Силы, действующие на корпус судна. Теоретические основы управления судном Внешние силы действующие на корпус судна классификация

ИНЕРЦИОННО-ТОРМОЗНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

Силы и моменты, действующие на судно.

Система уравнений движения судна в

Горизонтальной плоскости.

Маневренные характеристики судна.

Требования к содержанию информации о

Маневренных характеристиках судна.

Общие сведения об инерционно-тормозных

Свойствах судна.

7. Особенности реверсирования различных видов

Движительных установок судов.

Торможение судна.

Судно как объект управления.

Транспортное морское судно совершает движение на границе двух сред: воды и воздуха, испытывая при этом гидродинамические и аэродинамические воздействия.

Для достижения заданных параметров движения, судном необходимо управлять. В этом смысле судно является управляемой системой . Каждая управляемая система состоит из трех частей: объекта управления, средства управления и управляющего устройства (автомата или человека)

Управление – это такая организация процесса, которая обеспечивает достижение определенной цели, соответствующей задаче управления.

При плавании судна в открытом море, задача управления заключается в обеспечении его перехода из одной точки в другую по прямолинейной траектории, удерживая заданный курс и периодически корректируя его после получения обсерваций. В этом случае курс является управляемой координатой, а процесс поддержания его постоянного значения является целью управления.

Мгновенное значение ряда координат определяет состояние судна в данный момент. Такими координатами являются: курс, скорость, угол дрейфа, поперечное смещение относительно генерального курса и т.п. Они являются выходными координатами . В отличие от них координаты, являющиеся причинами управляемого движения, называются входными . Это угол перекладки руля и частота вращения гребного винта . При выборе значений входных координат, управляющее устройство (авторулевой, судоводитель), руководствуются значениями выходных координат. Такая связь между следствием и причиной называется обратной связью.

Рассмотренная управляемая система является замкнутой, т.к. в ней действует управляющее устройство (судоводитель). Если же управляющее устройство перестанет функционировать, то система становится разомкнутой и поведение объекта управления (судна) будет определяться тем состоянием, в котором зафиксированы средства управления (угол перекладки руля, частота и направление вращения гребного винта).

В дисциплине «Управление судном» изучаются задачи управления судном, движение которого происходит в непосредственной близости от препятствий, т.е. на расстояниях, сопоставимых с размерами самого объекта управления, что исключает возможность рассматривать его как точку (например, как в курсе «Навигация»).

Силы и моменты, действующие на судно

Все силы, действующие на судно, принято разделять на три группы: движущие, внешние и реактивные .

К движущим относят силы, создаваемые средствами управления для придания судну линейного и углового движения. К таким силам относятся: упор гребного винта, боковая сила руля, силы, создаваемые средствами активного управления (САУ) и т.п.

К внешним относятся силы давления ветра, волнения моря, течения. Эти силы в большинстве случаев создают помехи при маневрировании.

К реактивным относятся силы и моменты, возникающие в результате движения судна . Реактивные силы зависят от линейных и угловых скоростей судна. По своей природе реактивные силы и моменты разделяются на инерционные и неинерционные . Инерционные силы и моменты обусловлены инертностью судна и присоединенных масс жидкости. Эти силы возникают только при наличии ускорений – линейного, углового, центростремительного. Инерционная сила всегда направлена в сторону, противоположную ускорению . При равномерном прямолинейном движении судна инерционные силы не возникают.

Неинерционные силы и их моменты обусловлены вязкостью забортной воды, следовательно, являются гидродинамическими силами и моментами. При рассмотрении задач управляемости используется связанная с судном подвижная система координат с началом в его центре тяжести. Положительное направление осей: Х – в нос; Y – в сторону правого борта; Z – вниз. Положительный отсчет углов принимается по часовой стрелке, однако, с оговорками в отношении угла перекладки, угла дрейфа и курсового угла ветра.

За положительное направление перекладки руля принимают перекладку, вызывающую циркуляцию по часовой стрелке, т.е. перекладку на правый борт (перо руля разворачивается при этом против часовой стрелки).

За положительный угол дрейфа принимается такой, при котором поток воды набегает со стороны левого борта и, следовательно, создает положительную поперечную гидродинамическую силу на корпусе судна. Такой угол дрейфа возникает на правой циркуляции судна.

Общий случай движения судна описывается системой из трех дифференциальных уравнений: двух уравнений сил по продольной Х и поперечной Y осям и уравнением моментов вокруг вертикальной оси Z.

Все силы (нагрузки), действующие на корпус судна, можно разделить на две категории:

-Постоянные , действующие в течение всего периода эксплуатации.

-Случайные , действующие в течение какого-либо промежутка времени или периодически.

По характеру воздействия на корпус постоянные или случайные силы могут быть статическими илидинамическими.

Также на судно действуют нагрузки (во время эксплуатации):

Силы тяжести – Силы (постоянные), действующие на судно всё время. К ним относятся силы тяжести корпуса, механизмов, грузов, запасов.

Силы гидростатического давления (силы поддерживания) – постоянные силы, уравновешивающие силы тяжести, величина сил поддерживания зависит от осадки судна.

Силы сопротивления воды (при движении судна) – постоянные силы, величина которых зависит от скорости и осадки судна.

Инерционные силы – случайные силы, возникновение которых зависит от эксплуатационных условий, например, при качке.

Реакция кильблоков (при постановке судна в док) – случайные силы, величина которых зависит от распределения нагрузки по длине судна в момент докования и количества кильблоков под днищем судна.

Прочие эксплуатационные силы – случайные, преимущественно динамического характера: удары о пирс при швартове, посадка на мель, удары волн о корпус, заливание палубы водой при шторме.

Для противодействия вышеперечисленным нагрузкам и предотвращения остаточных деформаций корпус судна должен обладать общей продольной, поперечной и местной прочностью.

А) Общая продольная прочность:

При плавании судна в спокойной воде на его корпус действуют силы тяжести и силы поддерживания. Эти нагрузки условно приводятся к плоской системе сил, приложенных к вертикальной плоскости, проходящей вдоль судна через середину его ширины. Силы тяжести по длине судна распределены неравномерно, в зависимости от типа судна, расположении МО по длине судна, количества груза в трюмах, количества и распределения судовых запасов, балласта. Распределение сил поддерживания по длине судна пропорционально подводному объёму корпуса, т.е наибольшее гидростатическое давление воды будет действовать по средней части длины корпуса с плавным уменьшением к оконечностям.

Чтобы рассчитать общую продольную прочность корпуса судна, его делят на 20 теоретических отсеков. Посчитывают величину сил тяжести корпуса, механизмов, грузов, оборудования, приходящуюся на каждый теоретический отсек, а затем в принятом масштабе строят кривую сил тяжести. Полученная ступенчатая кривая наглядно показывает величину си тяжести в каждом теоретическом отсеке и характер распределения этих сил по длине судна. Вычисляют также величину сил поддержания, приходящуюся на каждый теоретический отсек и строят её кривую. Эта кривая может быть ступенчатой, что удобней для её сравнения с кривой сил тяжести, или плавной, так как изменение подводного объёма по длине происходит плавно. Кривые строят в одном масштабе, что даёт возможность сложить их. Получается кривая нагрузки. Иногда может иметь место избыток сил поддержания, тогда распределение нагрузки вызовет перегиб судна, при котором в палубевозникнут напряжения растяжения или напряжения сжатия. Если нагрузка на судно будет распределена по-иному, т.е в средней части судна будет избыток сил тяжести, а в конечностях - сил поддержания, то судно будет испытывать прогиб, и напряжения в палубе изменят знак.

Б) Местная прочность:

Местная прочность – способность отдельных районов или мест корпуса выдерживать действующие на них нагрузки. При рассмотрении местной прочности корпус судна разбивают на ряд конструктивных элементов: перекрытия, шпангоутные рамки, баки, пластины.

- Перекрытия – система пересекающихся продольных и поперечных балок набора, соединенных обшивкой и опирающихся на жёсткий опорный контур (борта, переборки, палубы).

Различают перекрытия: днищевые, бортовые, палубные, переборки. Балки, входящие в состав перекрытия, делятся на балки главного направления – часто расставленные балки одного направления, и перекрёстные связи – мощные балки, пересекающие балки главного направления и поддерживающие их.

- Шпангоутная рамка – образуется поперечными балками днища, борта и палубы, лежащими в одной вертикальной поперечной плоскости. Методами строительной механики корабля определяют деформации напряжения в балках и узлах рамки.

- Пластина – это часть обшивки, которая находится между балками и опирается на них. Пластины корпуса непосредственно воспринимаю нагрузку, и передают её балкам судового набора. Определённая часть двух соседних пластин входит в состав балки набора как присоединенный поясок. Таким образом, балка набора состоит из вертикальной стенки, свободного пояска и присоединённого пояска, т.е имеет вид двутавра.

20. Основные элементы корпуса судна : Нос(передняя часть или носовая оконечность), Корма (задняя часть или кормовая оконечность), Днище, Второе дно (на крупных судах), Междудонное пространство (между днищем и настилом второго дна), Борта (правый и левый), Палуба (закрывает корпус сверху), палубы: верхняя – главная, а также вторая, третья и т.п.(счёт палуб идёт сверху вниз) , Твиндек – пространство между палубами, внутри корпус судна разделён поперечными продольными переборками на ряд Отсеков, Форпик – первый носовой отсек, Ахтерпик – последний кормовой отсек, Надстройки и Рубки располагаются на палубе (могут быть одно- и многоярусными) , Бак – носовая надстройка (хранятся концы, танки с топливом и пресной водой, балласт), Ют – кормовая надстройка, Средняя надстройка – располагается между баком и ютом, Элементы судовых устройств располагаются на главной палубе и на палубах бака и юта. Элементы судовых устройств – комплекс конструкций, изделий и механизмов, который обеспечивает нормальную, безопасную эксплуатацию судна. Морские суда обычно имеют рулевое, якорное, швартовное, буксирное, спасательное, мачтовое, грузовое, тентовое и леерное устройства.

21/ 22/ 23- основные системы каркаса корпуса судна :

1. поперечная система набора корпуса: при этой системе балки главного направления во всех перекрытиях (бимсы – в палубных, шпангоуты – в бортовых, флоры – в днищевых расположены поперёк судна. Расстояние между ними определяется по правилам Регистра и в зависимости от длины судна колеблется в пределах 500-800 мм. Поперечная система набора выгодна на ледоколах и судах ледового плавания, т.к. хорошо обеспечивает устойчивость листов днища при поперечном сжатии судна льдами. Преимущества: простота конструкции, лёгкость стыковки секции на стапеле, без большого числа продольных связей легче обеспечить непроницаемость поперечных переборок. Недостаток: большое число гибочных работ.
2. Продольная система набора корпуса судна: при данной системе набора во всех перекрытиях в средней части длины корпуса балки главного направления расположены вдоль судна. Оконечности судна при этом набираются по поперечной системе, т.к. в оконечностях продольная система неэффективна. Применение продольной системы в средней части длины судна позволяет обеспечить высокую продольную прочность. Поэтому данная система применяется на длинных судах, испытывающих действие большого изгибающего момента.Большое число продольных рёбер жёсткости обеспечивает хорошую устойчивость продольных рёбер палубы и днища при продольных сжимающих нагрузках, что позволяет применять листы из высокопрочной низколегированной стали меньшей толщины. В результате увеличивает грузоподъёмность судна. Малое число гибочных работ. Недостатки: установка высокого рамного набора, загромождающего трюмы, большое количество отверстий в поперечном наборе для прохода продольных рёбер жёсткости, сложность стыковки секций на стапеле.
3. Комбинированная система набора корпуса: при диной системе набора палубные и днищевые перекрытия в средней части длины корпуса набираются по продольной системе набора, а бортовые перекрытия в средней части и все перекрытия в оконечностях судна – по поперечной системе набора. Такое комбинирование систем набора перекрытий позволяет более рационально решить вопросы общей продольной и местной прочности корпуса, а также обеспечить хорошую устойчивость листов палубы и днища при их сжатии. Комбинированная система применяется на крупнотоннажных сухогрузных судах и низкобортных танкерах. Применение данной системы приводит к увеличению грузоподъёмности судна, т.к. из-за рационального размещения балок набора в поперечном сечении корпуса можно снизить толщину листового и профильного проката.
4. стр. 45, 46, 47 – рисунки.

Конструкция днища :

1. Днище судна состоит из днищевых перекрытий, которые представляют собой части днища, заключённые между бортами и переборками. В процессе эксплуатации судна днищевые перекрытия испытывают следующие нагрузки: гидростатическое давление воды, равномерно распределённое или сосредоточенное давление груза в трюме, сосредоточенные и вибрационные нагрузки в МО, гидродинамическое воздействие волн в оконечностях судна, усилия от общего продольного изгиба, реакции кильблоков при постановке судна в док, гидростатическое давление испытательного набора.
2. Днищевое перекрытие без второго дна, набранное по поперечной системе набора. Днищевой набор состоит из балок таврового поперечного сечения. Балки имеют вертикальную стенку и горизонтальный поясок. В диаметральной плоскости вдоль всего судна установлен вертикальный киль. Параллельно ему на расстоянии 1100-2200 мм. Расположены днищевые стрингеры. Поперёк судна в каждом шпангоуте установлены сплошные флоры. Во флорах и стрингерах выполняют круглые или овальные вырезы для уменьшения массы перекрытия.Между вырезами на стенки флоров приваривают рёбра жёсткости. В стенках поперечного и продольного набора у днища вырезают голубницы- отверстия для протока воды и прохода выступающих валиков стальных швов. Такое днище используется на небольших сухогрузных судах.
3. днищевое перекрытие без второго дна, набранное по продольной системе набора. Такая конструкция обычно применяется в танка нефтеналивных судов. Характерная особенность – наличие большого количества продольных днищевых рёбер жёсткости. В нижней части продольных рёбер жесткости делают прорези в виде гребёнки, что улучшает условия приварки балок к днищу и обеспечивает сток нефтепродуктов к какому-либо борту. В районе скуловой части днищевые продольные ребра жесткости на длинных судах пропускают через поперечные переборки, не разрезая. В диаметральной плоскости устанавливают высокий вертикальный киль.
4. днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по поперечной системе. Настил второго дна обеспечивает общую продольную прочность корпуса, удобство укладки груза и обслуживания трюма, препятствует проникновению воны внутрь судна при получении пробоины в днище. Образовавшееся междудонное пространство служит для хранения жидких судовых запасов и приёма балласта. В диаметральной плоскости установлен вертикальный киль. Параллельно килю с каждого борта идут днищевые стрингеры. Поперёк судна устанавливают сплошные, непроницаемые, бракетные или облегчённые флоры. Непроницаемые флоры выгораживают междудонные отсеки. На некоторых судах настил второго дна у борта может подгибаться наверх или подходить к борту горизонтально.
5. днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по продольной системе набора. Применяется на крупных сухогрузных судах, в последнее время и на танкерах. В середине ширины судна устанавливают вертикальный киль, днидщевые стрингеры в данном случае могут быть поставлены несколько реже, чем при поперечной системе набора, но количество их с каждого борта также зависит от ширины судна и колеблется от одного до трёх. По днищу и под настилом второго днарасполагают днищевые продольные рёбра жёсткости второго дна. По настилом второго дна ставят сплошные и водонепроницаемы флоры.

Рис. Стр. 49-52

Конструкция борта : борт судна состоит из бортовых перекрытий, которые представляют собой участки борта, заключённые между поперечными переборками, палубой и днищем.

1. бортовое перекрытие набранное по поперечной системе набора. (сухогрузные суда, ледоколы и низкогабаритные танкеры. Бортовая обшивка поддерживает обыкновенными шпангоутами.

2. днищевое перекрытие со вторым дном, набранное по продольной системе набора. Такая конструкция применяется на крупнотоннажных танкерах и нефтерудовозах.

Прочность судна - способность его корпуса не разрушаться и не изменять своей формы под действием постоянных и временных сил

Силы, действующие на корпус плавающего судна

На корпус судна действуют временные и постоянные силы. К временным необходимо отнести силы, возникающие во время качки судна на взволнованной поверхности воды: силы инерции масс судна и силы сопротивления воды. К постоянным относятся статические силы, вес судна и давление воды на погруженную часть корпуса - силы поддержания. Силы, действующие на судно, плавающее на тихой воде, несмотря на равнодействующие их равенство, по длине корпуса распределяются неравномерно. Силы поддержания, распределяются по длине соответственно погруженному в воду объему корпуса и характеризуются формой строевой по шпангоутам. Силы же веса распределяются по длине корпуса в зависимости от расположения его элементов, таких, как мачты, переборки, механизмы, надстройки, установки, грузы и т. п. Получается так, что на одном участке по длине корпуса силы поддержания преобладают над силами веса, а на другом - наоборот.

Изгиб корпуса судна, вызванный неравномерным распределением действующих на него сил. 1 - кривая сил веса; 2 - кривая сил поддержания.
От неравномерного распределения по длине корпуса сил веса и сил поддержания возникает общий продольный изгиб корпуса судна. Максимального значения эти силы достигают тогда, когда судно идет курсом, перпендикулярным направлению волны, длина которой равна длине судна. При прохождении вершины волны у миделя, в средней части корпуса образуются избыточные силы поддержания с недостатком их в оконечностях.

От неравномерного распределения сил поддержания в этом случае получается перегиб корпуса (а). Через короткий промежуток времени судно переходит на подошву волны, при этом избыток сил поддержания перемещается к оконечностям, отчего возникает прогиб корпуса (б). Вследствие качки судна, возникшей на волнении, на корпус действуют силы инерции, оказывающие на него дополнительное воздействие, а во время плавания с большой скоростью против крупной встречной волны при ударе днищевой частью носовой оконечности о воду (явление слеминга) возникают дополнительно ударные или динамические нагрузки.

Понятие прочности судна

Прочностью судна называется способность его корпуса не изменять своей формы и не разрушаться под действием временных и постоянных сил. Различают общую и местную прочность судна.

Общей продольной прочностью корпуса судна называется его способность выдерживать действие внешних сил, приложенных по длине.

Общая прочность судна обеспечивается водонепроницаемой оболочкой, которой служит обшивка и верхняя палуба, настил других палуб, продольные переборки с подкрепляющими их конструкциями и всеми конструктивными связями, имеющими длину больше высоты борта.

Местной прочностью корпуса называется способность его отдельных конструкций противостоять дополнительному воздействию сил: главным образом давлению забортной воды и сосредоточенным нагрузкам.

Для обеспечения местной прочности отдельных конструкций предусматривают их специальное местное подкрепление.

Кроме прочности, конструкции судна должны обладать также устойчивостью, т. е. они не должны изменять своей формы под действием сжимающих усилий (например, не должно происходить выпучивания палуб, изгиба переборок и т. п.). Для обеспечения необходимой устойчивости конструкций на них устанавливают дополнительные ребра жесткости или другие какие-либо подкрепления.

Расчет общей прочности судна сводится к определению размеров его прочных связей и вычислению внутренних напряжений, возникающих в них под действием приложенных сил. Если возникающие напряжения не превосходят допускаемых для данного материала, то прочность судна обеспечена; если же -наоборот, то следует увеличить размеры связей и вновь произвести расчет прочности. Для такого расчета необходимо знать момент сопротивления поперечного сечения посредине длины корпуса судна.

В строительной механике корпус принимается как пустотелая составная балка сложной конструкции. Расчет такой балки сводится к вычислению момента сопротивления так называемого эквивалентного бруса, представляющего собой условную составную балку, отдельные части которой имеют площадь и расположение по высоте, аналогичные соответствующим элементам прочных связей корпуса, участвующим в обеспечении продольной прочности судна. Приближенно наименьшее значение момента сопротивления определяется по формуле

где η – коэффициент утилизации площади сечений, равный 0,5- 0,55;

F – площадь сечения продольных связей;

Н – высота борта судна. Внутренние напряжения бвн при изгибе балки, как известно, находят по формуле

где М – наибольший изгибающий момент по длине судна. Изгибающий момент зависит от водоизмещения и длины судна и выражается зависимостью

где k – коэффициент пропорциональности, изменяющийся в пределах от 20 до 40 в зависимости от типа судна.

При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна, можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна. Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим результирующую сил трения - сопротивление трения RТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления RД, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы RФ, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая -волновое сопротивление RB зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей RВ.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление RВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:

R = RТР + RB + RФ+ RВ.Ч. + RВОЗ (1)

Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:

R = C × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ), (2)

где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
SВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:

C = CТР + CB + CФ+ CВ.Ч. + CВОЗ или C = CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ

где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:
R = (CТР + CО + CВ.Ч. + CВОЗ) × (ρπV2 / 2) × (S + SВЧ) (3).

Движущая сила Pe создается и поддерживается судовыми движителями, преобразующими механическую энергию поступательного движения судна.

В процессе работы движитель воздействует на окружающий судно поток, а корпус судна изменяет поток в районе расположения движителя.

Полезная мощность, которую развивает движитель: N=Pvp

Поторебляемая движителем мощность Np=Mw

(М-момент, передаваемый движителю от двигателя, w-угловая скорость вращения гребного винта)

Судовые движители по принципу действия являются гидравлическими или гидрореактивными. В последнее время применяются воздушные движители (суда на воздушной подушке оборудуют воздушными винтами).

Действие основано на отбрасывании в сторону, обратную направлению движения судна, масс окуржающей среды: воды или воздуха. Это осуществляется засчет сообщения массам, перерабатываемым рабочими элементами движителяколичества движения. Реакция отброшенных масс воспринимается деталями движителя. Ее составляющая в направлении движения судна ности назвоние упора движителя. Силы, возникающие на элементах движителей, могут создаваться как за счет сил сопротивления при движении движителя в окружающей среде, так и за счет подъемной силы- по природе аналогичной подъемной силе несущего крыла.

Гребные винты применяются на судах различного типа и назначения, они отличаются простотой конструкции, удовлетворительной эксплуатационной надежностью и относительно высоким КПД. Разновидностями гребного винта являются винты регулируемого шага, соосные винты противоположного вращения,гребные винтытандем.

Крыльчатый движитель обладает специфическими свойствами.

Водометные движители

Существуют другие типы движителей, среди которых можно отметить газоводометные и роторные.

Судовыми движителями называются специальные устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к. они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную движению судна. В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и водометный движители. Гребной винт служит основным типом движителя
для морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш). Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта называется расстояние, на которое переместится точка винта за один полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме движения судна. Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей), обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному - наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом: возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что усложняет их крепление.

К основным геометрическим элементам и характеристикам, определяющим действие гребного лодочного винта, относятся:
1. Диамерт винта D=2R, представляющий собой диаметр окружности, описываемой самой удаленной от оси винта точкой лопаси. Диаметр лодочного винта определяется площадью гидравлического , или рабочего , сечения движителя.
2. Радиус лодочного винта R=0,5D - расстояние от оси гребного винта до наиболее удаленной точнки, называемой краем лопасти.
3. Геометрический , или конструктивный , шаг винта - H, характеризующий возможное перемещение винта за один оборот при движении бе скольжения. Конструктивный шаг винта определяется шагом винтовых линий, образующих нагнетательную (кормовую) поверхность лопасти гребного лодочного винта, и находится по формуле: H=2πrtgѵ,

где r - радиус рассматриваемого сечения лопасти; tgѵ - тангенс шагового угла на радиусе r.
Различают лодочные винты постоянного шага H = const и переменного H = ϝ(r), у которых шаг вдоль радиуса лопасти изменяется по какому-либо закону.
4. Конструктивное шаговоре отношение H/D - отношение конструктивного шага винта к его диаметру.
5. Дисковое отношение Θ, представляющее отношение суммарной площади всех z лопастей к площади диска, ометаемого винтом, Θ=A/Ad=(2zbcp(D-dc))/(πDD),

6. Приведенный , или относительный , радиус лопасти, представляющий собой отношение радиуса ента давления лопасти R0 к наибольшему радиусу гребного винта R. Обычно принимается, что центр давления, характеризующий точку приложения к лопасти равнодействующей всех сил, совпадает с центром тяжести спрямленной поверхности лопасти.
7. Профиль сечения лопасти , под которым понимается спрямленный на плоскость след сечения лопасти лодочного винта соосным с ним круговым цилиндром на заданном радиусе.

Для характеристики режима работы гребного винта в целом используют понятие поступи. Линейной поступью hp винта называется путь, проходимый винтом в осевом направлении за время одного оборота=vp/hp

Отношение линейной поступи к диаметру винта называется относительной поступью или просто поступью винта. λp=hp /D=Vp/nD

Шаг винта- расстояние, которое проходит винт за один оборот в твоердом теле.

Безразмерные гидродинамические характеристики гребного винта, представленные в виде кривых в функции от относительной поступи, называются кривыми действия. С их помощью можно определить упор, момент, КПД винта при различных режимах работы.

На графике изображается также λ1=H1/D- шаговое отношение нулевого упора или гидродинамическое шаговое отношение.

λ2=H2/D- шаговое отношение нулевого момента.

При λp ›λ2, k2‹ 0, винт работает в режиме турбины, создавая вращающий момент за счет энергии потока.

В диапозоне изменения относительной поступи λ1 ‹ λp‹ λ2 винт не может быть использован ни как движитель, ни как турбина. Рабочей областью гребного винта, как судового движителя является диапозон относительных поступей 0 ‹ λp ‹ λ1, где P› 0

В каждом конкретном случае на расчетных режимах гребной винт должен работать в диапозоне относительных поступей, соответствующих высоким значениям КПД, что обеспечивается надлежащим выбором геометрических характеристик гребных винтов.

Одна из наиболее важных целей модельных гидродинамических испытаний винтов- получить систематизированные экспериментальныематериалы, необходимые для проектирования гребных винтов. Эти материалы получают в результате испытаний определенных серий винтов. При разработке серий моделей стремятся получить систематическое изменение их важнейших конструктивных элементов, существенно влияющихна гидродинамические характеристики винта.

Такими элементами являются: шаговое отношение H/D, дисковое отношение A/Ad, число лопастей Z, относительная толщина лопасти Ω, форма сечений лопасти, ее контур.

Материалы испыьаний представляются на диаграммах, содержащих кривые действия винтов серии, отличющихся только шаговым отношением. На диаграмме изображаются кривые коэффициента упора К1 и КПД в функции относительно поступи.

Каждая серия винтов, отличающихся шаговым отношением, представляется двумя диаграммами: диаграммой, посторенной в осях k1-λp и диаграммой, построенной в осях k2- λp.

Первую диаграмму называют корпусной, она используется, когда исходными для расчета гребного винта служит буксировочное сопротивление корпуса судна, а мощность энергетической установки, необходимая для обеспечения указанной в техническом задании на проектировании скорости судна. Диаграмму, построенную в осях k2- λp, называют машинной. Эта диаграмма используется, когда мощность энергетической установки проектируемого судна задана, а достежимая скорость является искомой величиной.

Простейшей формой задания на проектирование винта, позволяющей однозначно определить геометрические элементы винта в пределах заданной серии, является случай, когда указаны частота вращения n, диаметр винта D, скорость поступательного движения винта Vp, а также требуемый упор или располагаемая мощность на винте Np. Ная эти величины, можно вычислить относительную поступь λp и коэффициент упора k2, определяющие на поле диаграмм единственную точку, которая однозначно определяет шаговое отношение и КПД винта.

По данной тематике проводится лабораторная работа 2.1 (2 часа)

При движении судна прямолинейным курсом и положении руля в диаметральной плоскости, при отсутствии ветра и течения, сила упора движителей уравновешивается силами сопротивления воды движению корпуса судна. Руль и корпус симметрично обтекают встречные струи воды и сил отклоняющих судно не возникает. При перекладке руля на некоторый угол α , со стороны обращенной к обтекающему потоку, на руле возникает повышенное давление, а на противоположной стороне руля – пониженное. Разность давлений на сторонах пера руля создает силу Р, давящую на перо руля и зависящую от скорости натекания воды на перо руля, угла перекладки, формы и площади пера руля. После перекладки руля судно некоторое время, по инерции, продолжает двигаться прямолинейно, а затем поворачивается в сторону перекладки руля. Рассмотрим действие силы Р на судно в первый момент после перекладки руля.

Разложим силу Р по правилу параллелограмма на две составляющие силы: Ру – перпендикулярную ДП судна рулевую силу , и Рх – направленную по ДП силу торможения. Приложим к ЦТ судна две равные и противоположно направленные силы Р 1 и Р 2 , параллельные и равные силе Ру. Силы Ру и Р 2 образуют пару сил, а их поворачивающий момент Мр наз. моментом руля Мр = Ру 0,5L где 0,5L – плечо пары сил Ру и Р 2 . Сила Ру при движении прямым курсом определяют по формуле:

Ру = k 1 k 2 с р 0,5рSр(k υ υ) 2 (α+β с) где:

k 1 – коэф., учитывающий увеличение рулевой силы от постановки рулевых шайб(1,15-1,2);

k 2 – коэф., учитывающий влияние близости пера руля к корпусу судна (1,05- 1,3 при меньшем зазоре, больший коэффициент);

с р – угловой коэф. 5,15/1+(2S р / h р 2) где h р -высота пера руля,м;

ρ- массовая плотность воды (для пресной воды 102 кгс с 2 /м 4);

Sр – площадь пера руля,м 2 ;

k υ – коэф. учитывающий изменение скорости натекания воды на перо руля, от действия гребного винта и корпуса судна (1,1-1,55, больше при толкании, меньше для одиночных судов);

υ – скорость натекания воды на перо руля, м/с;

α – угол перекладки руля, град;

β с – угол скоса потока воды за кормой, вызванного обводами судна. (у одно и трех винтовых судов β с = 2-4 0 , у двухвинтовых с 2-мя рулями β с =0 0).

Из рисунка видно, что при перекладке руля на судно начинают действовать: поворачивающий момент Мр , направленный в сторону отклонения пера руля; сила Ру , смещающая судно в сторону противоположную повороту и сила Рх , увеличивающая сопротивление движению. Увеличение сопротивления при перекладке руля уменьшает скорость движения судна (при прямолинейном движении и удержании судна на курсе 5-ти градусными перекладками руля, теряется до 2% скорости), поэтому перекладка руля не должна превышать 1 0 .

Смещение и дрейф судна в сторону противоположную повороту руля, достигает наибольшего значения в кормовой части судна, что следует учитывать при выполнении поворотов и оборотов вблизи опасностей.

После преодоления сил инерции судно начинает двигаться по криволинейной траектории – циркуляции. В это время на судно, как на всякое физическое тело, движущееся по кривой, действует центробежная сила С , направленная в сторону противоположную повороту. Она приложена к центру тяжести судна, пропорциональна его массе m , квадрату скорости υ с поступательного движения ии обратно пропорциональна радиусу кривизны траектории движения r . С=mυ с 2 /r .

Эта сила с плечом h (расстояние между ц.т. и центром величины судна) создает кренящий момент Мкр = Сh, вызывающий крен судна в сторонупротивоположную повороту судна, что также следует учитывать привыполнении резкого поворота и оборота (снижать скорость и угол перекладки руля). Циркуляция, ее периоды и элементы см. выше.

После остановки движителей давление воды на перо руля резко уменьшается. С уменьшением скорости судно хуже слушается руля и может потерять управляемость . При работе винта «назад» на стороне руля обращенной к винту, создается пониженное давление, поэтому при руле переложенном «вправо» нос судна уклоняется влево и наоборот, т.е. корма судна уклоняется в сторону перекладки руля.

Сила давления на перо руля при движении задним ходом в первый момент определяется по формуле: Ру = с у 0,5S ρ υ 2 , рассмотрим действие силы Р на судно придвижении задним ходом. Отклонение руля вызывает поворачивающий момент от пары сил Р и Р 1 , увеличение сопротивлению воды движению корпуса судна и уменьшение скорости от действия силы Р х , и дрейф судна в сторону перекладки руля. При циркуляции на заднем ходу под действием рулевой силы увеличивается давление воды на кормовую часть борта (сила R 1 у) , в сторону которого переложен руль. Эта сила создает поворачивающий момент, противоположный поворачивающему моменту руля и общий поворачивающий момент в начальный момент циркуляции на заднем ходу равен разнице моментов рулевого и сопротивления воды корпусу судна. Поэтому даже при равном давлении на руль поворотливость на переднем ходу лучше, чем на заднем. Однако, через некоторое время после начала поворота угловая скорость начинает увеличиваться и гидродинамические силы со стороны наружного борта становятся больше динамической силы R 1 у , вызванной перекладкой руля. В это время поворачивающий момент судна – сумма момента руля и позиционного момента, что вызывает увеличение скорости поворота. Величина позиционного момента близка к величине момента руля, поэтому перекладка руля в противоположную сторону может не дать желаемого эффекта и не выведет судна из циркуляции. Учитывая это явление, при движении задним ходом не следует допускать больших скоростей поворота и движения. Для вывода судна из циркуляции следует дать реверс «вперед» и управлять судном на переднем ходу.