СВМ¹), эта операция была мне знакома по опыту, полученному на озере в Порт-Ревеле.

Некоторые соображения

Постановка танкеров дедвейтом до 150 тыс. т на СВМ в Сайде осуществляется без буксиров; управление судном в этих случаях в большой степени зависит от использования якорей и швартовых. Для полного использования управляемости судна в расчет должно приниматься положение ЦВ судна. Я надеюсь, что объяснение процедуры швартовки и отшвартовки, приведенное в гл. 6, даст капитанам и их помощникам лучшее понимание производимых маневров.

Временное назначение в Рас Таннуру (Саудовская Аравия) в 1970 г. было продлено до восьмимесячного пребывания в порту, который знаменателен тем, что является самым крупным нефтяным портом в мире. Это дало мне возможность изучить влияние течения на все типы судов, начиная от самого маленького грузового, зашедшего за бункером, до самого большого из существующих танкеров.

В 1974 г., когда я возвратился в Рас Таннуру в качестве старшего портового лоцмана, начал функционировать порт Джуяма. Работа там дала мне возможность ставить на СВМ суда дедвейтом до 477 тыс. т. Мой опыт работы в порту Рас Таннура изложен в гл. 8 «Применение опыта управления моделями судов на практике». В этой главе придается значение хорошему знанию положения ЦВ судна во время швартовки и отшвартовки. Постановка на один швартовный буй и снятие с него описаны в гл. 3.

В Арубе могли швартоваться самые большие танкеры. Здесь я имел возможность лично швартовать суда дедвейтом более 500 тыс. т.

Рассматриваемые мною случаи управления судном являются примерами маневрирования, которые я неоднократно наблюдал на моделях танкеров или на обычных судах или в большинстве случаев на тех и других вместе. Для управления судами в каналах и реках не найти лучшего руководства, чем книга Кэрлайла Дж. Пламмера «Управление судном в узкостях». Эта книга была моим путеводителем при проводке судов с ограниченным запасом воды под килем (проводка на «брюхе»), и я ссылаюсь на нее в гл. 7.

Численные значения, использованные в примерах и представляющие силу течения или ветра, не являются точными, а положение ЦВ является предположительным. При управлении судном трудно точно измерить все силы, которые на него действуют, и рассчитать их воздействие на маневр. Ветер и течение при различных ситуациях играют свою роль постольку, Поскольку они дают нам представление об их силе по отношению к другим силам, действующим на судно одновременно, что поможет при объяснении поведения судна.

Все суда считаются имеющими один гребной винт правого вращения. В случаях когда используется носовое подруливающее устройство (НПУ), мы можем рассматривать его воздействие так же, как работу буксира в носовой части судна. Когда эти условия рассматриваются иначе, в тексте даются соответствующие пояснения:

Многообразие факторов в управлении судном

Говорят, что нет двух лоцманов, которые поставили бы судно к причалу совершенно одинаково. Можно даже сказать, что один и тот же лоцман никогда не поставит к причалу одно и то же судно дважды совершенно одинаково, поскольку в управление судном вовлечено слишком много переменных факторов.

Человеческий фактор. Между отдачей приказа и исполнением существует задержка. Например, помощник капитана должен находиться вблизи машинного телеграфа, но по какой-либо причине отошел или отвечает по телефону. Если отсутствует управление двигателем с мостика, можем иметь еще одну временную задержку, вызванную реакцией (или отсутствием ее) механика в машинном отделении. На руле стоит человек, исполняющий отдаваемые ему приказы, в то время как отдающий приказы находится снаружи на крыле мостика. Помощники капитана и члены экипажа на баке и корме имеют различную реакцию, зависящую от квалификации, тренировки и т.д. Кроме того, капитаны помогающих буксиров являются людьми с различной реакцией, способностями и квалификацией.

Связь. Связь между мостиком, баком и кормой судна может быть неудовлетворительной, телефоны могут находиться в стороне, портативные радиотелефоны плохо работать, система обратной связи не совсем понятной, лебедки создавать много шума и т.д. У членов экипажа различных национальностей могут возникнуть языковые проблемы, ведущие к неправильному пониманию приказов. Даже если люди говорят на одном языке, они могут не понять друг друга из-за их неспособности четко выражать свои мысли.

Механические ошибки и неисправности. Случаются неисправности или отказы рулевого устройства, главного двигателя, подруливающего устройства или вспомогательных буксиров. Кроме того, могут не отдаваться якоря, ломаться лебедки, лопаться паровые трубы, бросательные концы не достигать причала или запутываться, рваться швартовные концы или буксирные тросы и т.д.

Неконтролируемые силы. Ветер и течение изменяются по направлению и силе. Влияние мелководья не всегда предсказуемо. При постановке к причалу судна другого типа будут иные мощности главного двигателя и время его реверсирования, иные осадка и дифферент, инерция, надстройка, другие буксиры или их капитаны и т.д. Полное подобие двух постановок к причалу может быть только случайным.

Однако все суда, включая масштабные модели, имеют общее в управлении то, что они движутся в воде. Чтобы лучше понять поведение судна, рассмотрим результаты движения судна в воде.

Принципы управления судном

Движение судна оценивается непрерывным наблюдением. Судно может иметь продольное или поперечное движение или оба вместе. Одновременно судно может иметь вращательное движение. В большинстве случаев нельзя сдвинуть судно в сторону, не имея вращательного движения, за исключением тех случаев, когда помогают буксиры (рис. 1).

Рис. 1. Составляющие движения судна: 1 - вращательное; -2 - поперечное; 3 - продольное

При развороте следует учесть положение ЦВ, чтобы оценить плечо силы, вызывающей разворот. Момент силы относительно ЦВ - это произведение силы на ее плечо - длину перпендикуляра, опущенного из ЦВ на линию действия силы.

Следовательно, есть большое различие между тем, когда точка приложения силы к судну находится вблизи ЦВ или далеко от него.

На большом судне расстояние от точки приложения силы до ЦВ может быть сотни футов. Смещение положения ЦВ на 200 футов значительно изменяет плечо вращающей силы. Чем дальше точка приложения силы, действующей на судно, от ЦВ, тем больше плечо этой силы, тем больше ее эффективное действие. Поскольку ЦВ может перемещаться при маневрировании, очень важно иметь представление о вероятных положениях ЦВ под воздействием различных обстоятельств, чтобы предвидеть изменения во вращательном движении.

Инерция судна важна, когда мы хотим уменьшить скорость или расстояние перемещения. Инерция есть количество движения, измеряемое произведением массы и скорости. Обычно мы рассматриваем инерцию. как движение судна тогда, когда нам это движение не нужно, особенно когда предпринимаем действие для получения противоположного эффекта. При следовании одной и той же скоростью судно в грузу имеет большую инерцию, чем то же судно в балласте, а большое судно имеет большую инерцию, чем малое.

Лобовое сопротивление корпуса оказывает значительно меньшее влияние на большое судно. Большому судну с относительно малой мощностью СЭУ, не имеющему хода относительно воды, требуется очень длительное время для преодоления инерции покоя и достижения полного хода. Когда судно на ходу, то относительно малая мощность СЭУ может поддерживать скорость при сравнительно низком расходе топлива, потому что смоченная поверхность относительно мала и вследствие этого мало сопротивление трения корпуса.

Однако когда дело дойдет до остановки VLCC, инерция движения сохраняется значительно дольше.

Инерцию следует предвидеть. Когда необходимо остановить идущее вперед судно, мы имеем дело с инерцией продольного движения, а когда нужно предотвратить боковое смещение судна, имеем дело с инерцией поперечного движения. Если инерция движения судна действует как сила, то мы должны рассматривать центр тяжести (ЦТ) судна как точку приложения этой силы. Результат действия инерции движения как силы должен рассматриваться по отношению к ЦВ. Инерция движения может начать или поддержать вращательное движение. Когда необходимо остановить вращательное движение, мы должны преодолеть инерцию вращательного движения.

Вязкость и малая сжимаемость воды создают сопротивление движению судна. В направлении движения судна возникает подъем уровня воды, сопровождаемый понижением уровня на противоположной стороне. На малой скорости сопротивление трения составляет большую часть сопротивления воды, испытываемого судном. Сопротивление трения зависит от смоченной поверхности и состояния корпуса (обрастания); оно увеличивается со скоростью судна и одновременно появляется дополнительное сопротивление.

Лобовое гидродинамическое сопротивление корпуса возникает при нарастании давления в носу судна; энергия абсорбируется и рассеивается, образуя волновую систему скорости. Хотя бульбообразный нос уменьшает сопротивление корпуса, лобовое гидродинамическое сопротивление нарастает при увеличении скорости судна примерно пропорционально пропульсивной силе движителя.

Поперечное гидродинамическое сопротивление воды возникает при боковом перемещении. Величина продольного и поперечного сопротивления зависит от формы корпуса и скорости относительно воды и прямо пропорциональна пропульсивной силе движителя судна, следующего с постоянной скоростью.

Продольное и поперечное сопротивления действуют как силы и влияют на расположение ЦВ.

Судоводитель должен представлять, в какой степени каждая из сил действует на судно. Важно не только оценить величину силы, нужно иметь также представление о плече этой силы. По этой причине судоводитель должен иметь понятие о каждом этапе перемещения судна относительно воды. Он постоянно оценивает силы, воздействующие на судно, и обдумывает, как он может противостоять им, для того, чтобы сохранить их равновесие.

Движение и силы сопротивления среды

Сила, приложенная к судну для преодоления инерции покоя, вызывает его перемещение. Передвигаясь в воде, судно встречает ее сопротивление. Та часть сопротивления воды, которая играет важную роль в управлении судном, действует с противоположной стороны корпуса судна по отношению к приложенной силе и в обратном для нее направлении.

Пропульсйвная сила движителя вызывает продольное перемещение. Возникает лобовое сопротивление, которое действует в направлении, обратном движению судна (рис. 2).

Рис. 2. Виды движения и силы сопротивления: 1 - продольное: + - продольное сопротивление; 1 - пропульсивная сила; // - вращательное: 1 - сила НПУ;+ - поперечное сопротивление; III - поперечное: 1 - сила ветра; + - поперечное сопротивление; IV - относительное или относительно грунта: 1 - сила течения

Сила НПУ вызывает вращательное движение; возникающее при этом сопротивление воды прилагается к борту судна в основном в его носовой части. Боковой ветер вызывает поперечное смещение судна. Сопротивление воды в этом случае будет поперечным и действующим в направлении, обратном силе ветра. С другой стороны, бортовое течение вызывает поперечное перемещение судна, не встречающее сопротивление воды. Поперечное смещение в этом случае происходит относительно грунта. После изменения курса или когда судно выйдет из полосы течения, оно продолжает сохранять полученную инерцию движения.

При управлении судном мы можем иметь дело одновременно со всеми четырьмя видами движений.

Оценка перемещений судна

При швартовке больших танкеров цель управления судном заключается в большинстве случаев в том, чтобы использовать поперечное движение, и предотвратить развитие вращательного движения в момент соприкосновения с причалом.

Интересно сравнивать результирующее вращательное движение, вызываемое действием руля и гребного винта на переднем ходу, с действием НПУ и работой винта на задний ход (рис. 3). С места управления на мостике (на корме, в средней или в носовой части судна) мы должны оценить, в какой степени движение судна является продольным, поперечным или вращательным. Необходимо установить величину требуемого перемещения судна в каждом направлении и быть готовыми вовремя замедлить или остановить любое из трех движений.

Рис. 3. Вращательное движение в комбинации с продольным и (или) поперечным движением: 1 - руль; 2 - НПУ; 3 - винт

Направление продольного движения судна в очень большой степени определяет положение ЦВ. Центр вращательного движения должен приниматься в расчет при выборе нами момента начала поворота; хорошая оценка положения ЦВ - это ключ к успешному маневру.

Роль приборов в оценке движения судна

Скорость подхода судна к причалу может быть легко оценена визуально на судах среднего дедвейта. 'Однако безопасная скорость подхода VLCC и судов большего размера настолько низка, что инструментальные измерения весьма полезны и даже необходимы, особенно ночью как для постановки к причалу, так и при постановке на якорь.

Многие большие танкеры оборудованы доплеровскими лагами. На некоторых из доплеровских лагов указано, какая скорость индицируется: относительно воды или относительно грунта. Если эта индикация отсутствует, то не всегда ясно, какая скорость индицируется.

Когда индикатор доплеровского лага указывает только поперечную скорость в носовой части судна, то, кроме продольной скорости, нам необходима информация индикатора о скорости поворота для того, чтобы знать поперечную скорость в корме.

Некоторые портовые терминалы имеют приборы для измерения скорости подхода швартующегося судна, информация, от которых может передаваться на судно, показываться цветными огнями или посредством табло.

Береговой доплеровский прибор полезнее всего тогда; когда винт работает назад и показания. судового индикатора доплеровского лага при скорости 1 уз или меньше становятся ненадежными.

Для оценки угла подхода судна к причалу очень полезен репитер гирокомпаса на крыле мостика.

Отсчеты индикатора доплеровского лага, показания репитера гирокомпаса, указателя угла перекладки руля и индикатора частоты вращения гребного винта должны быть хорошо видимы с дальнего конца крыла мостика. Крыло мостика должно простираться до борта судна, что позволяет нам видеть подход судна на всем пути до момента касания швартовных палов.

Отметим, что немногие суда имеют индикаторы скорости и направления ветра, информация от которых очень полезна, особенно ночью.

Информация о течении, измеренном береговыми приборами, редка. Если судно имеет доплеровский лаг, дающий скорости относительно воды и грунта, то их разность покажет скорость встречного течения. Отсчет скорости поперечного движения относительно грунта даст скорость бортового течения, если можно пренебречь другими силами - ветром и поперечной силой инерции от поворота.

Приближенное определение значений действующих сил

Назовем силы, действующие на судно, и определим их эффект при различных условиях. Принимая в расчет положение ЦВ, каждое движение судна можно рассматривать как результат воздействия на него различных сил, а отсюда можно объяснить, предугадать или предупредить кажущуюся иррациональность в поведении судна.

Пример: Каждые 100 л. с. эффективной мощности создают тягу в швартовном режиме 1 те. Лобовое сопротивление судна при движении с постоянной скоростью составляет 25% общего сопротивления движению судна,

Поперечная сила на гребном винте, работающем назад, составляет от 5 до 10% буксировочной мощности.

Эти цифры приблизительны. Они будут использоваться, чтобы получить представление об их величине по сравнению с другими' силами, одновременно действующими на судно. Величина других сил будет рассматриваться в соответствующих главах.

При маневрировании нет времени для расчетов. Более того, трудно измерить силы при меняющихся условиях. Судоводитель постоянно наблюдает и оценивает движение судна, так же как и силы, действующие на него, и в меру своего опыта может предвидеть последующее его перемещение без вычислений.

1. Центр вращения и его перемещение

Движение поворачивающегося судна можно рассматривать как комбинацию продольного, поперечного и вращательного движений, в которой продольное и поперечное движения могут быть равны нулю. Вращательное движение происходит вокруг вертикальной оси. Положение этой оси на судне зависит от формы судна, движения судна, величины и точки приложения различных сил, действующих на судно. Поскольку при изменении движения судна и изменении сил, воздействующих на него, ось перемещается в диаметральной плоскости (ДП) судна, можно говорить о подвижной оси. Если бы эту вертикальную ось можно было наблюдать, мы бы видели ее верхнюю часть в виде пятна; эту условную точку обычно называют центром вращения.

В следующих параграфах будет проведено исследование влияния изменения движения судна на положение ЦВ и воздействие различных сил, действующих на судно, по отношению к этому центру. Мы увидим, что нельзя говорить о ЦВ как фиксированном, он - следствие движения судна и фактически перемещается вдоль корпуса судна.

Положение центра вращения

Как правило, можно считать, что на судне, не имеющем хода относительно воды, ЦВ находится по другую сторону миделя, от силы, действующей на судно. Например, руль или другая поперечная сила, действующая в кормовой части судна, образует ЦВ впереди миделя,

Когда судно получает продольное движение относительно воды, то это результат воздействия движущей силы, которой может быть сила, создаваемая гребным винтом судна, либо инерция судна, а лобовое сопротивление действует в противоположном направлении. Лобовое сопротивление - это сопротивление воды впереди судна, которая должна вытесняться движущимся судном. Чем быстрее идет судно относительно воды, тем больше лобовое сопротивление. Величину *лобового сопротивления можно считать равной примерно 1/4 движущей силы, кода судно идет с постоянной скоростью. Это в чем-то произвольная оценка, поскольку величина лобового сопротивления воды изменяется в зависимости от формы судна и его скорости. При увеличении сопротивления трения, вызываемого обрастанием корпуса, будет уменьшаться скорость судна и вследствие этого снижаться доля лобового сопротивления в общем сопротивлении воды. Однако используем среднее значение, равное 25%, для представления о лобовом сопротивлении, выражаемом в цифрах, которые, можно использовать в ситуациях, когда силы, действующие на судно, представлены численными величинами. Тогда временное понижение или увеличение процентного отношения укажет на ускорение или замедление движения судна.

Отношение / (где - лобовое сопротивление; - движущая сила) играет важную роль при установлений положения ЦВ, когда судну, имеющему продольное движение относительно воды, придается вращательное движение.

Начальный ЦВ на судне, следующем передним ходом с постоянной скоростью, будет находиться примерно в 1/4 длины судна от носа; на заднем ходу он располагается примерно в 1/4 длины от кормы.

Вращательное движение может быть результатом нескольких сил, действующих на судно одновременно. Тогда положение ЦВ зависит от величины и точки приложения этих сил. Поскольку ЦВ смещается с изменением величины или при сдвиге точки приложения одной силы, действующей на судно, несколько сил создают усилие, степень которого меняется в зависимости от положения ЦВ.

Продольное движение и центр вращения

Рассмотрим движение танкера в грузу на ровном киле, которому помогают два буксира равной мощности: один в носу, другой в корме (рис. 4). Буксиры работают на упор с одинаковой силой на равных расстояниях от миделя. Пока судно не имеет хода ни вперед, ни назад, результатом усилий буксиров будет чистое поперечное движение судна. Как только судно начнет двигаться относительно воды вперед или назад, возникает разворот судна.

Движение судна вперед смещает центр поперечного сопротивления также вперед. Носовой буксир встречает большее сопротивление, чем кормовой, в результате чего носовой буксир создает меньшее чистое поперечное усилие. Нарушение равенства сил приводит к вращательному движению. Положение ЦВ зависит от движения судна относительно воды и относительной силы буксиров.

Рис. 4. Буксиры работают на равных расстояниях от миделя и с одинаковой силой

Мы можем просто сказать, что движение вперед смещает ЦВ в нос, и это сокращает расстояние между точкой упора носового буксира и ЦВ, вследствие чего уменьшается эффективное усилие носового буксира. В то же самое время расстояние между точкой упора кормового буксира и ЦВ увеличивается, что в свою очередь увеличивает эффективное усилие кормового буксира.

Движение судна назад смещает ЦВ назад, в результате чего поперечные усилия, прилагаемые буксирами к судну, вызывают обратное вращение судна.

Когда буксиры толкают с равными усилиями на равных расстояниях от миделя, мы видим, что продольное движение судна ведет к вращательному движению как побочному результату действия Поперечных сил, приложенных к судну буксирами. Наоборот, когда возникает разворот и буксиры толкают с равными усилиями, мы можем сделать заключение, что судно имеет продольное движение относительно воды.

Если разворот не нужен, мы можем или уменьшить усилие буксира, который вызывает вращательный эффект, или остановить продольное движение судна относительно воды. Перемена направления продольного движения приведет в конечном счете к перемене направления вращательного движения.

Другие поперечные силы, такие, как бортовой ветер, от действия НПУ и руля будут подобным же образом подвергаться воздействию продольного движения судна.

Влияние ветра на положение центра вращения

Рассмотрим судно порожнем, не имеющее хода относительно воды, на которое действует бортовой ветер (рис. 5). Бортовой ветер вызывает дрейф судна в подветренную сторону, и.корпус встречает подводное сопротивление. Поскольку судно имеет дифферент на корму, подводная кормовая часть судна встречает большее сопротивление. В результате центр поперечного сопротивления R будет находиться в корме от миделя.

На порожнем судне с высоко поднятой носовой оконечностью передняя часть судна будет испытывать большее воздействие ветра, чем кормовая. Давление ветра можно представить вектором силы ветра, действующим на центр парусности Р. Подводное сопротивление может быть представлено вектором силы в точке R. До тех пор, пока точка Р не находится на одной вертикали с точкой R, две силы поворачивают судно, а образующийся ЦВ будет находиться между точками Р и R.



Рис. 5. Действие ветра на судно в балласте и не имеющее хода относительно воды: 1 - ветер; 2 - поперечное сопротивление

Рис. 6. Действие ветра на судно на переднем ходу: 1 - ветер; 2 - поперечное сопротивление; 3 - поперечная сила от действия руля

На судне, не имеющем хода относительно воды, ЦВ будет располагаться недалеко от миделя. Когда судно следует передним ходом, центр поперечного сопротивления смещается вперед, и увеличивается сила подводного сопротивления (рис. 6). Поперечная сила ветра разворачивает судно так, что возникает угол между ДП судна и намеченным курсом. Чтобы контролировать этот угол и сбалансировать силу ветра, нам необходима поперечная сила в корме - руль. Разворот возникает, когда нарушается равновесие поперечных сил.

Движение назад вызывает смещение центра поперечного. сопротивления в корму, что увеличивает плечо момента силы бортового ветра (рис. 7). Когда судно идет назад, руль не оказывает эффективного влияния. Поскольку поток, создаваемый винтом, не направляется больше на перо руля, руль встречает сопротивление только воды, что приводит в результате к малой поперечной силе от действия руля.

Судно сильнее сносится под ветер, нос быстрее, чем корма, так что на заднем ходу корма двигается на ветер, или, как говорят, «ищет' ветра». Однако корма пойдет на ветер только тогда, когда носу есть куда у валиться. ЦВ сдвигается далеко в корму, и сила ветра получает большее плечо.

Поперечный упор, создаваемый винтом правого вращения, работающим назад, легко преодолевается сильным ветром справа по носу.

Рис. 7. Действие ветра на судно на заднем ходу: 1 - ветер; 2 - поперечное сопротивление

Влияние руля на положение центра вращения

Если на судне, имеющем ход вперед, переложить руль, он создаст поперечную силу в кормовой части судна. Сразу же, как только начнется разворот судна, подводное сопротивление начинает создавать поперечную силу в носу. Получившееся в результате поперечное сопротивление в носу действует в направлении, противоположном поперечной составляющей силы от действия руля (рис. 8).

Сначала рассмотрим влияние пропульсивной силы и руля на судно, не имевшее хода относительно воды и давшее передний ход. Инерция судна препятствует ускорению, подводное сопротивление пока еще не играет значительной роли. Продольная пропульсивная сила работает одновременно по преодолению продольной инерции покоя и поперечной инерции вращательного движения, так как часть этой силы преобразуется в поперечное усилие от действия руля. Сила от действия руля, приложенная на самой оконечности судна и имеющая поэтому большее плечо, преодолевает поперечную инерцию судна быстрее, чем пропульсивная сила преодолевает инерцию покоя. Центр возникающего вращательного движения зависит от отношения длины судна к его ширине (L/B). Например, на судне с отношением L/B = 8 и начинающем продольное движение относительно воды с нуля, начальное положение ЦВ находится в 1/8 длины судна от носа.

Когда инерция покоя преодолена и судно наберет скорость, возникает лобовое сопротивление воды.

Рис. 8. Поперечное сопротивление и сила от действия руля: 1 - поперечное сопротивление; 2 - поперечная сила от действия руля

Рис. 9. Уменьшение разворачивающего плеча руля из-за движения вперед: 1 - судно не имеет хода относительно воды; // - судно дало ход вперед; / - Начальный рычаг управления; 2 - рычаг управления; 3 - поперечное сопротивление

Сопротивление воды достигает величины, примерно равной J/4 пропульсивной силы, заставляя ЦВ смещаться назад пропорционально величине этой силы по сравнению с пропульсивной силой (рис. 9). Таким образом, расстояние ЦВ до кормы уменьшается на 1/4 начального. расстряния, делая величину рычага управления равной 3/4х7/8 «21/32. При этом расстояние ЦВ до носа составляет 11/32L (где L - длина судна между перпендикулярами). Точка ЦВ остается в том же самом положении, когда судно поворачивается с постоянной скоростью.

Когда судно следует постоянным курсом, в идеальном случае не должно быть никакого поперечного сопротивления. Воздействие руля при изменении курса будет происходить с начальным ЦВ, расположенным от носа на расстоянии, пропорциональном отношению продольного сопротивления пропульсивной силе, т.е. на расстоянии около 1 / 4L от носа (рис. 10). Лобовое сопротивление воды, действующее на нос при продольном движении, будет во время поворота воздействовать также на скулу, создавая поперечное сопротивление. Это поперечное сопротивление сдвигает ЦВ назад и вследствие этого укорачивает рычаг управления. Уменьшение рычага управления пропорционально отношению L/B. Например, для судна, имеющего L/B = 8 и поворачивающегося с постоянной скоростью, уменьшившийся рычаг управления будет около 7/8х3/4 - 21/32, что снова делает расстояние от носа до ЦВ равным 11/32.

Обычно считается, что на судне, следующем передним ходом и разворачивающемся под действием руля, ЦВ лежит Примерно в 1/3 от носа. Это недалеко от теоретических выкладок. Для отношений L/B, равных 9, 8. 7, 6 и 5, мы получим положения ЦВ соответственно 1/3L, 21/32L, 5/14L, 3/8L и 2/5L от носа. Однако действительное положение ЦВ определяется не только такими факторами, как отношение L/B и со стояние корпуса, но очень сильное влияние оказывает дифферент, а при ускорении и, замедлении судна ЦВ временно сдвигается вперед или в корму.

Рис. 10. Уменьшение усилия разворота, создаваемого рулем на судне, следующем передним ходом: 1 - начальный рычаг управления; 2 - рычаг управления; 3- - поперечное сопротивление

Инерция вращения и положение центра вращения

Если на судне, не имеющем хода относительно воды, дать машине полный ход вперед и переложить руль на борт, легче преодолеть инерцию вращения, чем инерцию - покоя. Причина этого: пока продольная инерция не позволяет судну двигаться вперед, поперечная сила от действия руля имеет преобладающее значение.

Суда с дизельными СЭУ имеют преимущество в том, что создается немедленный мощный упор на руль, который преобразуется непосредственно в поперечную силу от действия руля. Сильный импульс поперечной силы от действия руля преодолевает инерцию вращения прежде, чем установится продольное движение, заставляя судно поворачиваться на месте. Инерция покоя - вот что помогает нам сделать разворот на месте. *

Суда с турбинными СЭУ развивают обороты двигателя так медленно, что требуется больше времени на. преодоление продольной инерции, прежде чем начнет развиваться вращательное движение. Судно начинает ползти вперед, поворот осуществляется очень медленно, при этом усилие от действия руля значительно уменьшается.

Инерция вращательного движения и положение центра вращения

Точка ЦВ является центром вращательного движения. Это вращательное движение приводит к образованию инерции этого движения, величина которой зависит от массы судна¹.

Когда возникает инерция вращательного движения, сила, вновь приложенная к судну, не будет оказывать немедленного влияния на положение ЦВ, и плечо этой силы какое-то время будет работать относительно действующего ЦВ. С потерей инерции вращательного действия ЦВ будет постепенно перемещаться в положение, соответствующее величине и точке приложения этой новой силы. Вращательный эффект новой силы будет расти с увеличением плеча.

Хорошим примером является случай, когда танкер в грузу движется назад относительно воды и нос его разворачивается вправо. Для прекращения разворота мы даем полный ход вперед и перекладываем руль лево на борт. Хотя мы можем видеть струю от винта, но наблюдаем очень малое влияние силы от действия руля. Проходит довольно много времени, прежде чем начнется разворот в обратном направлении; сила от действия руля просто не создавала достаточного усилия, потому что ЦВ находился в корме. Когда движение назад прекратится, руль начнет давать более значительный эффект.

Влияние гребного винта на положение центра вращения

Упор, создаваемый верхними лопастями гребного винта на перо руля, может создать большее поперечное усилие, чем упор нижних лопастей, потому что нижние лопасти встречают большее сопротивление, особенно когда руль погружен только частично. В любом случае результирующее боковое усилие, создаваемое полностью погруженным винтом на переднем ходу, это небольшая поперечная сила, которая толкает корму вправо (рис. 11). Максимальный эффект создается на судне, не имеющем хода относительно воды и давшей ход вперед, когда начальный ЦВ впереди и поперечный упор создает максимальное усилие.

На переднем ходу этот эффект легко устраняется незначительными перекладками руля. Однако можно заметить, что циркуляция влево обычно меньше, чем циркуляция вправо, особенно на судах с винтами относительно большого диаметра.

Рис. 11. Поперечная сила от действия руля и поперечный упор: I - судно идет вперед; II - судно идет назад; 1 - поперечная сила от действия руля; 2 - поперечный упор

Винт, работающий назад, создает сильный поперечный упор, потому что спиральный поток идет под корму, где он частично ударяет в корпус почти под прямым углом (рис. 12). Малооборотные винты большого диаметра толкают большое количество воды под крутым углом по отношению к кормовым обводам и создают сильный поперечный упор при работе гребного винта назад. С другой стороны, насадка на винт, которая устанавливается на некоторых судах, препятствует попаданию воды под кормовую часть под углом, что создает меньший поперечный упор, когда машина работает назад.

Действие поперечного упора винта, работающего назад, больше, когда ЦВ находится впереди, т.е. когда судно все еще идет вперед или остановилось. Поперечный упор создает меньший момент, когда ЦВ смещается в корму.

Рис. 12. Винт правого вращения работает назад: 1 - упор винта

Задний ход и Положение центра вращения

Положение ЦВ на судне, идущем задним ходом, зависит от дифферентам скорости судна относительно воды, усилия поперечной силы, которая заставляет судно вращаться, и влияния других сил, действующих на судно одновременно.

Влияние дифферента на заднем ходу становится обратным, т.е. хороший дифферент для управления на переднем ходу превращается в противоположность на заднем ходу. ЦВ, который был далеко в носу на переднем ходу, будет при обратном продольном движении судна относительно воды смещаться в положение в зависимости от дифферента, близкое к корме. На положение ЦВ на заднем ходу влияет струя винта, которая направлена на кормовые обводы. Увеличившееся продольное сопротивление в корме стремится удержать ЦВ от полного перемещения к корме, пока работает винт (см. рис. 11).

Поперечная сила, приложенная в носу, может легко преодолеть поперечный упор винта и повернуть судно и обратном направлении. Когда судно на заднем ходу поворачивается под действием поперечной силы в носу, ЦВ стремится переместиться дальше в корму.

На судне, идущем задним ходом, поперечный упор и сила руля приложены слишком близко к ЦВ и имеют почти нулевое влияние.

2. Руль и гребной винт

На судне, имеющем один винт правого вращения, руль, отклоняя струю воды от винта, прилагает силу в кормовой части судна.

Силу от действия руля можно разложить на поперечную и продольную составляющие. Для управления судном нам нужна поперечная составляющая; продольная составляющая вызывает уменьшение скорости судна и является потерей с навигационной точки зрения, но она может быть именно той силой, которую необходимо использовать во время подхода к причалу (рис. 13).

Рис. 13. Влияние руля: 1 - сила на пере руля; 2 - поперечная сила; 3 - продольная сила, снижающая скорость судна

В случае когда необходимо замедлить ход, не работая машиной назад, можно использовать, насколько это возможно, полную перекладку руля на борт.

Сила от действия руля, угол дрейфа на циркуляции и поперечное сопротивление корпуса

Для того чтобы понять, как действует поперечная сила от действия руля на судно, следующее передним ходом, рассмотрим ее влияние по отношению к ЦТ и ЦВ. Поскольку поперечная сила от действия руля смещает ЦТ вместе с судном, ЦВ можно рассматривать как условную опору, а ЦТ как вес, который предстоит поднять (приложение В, 1). После преодоления инерции ЦТ судна смещается в сторону, обратную повороту, и создает угол дрейфа, в результате которого борт судна встречает подводное сопротивление. Положение ЦВ играет центральную роль в распределении поперечного гидродинамического сопротивления.

Влияние поперечного сопротивления впереди ЦВ двояко: оно помогает развороту, потому что создает то же самое направление вращения, что и поперечная сила от действия руля, и, наоборот, оно смещает ЦВ назад, укорачивая тем самым рычаг управления (рис. 14). С появлением поперечного сопротивления вращающий момент слагается из момента руля (управления) и момента поперечного сопротивления.

Рис. 14. Влияние поперечной силы руля на ходу: 1 - поперечная сила; 2 - плечо управления

Поперечное сопротивление, возникающее в кормовой части судна от ЦВ, уменьшает угол дрейфа, отчего снижается и величина самого поперечного сопротивления. Угол дрейфа определяется отношением между поперечным сопротивлением в кормовой части судна от ЦВ и поперечной силой от действия руля к сопротивлению трения корпуса судна.

Узкое судно имеет сравнительно более протяженную подводную площадь в корму от ЦВ и встречает относительно большее поперечное сопротивление по корме, что приводит к меньшему углу дрейфа и вследствие этого к большей циркуляции (рис. 15).



Рис. 15. Влияние ширины судна на ЦВ и угол дрейфа

Широкое судно встречает относительно большее подводное сопротивление впереди ЦВ и меньшее поперечное сопротивление в корму от него, что приводит к большему углу дрейфа и вследствие этого к относительно меньшей циркуляции (приложение В, 3).

Поперечное сопротивление вызывает потерю скорости судна, пропорциональную углу дрейфа и величине площади подводной поверхности. Когда разворот установится, и скорость снизится, минимальные изменения угла дрейфа и положение ЦВ будут сбалансированы силами поперечного сопротивления и руля.

Инерция поперечного движения

Если руль поставлен прямо, судно продолжает разворачиваться 'влево: в дополнение к инерции вращения возникает вращательный момент, создаваемый инерцией поперечного движения судна и поперечным сопротивлением впереди ЦВ * (рис. 16). Инерция поперечного движения действует как сила, точка приложения которой находится в ЦТ судна. Точка приложения поперечного сопротивления находится в ЦТ судна. Точка приложения поперечного сопротивления находится примерно в середине между носом и ЦВ.

Рис. 16. Поперечная инерция движения и ЦВ: 1 - направление поперечной инерции движения; 2 - боковое сопротивление

Чтобы остановить разворот, необходимо положить руль на другой борт, в нашем случае - право на борт (рис. 17). Причина того, что для выпрямления судна требуется больше времени и больший угол перекладки руля, чем для начала разворота, заключается в том, что поперечное сопротивление некоторое время продолжает действовать на носовую часть корпуса, создавая вращение, противоположное по направлению вращению, создаваемому рулем (приложения В, 5).

Если мы поставим руль снова прямо в момент, когда разворот прекратится под действием руля, переложенного на другой борт, разворот влево возобновится, потому что мы нарушим баланс сил, который существует между поперечной силой от действия руля, инерцией поперечного движения и поперечным сопротивлением.

Рис. 17. Удержание на курсе при перекладке руля на другой борт: 1 - поперечная сила от действия руля; 2 - направление поперечной инерции движения; 3 - боковое сопротивление

До тех пор, пока существует инерция поперечного движения, существует и поперечное сопротивление; две силы образуют вращающую пару, которая регенерирует разворот, если его не контролировать рулем. Поскольку инерция поперечного движения уменьшается постепенно, необходимо соответственно отводить и руль, чтобы удерживать судно на постоянном курсе.

Влияние продольной инерции на управляемость судна

Ускорение или замедление, возникающее при увеличении или уменьшении частоты вращения винта, оказывает влияние на положение ЦВ. Рассмотрим, например, танкер с дизельной СЭУ дедвейтом 50 тыс. т, следующий самым малым ходом, частотой вращения винта 40 об/мин и скоростью 5,7 уз. Когда мы увеличиваем частоту вращения винта до 65 об/мин, проходит время, прежде чем судно начнет двигаться со скоростью 9,3 уз, соответствующей 65 об/мин. В этой задержке виновата продольная инерция. В течение этого времени лобовое сопротивление судна увеличивается еще непропорционально пропульсивной силе, что приводит к смещению вперед ЦВ.

Если на судне, следующем малым ходом относительно воды, переложить руль на борт в момент увеличения частоты вращения двигателя, то получим увеличенный упор винта на руль и моментальное увеличение его усилия. Эта улучшенная управляемость будет продолжаться до тех пор, пока лобовое сопротивление (впереди) не будет снова соответствовать частоте вращения двигателя.

Если руль удерживать на борту, судно не достигнет скорости, указанной в таблице маневренных элементов, потому что часть пропульсивной силы преобразуется в поперечную силу от действия руля и, кроме этого, судно встречает большее подводное сопротивление во время поворота.

Когда по какой-либо причине нет возможности допустить увеличения скорости, но необходимо уменьшить угловую скорость поворота, лучше вместо того, чтобы отводить руль, как можно быстрее уменьшить частоту вращения двигателя. Это необходимо потому, что, когда руль будет поставлен прямо, ' весь упор винта будет направлен на преодоление инерции продольного движения. Если это будет продолжаться достаточное время для того, чтобы скорость судна относительно воды увеличилась, то с уменьшением частоты вращения двигателя мы будем иметь избыточное лобовое сопротивление, что вызовет снижение управляемости.

Влияние дифферента на управляемость

Когда судно с дифферентом на нос движется относительно воды боком, оно имеет сравнительно большую подводную площадь впереди ЦВ, которая будет встречать большее поперечное сопротивление. Большая поперечная сила в носовой части судна смещает ЦВ дальше назад и укорачивает рычаг управления. Кроме того, когда судно загружено не полностью * и имеет дифферент на нос, винт погружен не так глубоко, что приводит к меньшему его влиянию на руль, что в свою очередь уменьшает момент силы, создаваемой рулем (управляющий момент).

При установившемся развороте носовая часть имеет большую инерцию вращения, которой противостоит меньший управляющий момент. Чем больше дифферент судна на нос, тем труднее им управлять. Чтобы начать разворот, требуется много времени и еще больше 'времени требуется, чтобы его остановить. Большая сила поперечного сопротивления в носовой части судна уменьшает циркуляцию судна (приложение В, 4).

Судно с дифферентом на корму имеет относительно большую подводную площадь позади ЦВ. Когда судно под действием руля, положенного на борт, движется относительно воды вперед и в сторону, его носовая часть встречает меньшее сопротивление воды; вследствие этого ЦВ будет оставаться далеко впереди, создавая относительно длинный рычаг управления. Кроме того, винт погружен в воду глубже и создает лучший упор, что увеличивает силу и управляющий момент.

Большая циркуляция судна, имеющего дифферент на корму, вызвана уменьшением влияния более слабой силы поперечного сопротивления в носу и более сильным поперечным сопротивлением в корме, в результате чего уменьшается угол дрейфа (приложение В, 5).

Уменьшение скорости судна с помощью руля и гребного винта

В море предпочтительна перекладка руля на углы менее 20°, это обеспечивает хорошую управляемость и. относительно малое снижение скорости. Однако когда необходимо уменьшить скорость, можно с успехом использовать эффект снижения скорости действием руля, перекладывая его попеременно с одного борта на другой (так называемая циклическая перекладка руля - Rudder Cycling). В зависимости от наличия пространства и возможности позволить уклониться судну с курса необходимо удерживать руль на одном борту длительное или короткое время. Создаваемое бортом судна поперечное сопротивление способствует уменьшению скорости судна. Крупнотоннажные танкеры, имеющие чрезмерную осадку, при повороте на полном ходу теряют в скорости значительно больше, чем танкеры меньшего размера.

На танкере дедвейтом 477 тыс. т, имеющем скорость 14,4 уз, после остановки машины требуется 62 мин, чтобы скорость упала до 5 уз (инерционные испытания), и потребовалось только 5,5 мин для подобного снижения скорости с 14,4 до 5 уз, когда был осуществлен поворот на 150°, положив руль 35° на борт и сохраняя полный ход машины! В обоих случаях судно было в грузу, имело осадку 92 фута и коэффициент площади пера руля при этой осадке 1 / 60. Коэффициент площади пера руля - отношение смоченной поверхности пера руля к продольной подводной площади судна. Тот же самый танкер дедвейтом 477 тыс. т в балласте с коэффициентом площади пера руля 1/27 не только имеет меньшую инерцию движения, но также относительно большую площадь пера руля. Эти два фактора делают циклическую перекладку руля с малыми изменениями курса более эффективной в балласте, чем в грузу.

В отношении уменьшения скорости движения с помощью гребного винта следует отметить, что на судне, следующем с полной скоростью, винт, работающий на 20% своей мощности, встречает большее сопротивление воды, чем застопоренный винт. Самый малый ход вперед, установленный после того, как судно следовало полным ходом вперед, оказывает вначале в чем-то лучшее торможение, чем немедленная, полная остановка гребного винта. Для более быстрой остановки судна с полного хода вперед винт, работающий назад на 20% своей мощности, вначале более эффективен, чем винт, работающий назад на полную мощность, когда большая часть его усилия теряется из-за кавитации.

Циркуляция судна

Если на судне, не имевшем хода относительно воды, переложить руль на борт и дать полный ход вперед, то полный поворот займет менее половины того пространства, чем в случае Полного поворота, начатого с полного хода вперед. Поворачиваясь вначале на месте, судно набирает ход вперед, и с увеличением инерции движения разворот становится все шире. Инерция покоя - вот что позволяет судну сделать короткий поворот с места и препятствует продольному ускорению.

Пример. Танкер дедвейтом 477 тыс. т в полном грузу, СЭУ турбина, L/B = = 6, осадка 92 фута, угол перекладки руля 35°, начальная скорость 14,4 уз, конечная скорость 3 уз. Машина работает на полный ход, начальная частота вращения турбины 89, конечная - 78 об/мин. Время, затраченное на полную циркуляцию, 16,5 мин.

После перекладки руля на борт судно начинает медленно поворачиваться, и только после того, как оно развернулось примерно на 10°, начинает нарастать вращательное движение. Угловая скорость поворота достигает максимума между 10 и 90° разворота и становится постоянной с меньшим значением, когда судно приобретает установившуюся поступательную скорость (см. приложение В. 1).

Теоретически диаметр циркуляции AL и 3L (где L - длина между перпендикулярами) для отношений L/B, равных 9 и 5 соответственно (см. приложение А, 3). Однако многое зависит от числа факторов, влияющих на угол дрейфа, таких, как дифферент и глубина йод килем.

Циркуляция на постоянной высокой скорости ненамного больше, чем циркуляция на постоянной низкой скорости из-за большей инерции движения, относительно более длинного рычага управления и вследствие этого меньшего угла дрейфа.

Пример. Танкер дедвейтом 50 тыс. т, СЭУ турбина, L/B = 8, осадка в грузу на ровном киле 41 фут 8 дюймов, в балласте - носом 20 и кормой 26 футов.

Для сравнения: танкер дедвейтом 477 тыс. т в балласте, осадка носом 33,5 и кормой 40 футов, время полной циркуляции на полном ходу 14 мин (начальная частота вращения турбины 91, конечная - 82 об/мин). Время полной циркуляции на среднем - ходу 22 мин (частота вращения все время. 51 об/мин), диаметр циркуляции примерно на 6% меньше.

Диаметр циркуляции в грузу обычно больше, чем в балласте. Причина в том, что судно в грузу имеет относительно меньший коэффициент площади пера руля и большую инерцию движения и, кроме этого, имеет обычно меньшую глубину под килем.

Однако на глубокой воде нет большой разницы в циркуляциях, так как танкеры в грузу обычно не имеют дифферента, что приводит к сильному поперечному сопротивлению в носовой части судна.

Ограниченная глубина под килем на мелководье препятствует потоку воды под корпусом судна и является причиной ограниченного поперечного движения кормовой части. Чем меньше глубина под килем, тем больше накапливается воды в районе кормы, двигающейся вперед, и тем ниже уровень воды в носовой части судна, что ведет к меньшему углу дрейфа и вследствие этого к более широкому повороту на мелководье.

...