У каких судов скорость зависит от длины смачиваемой поверхности

Обновлено: 15.04.2024

Ходкость - это способность судна перемещаться по воде с заданной скоростью, которую для морских судов принято измерять в узлах. 1 узел = 1 морская миля (1852 м) в час, причем морская миля равна длине дуги меридиана в 1 угловую минуту. В единицах СИ 1 узел = 0,5144 м/с. Подразумевается, что мощность главных механизмов будет минимально необходимой. От данного мореходного качества очень сильно зависит экономичность эксплуатации судна, которая во многом определяется расходом топлива.

На судно, которое движется с постоянной скоростью по поверхности воды, действуют две равные по величине, но противоположные по направлению силы: сопротивление движению (преимущественно сопротивление воды, воздушное сопротивление в десятки раз меньше) и тяга движителя (чаще всего - гребного винта). У несамоходных судов движущая сила может создаваться натяжением буксирного троса и другими способами. Сопротивление движению зависит от размеров, формы судна и его скорости.

Силу сопротивления воды представляют в виде суммы трех основных составляющих, которые считаются независимыми друг от друга: сопротивления трения, сопротивления формы и волнового сопротивления. Могут существовать и другие составляющие сопротивления, которые мы не рассматриваем. Разделение полного сопротивления на составляющие позволяет определять его более просто и точно. При практических расчетах полное сопротивление обычно делят на две части: сопротивление трения и остаточное (схема I) или сопротивление вязкостное и волновое (схема II). Для расчета используется общая формула, которая получается из теории подобия и имеет вид:

где R - сопротивление (или его составляющая), кН;

C - безразмерный коэффициент сопротивления;

r - массовая плотность воды, для морской воды r = 1,025 т/м 3 ;

v - скорость движения судна, м/с;

W - площадь его смоченной поверхности, м 2 . Ее можно рассчитать по теоретическому чертежу или по приближенным формулам.

Сопротивление трения обусловлено трением воды, обладающей некоторой вязкостью, об обшивку судна. Свойство вязкости заключается в том, что жидкости и газы оказывают сопротивление перемещению их слоев относительно друг друга. Коэффициент сопротивления трения зависит от безразмерного параметра, который называется числом Рейнольдса и определяется по формуле:

где n - кинематический коэффициент вязкости; для морской воды обычно принимают n = 1,61*10 -6 м 2 /с.

С ростом скорости (числа Рейнольдса) коэффициент сопротивления трения медленно падает.

Вязкость воды приводит не только к появлению сил внутреннего трения, но и к изменению давлений по длине судна. В корме давление оказывается меньше, чем в носу. В результате образующегося перепада давлений возникает сопротивление, называемое сопротивлением формы. Оно очень сильно зависит от формы тела (судна) и у плохо обтекаемых тел может возрастать в десятки и даже в сотни раз. Сопротивление формы трудно поддается определению как экспериментальным, так и расчетным путем.

Волновое сопротивление возникает при движении тел по поверхности или вблизи поверхности воды. Оно связано не с вязкостью, а с весомостью воды: при движении судна изменяются давления вблизи его обшивки, поверхность воды выходит из равновесия, искривляется, после чего под действием сил тяжести и инерции происходят колебательные движения. Волны обладают определенной энергией, которую они получают от движущегося судна. В свою очередь, судно, образуя при движении систему волн, испытывает сопротивление от них. С ростом скорости волновое сопротивление растет быстрее, чем другие составляющие, причем зависимость его от скорости имеет сложный вид. Ориентировочно считают, что оно в среднем пропорционально скорости в четвертой степени. Вот почему так медленно растут скорости судов.

Первую практическую методику расчета сопротивления воды движению судов предложил известный английский кораблестроитель В. Фруд в 1870 г. В соответствии с ней, сопротивление трения рассчитывалось по им же предложенной формуле, основанной на результатах обработки многочисленных его опытов по буксировке плоских досок; другая часть сопротивления, названная остаточным сопротивлением, моделировалась в специальном опытовом бассейне. Эта схема (называемая сейчас «схема I»), с доработками, основанными на современных представлениях о сопротивлении, используется до сих пор. Около 1970 г. была предложена схема II, согласно которой, как указано выше, полное сопротивление делится на вязкостное и волновое. Принципиальным отличием здесь является то, что сопротивление формы присоединяется к сопротивлению трения, а не к волновому, что соответствует теории подобия. Как и в схеме I, сопротивление трения рассчитывается, другие слагаемые моделируются, хотя вычисляются раздельно.

Теоретический расчет сопротивления движению очень сложен. Теория волнового сопротивления существует уже несколько десятилетий, хотя не всегда дает правильные результаты. Сравнительно недавно, в связи с развитием теории сопротивления воды и успехами вычислительной техники, появилась возможность рассчитывать и вязкостное сопротивление, но при проектировании судов, как правило, стремятся провести испытания их моделей с последующим пересчетом на судно по одной из вышеназванных схем. Теоретической основой расчета сопротивления движению является наука «гидродинамика», описывающая движение жидкостей с помощью сложных дифференциальных уравнений. Аналитически эти уравнения можно решить только в простейших случаях, для более сложных расчетов используют численные методы.

Модельные испытания проводятся в специальных лабораториях, называемых опытовыми бассейнами. Такой бассейн состоит из канала с водой, длина которого составляет примерно от 30 м до 1 км, и оборудования, обеспечивающего проведение испытаний. Модели приводятся в движение либо силой тяжести падающего груза (в малых бассейнах), либо специальной тележкой, которая катится по рельсам, уложенным по бортам бассейна. Модели обычно делают из парафина на деревянном каркасе, длина их в больших бассейнах принимается равной 6 - 7 м, в отдельных случаях - еще больше, что требуется для выполнения условий динамического подобия.

В начальных стадиях проектирования судна, когда приходится отыскивать оптимальный вариант, пользуются специальными графиками или приближенными формулами, которые позволяют оценить сопротивление и требуемую мощность главного двигателя с погрешностью 10 - 15 %. Широко известна, в частности, формула адмиралтейских коэффициентов:

где Ne - эффективная мощность главного двигателя;

vs - скорость судна в узлах;

Ca - адмиралтейский коэффициент, который или выбирается по данным, полученным для близких судов, или подсчитывается для судна-прототипа, характеристики которого близки к характеристикам проектируемого судна. Погрешность этой формулы может быть невелика при удачном выборе прототипа, но достигает десятков процентов, если выбор неудачен.

С давних пор кораблестроители стремились совершенствовать формы судовых корпусов с целью снижения сопротивления. Долгие годы это было искусством, которое передавалось из поколения в поколение, или повторением известных (хороших) образцов. В настоящее время поиск наилучших форм поставлен на научную основу. Известно, что с ростом быстроходности (относительной скорости - безразмерного числа Фруда ) формы судов закономерным образом изменяются: до некоторого предела растет относительная длина, ЦВ перемещается от носа к корме, меняются обводы. Появились многочисленные способы уменьшения сопротивления, в том числе довольно экзотические, например, с помощью упругих покрытий типа кожи дельфина, подачи в пограничный слой, прилегающий к обшивке, специальных жидкостей («неньютоновских»), обладающих особыми свойствами, воздуха или других газов и т.д. Для сравнительно небольших скоростных судов один из эффективных способов снижения сопротивления - переход к динамическим принципам поддержания, когда судно поддерживается не архимедовой силой плавучести, а подъемной силой, создаваемой специальными устройствами. К таким судам (СДПП) относятся глиссеры, суда на подводных крыльях (СПК) и на воздушной подушке (СВП), экранопланы.

Глиссер скользит по поверхности воды, на его днище возникает подъемная сила, которая почти полностью выталкивает корпус из воды. Для этого необходима достаточная скорость, которая определяется так называемым «числом Фруда по водоизмещению» где g = 9,81 м/с 2 - ускорение свободного падения.

У СПК имеются крылья, которые могут быть полностью погруженными в воду или пересекать свободную поверхность, что существенно влияет на эксплуатационные качества судна (при глубоко погруженных крыльях требуется автоматическая система управления, обеспечивающая плавучесть и остойчивость, но мореходность значительно лучше, чем у судов с малопогруженными крыльями, которые чутко реагируют на любую волну). Для СПК характерны скорости 30 - 40 узлов. Еще большие скорости (около 60 уз.) имеют СВП, которые опираются не на воду, а на воздушную подушку, создаваемую специальным вентилятором, который нагнетает воздух под корпус. Существуют амфибийные СВП, которые могут выходить на берег по пологому склону, и неамфибийные, которые имеют элементы, контактирующие с водой, например, жесткие бортовые ограждения - скеги. Сравнительно недавно появились экранопланы - транспортные средства, внешне похожие на самолет, которые используют «эффект экрана» - повышение подъемной силы крыла, летящего вблизи поверхности. Скорости экранопланов превышают 100 узлов (достигают 200 - 300 уз.) и приближаются к скоростям пассажирских самолетов.

При проектировании обычного транспортного судна, как правило, его скорость бывает задана, водоизмещение приблизительно известно, что дает возможность рассчитать сопротивление движению. После этого необходимо определить тип и количество движителей (почти всегда это один гребной винт), рассчитать движитель, найти требуемую мощность и частоту вращения главного двигателя (у гражданских судов - как правило, дизель) и подобрать двигатель из числа выпускаемых промышленностью.

Судовые движители очень разнообразны по конструкциям и принципу действия. Они подразделяются на реактивные и активные. В реактивных движущая сила (упор) получается как реакция отброшенной струи воды (или воздуха) - таких движителей большинство. Активные движители развивают упор за счет изменения скоростей внешней среды (воздуха или воды). Среди реактивных движителей назовем гребные винты, гребные колеса, водометные движители (имеющие систему водопроточных каналов, в частном случае один канал, в котором работает насос, часто в виде гребного винта - осевой насос), крыльчатые движители (несколько вертикальных лопастей, прикрепленных к вращающемуся барабану, установленному заподлицо с днищем судна, и совершающих колебательные движения относительно собственных вертикальных осей); древнейший из реактивных движителей - гребное весло. К активным движителям, прежде всего, следует отнести парус. В начале ХХ века на некоторых судах были установлены роторные движители (башенные движители, роторы Флеттнера) в виде вращающихся цилиндров, вертикально установленных на палубе и создающих упор при боковом ветре. Другие движители, пожалуй, менее известны.

Среди реактивных движителей гребные винты - наиболее простые, легкие и обладающие наивысшим к.п.д. - до 70 - 80 %, чаще около 60 % (у некоторых судов более высокий к.п.д. достигается с движителями других типов). Винт состоит из ступицы, вращающейся на гребном валу, и закрепленных на ней лопастей, количество которых бывает от 2 (у мелких судов) до 8. На большинстве судов гребные винты цельнолитые, но получили распространение также винты со съемными лопастями и винты регулируемого шага (ВРШ) с поворотными лопастями.

Лопасть гребного винта образуется по винтовой поверхности и по принципу действия подобна крылу самолета. При вращении винта на ней возникает подъемная сила, которая, с одной стороны, толкает судно вперед, с другой, создает сопротивление вращению винта. Силы, возникающие при работе винта, можно определять экспериментально на моделях или рассчитывать теоретически.

Основные геометрические характеристики винта: диаметр D, число лопастей z, шаговое отношение P/D, дисковое отношение Ae/A0. Диаметр винта зависит, в первую очередь, от размеров судна (осадки) и достигает 10 м при массе 70 и более тонн. Теоретически доказано, что с ростом размеров движителя его к.п.д. растет, но чрезмерно большие винты очень трудно изготовить, к тому же они требуют огромных и тяжелых малооборотных двигателей. Число лопастей чаще всего принимают равным 3 или 4, но при большой мощности главного двигателя увеличивают, чтобы избежать сильной вибрации. Шаговое отношение равно отношению шага винта (винтовой поверхности, по которой образована лопасть) к его диаметру и может изменяться примерно от 0,6 до 1,5, иногда до 2, возрастая с ростом скорости. То же относится и к дисковому отношению, которое равно отношению площади всех лопастей к площади диска винта, т.е. круга с диаметром, равным диаметру винта. Дисковое отношение может лежать в пределах 0,3 - 1,2.

При вращении в воде гребной винт не ввинчивается в нее, как винт в гайку, а несколько «проскальзывает», т.е. за один оборот проходит расстояние, меньшее шага P - оно называется поступью h. При расчетах обычно используют безразмерные характеристики: относительную поступь J = h/D и относительное скольжение s = (P - h)/P = 1 - J / (P/D). Эти величины являются кинематическими характеристиками гребного винта, они характеризуют режим его работы - чем больше скольжение и меньше поступь, тем тяжелее нагружен винт.

Особенно важны гидродинамические характеристики винта, к которым относятся упор Т, крутящий момент Q и к.п.д. h. Здесь также удобно использовать безразмерные характеристики, которыми являются коэффициент упора KT и коэффициент момента KQ; для их определения служат формулы:

Кривые зависимости этих характеристик от относительной поступи J носят название «кривые действия гребного винта»; примерный их вид показан на рис. 6.

Рис. 6. Кривые действия гребного винта (P/D = 1,00)

Для практических расчетов винтов часто используют специальные диаграммы, которые объединяют в себе кривые действия для серии винтов (моделей), отличающихся шаговым отношением, или по результатам модельных испытаний, или по данным систематических расчетов. Они позволяют спроектировать гребной винт, который развивал бы требуемый для движения судна с заданной скоростью упор и при этом имел бы наивысший к.п.д. Такие диаграммы в нашей стране впервые были предложены Э.Э. Папмелем и нередко называются его именем.

Условия работы гребного винта за корпусом судна отличаются от условий работы в свободной воде, для которых строятся кривые действия и диаграммы. Основных отличий два. Во-первых, к обшивке судна примыкает некоторый объем воды, который вовлекается в движение судном, т.е. гребной винт работает в так называемом «попутном потоке», в результате чего скорость обтекания винта за корпусом меньше, чем в свободной воде. Во-вторых, перед работающим винтом создается область пониженного давления, что приводит к появлению дополнительного сопротивления - силы засасывания. Эти обстоятельства учитываются введением поправочных коэффициентов: коэффициента попутного потока y и засасывания t. Вместо скорости движения судна v вводится скорость потока, набегающего на винт, а вместо полезной тяги ТЕ, уравновешивающей сопротивление движению, - упор винта Влияние корпуса судна на работу гребного винта неоднозначное, хотя в целом отрицательное.

При проектировании гребных винтов обычно стремятся получить диаметр, близкий к предельно допустимому (ориентировочно 3/4 осадки - у одновинтового судна и 2/3 осадки - у двухвинтового), что обеспечивает наибольший к.п.д., но иногда приходится уменьшать диаметр с учетом возможностей изготовления винта требуемых размеров, минимальной частоты вращения гребного вала (двигателя), осадки судна кормой в балластном переходе и других соображений. В зависимости от конкретных условий, могут оказаться выгодными винты регулируемого шага, в неподвижных или поворотных насадках, соосные и др., а также иные типы движителей. Например, на скоростных судах нередко применяют водометные движители, поскольку у обычных винтов наблюдается нежелательное явление кавитации (вскипание воды при обычной температуре и пониженном давлении); у судов на воздушной подушке целесообразны воздушные винты; на плавкранах, буксирах, не развивающих большие скорости, встречаются крыльчатые движители, которые обеспечивают судну исключительную манёвренность, но плохо работают при скоростях свыше 18 - 20 уз. в связи с кавитацией (закипанием воды) на лопастях.

Важная задача при проектировании движителя - обеспечить согласование характеристик корпуса, движителя и двигателя, в противном случае двигатель не сможет развить полную мощность (как известно, обычные гребные винты бывают «тяжелыми» и «легкими» для двигателя). Проверка работы двигательно-движительного комплекса построенного судна производится во время пропульсивных (ходовых) испытаний на мерной миле (мерной линии). При этом проверяется работа главного двигателя на различных режимах, от минимальной до максимальной частоты вращения, и измеряется достигнутая скорость хода судна. Судно при испытаниях должно быть свежеокрашенным, море - спокойным, а глубина воды на мерной миле - достаточной, чтобы не было влияния мелководья на сопротивление.

Из существующих эксплуатационных качеств к наиболее характерным для маломерного судна следует отнести водоизмещение, вместимость, грузоподъемность, пассажировместимость и скорость.

Водоизмещение

Различают два вида водоизмещения.

Массовое (весовое) водоизмещение - это масса находящегося на плаву судна, равная массе вытесненной судном воды. Единицей измерения служит тонна. Учитывая, что вес судна является величиной переменной, в практике используют два понятия:

  • водоизмещение в полном грузу D , равное суммарной массе корпуса, его механизмов, устройств, груза, судовых запасов, экипажа и пассажиров при наибольшей допустимой осадке;
  • водоизмещение порожнем Do , в этом случае не учитывается масса груза, экипажа и пассажиров, топлива и других запасов.

Объемное водоизмещение V - это объем подводной части судна в м.куб. Расчет производится через главные измерения:

где S - коэффициент полноты водоизмещения, равный для маломерных судов 0,35 - 0,6, причем меньшее значение коэффициента присуще для небольших судов с острыми обводами. Для водоиэмещающих катеров S = 0,4 - 0,55, глиссирующих S = 0,45 - 0,6, моторных лодок S = 0,35 - 0,5, для парусных судов этот коэффициент колеблется от 0,15 до 0,4.

Как известно по закону Архимеда любое плавающее тело вытесняет объем воды, масса которой равна массе этого тела. Применительно к судну, можно связать оба вида водоизмещения формулой:

где γ - плотность воды. Для пресной воды γ = 1,0 т/м3 для морской - 1,025 т/м3.

Вместимость

Под валовой вместимостью понимается полный объем всех помещений судна, кроме объемов рулевой рубки, камбуза и туалета. Вместимость измеряется в м.куб Чтобы получить валовую вместимость в регистровых тоннах необходимо полученную величину в м3 разделить на 2,83

Для приближенного расчета валового объема судна без надстроек можно использовать формулу:

V = S1LнбBнбН

где: S1 - коэффициент полноты валового объема; Lнб и Bнб - наибольшие длина и ширина, м.;Н - высота борта в середине судна, измеренная от внутренней поверхности обшивки у киля до уровня планширя, м.

Для водоизмещающих катеров S1 = 0,55 - 0,65 , глиссирующих S1 = 0,6 - 0.8 . мотолодок S1 = 0.45 - 0,55 , а для парусных судов 0.5 - 0,8 .

Грузоподъемность

Грузоподъемность - это масса перевозимых судном грузов. Различают дедвейт и чистую грузоподъемность.

Дедвейт - это разность между водоизмещениями в полном грузу и порожнем.

Чистая грузоподъемность - это масса только полезного груза, который может принять судно.

Для больших судов единицей изменения грузоподъемности служит тонна , для малых - кг . Грузоподъемность G можно рассчитать по формулам, а можно определить и опытным путем Для этого на судно при водоизмещении порожнем, но со снабжением и запасом горючего, последовательно помещают груз до достижения судном ватерлинии, соответствующей минимальной высоте надводного борта. Масса помещенного груза соответствует грузоподъемности судна.

Пассажировместимость

Под пассажировместимостью понимается количество людей, разрешенное к размещению на судне в данных условиях плавания.

Пассажировместимость зависит от грузоподъемности судна и наличия оборудованных мест для размещения людей. Для определения пассажировместимости величину грузоподьемности делят на среднюю массу человека и округляют до меньшего целого числа. Среднюю массу человека принимают равной 75 кг., а при наличии багажа- 100кг. На маломерном судне количество оборудованных сидячих мест должно соответствовать расчетному. Грузоподьемность и пассажировместимость для маломерных судов промышленного изготовления устанавливается заводом-изготовителем, а для судов самостоятельной постройки- по согласованию с ГИМС.

Скорость - это расстояние, проходимое судном за единицу времени. На мор­ских судах скорость измеряется в узлах (миля в час), а на судах внутреннего плавания - в километрах в час (км/ч). Судоводителю маломерного судна рекомендуется знать три скорости: наибольшую (макси­мальную), которую судно развивает при максимальной мощности двигателя; наименьшую (ми­нимальную), при которой судно слушается руля; среднюю - наиболее экономную при сравни­тельно больших переходах.

Скорость определяется на мерной линии (Рис. 1.3.1 )

Мерная линия состоит из трех створов, два из которых (АА1 и ББ1) - поперечные секущие, а один (ВВ1) - ведущий. При этом расстояние между секущими створами (S) должно быть измере­но как можно точнее, а сами эти створы были строго параллельны друг другу и перпендикулярны ведущему створу.

Рассмотрим пример определения скорости катера при максимальной мощности двигателя.

Судоводитель, начиная движение судна из точки "в" по ведущему створу ВВ1, развивает пре­дельное число оборотов до пересечения с секущим створом АА1. Когда катер на уровне судово­дителя пересечет створ АА1 в точке "а", включается секундомер. В точке "б" секундомер останав­ливается и его показания записываются.

По известному расстоянию S и времени его прохождения t рассчитывается скорость V.

Аналогичный маневр повторяется судоводителем и в обратном направлении. Это позволяет исключить влияние течения. Окончательная скорость катера при максимальной мощности полу­чается по среднему результату двух пробегов "туда" и "обратно". По этому же принципу определяются наименьшая и средняя скорости судна. Все три вида скоростей возможно определить как с одним водителем, так и с полной загрузкой судна.

При отсутствии стационарной мерной линии, судоводитель может ее оборудовать самостоя­тельно, используя в качестве створов фанерные щиты и вехи, тщательно измерив расстояние между секущими створами. Однако использовать для определения скоростей расстояния, сня­тые с карты между буями (вехами), являющимися судоходной обстановкой, не рекомендуется, т.к. они могут быть снесены течением, волной или проходящими судами.

Автономность и дальность плавания

Во время эксплуатации судна расходуются топливо, питьевая вода, продукты и другие судовые запасы. Способность судна находиться в течение определенного времени в плавании без пополнения запасов называется автономностью плавания. Автономность плавания измеряется, как правило, в сутках и зависит от типа судна и характера его эксплуатации. При этом для маломерных судов автономность плавания колеблется в значительных временных пределах, т.к. на моторной лодке или катере уже через несколько часов движения запасы топлива могут быть израсходованы и без их пополнения дальнейшее плавание невозможно. Под понятием дальность плавания для маломерного судна целесообразно считать расстояние, которое судно способно пройти, использовав полностью максимальный запас топлива.

Мореходные качества маломерного судна

Плавучесть – это способность судна держаться на плаву, имея заданную посадку (осадку, крен и дифферент) при определенной нагрузке.

Чтобы судно находилось в статическим равновесии на спокойной воде необходимо выполнение двух условий:

1. В соответствии с законом Архимеда массовая нагрузка судна (сила тяжести Р) должна быть равна массе вытесненной судном воды, т.е. величине, равной объемному водоизмещению, помноженному на плотность воды, в которой плавает судно (силе поддержания D): P = γV = D.

2. Центр тяжести судна (ЦТ) должен располагаться на одной вертикали с центром величины (ЦВ), т.е. точкой приложения равнодействующей всех сил поддержания, действующих со стороны воды на корпус судна, которая находится в центре объема погруженной части корпуса судна.

Если сила поддержания больше силы тяжести, судно всплывает, если меньше – судно погружается. Если эти силы равны, но ЦТ находится не на одной вертикали с ЦВ, то судно плавает в положении равновесия, но имеет постоянный соответственно крен или (и) дифферент.

Отсюда, для того, чтобы судно плавало по конструктивную ватерлинию без крена и дифферента его весовое полное водоизмещение должно быть равно полной нагрузке судна, центр тяжести и центр величины должны лежать на одной прямой, перпендикулярной к плоскости КВЛ и поверхности воды.

Поскольку подводная часть корпуса судна симметрична относительно ДП, то ЦВ всегда лежит в ДП, т.е. задача состоит в том, чтобы загрузка судна была симметрична ДП, тогда крена не будет.

Если из-за неточностей, допущенных при проектировании или постройке судна, ЦТ окажется смещенным в нос или корму от ЦВ, то оно получит наклон – начальный дифферент соответственно на нос или корму. Дифферент существенно влияет на ходовые качества маломерного судна и поведение его на волне. Дифферент на нос всегда нежелателен, а большой дифферент на нос даже опасен, так как судно становится неустойчивым на курсе, сильно зарывается носом во встречную волну. Кроме того, на судах некоторых типов при большом носовом дифференте из воды выходит более широкая кормовая часть корпуса, площадь ватерлинии и ее ширина уменьшаются, вследствие чего судно становится валким ( легко получает крен при незначительных кренящих силах).

Чрезмерный дифферент на корму на тихоходной лодке может стать причиной погружения в воду широкого транца и вследствие этого – повышенного сопротивления воды. Кроме того, создается опасность заливания лодки через транец попутной волной или при случайном перемещении в корму пассажира. Об этом нужно помнить и на глиссирующей мотолодке: чтобы избежать заливание мотора при его ремонте на плаву, лучше всего попросить пассажиров переместиться ближе к носу лодки.

В подавляющем большинстве случаев ЦТ и соответственно ЦВ судна располагаются немного в корму от мидель-шпангоута, поскольку носовая часть корпуса более острая, чем кормовая. На водоизмещающих лодках и катерах это смещение невелико – не превышает 10% L. Для более быстроходных, особенно для глиссирующих, желательна более кормовая центровка, при которой ЦТ располагается от транца на расстоянии (35-40)% L. На расчетном режиме движения эти катера поддерживаются гидродинамическими подъемными силами, результирующая которых приложена в кормовой трети днища. Смещение ЦТ к транцу позволяет получить на глиссирующем судне оптимальный угол атаки днища и смоченную длину.

Остойчивостью называется способность судна противостоять действию внешних сил, стремящихся наклонить его в поперечном или продольном направлении, и возвращаться в прямое положение равновесия после прекращения действия этих сил.

Различают поперечную остойчивость, связанную с наклонением судна около продольной оси (крен), и продольную – с наклонением судна около поперечной оси (дифферент). Продольная остойчивость в несколько раз больше поперечной, поэтому считают, что при хорошей поперечной остойчивости судно всегда остойчиво и при наклонениях в продольной плоскости.

Имея это в виду, рассмотрим условия и соотношения поперечной остойчивости.

При крене судна на угол θ равнодействующая сил тяжести Р, приложения к центру тяжести G, оказывается перпендикулярной к новой ватерлинии W1L1. Центр величины Со вследствие изменения формы подводной части судна, описав дугу, перемещается в сторону наклонения и занимает положение С1. Равнодействующая сил поддержания D, сохранив свое значение, оказывается приложенной в новом центре величины С1. Равнодействующая сил поддержания D, сохранив свое значение, оказывается приложенной в новом центре величины С1 и направленной перпендикулярно к новой ватерлинии. Таким образом, противоположно направленные и отстоящие друг от друга на некотором расстоянии ℓ силы Р и D образуют восстанавливающий момент М , который стремится вернуть судно в исходное положение. Расстояние ℓ называется плечом восстанавливающего момента или плечом остойчивости. На пересечении направления силы поддержания D с диаметральной плоскостью судна находится точка М, называемая метацентром. Расстояние от М до центра величины С1 (точнее до кривой СоС1, по которой перемещается центр величины при наклонении судна) называется метацентрическим радиусом r.

Расстояние между метацентром М и центром тяжести судна G обозначается h и называется начальной (поперечной) метацентрической высотой.

Начальная поперечная метацентрическая высота h при малых углах крена характеризует остойчивость судна. На практике ее принимают за меру остойчивости. Чем больше h, тем необходима большая кренящая сила, чтобы накренить судно на какой-либо определенный угол крена, тем остойчивее судно.

Обычная начальная поперечная (или малая) метацентрическая высота на современных катерах (с хорошей остойчивостью) имеет значение 0,5-0,8 м.

Если метацентр М возвышается над центром тяжести G, то h считается положительной, в этом случае судно имеет положительную начальную остойчивость и безопасно для плавания.

Движение и скорость судна

Скорость хода измеряется расстоянием, которое проходит судно в единицу времени, и выражается в км/ч на внутренних водных путях, в узлах (милях/ч) в морских условиях плавания и в м/с при расчетах ходкости и при проведении модельных испытаний.

При движении на корпус судна действует сопротивление воды R, которое состоит из сопротивления давлений R Д и сопротивления трения R Т : т. е. R = R Д + R Т .

Сопротивление трения R Д является следствием того, что между смоченной поверхностью корпуса и окружающей водой вследствие ее, пусть и небольшой, вязкости существует определенное сцепление. В результате возникает зона обтекания, увлекаемая вслед за движением судна: в пределах длины корпуса пограничный слой, а за кормой попутный поток.

Основная часть R Д на спокойной воде обусловлена, во-первых, волнами, возникающими, когда корпус судна как бы «вспахивает» поверхность воды, образуя системы поперечных и расходящихся волн. Во-вторых, при обтекании некоторых участков корпуса вследствие больших перепадов давления возможны явления отрыва потока с образованием вихрей, переходящих в вихревые дорожки за кормой. Этим влияниям соответствует разделение R Д на две составляющие — волновое сопротивление R B и сопротивление формы R Ф . Надбавкой к R Ф служит сопротивление подводных выступающих частей, в том числе рулей, скуловых килей, реданов, и конструкций, поддерживающих привод движителей. На высоких скоростях возникают такие эффекты, как образование брызговой пелены и пенного следа, которые также вносят вклад в R Ф .

С течением времени, по мере разрушения защитного покрытия корпуса, его поверхность становится шероховатой, от чего увеличивается сопротивление трения R T , что также учитывается соответствующей надбавкой. Если периодически не обновлять покрытие корпуса, в частности, окраску, такая надбавка может достигать заметных величин (до 40 %).

Дополнительно движению судна препятствуют:

  • воздушное (аэродинамическое) сопротивление от воздействия на надстройки встречного потока воздуха и ветра;
  • сопротивление взволнованной поверхности воды с учетом отражения волн и качки;
  • сопротивление из-за влияния ограниченной глубины воды на трассе движения судна.

Чем меньше сопротивление корпуса, тем большую скорость упор движителя сообщает судну. Поэтому скорость движения зависит не только от мощности мотора, но и от параметров формы корпуса, от соотношения размерений судна, а также от площади и качества подводной (смоченной) поверхности корпуса.

При движении с постоянной скоростью величина упора равна величине сопротивления воды. Физический смысл и характер этой зависимости зависит от режима движения.

Относительная скорость. Чтобы подразделить режимы движения, требуется введение такого параметра, как относительная скорость. Он удобен тем, что позволяет определить границы режимов движения судна, а также сопоставлять между собой по режиму движения суда с различной длиной. Существует много вариантов представления относительной скорости, но в любом случае мы имеем дело с отношением скорости судна к квадратному корню из величины характерного линейного размера корпуса, например,V k /√L, где V k — скорость в км/ч, a L — длина корпуса по палубе в метрах.

Режимы движения. Различают три основных режима движения: водоизмещающий, переходный и глиссирующий.

В водоизмещающем режиме судно движется без заметного изменения осадки и дифферента. В балансе сопротивления на малых скоростях преобладает сумма R T + R Ф , а при нарастании скорости увеличивается доля R B . Скорость хода оценивается по формуле: V k ≤ 5√L.

В глиссирующем режиме на первое место выходит динамическая сила поддержания, которая заставляет судно практически полностью выходить из воды. В структуре сопротивления снова главенствует сумма R T + R Ф , с существенным дополнением в виде аэродинамического сопротивления R A . При этом V k ≥ 15√L.

В переходном режиме, в полном соответствии с этим определением, происходит переход от ситуации в водоизмещающем режиме к ситуации в глиссирующем режиме, a V k меняется в широких пределах: V k = (5. 15)√L.

Эти положения поясняет рисунок 2.10. , на котором приведен пример зависимости мощности двигателя быстроходного судна N, потребляемой на движение, от относительной скорости движения.

Рис. 2.10. График зависимости удельной мощности от относительной скорости

На графике 2.10. видно как растет потребляемая мощность с увеличением скорости водоизмещающего судна. В переходном режиме, когда корпус начинает подниматься из воды и сопротивление, особенно волновое, нарастает медленнее, скорость увеличивается с незначительным приростом мощности. При переходе в режим чистого глиссирования скорость нарастает почти без увеличения мощности за счет резкого уменьшения сопротивления. На режиме глиссирования сопротивление и потребляемая мощность продолжают нарастать, но уже по более пологой кривой.

При движении у носа и кормы судна создаются волны, которые с увеличением скорости становятся больше. Это объясняется тем, что с увеличением скорости движения в кормовой части судна возникает значительное разрежение, а в носовой - зона повышенного давления. Энергия, израсходованная на образование волн, является волновым сопротивлением, величина которого определяется скоростью и длиной судна. Характеристикой волнового сопротивления судна является отношение скорости к длине, называемое числом Фруда:

Эта характеристика позволяет сравнивать суда различных размеров, что дает возможность определить сопротивление и тем самым мощность двигателя для строящегося судна с помощью буксировочных испытаний моделей. Скорости судна и модели соотносятся как квадратные корни из их линейных размерений:

Это означает, например, что строящемуся судну длиной 130 м, шириной 14 м с осадкой 6,6 м, с водоизмещением 5900 т и скоростью 25 уз (12,86 м/с) соответствует скорость модели 2,572 м/с при длине ее 5,2 м. При этой скорости у модели возникает волнообразование, которое геометрически подобно волнообразованию натурного судна. Измеренное при этом сопротивление содержит, однако, не только волновое сопротивление, но и еще один компонент - сопротивление трения, которое возникает вследствие тормозящего действия воды, протекающей мимо корпуса. Сопротивление трения зависит от площади смоченной поверхности корпуса, от ее качества (степени шероховатости) и от скорости. Его можно рассчитать с достаточной точностью по опытным данным как для модели, так и для судна. Если полное сопротивление модели уменьшить на расчетный коэффициент трения, получится волновое сопротивление модели. При пересчете действует положение, что волновые сопротивления двух геометрических подобных тел - судна и модели - соотносятся как их водоизмещения. Но это простое соотношение справедливо только тогда, когда судно и модель движутся со сравнимыми скоростями, так что возникают геометрически подобные волнообразования.

Если к волновому сопротивлению (определенному опытами на модели) прибавить расчетное сопротивление трения, получится полное сопротивление судна. В нашем примере при модельных испытаниях было определено волновое сопротивление в 0,31 МН и путем расчета - сопротивление трения в 0,35 МН. Полное сопротивление судна составляет, таким образом, 0,66 МН. Разумеется, при окончательном определении потребной мощности двигателей нужно учитывать также воздушное и вихревое сопротивления. Доля волнового сопротивления и сопротивления трения в полном сопротивлении зависит от формы судна и его скорости. У больших тихоходных судов волновое сопротивление составляет примерно 20%, а у очень быстроходных - до 70% полного сопротивления.

При проектировании формы судна учитывают ряд опытных величин - судостроительных характеристик, которые определяют не только различные качества судна, но и его экономичность. Характеристики формы описывают форму судна и тем самым его внешний вид через соотношения между главными размерениями длиной, шириной, высотой борта и осадкой, а также через соотношения площади ватерлиний, площади шпангоутов и водоизмещения с главными размерениями. Характеристики формы соотносятся обычно с конструктивной осадкой. В частности, они оказывают влияние на поведение судна в море, причем при выборе относительных величин учитывают в первую очередь требования к данному типу судна.

Отношение длины к ширине L/B влияет главным образом на скоростные качества судна, на его маневренность и остойчивость. Большие значения L/B (длинные узкие суда) благоприятно сказываются на скорости судна и его устойчивости на курсе. Поэтому пассажирские и быстроходные грузовые суда имеют большие значения L/B. При заданных скорости и водоизмещении при этих условиях уменьшается необходимая мощность двигателя, а устойчивость на курсе улучшается благодаря большей боковой поверхности подводной части судна (площадь проекции). Верхняя граница отношения L/B определяется необходимой поперечной остойчивостью судов. Кроме указанных преимуществ, большое отношение ИВ позволяет увеличить объем корпуса пассажирских и больших грузовых судов и рационально распределить помещения на них. На экономичность этих судов колебание значений L/B почти не влияет. Малые значения L/B (короткие широкие суда) обеспечивают хорошую маневренность и остойчивость. По этой причине буксиры, которые должны иметь хорошую поворотливость и при боковой тяге троса часто испытывают рывки, влияющие на поперечную остойчивость, имеют особенно малые L/B.

Отношение длины к высоте борта L/H у свободной балки (судно) представляет собой отношение длины балки к ее высоте. Это отношение имеет решающее значение для продольной прочности и изгиба корпуса судна. Малое L/H, т. е. большая высота борта при заданной длине, требует меньших размеров для верхнего и нижнего поясков корпуса судна и дает при продольной нагрузке меньший прогиб, чем большое L/H. Меньшие размеры поясков возможны как результат того, что на моменте сопротивления, требуемом для обеспечения продольной прочности, благоприятно сказывается увеличение высоты балки. По этой причине длинные надстройки в средней части судна включаются в верхний поясок (большая высота борта H) судна. Из соображений прочности, а также в зависимости от района плавания, за максимально допустимые приняты следующие соотношения: при неограниченном плавании L/H = 14; при большом каботажном плавании - L/H = 15; для Северного моря - L/H = 16; для Балтийского моря - L/H = 17; при малом каботажном плавании - L/H = 18. Для судов внутреннего плавания, которые не подвержены значительным нагрузкам от волнения, принимают существенно большие значения L/H (до 30).

Отношение ширины к осадке B/T определяет преимущественно поперечную остойчивость и сопротивление движению судна. Так как остойчивость возрастает пропорционально третьей степени ширины, то суда с небольшим B/T (узкие суда с большой осадкой) имеют меньшую начальную остойчивость, чем суда с большим B/T (широкие суда с малой осадкой); впрочем, последние склонны к резкой качке на волнении. Поскольку, например, буксиры из-за малой высоты надводного борта не отличаются большой остойчивостью при значительных наклонениях, они, как и все другие небольшие суда, имеют обычно большое B/T, в то время как большие суда с высоким бортом имеют меньшие значения B/T. Сопротивление движению у судов с большим B/T больше, чем у судов с малым B/T.

Отношение высоты борта к осадке H/T характеризует запас водоизмещения, т. е. водоизмещение непогруженной водонепроницаемой части корпуса судна, и в значительной мере влияет на угол заката диаграммы статической остойчивости. Чем больше H/T, тем больше надводный борт и, следовательно, запас плавучести судна. Кроме того, угол заката диаграммы статической остойчивости существенно увеличивается благодаря большому надводному борту. Таким образом, суда с большим H/T, например, пассажирские суда, обладают большей остойчивостью, чем суда с малым H/T, так как первые при больших наклонениях судна (60° и больше) имеют еще восстанавливающий момент, что значительно уменьшает опасность опрокидывания.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: