2. Маневренные характеристики судна


МАНЕВРЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СУДНА

К основным маневренным характеристикам судна относятся: 
• скорость судна при выполнении маневра; • элементы циркуляции; • путь и время торможения судна.
 
Эти характеристики определяются по результатам натурных маневренных испытаний судна после его постройки (сдаточных испытаний). Для уточнения маневренных характеристик в процессе эксплуатации судна при различных внешних условиях, состоянии корпуса и видах загрузки периодически проводятся маневренные испытания силами экипажа.
Натурные методы получения маневренных характеристик основаны на последовательных определениях места судна в процессе проведения заданных маневров по различным ориентирам либо с использованием высокоточных навигационных систем.
В процессе выполнения маневров (циркуляция, пассивное торможение с остановленным двигателем, активное торможение при реверсировании главного двигателя) через короткие промежутки времени (15—30 с), замечаемые по секундомеру, берутся пеленги и дистанции ориентира и отмечаются значения курса, скорости и оборотов винта.
За начало маневра циркуляции принимается момент начала перекладки руля, за начало торможения — момент передачи команды по машинному телеграфу. Окончанием маневра циркуляции является поворот на 360°, активного торможения — полная остановка судна, пассивного торможения — доклад рулевого о невозможности удержания судна на курсе.
 
Поворотливость судна.
 Циркуляцией называют траекторию, описываемую ЦТ судна, при движении с отклоненным на постоянный угол рулем. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Угол между вектором линейной скорости судна и ДП называют углом дрейфа (?). Эти характеристики не остаются постоянными на протяжении всего маневра.
Циркуляцию принято разбивать на три периода: маневренный, эволюционный и установившийся.
 
Маневренный период – период, в течение которого происходит перекладка руля на определенный угол. С момента начала перекладки руля судно начинает дрейфовать в сторону, противоположную перекладке руля, и одновременно начинает разворачиваться в сторону перекладки руля. В этот период траектория движения ЦТ судна из прямолинейной превращается в криволинейную с центром кривизны со стороны борта, противоположного стороне кладки руля; происходит падение скорости движения судна.
 
Эволюционный период – период, начинающийся с момента окончания перекладки руля и продолжающийся до момента окончания изменения угла дрейфа, линейной и угловой скорости. Этот период характеризуется дальнейшим снижением скорости (до 30 – 50%), изменением крена на внешний борт и резким выносом кормы на внешнюю сторону.
 
Период установившийся циркуляции – период, начинающийся по окончании эволюционного, характеризуется равновесием действующих на судно сил: упора винта, гидродинамических сил на руле и корпусе, центробежной силы. Траектория движения ЦТ судна превращается в траекторию правильной окружности или близкой к ней.
Геометрически траектория циркуляции характеризуется следующими элементами:
Dо – диаметр установившейся циркуляции – расстояние между диаметральными плоскостями судна на двух последовательных курсах, отличающихся на 180° при установившемся движении;
Dц – тактический диаметр циркуляции – расстояние между положениями ДП судна до начала поворота и в момент изменения курса на 180°;
l1 – выдвиг – расстояние между положениями ЦТ судна перед выходом на циркуляцию до точки циркуляции, в которой курс судна изменяется на 90°;
l2 – прямое смещение – расстояние от первоначального положения ЦТ судна до положения его после поворота на 90°, измеренное по нормали к первоначальному направлению движения судна;
l3 – обратное смещение – наибольшее смещение ЦТ судна в результате дрейфа в направлении, обратном стороне перекладки руля (обратное смещение обычно не превышает ширины судна В, а на некоторых судах отсутствует совсем);
Tц– период циркуляции – время поворота судна на 360°. 
Рис. 1.8. Траектория судна на циркуляции
Перечисленные выше характеристики циркуляции у морских транспортных судов среднего тоннажа при полной перекладке руля на борт можно выразить в долях длины судна и через диаметр установившейся циркуляции следующими соотношениями:
Dо = (3 ÷ 6)L;     Dц = (0,9 ÷ 1,2)Dу;     l1 = (0,6 ÷ 1,2)Dо;
l2 = (0,5 ÷ 0,6)Dо;     l3 = (0,05 ÷ 0,1)Dо;     Tц = πDо/Vц.
Обычно величины Dо; Dц; l1; l2; l3 выражаются в относительном виде (делят на длину судна L) – легче сравнивать поворотливость различных судов. Чем меньше безразмерное отношение, тем лучше поворотливость. Скорость на циркуляции для крупнотоннажных судов снижается °с перекладкой руля на борт на 30%, а при повороте на 180° – вдвое.
Необходимо отметить и следующие положения:
а) начальная скорость оказывает влияние не столько на Dо, сколько на ее время и выдвиг, и только у высокоскоростных судов заметны Dов большую сторону;
б) с выходом судна на траекторию циркуляции оно приобретает крен на внешний борт, значение которого по правилам Регистра не должно превышать 12 °;
в) если во время циркуляции увеличивать число оборотов ГД, то судно совершит поворот более крутой;
г) при выполнении циркуляции в стесненных условиях следует учитывать, что кормовая и носовая оконечности судна описывают полосу значительной ширины, которая становится соизмеримой с шириной фарватера.
 
Инерционные свойства судна.
 При управлении движением судна очень часто возникают ситуации, в которых необходимо изменение скорости судна: движение на акватории портов, рейдов, плавание в узкостях и по системам разделения движения, при расхождении судов в море, аварийные ситуации. Изменение скорости производится за счет изменения режима работы главного двигателя. После изменения режима работы движителей скорость судна изменяется по определенному закону, а само судно совершает неравномерное движение.
Путь и время маневра, связанного с неравномерным движением, называют инерционными характеристиками судна.
Инерционные характеристики определяются временем, дистанцией, проходимой судном за это время и скоростью хода через фиксированные промежутки времени и включают в себя следующие маневры: • движение судна по инерции – свободное торможение; • разгон судна до заданной скорости; • активное торможение; • подтормаживание.
 
Свободное торможение характеризует процесс снижения скорости судна под влиянием сопротивления воды при неработающем двигателе. Двигатель работает до момента прекращения подачи топлива в цилиндры, затем двигатель останавливается, а винт продолжает вращаться (свободное вращение), оказывая дополнительное сопротивление движению судна.
Рис. 1.9. Инерционные характеристики судна при пассивном торможении
 
Разгон судна характеризует процесс постепенного увеличения скорости движения до соответствующего режима работы двигателя на определенном ходу. Разгон судна осуществляется от нулевой скорости относительно воды до скорости, соответствующей заданному положению телеграфа.
 
Рис. 2.0. Инерционные характеристики судна при разгоне
 
Активное торможение – это торможение при помощи реверсирования двигателя. Первоначально телеграф устанавливают в положение «Стоп», и только после того, как обороты двигателя упадут на 40–50%, ручку телеграфа переводят в положение «Полный задний ход». Окончание маневра – остановка судна относительно воды.
Процесс активного торможения судна условно можно разделить на 3 периода: 
• первый период (t1) – от момента начала маневра до момента остановки двигателя
(t1 ≈ 7–8 сек); • второй период (t2) – от момента остановки двигателя до пуска его на задний ход; • третий период (t3) – от момента пуска ГД на задний ход до остановки судна или
до приобретения установившейся скорости заднего хода.
Движение судна в первые два периода можно рассматривать как свободное (пассивное) торможение.
 
Рис. 2.1. Инерционные характеристики судна при активном торможении
 
Определенный интерес с практической точки зрения представляет собой определение времени и пути, проходимого судном при смене режима движения с полного переднего на передний средний или передний малый и т. п.
 
Градация ходов.
Самый малый передний ход (Dead slow ahead) – минимальные устойчивые обороты, при которых двигатель не глохнет (≈ 25% ППХ).
Малый передний ход (Slow ahead) – обороты двигателя, устанавливаемые после диапазона критических оборотов, и соответствующая им скорость хода судна (≈ 50% ППХ).
Средний передний ход (Half ahead) – обороты двигателя, при которых обеспечивается половина мощности двигателя (подача топлива на середине), и соответствующая им скорость хода (≈ 75% ППХ).
Полный передний маневренный ход (Full manoeuvring ahead) – полные обороты двигателя при работе на легком топливе (дизельное топливо) в маневренном режиме (≈ 90% ППХ).
Полный передний ход ходового режима (Full ahead for sea) – номинальные (расчетные) полные обороты двигателя при работе на тяжелом топливе – мазут (наиболее благоприятный режим работы), при которых двигатель может работать «вечно» при должном техническом обслуживании, и соответствующая им скорость хода.
Самый полный передний ход (Emergency full ahead or Full ahead overall) – кратковременный режим работы двигателя, который может быть применен в практике управления судном только в аварийных ситуациях.
 
Рис. 2.2. Телеграф
 
Градация ходов на задний ход аналогична переднему, только передний (ahead)необходимо заменить на задний (astern).Винт рассчитан только для работы на передний ход, поэтому характеристики заднего хода отличаются от переднего. Упор заднего хода не менее чем на 10% меньше переднего, а у дизельных двигателей мощность заднего хода может достигать 60% переднего. На судах с турбиной имеются специальные турбины заднего хода, но и их мощность меньше на 30–40% турбины переднего хода.
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПОВОРОТЛИВОСТЬ СУДНА

Конструктивные факторы.
Отношение длины к ширине судна (L/B). Чем больше это отношение, тем хуже поворотливость судна. Это связано с относительным увеличением сил сопротивления боковому перемещению судна. Поэтому широкие и короткие суда обладают лучшей поворотливостью, чем длинные и узкие.
Отношение осадки к длине судна (T/L). При увеличении отношения поворотливость судна несколько ухудшается, т.е. судно в полном грузу будет обладать худшей поворотливостью, чем то же судно в балласте.
Отношение ширины к осадке (В/Т). Рост этого отношения приводит к существенному улучшению поворотливости. Суда широкие и мелкосидящие более поворотливы, чем суда с большой осадкой и узкие.
Коэффициент общей полноты (δ). С увеличением коэффициента δ поворотливость улучшается, т.е. чем полнее обводы судна, тем лучше его поворотливость.
Форма кормы (площадь кормового дейдвуда и полнота кормы). Особенно сильное влияние на поворотливость судна оказывает площадь кормового дейдвуда. Поэтому даже небольшое ее увеличение приводит к резкому возрастанию диаметра циркуляции при всех углах перекладки руля. Увеличение полноты кормы способствует улучшению поворотливости судна.
Форма носовых образований судна значительно меньше влияет на поворотливость, чем форма кормы. Как правило, влияние формы носа проявляется только при наличии значительного носового подзора (например, у ледоколов), что обусловливает некоторое возрастание диаметра циркуляции судна.
Размеры и конфигурация руля. Увеличение площади руля, так же как и другие изменения формы руля, приводящие к росту его эффективности (например, увеличение относительного удлинения руля), оказывает двоякое влияние на поворотливость. С одной стороны, увеличивается боковая сила, действующая на переложенный руль, что приводит к улучшению поворотливости. С другой стороны, увеличиваются демпфирующие свойства руля, следовательно, поворотливость ухудшается. Практические расчеты показывают, что увеличение площади руля ведет к уменьшению диаметра циркуляции при больших углах перекладки руля и к увеличению его при малых углах перекладки.
Размещения руля. Размещение руля относительно винтов значительно влияет на поворотливость судна. Расположение руля в винтовой струе благодаря увеличению скорости его обтекания способствует росту эффективности руля и отражается на поворотливости судна так же, как увеличение площади руля. Влияние винтовой струи сказывается тем больше, чем большая площадь руля попадает в поток от винта.
 
Рис. 2.3. Влияние угла перекладки руля на поворотливость судна
 
При перекладке руля более чем на 35° эффективность его действия на поворотливость судна резко уменьшается.
 
Скорость судна.
Исходная скорость хода V, с которой судно совершает прямолинейное движение до перекладки руля, влияет на диаметр установившейся циркуляции лишь в том случае, когда число Фруда (Fr)>0,3. При меньших числах Фруда указанное влияние практически не проявляется.
В то же время форма циркуляции, ее геометрические характеристики в эволюционном периоде (выдвиг, прямое смещение, обратное смещение) зависят от исходной скорости судна.
При ветре управляемость существенно зависит от скорости судна: чем скорость меньше, тем большее влияние ветра на управляемость.
 
Волнение моря
Волнение моря способствует рыскливости судна, которое объясняется главным образом тем, что при подходе под косым углом гребня волны судно уваливается в направлении его движения, как бы соскальзывая с гребня. Когда судно оказывается по другую сторону гребня, наблюдается обратное явление. Углы рыскания зависят от курсового угла волны и увеличиваются по мере возрастания волнения моря. Особенно неблагоприятным плавание будет при наличии ветровых волн и зыби от курсовых углов 120°—180° при скорости судна, близкой к скорости распространения волн. В этом случае амплитуда рыскания может составлять до 30—50°, а перекладка руля на попутной волне становится малоэффективной.
 
Элементы посадки судна.
Дифферент. Увеличение дифферента на корму приводит к смещению центра бокового сопротивления от миделя в сторону кормы, поэтому возрастает устойчивость судна на курсе и ухудшается его поворотливость. С другой стороны, дифферент на нос резко ухудшает устойчивость на курсе — судно становится рыскливым, что усложняет маневрирование в стесненных условиях. Поэтому судно стараются загрузить так, чтобы оно в течение рейса имело небольшой дифферент на корму.
Крен. Крен судна нарушает симметричность обтекания корпуса. Площадь погруженной поверхности скулы накрененного борта становится больше соответствующей площади скулы приподнятого борта. В результате судно стремится уклониться в сторону, противоположную крену, т.е. в сторону наименьшего сопротивления.
Осадка. Изменение осадки приводит к изменению площади бокового сопротивления погруженной части корпуса и площади парусности. В результате с увеличением осадки улучшается устойчивость судна на курсе и ухудшается поворотливость, а с уменьшением осадки — наоборот. Кроме того, уменьшение осадки вызывает увеличение площади парусности, что приводит к относительному усилению влияния ветра на управляемость судна.
 
ИНФОРМАЦИЯ О МАНЕВРЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ СУДНА
Информация о маневренных характеристиках судна в соответствии с резолюцией ИМО А.601(15) «Требования к отображению маневренной информации на судах» должна быть представлена в виде: • лоцманской карточки; • таблицы маневренных характеристик (для рулевой рубки); • формуляра маневренных элементов.
В информацию о маневренных характеристиках должны вноситься все изменения после модернизации или переоборудования судна, в результате которых могут измениться маневренные характеристики или наибольшие размерения судна.
 
Лоцманская карточка. Лоцманская карточка, подлежащая заполнению капитаном, предназначена для предоставления информации лоцману, принимающему судно под проводку. Эта информация должна дать представление о состоянии судна в период проводки в части загрузки, двигателей и движителей, рулевого и подруливающего устройства и другого соответствующего оборудования. Для заполнения лоцманской карточки проведение специальных ходовых испытаний не требуется.
 
Рис. 2.4. Лоцманская карточка
 
Таблица маневренных характеристик. Таблица маневренных характеристик должна содержать основные особенности и подробную информацию о маневренных характеристиках судна. Она должна постоянно находиться в рулевой рубке и быть таких размеров, чтобы ею было удобно пользоваться.
Маневренные характеристики судна могут отличаться от приведенных в таблице в зависимости от внешних условий, состояния корпуса и загрузки судна.В таблицу маневренных характеристик для рулевой рубки должны быть включены следующие данные.
 
1.Название судна, позывные, валовая и чистая вместимость, водоизмещение,
дедвейт, коэффициент общей полноты при осадке в полном грузу по
летнюю грузовую марку.
2.Осадки, при которых была получена информация о маневренных элементах.
3.Характеристики рулевого устройства.
4.Характеристики якорной цепи.
5.Характеристики энергетической установки.
6.Влияние подруливающего устройства в условиях испытания.
7. Увеличение осадки (в грузу) из-за проседания и влияния крена.
8. Циркуляция при максимальном угле перекладки руля (в грузу и в балласте).9. Тормозные характеристики и маневры в аварийной ситуации
(в грузу и в балласте).10.Маневрирование при спасании человека за бортом.
Последовательность действий и рекомендованная циркуляция.
11.Мертвые зоны.
12.Теневые секторы.
13.Высота судна (в грузу и в балласте). 
Инерционные характеристики представляют в виде линейных графиков, построенных в постоянном масштабе расстояний и имеющих шкалу значений времени и скорости. Тормозной путь с передних ходов на «Стоп» ограничивают моментом потери управляемости судна или конечной скоростью, равной 20% исходной. На графиках показывают стрелкой наиболее вероятную сторону отклонения судна от начального пути в процессе снижения скорости.
Информация о поворотливости приводится в виде графика и таблицы. График циркуляции отражает положение судна через 30° на траекторию вправо и влево с положением руля «на борт» и «на полборта». Аналогичная информация представляется в табличной форме, но через каждые 10° изменения начального курса в диапазоне 0—90°, на каждые 30° — в диапазоне 90—180°, на каждые 90° — в диапазоне 180—360°. В нижней части таблицы помещают данные о наибольшем диаметре циркуляции.
Элементы ходкости отражают в виде графической зависимости скорости судна от частоты вращения гребного винта и дополняют таблицей, где на каждое значение постоянной скорости указана частота вращения гребного винта.
Увеличение осадки судна учитывается при крене и проседании, когда судно движется на ограниченной глубине с определенной скоростью.
Элементы маневра для спасения человека, упавшего за борт, выполняют приемом координат на правый или левый борт. В информации указывают следующие данные для выполнения правильного маневра: угол отворота от начального курса; оперативное время перекладки руля на противоположный борт, выхода на контркурс и в точку начала маневра; действия судоводителя на каждом этапе эволюции.
Все расстояния в информации о маневренных элементах приводят в кабельтовах, время— в минутах, скорость — в узлах.
 
Рис. 2.5. Фрагмент таблицы маневренных характеристик
 
Формуляр маневренных элементов должен содержать достаточно подробное описание маневренных характеристик и другие соответствующие данные. В него должна быть включена информация, приведенная в таблице маневренных характеристик, и другая имеющаяся информация о маневренных характеристиках. Большая часть информации о маневренных характеристиках в формуляре может быть рассчитана, однако некоторая ее часть должна быть получена при испытаниях. Информация может пополняться в течение всего срока эксплуатации судна.
СРЕДСТВА УЛУЧШЕНИЯ МАНЕВРЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДНА
Винторулевой комплекс морских судов, как правило, не обеспечивает их необходимую маневренность при движении на малых скоростях. Поэтому на многих судах для улучшения маневренных характеристик используются средства активного управления (САУ), которые позволяют создавать силу тяги в направлениях, отличных от направления диаметральной плоскости судна. К ним относятся: крыльчатые движители, активные рули, подруливающие устройства, поворотные винтовые колонки и раздельные поворотные насадки.
 
Крыльчатые движители (КД). Применяются в качестве основного движителя на буксирах, паромах, плавкранах, рыболовных судах и в виде вспомогательного средства управления на больших пассажирских судах и танкерах. КД позволяет создавать силу тяги в любом направлении и изменять ее величину.
 
Рис. 2.6. Крыльчатый движитель
 
Конструктивно КД представляет собой диск с вертикальной осью вращения, размещенный в днищевой части корпуса, на котором установлены вертикальные поворотные лопасти (от четырех до восьми). В воде находятся только лопасти, а механизмы вращения диска и поворота лопастей размещены внутри корпуса судна. КД сочетает в себе функции винта и руля. На судах, имеющих его в качестве основного движителя, отсутствует рулевое устройство, а хорошая поворотливость судов обеспечивается изменением направления силы тяги. Суда, оснащенные КД, обладают хорошими тормозными качествами. Время торможения у них значительно меньше, чем у судов с гребными винтами, а длина тормозного пути не превосходит длины корпуса.
К недостаткам КД относятся следующие: сложность конструкции и его относительно большая масса; суда, имеющие КД в качестве основного движителя, не приспособлены для плавания в открытом море, т.к. на волнении диск и лопасти подвергаются большим напряжениям; при плавании во льдах КД требует надежной конструктивной защиты; фактическая осадка судна увеличивается на длину лопасти. 
Активные рули (АР). Это рули с установленными на них вспомогательными винтами, расположенными обычно на задней кромке пера руля. Активными рулями оборудовано большое количество транспортных и промысловых судов. АР перекладывается с борта на борт обычной рулевой машиной, но с целью повышения эффективности руля предельные углы его перекладки увеличиваются до 70°—90°. АР используется на малых скоростях до 5 уз. При больших скоростях винт АР отключается, и перекладка руля осуществляется в обычных пределах — до 35° на каждый борт.
 

Рис. 2.7. Активный руль
 
АР позволяет осуществлять повороты не только на малых скоростях, но и при отсутствии хода. При маневрировании на стесненных акваториях винт АР может использоваться в качестве основного движителя, что обеспечивает высокие маневренные качества судна. К недостаткам АР относится усложнение конструкции пера руля и повышение сопротивления движению судна при больших скоростях.
В последнее время получила распространение электродвижущаяся система Azipod(Azimuth Pod – азимутальная гондола), которая включает в себя дизель-генератор, электромотор и винт. 
Рис. 2.8. AZIPOD
Дизель-генератор вырабатывает электроэнергию, которая по кабельным соединениям передается на электромотор. Электромотор, обеспечивающий вращение винта, расположен в специальной гондоле. Винт находится на горизонтальной оси, уменьшается количество механических передач – в результате достигается максимальный пропульсивный коэффициент. Винторулевая колонка имеет угол разворота до 3600, что значительно повышает управляемость судна.
Достоинства Azipod: • уменьшается расход топлива на 10 – 20%; • уменьшается вибрация корпуса судна; • из-за того, что диаметр гребного винта меньше – эффект кавитации снижен; • отсутствует эффект резонанса гребного винта.
Одновременно внедряется CRP (contra-rotating propeller) технология. В этом случае винты располагаются друг против друга и имеют противоположное направление вращения, чем достигается наибольший двигательный эффект. Данная система используется на судах, обслуживающих регулярные линии, для которых очень важна скорость доставки груза или пассажиров.
Рис. 2.9. Contra-rotating propeller (CRP)
Подруливающие устройства (ПУ). Необходимость создания эффективных средств управления носовой оконечностью судна привела к оборудованию судов подруливающими устройствами. ПУ создают силу тяги в направлении, перпендикулярном диаметральной плоскости судна независимо от работы главных движителей и рулевого устройства. Подруливающими устройствами оборудованы большое количество судов самого разного назначения, в том числе практически все суда типа Ро—Ро.
 

Рис. 2.10. Подруливающие устройства
 
В сочетании с винтом и рулем ПУ обеспечивают высокую маневренность судна: возможность разворота на месте при отсутствии хода, при этом центр вращения располагается позади ЦТ судна на расстоянии, примерно равном 0,15 длины судна; отход или подход к причалу практически лагом.
При движении судна малыми скоростями совместная работа винта, руля и ПУ обеспечивает высокую поворотливость, поскольку сила тяги ПУ может создавать дополнительный момент, способствующий развороту судна в ту или иную сторону.
 
Раздельные поворотные насадки (РПН). Поворотная насадка — это стальное кольцо, профиль которого представляет элемент крыла. Площадь входного отверстия насадки больше площади выходного. Гребной винт располагается в наиболее узком ее сечении. Поэтому увеличивается скорость протекания жидкости через сечение винта и, следовательно, повышается его КПД. Поворотная насадка устанавливается на баллере и поворачивается до 40° на каждый борт, заменяя руль, причем в этом качестве насадка имеет большую эффективность, чем обычный руль, поскольку боковая сила, разворачивающая судно, создается за счет изменения направления силы тяги винта, которая существенно больше боковой силы руля.
 
Рис. 2.11. Раздельные поворотные насадки
 
РПН устанавливаются на двухвинтовых судах и имеют конструкцию привода, позволяющую выполнять раздельную их перекладку. РПН установлены на многих транспортных судах, главным образом речных и смешанного плавания, и обеспечивают их высокие маневренные характеристики.

Приложенные файлы

  • docx 8056239
    Размер файла: 662 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий