Ботаники или качки? Мне всегда нравились анекдоты про умников и качков. Читая Библию, я увидел историю Давида и Голиафа как приквел к «Мести полудурков». С одной стороны – огромный, тупой, накачанный Голиаф, а с другой – щуплый, но сообразительный Давид с пращой. Все

«КАЧКИ» - ТУПЫЕ

Для гашения колебаний транспортных объектов и в некоторых других специальных случаях находят применение динамические гасители, основанные на использовании гироскопов . Эквивалентное действие подобных систем аналогично работе пружинного гасителя с трением, хотя устройство и принцип функционирования различные.

В качестве примера на рис. 24 приведена схема успокоителя бортовой качки судов. Ротор гироскопа 1 смонтирован в кожухе 2, который может качаться относительно судна вокруг оси 3, перпендикулярной продольной оси корабля. При этом центр тяжести кожуха располагается ниже оси качаний на расстоянии Колебания кожуха демпфируются с помощью тормозного барабана 4. Масса ротора гироскопа составляет обычно массы судна. С помощью двигателя ротор приводится во вращение с максимально допустимой угловой скоростью

Рис. 24. Гироскопический успокоитель бортовой качки с тормозным барабаном: 1 - ротор; 2 - кожух; 3 - ось кожуха; 4 - тормозной барабан

Обозначая момент инерции ротора через и считая ротор вращающимся протичасовой стрелки (если смотреть на него сверху), устанавливаем, с учетом свойств гироскопа, что при повороте корабля вокруг продольной оси вправо (при виде с кормы) с угловой скоростью кожух гироскопа начнет отклоняться к корме с угловой скоростью угол поворота кожуха) в результате действия момента сил, равного При этом реактивный момент, противодействующий бортовой качке, будет равным Обозначая момент инерции судна относительно продольной оси; момент инерции кожуха относительно поперечной оси 3; вес кожуха, запишем систему дифференциальных уравнений для малых колебаний в виде

Коэффициент характеризует вязкое трение в барабане; с - остойчивость судна; момент внешних сил, определяемый волнением моря.

Полагая и отыскивая решение системы уравнений (34) в виде (17), после преобразований получим следующее выражение, характеризующее амплитуду бортовой качки, аналогичное (4):

Таким образом, анализ, проведенный в параграфе 5, полностью распространяется на рассматриваемый случай. Учитывая переменную частоту волнения моря, заключаем, что описываемая гироскопическая система может эффективно функционировать лишь при рациональном выборе демпфирования в тормозном барабане 4. Оптимальный коэффициент демпфирования определяется (32), где и выражаются через параметры системы в соответствии с (35).

Наряду с рассмотренной схемой для гашения бортовой качки нашла применение гироскопическая система с обратной связью . Кожух 2 исполнительного гироскопа (рис, 25, а) установлен концентрично относительно оси 3 прецессии,

Повороты кожуха осуществляются серводвигателем 4 через передачу 5, приводимым с помощью сигналов малого направляющего гироскопа (рис. 25, б). Последний уста новлен аналогично исполнительному гироскопу и представляет собой его сильно уменьшенную копию. При бортовой качке в результате поворота кожуха направляющего гироскопа замыкаются соответствующие контакты реле, включающего серводвигатель. В результате кожух исполнительного гироскопа поворачивается таким образом, что возникающий реактивный момент, действующий на опоры кожуха, противодействует качке.

Рис. 25. Гироскопический успокоитель (а) бортовой качки с направляющим гироскопом (б): 1 - ротор; 2 - кожух: 3 - ось кожуха; 4 - серводвигатель; 5 - зубчатая передача

В некоторых случаях для борьбы с качкой применяли динамические гасители, выполненные в виде цистерн, расположенных по бортам частично заполненных жидкостью и соединенных трубопроводом для ее свободного перетекания, либо снабженных специальными насосами для принудительного перекачивания жидкости, управляемыми направляющим гироскопом.

В большинстве современных судов для подавления бортовой качки используют устройства, основанные на применении управляемых или неподвижных крыльев, меняющих угол атаки при крене таким образом, чтобы возникающая подъемная сила при их обтекании водой противодействовала качке. В отличие от гироскопических успокоителей эти устройства осуществляют стабилизацию лишь при движении судна.

Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также существенное уменьшение качки БС.

Влияние типа и параметров системы стабилизации судна на его качку и дрейф

Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание
поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также
существенное уменьшение качки БС.

Стабилизация БС при помощи закольных свай полностью исключает его дрейф и уменьшает качку. Однако область эффективного использования закольных свай
ограничена глубинами воды до 8 м и волнением моря до 3 баллов.
Якорная система проявляет максимальную удерживающую способность при горизонтальном приложении к якорю усилия от троса. Установлено, что если угол
приложения нагрузки больше 12° от горизонтали, то удерживающая способность якоря значительно уменьшается. Если принять, что якорный трос вытянут в
прямую линию, то его длина для получения такого угла наклона должна быть в 4,8 раза больше глубины воды в месте бурения.

Однако никакими усилиями наклонно направленный трос невозможно вытянуть в прямую линию, под действием силы тяжести он всегда провисает, и это уменьшает
угол наклона его при подходе к якорю. Поэтому длину заброшенного в воду якорного троса рекомендуют принимать при безветренной погоде, отсутствии сильных
течений и колебаний уровня воды больше глубины акватории в 3-4 раза, а при работе в неблагоприятных погодных условиях - в 2-3 раза. Для увеличения
удерживающей силы и улучшения амортизационных свойств якорной системы рекомендуется к якорному тросу в нескольких метрах от якоря подвешивать специальный
груз или между якорем и тросом устанавливать тяжелую цепь длиной 2-3 м.
Сила внезапных нагрузок от ветра и волнения расходуется прежде всего на уменьшение провеса якорного троса. Одновременно с уменьшением провеса троса увеличивается сила его натяжения, которая создает момент, препятствующий наклону судна. Таким образом, длинный якорный трос демпфирует внезапные нагрузки и уменьшает бортовую, килевую и вертикальную качку судна.

Успокоители качки судов

Работа успокоителей качки судов основана на том, что они создают стабилизирующий момент только при возникновении отклоняющего момента, т.е. когда судно
уже получило угловое наклонение, отличающееся от его значения на тихой воде. Поэтому полностью исключить качку БС успокоители не могут. Тем не менее
успокоители качки частично компенсируют возмущающий момент при качке судна, вследствие чего уменьшаются ее амплитуда, скорость и ускорение. Это
благоприятно сказывается на работе судовых механизмов и самочувствии находящихся на судне людей.

По принципу управления работой успокоители качки делятся на пассивные и активные. Пассивные не имеют искусственного управления стабилизирующим моментом
и не требуют каких-либо специальных источников энергии. Активные успокоители осуществляют изменение стабилизирующего момента с помощью специальных
механизмов. В качестве успокоителей качки используют боковые и торцевые кили, управляемые боковые рули, пассивные и активные успокоительные гироскопы и
цистерны.

Боковые и торцевые кили представляют собой длинные пластины, устанавливаемые на корпусе БС ниже ватерлинии. Кили создают дополнительное сопротивление при бортовой и продольной качке и способствуют
значительному уменьшению амплитуды колебаний (на период качки боковые и торцевые кили не влияют). Применение боковых килей рациональной площади приводит к
уменьшению амплитуды бортовой качки быстро движущегося судна на 20 - 30 % (при больших размерах площади килей до 50 %). Конструктивно кили являются
простейшими пассивными успокоителями. Однако их использование приводит к некоторой потере скорости хода судна.

Управляемые бортовые рули представляют собой крылья малого удлинения, которые выступают с обоих бортов судна и снабжены механизмами, обеспечивающими их
поворот, выдвижение из корпуса и уборку внутрь него. Такие рули относятся к активным успокоителям качки. Боковые управляемые рули особенно эффективно
действуют при высокой скорости хода судна, снижая амплитуду бортовой качки в несколько раз. Благодаря этому повышается скорость судна на волнении, несмотря
на то что выдвинутые рули увеличивают сопротивление его движению на тихой воде.

Действие гироскопического успокоителя качки основано на том, что массивный гироскоп при быстром вращении противодействует изменению направления своей
оси вращения в пространстве. Гироскопические успокоители бывают пассивными и активными. Они одинаково эффективно умеряют качку на ходу судна и в дрейфе.
К недостаткам гироскопических успокоителей относятся значительная масса, неудобство расположения, большая стоимость, сложность устройства в
эксплуатации, расшатывание связей корпуса и опасность значительных его повреждений при аварии гироскопа. Как показала проектная проработка, выполненная
американскими специалистами применительно к судну типа AGOR-3 (водоизмещение -1400 т), масса гироскопического успокоителя должна быть около 70 т, для его
размещения потребуются площади объемом -145 м3, а потребляемая мощность составит 260 кВт, т.е. 35 % общей мощности ЭУ судна.

Успокоительные цистерны бывают пассивными и активными. Конструктивно эти успокоители представляют собой специальные сообщающиеся цистерны с
переливающейся в них водой, расположенные по бортам судна. Принцип действия такого успокоителя состоит в том, что при качке переливание воды из цистерны
одного борта в цистерну другого отстает от наклонения судна. Тем самым создается стабилизирующий момент, противодействующий наклонению судна.
Активные успокоительные цистерны обеспечивают почти полное успокоение бортовой качки судна при всех соотношениях между ее периодом и периодом волны
(т.е. при нерегулярном волнении). Они эффективно действуют на ходу и в дрейфе судна, но требуют сложного и дорогого оборудования (насос или воздуходувка,
приборы управления), дополнительных затрат мощности для его привода. Например, мощность двигателя насоса активных цистерн, установленных на
научно-исследовательском судне "Метеор" (ФРГ), равна 110 кВт.

Пассивные успокоительные цистерны малоэффективны в условиях нерегулярного волнения, и их эффективность зависит от нагрузки судна. В то же время
наибольшее распространение для уменьшения бортовой качки на научно-исследовательских судах получила система стабилизации типа Флюм, в основе которой лежит
принцип работы пассивных успокоительных цистерн. Главными элементами системы Флюм являются три цистерны: две бортовые и одна средняя, соединенные между
собой каналами и снабженные клапанами вентиляции. Примерно на половину своей высоты цистерны и каналы заполнены водой.
Принцип действия системы заключается в следующем: вода перетекает из средней цистерны в бортовую или наоборот таким образом, чтобы уровень воды в
средней цистерне при наклонении судна оставался постоянным. Перетекающая вода создает при этом восстанавливающий момент, который демпфирует бортовую качку.
Изменяя количество воды в цистернах, можно увеличивать или уменьшать метацентрическую высоту, что особенно важно для буровых судов. У БС значение
метацентрической высоты в процессе бурения может колебаться до 30 - 50 % в зависимости от расхода запасов топлива и, главным образом, от того, где
находится буровой снаряд - в скважине или на палубе судна.

Система Флюм отличается простотой и высокой эффективностью, низкими начальными и эксплуатационными затратами, относительно небольшими размерами и
массой (0,7 - 3 % от водоизмещения), возможностью использования топлива в качестве рабочей жидкости. В обычных условиях она, по данным компании "Матсон",
снижает амплитуду бортовой качки на 75 - 80 %, а при условиях, близких к резонансу, - до 90 %. При испытаниях системы на модели достигнуто уменьшение
амплитуды бортовой качки в 2-3 раза. Эффект от применения системы Флюм был настолько значительным, что установка бортовых килей существенно не влияла на уменьшение бортовой качки модели.

Влияние соотношения главных размерений судна на параметры его качки

Для уменьшения килевой и вертикальной качки целесообразно проектировать суда, длина которых была бы больше длины волны, при которой с них
предусматривают осуществлять бурение (при волнении 4 балла длина волны составляет 25 - 40 м, 5 баллов - 40 - 75 м). На точке бурения БС следует
устанавливать носом на волну. Однако в процессе бурения скважины направление ветровой волны может меняться по

141 нескольку раз. А так как изменять положение судна на скважине синхронно с изменением направления волны трудно, то судно может оказаться в положении
бортом на волну. При этом существенно усиливается дрейф и снижается остойчивость судна, т.е. у него увеличиваются углы крена от действия кренящих нагрузок.
Повышение остойчивости судна достигается снижением его центра тяжести. Однако при этом ухудшаются условия работы и обитания людей, так как бортовая
качка становится стремительнее, порывистее и тяжелее.
Для улучшения условий обитания на судне период его бортовой качки необходимо увеличивать. Как следует из выражения, сделать это можно уменьшением
метацентрической высоты судна или увеличением его ширины. Уменьшение ме-тацентрической высоты судов достигается заострением обводов в подводной части
корпуса и преимущественно повышением центра тяжести судна. Последнее улучшает условия обитания на судне, но делает его, как уже отмечалось, менее
остойчивым.

Повышается остойчивость судна и улучшаются условия обитания на нем при увеличении ширины БС. Исходя из режима работы судна (стоянка на точке бурения
составляет 85-90 % всего времени), ширину его корпуса можно увеличивать до любых необходимых размеров. Наряду с этим форма и ширина корпуса не должны
создавать больших сопротивлений движению судна по воде со скоростью 1 0- 1 4 узлов.

Следовательно, при различном влиянии изменения мета-центрической высоты судна на его остойчивость и условия обитания, а ширины на остойчивость и
скорость хода БС должно быть спроектировано таким образом, чтобы при достаточной остойчивости период качки был максимальным. В работе отмечается, что амплитуда бортовой качки плавучей буровой установки при бурении не должна быть более 5 - 7° с периодом в десятки секунд.

Обычно относительная метацентрическая высота (отношение метацентрической высоты к максимальной ширине корпуса) для грузовых и пассажирских судов при
полном водоизмещении составляет примерно 0,05; для научно-исследовательских судов (НИС) она достигает 0,082 . Период качки однокорпусного НИС шириной 1
2 м (среднее значение ширины специализированных судов для геологических и геофизических исследований шельфа по), вычисленный по формуле при
указанном значении относительной метацен-трической высоты, составляет всего 9,4-10,3 с, что явно недостаточно для нормальных условий обитания на судне
людей.

Изложенное свидетельствует, что мероприятия по уменьшению качки БС путем выбора его центра тяжести, формы обводов и размеров корпуса имеют ограниченное
значение и недостаточно эффективны в условиях волнения, постоянно изменяющегося по силе и направлению.

Методы уменьшения амплитуды и силы воздействующих на судно волн

Наиболее мобильными устройствами, защищающими БС от больших волн, являются волнорезы, или волноломы. Их действие основано на том, что по мере удаления
от поверхности в глубь моря сила волн затухает по закону hx = h / е5,5(х/X)0′8,
где h и hx - высота ветровой волны на поверхности моря и на глубине х от поверхности соответственно; X - длина волны.
Расчеты показывают, что 75 % энергии волны моря приходится на его поверхностный слой, глубина которого составляет 10 % от длины волны; на глубине моря,
равной половине длины волны, ветровое волнение практически отсутствует.

Обычно волнорезами служат обладающие положительной плавучестью цилиндрические емкости, которые шарнирно соединяют между собой или помещают в сетчатую
оболочку, располагают в несколько рядов вокруг судна или со стороны волнения и раскрепляют якорями.

Для эффективной работы волнорезов оси цилиндрических емкостей должны находиться ниже уровня воды, где энергия волны максимальная. Для этого расчетную
часть каждой емкости заполняют морской водой, а оставшуюся часть - сжатым воздухом. Эффективность волнореза повышается с увеличением диаметров его
цилиндрических емкостей. Экспериментально с помощью волнорезов специалисты буровых компаний Англии уменьшали амплитуду волны с 9 до 1,5 м.

§ 12. Мореходные качества судов. Часть 2

Рис. 18. Минимальная высота надводного борта судна, имеющего дифферент.

На судах, имеющих и продольные непроницаемые переборки (на пассажирских судах и кораблях ВМС), в случае получения пробоины в подводной части борта и затопления бортовых отсеков образуются одновременно дифферентующий и кренящий моменты в сторону поврежденного борта. Это должно быть принято во внимание при выборе расположения продольных и поперечных переборок на судне.

Деление судна на отсеки должно быть таким, чтобы при бортовой пробоине плавучесть судна исчерпывалась ранее его остойчивости: судно должно тонуть без опрокидывания.

Для спрямления судна, имеющего крен и дифферент, полученные при затоплении отсеков, а также для восстановления уменьшающейся при этом остойчивости, производят принудительное контрзатопление заранее подобранных отсеков с одинаковыми по величине, но с обратными по значению моментами. Например, если судно от пробоины получило крен на левый борт и дифферент на нос, то для его спрямления необходимо затопить кормо- вой отсек по правому борту с равным моментом. Спрямленное судно, естественно, получит дополнительную осадку, но с восстановленной остойчивостью будет продолжать сохранять свои мореходные качества (а корабль -и боевые качества, т. е. производить маневрирование и стрельбу из орудий, запуск реактивных снарядов).

Этот принцип контрзатопления отсеков судна впервые в мире, еще в 1875 г., был предложен выдающимся русским ученым и моряком С. О. Макаровым. В 1903 г. эта идея была использована для практического применения на боевых кораблях молодым тогда ученым, офицером, впоследствии выдающимся советским кораблестроителем, академиком А. Н. Крыловым. Им были предложены специальные таблицы, названные таблицам и непотопляемости , по которым для всех отсеков на корабле были заранее рассчитаны кренящие и дифферентующие моменты, возникающие при затоплении одного или группы отсеков, и заранее определены моменты и указаны отсеки, которые в этом случае необходимо затопить для спрямления корабля. Пользуясь таблицами, можно в сложной боевой обстановке быстро выровнять корабль, получивший пробоину, и восстановить его утраченные боевые качества. Таблицы непотопляемости в настоящее время должны быть составлены для каждого корабля.

В дальнейшем трудами академика Ю. А. Шиманского, профессора В. Г. Власова и других советских ученых наука о непотопляемости корабля получила такое развитие, при котором практически исключается гибель корабля от потери остойчивости при боевом повреждении корпуса.

Качка судна - колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия. Различают три вида качки судов:

А) вертикальную - колебания судна в вертикальной плоскости в виде периодических поступательных перемещений;

Б) бортовую (или боковую)-колебания судна в плоскости шпангоутов в виде угловых перемещений;

В) килевую (или продольную) качку - колебания судна в диаметральной плоскости также в виде угловых перемещений. При плавании судна на взволнованной поверхности воды часто все три вида качки возникают одновременно или в различных комбинациях. Существенное влияние на все виды качки судна оказывает направление его движения по отношению к бегу волны. Качка судна вредно отражается на его эксплуатационных и мореходных качествах.

Перечислим вредные последствия качки:

А) периодический подъем и зарывание в волну оконечностей судна, вызывающие дополнительное сопротивление движению и выход из воды гребного винта, что приводит к потере его упора и снижению скорости хода, увеличению расхода топлива, заливаемости палубы и ухудшению условий обитаемости судна;

Б) создание таких условий, которые могут привести к опрокидыванию судна из-за потери им поперечной остойчивости;

В) ухудшение условий эксплуатации машин и механизмов, а также дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса от удара волн и действия сил инерции, возникающих при качке;

Г) снижение эффективности артиллерийской или торпедной стрельбы на кораблях, затруднение работы ракетных установок;

Д) вредное физиологическое воздействие на людей (заболевание морской болезнью).

Принято различать два вида колебаний судна на качке: свободные (на тихой воде), которые происходят по инерции после прекращения сил, вызвавших их, и вынужденные , которые вызываются внешними периодически приложенными силами, например морским волнением.

Рис. 19. Характеристики качки: а - амплитуда; б - размах; в - период качки.

Амплитудой качки называется наибольшее отклонение судна от исходного положения, измеренное в градусах.

Размах качки - сумма двух последовательных амплитуд (наклонение судна на оба борта).

Период качки -время между двумя последовательными наклонениями или время, в течение которого судно совершает полный цикл колебаний, возвращаясь к тому положению, при котором начался отсчет.

Период качки судна оказывает влияние на характер качки: при большом периоде качка совершается плавно, наоборот, при малом периоде качка происходит порывисто, вызывая тяжелые последствия.

Период (в секундах) свободной бортовой качки вычисляется по следующей формуле:

В - расчетная ширина судна по действующую ватерлинию, м;

H 0 - начальная поперечная метацентрическая высота, м.

Из приведенного значения видно, что судно, обладающее большой остойчивостью, имеет порывистую качку, существенно влияющую на его эксплуатацию.

Период (в секундах) свободной вертикальной качки на тихой Rone насчитывается по приближенной формуле

При плавании судна на взволнованной воде, поскольку судно увлекается движением воды и до некоторой степени является поверхностной частицей, участвующей в орбитальном движении, равнодействующая приложенных к судну сил веса, сил плавучести и сил инерции направлена по нормали к склону воды. Изменение профиля волны непрерывно отражается на форме подводного объема судна и его величине, что приводит к вынужденным колебаниям судна.

Следовательно, характер вынужденных колебаний судна зависит от профиля волны, а их период всегда равен периоду волны. Для уменьшения качки судна принимают ряд мер, условно разделяемых на общие и специальные. К общим мерам относится рациональный выбор формы теоретического чертежа судна , а к специальным- установка конструкций - успокоителей качки , создающих моменты, противодействующие качке судна.

Общими мерами, направленными на уменьшение заливаемости судна и погружение его оконечностей в волну, являются: седловатость палубы, расширение верхней части носовых шпангоутов, образующее развал бортов, а также установка в носовой части верхней палубы водоотбойного козырька, который разрушает покрывающую судно волну и отводит ее к бортам.

Для успокоения наиболее неблагоприятной и опасной бортовой качки применяют специальные меры, заключающиеся в установке успокоителей качки, которые делят на пассивные и активные . Действие первых основано на использовании энергии качания самого судна, действие вторых - на использовании внешних источников энергии, они искусственно управляются. Рассмотрим наиболее простые и эффективные успокоители качки.

1) Боковые (скуловые) кила (рис. 20) представляют собой простейшие пассивные успокоители, имеющие вид наделок в виде пластин площадью до 4% от площади ватерлинии. Эти пластины устанавливают по нормали к скуле в средней части корпуса вдоль линии тока воды, длиной до 40% от длины судна. Принцип действия этих килей заключается в создании момента, обратного моменту качания судна. Под действием таких боковых килей амплитуда бортовой качки уменьшается до 50%.

2) Бортовые пассивные цистерны (рис. 21) устроены по принципу сообщающихся сосудов в виде бортовых цистерн, соединенных водными и воздушными каналами с клапаном, регулирующим переливание воды между цистернами. Клапан регулирует воду с таким расчетом, чтобы она не поспевала за креном судна, а, отставая, переливалась бы по инерции в сторону поднимающегося борта, когда момент воды в цистерне, противодействуя наклонению судна, успокаивает его качку.

Рис. 20. Боковые кили и их конструкция.

Рис. 21. Бортовые пассивные цистерны и положение в них жидкости при качке судна в резонанс с волной.

4) Управляемые боковые рули (рис. 22) являются активными успокоителями качки и устанавливаются в подводной части корпуса в том районе, где ширина судна наибольшая.

Рис 22 Схема работы управляемых боковых рулей левого борта, 1 - аппаратура управления; 2 - система управления; 3 - приводы рулей; 4- ниши для рулей; 5 -перо руля левого борта; 6 - перо руля правого борта. V-скорость и направление набегающего потока; Р - подъемная сила; F - лобовое сопротивление.

При отсутствии качки для устранения дополнительного сопротивления движению судна и предотвращения поломки рулей при швартовке бортом боковые рули убирают в специальные ниши внутрь корпуса судна.

Рис. 23. Схема устройства гироскопического успокоителя качки. 1 - гироскоп; 2 - рама гироскопа; 3 - цапфы, конструктивно связывающие раму с корпусом; 4 - устройство, поворачивающее или тормозящее раму гироскопа.

При бортовой качке судна рама гироскопа самопроизвольно раскачивается в ДП. Если эти качания рамы тормозить или принудительно поворачивать раму при помощи специального электродвигателя, то она будет оказывать на цапфы добавочные давления, образующие пару, противодействующую качке судна. Например, такой успокоитель (с маховиком весом 20 т) установлен на американской подводной лодке «Джордж Вашингтон».

Управляемостью судна называется его способность удерживать заданное направление движения или изменять его в соответствии с перекладкой пера руля. Управляемость характеризуется, с одной стороны, способностью судна противостоять на ходу действию внешних сил, затрудняющих удержание заданного направления движению, - устойчивостью на курсе и, с другой стороны, способностью судна изменять направление движения и двигаться по криволинейной траектории - эта способность называется поворотливостью .

Таким образом, под управляемостью судна понимаются оба эти качества, которые являются противоречивыми. Так, если создать судно с таким соотношением главных размерений, которые обеспечат ему твердую устойчивость на курсе, то судно будет обладать плохой поворотливостью. Наоборот, если судно будет обладать хорошей поворотливостью, то оно будет неустойчивым и рыскливым на курсе. При создании судна необходимо это учитывать и выбирать оптимальное значение для каждого из этих качеств с таким расчетом, чтобы судно обладало нормальной управляемостью.

Рыскливостью называется способность судна самопроизвольно отклоняться от курса под влиянием внешних сил. Считается, что судно устойчиво на курсе, если для его удержания число перекладок руля не превышает 4-6 в минуту и судно при этом успевает отклониться от курса не свыше 2-3°.

Для обеспечения устойчивости судна на курсе и его поворотливости в кормовой части судна устанавливают рули. При перекладке руля на борт возникает момент пары сил, поворачивающий судно вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести, в ту сторону, в которую переложен руль (рис. 24).

Рис. 24. Схема сил, действующих на судно при перекладке пера руля. N - равнодействующая сил давления воды на перо руля; l- плечо пары сил, вращающих судно; Q - сила дрейфа; F - лобовое сопротивление движению судна.

Силу N обратного направления разложим на две составляющие: F - силу, направленную вдоль - в сторону, обратную движению судна, и создающую лобовое сопротивление, уменьшающее скорость хода судна примерно на 25-50%; Q - силу дрейфа, действующую перпендикулярно ДП и вызывающую перемещение судна лагом, которое быстро погашается сопротивлением воды.

Если руль идущего с определенной скоростью судна оставить положенным на борт, то центр тяжести судна (вокруг которого оно поворачивается) начнет изменять траекторию своего движения из прямой в криволинейную, постепенно переходящую в окружность постоянного диаметра D ц, который называется диаметром циркуляции , а движение судна по такой траектории - циркуляцией судна (рис. 25).

Диаметр циркуляции, выраженный в длинах судна, определяет степень поворотливости судна. Судно считается хорошо поворотливым, если D ц = (3/5) L. Чем меньше диаметр циркуляции, тем лучше поворотливость судна. Расстояние l, пройденное судном между ЦТ его в момент перекладки руля и до поворота судна на 90°, измеренное по прямой его движения, называется выдвигом .

Рис. 25. Циркуляция судна. D ц - диаметр установившейся циркуляции; D т - тактический диаметр циркуляции; ,в - угол дрейфа.

При движении судна на циркуляции у него возникает крен на борт, противоположный перекладке руля. Кренящий момент образуется от пары сил: центробежной силы инерции, приложенной в ЦТ судна, и силы гидродинамического давления, приложенной приблизительно посередине осадки. Максимального значения угол крена достигает при диаметре циркуляции, равном 5L, и становится тем больше, чем больше скорость судна и чем меньше диаметр циркуляции, и увеличение этих параметров может привести к опрокидыванию судна.

Ходкостью судна называется его способность перемещаться с заданной скоростью при затрате определенной мощности главных двигателей.

При движении судна на него сразу же начинают действовать силы сопротивления воды и воздуха, направленные в сторону, противоположную его движению, преодолеваемые упорным давлением движителя.

Изучение вопросов, связанных с закономерностью этих сопротивлений, дает возможность выбора наиболее рациональных обводов судна, обеспечивающих достижение скорости при минимальной затрате мощности двигателей.

Сопротивления движению судна возрастают при увеличении его скорости и равны сумме отдельных сопротивлений. Сопротивление воды слагается из:

А) сопротивления формы или вихревого сопротивления Rф, зависящего от формы погруженной части корпуса и создающихся за кормой вихревых образований воды, которые, отрываясь от судна, уносят с собой приобретенную ими живую силу вращательного движения. Чем полнее корпус судна и хуже его обтекаемость, тем больше вихрей и значительнее сопротивление;

Рис. 26. Система волн, возникающих при движении судна. 1, 2 - расходящиеся кормовые и носовые соответственно; 3, 4 - поперечные носовые и кормовые соответственно.

Шероховатость поверхности увеличивает сопротивление трения, которое учитывается дополнительно.

На сопротивление трения большое влияние оказывает обрастание подводной части корпуса водорослями, ракушками и другими организмами, жувущими в воде, которое увеличивает трение между корпусом и водой. Известны случаи, когда через 4-5 месяцев после очистки подводной поверхности скорость судна из- за обрастания уменьшалась на 4-5 узл.

В) волнового сопротивления R В, зависящего от формы подводной части корпуса и представляющего собой затрату части мощности главного двигателя на образование системы волн, сопровождающей судно на ходу (рис. 26).

На малых скоростях образуются преимущественно расходящиеся волны. При увеличении скорости хода возрастает величина поперечных волн, на образование которых затрачиваются большие мощности; в.ч

Г) сопротивления выступающих частей R , зависящего от сопротивления отдельных выступающих частей, расположенных в подводной части корпуса: рулей, кронштейнов, боковых килей, выступающих деталей приборов и т. п.

Для определения величины этих сопротивлений (за исключением сопротивления трения, которое определяется расчетно-экспериментальным путем), проводят испытания моделей судов в специальных опытовых бассейнах, размеры которых достигают 1500x20 м при глубине до 7 м. Длина моделей 2-8 м.

Буксировку этих моделей осуществляют с помощью специальных тележек, движущихся по рельсам, уложенным по обеим сторонам бассейна. Модель соединяется с тележкой через динамометр, замеряющий силу сопротивления модели при равномерном движении тележки с определенной скоростью вдоль бассейна. Модели судов делают из деревянного каркаса (скельтон), обтянутого парусиной и покрытого слоем парафина. Парафин хорошо обрабатывается и легко поддается переделкам и восстановлению. Иногда модели делают полностью из дерева.

Полученные при испытании моделей результаты пересчитывают на натурное судно по законам динамического подобия. Воздушное сопротивление R В3 зависит от величины проекции надводной части судна на плоскость миделя; скорости, направления движения; скорости ветра. Оно определяется в аэродинамической трубе методом продува в ней модели и достигает на больших скоростях внушительных размеров, доходящих до 10% от полного сопротивления. После определения всех отдельных сопротивлений полное сопротивление движению судна определяется как сумма их, равная

Существуют три вида необходимой мощности

1) буксировочная, или эффективная, мощность (EPS) , необходимая для преодоления полного сопротивления движению судна с определенной скоростью, выраженная в лошадиных силах (1 л. с.=75 кГм/сек); она равна

V - скорость судна, м/сек;

2) мощность на валу двигателя (BPS) , она больше предыдущей и определяется на основе буксировочной с учетом коэффициентов полезного действия самого движителя, передаточных механизмов (редукторов, муфт и т. п.), валопровода (опорных и подшипников и т. п.), она равна

3) индикаторная мощность (JPS), которая в свою очередь больше мощности на валу и равна необходимой мощности силовой установки, с учетом коэффициента полезного действия самого двигателя, т. е.

Вперед
Оглавление
Назад