Загрузил No name

ОМКС конспект лекций

Реклама
1
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОПУЛЬСИВНОГО
КОМПЛЕКСА
Пропульсивный комплекс судна включает корпус судна, главный
двигатель и гребной винт, работающие во взаимодействии. Характеристики
каждого из трех элементов пропульсивного комплекса изменяются в
эксплуатации под воздействием внешних факторов.
Характеристики корпуса - зависимость сопротивления среды движению
судна или буксировочной мощности от скорости хода судна. Нестабильность
этих характеристик определяются:
- состоянием подводной поверхности корпуса, которое изменяется в
эксплуатации вследствие разрушения краски, коррозии, органического
обрастания;
- условиями загрузки;
- изменениями гидрометеорологических условий.
Характеристики гребного винта - его кривые действия, т. е. зависимости
коэффициента упора K1 , коэффициента момента K 2 и к. п. д.  P в свободной
воде от относительной поступи P . Причины изменения этих характеристик:
- изменение состояния лопастей гребных винтов, обусловленное
коррозией, кавитационной эрозией, обрастанием, отложением солей,
выпадающих из морской воды и т. п.;
- влияние свободной поверхности винта при оголении лопастей в период
качки судна.
Собственные характеристики двигателя внутреннего сгорания как
элемента пропульсивного комплекса могут быть представлены в форме
зависимостей изменения индикаторной или эффективной! мощности от частоты
вращения N i (n) или N e (n) . Этими характеристиками могут также служить
зависимости крутящего момента M i (n) , M e (n) или давлений в цилиндре pi (n) ,
pe (n) от частоты вращения.
Внешние
эксплуатационные
факторы
изменяют
собственные
характеристики каждого элемента комплекса, характеристики взаимодействия
этих элементов и общие характеристики комплекса.
Механизм прямого и обратного влияния этих характеристик чрезвычайно
сложен. Достаточно сложно изменяются в эксплуатации характеристики
каждого элемента комплекса.
Самыми существенными внешними факторами, влияющими на изменение
характеристик каждого элемента и пропульсивного комплекса в целом,
являются эрозия, коррозия, обрастание животными организмами и водорослями
и другие, влияющие на изменение состояния поверхности корпуса и лопастей
гребных винтов.
Параметры, определяющие эффективность пропульсивного комплекса скорость хода судна, мощность главных лвигателей, частота вращения гребных
винтов, расход топлива и др. От этих параметров зависят важнейшие
показатели коммерческой и технической эксплуатации судов морского флота.
Повышение скорости хода судов без дополнительных затрат, снижение
мощности для достижения заданной скорости, существенное сокращение затрат
2
на топливо и его подготовку — основные цели обеспечения качественной
эксплуатации пропульсивного комплекса судна.
Влияние эксплуатационных факторов на пропульсивные качества судна
3
Влияние эксплуатационных факторов на характеристики корпуса судна
1 -сопротивление воды;
2 - попутный поток;
3 - засасывание
Влияние внешних факторов на гидромеханических характеристик гребного
винта вследствие изменения состояния лопастей (без учета влияния свободной
поверхности, качки, оголения лопастей и других факторов)
I – чистый винт;
1 – коэффициент упора;
II - шероховатый винт;
2 – коэффициент момента;
III – чистый корпус;
3 – коэффициент полезного действия;
IV – шероховатый корпус;
4 - - коэффициент нагрузки по упору.
4
Влияние эксплуатационных факторов на работу главного двигателя (дизеля)
СОПРОТИВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЮ СУДНА И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ
Прямолинейное равномерное движение судна происходит под действием
двух прямопротивоположных сил
- движущей силы PE и полного
сопротивления R , P E   R . При движении судна со скоростью V работа
движущей силы в единицу времени (или буксировочная мощность) равна
N E  VPE .
Отношение  D 
NE
, где N D - мощность, подведенная к движителю,
ND
называется пропульсивным коэффициентом. Мощность N D всегда меньше
мощности на валу главного двигателя N S на величину потерь в валопроводе и
передаче, т.е.
N D  N Sn  N SS П , где S —КПД валопровода;  П — КПД передачи
(редуктор, электропередача и др.).
Сопротивлением движению судна называется результирующая проекций
элементарных гидродинамических сил, действующих по его поверхности, на
направление движения.
Тело создает на свободной поверхности систему волн; волнообразование
приводит к изменению поля скоростей и давлений по сравнению с движением в
безграничной жидкости. Возникает результирующая сила давлений, проекция
которой на направление движения называется волновым сопротивлением RW .
5
Если в носовой оконечности тела разрушается возникающая подпорная
волна (полнообводные суда), то волновое сопротивление увеличивается за счет
составляющей RWв - сопротивления от разрушения волн. Волновое
сопротивление – характерная составляющая сопротивления надводных судов.
При движении тела с брызгообразованием (быстроходные суда) появляется
еще одна составляющая силы сопротивления, вызванной давлениями.
Движущееся по свободной поверхности тело деформирует поток так, что часть
жидкости образует брызговую струю, которая отбрасывается под углом или в
сторону движения тела. Струя вызывает реактивную силу, проекция которой на
направление движения называется брызговым сопротивлением RS .
На подводных крыльях, выступающих частях корпуса судна, а в случае
появления продольных вихрей за корпусом – и на самом корпусе возникает
индуктивное сопротивление Ri .
При больших скоростях движения тел на их поверхности может возникнуть
кавитация – процесс развития каверн, заполненных парами воды и
растворенным в жидкости воздухом. На участке поверхности, охваченном
кавитацией, давление постоянно, т.е. иное, чем в потоке при безотрывном
обтекании тела. Величина силы кавитационного сопротивления RC зависит от
области распространения каверны и абсолютного давления в ней.
Все названные виды сопротивления мало зависят от вязкости жидкости и
поэтому могут изучаться с помощью модели невязкой жидкости.
Под влиянием вязкости закон распределения давления по поверхности тела
изменяется по сравнению со случаем обтекания невязкой жидкостью. Вязкость
вызывает появление пограничного слоя и формирование гидродинамического
следа за телом. В кормовой части тела давления понижаются (по сравнению со
случаем обтекания невязкой жидкостью), возникает результирующая давлений –
вязкостное сопротивление давления или сопротивление формы RVP .
Часть
сопротивления, возникающая за счет касательных напряжений  0 называется
сопротивлением трения RF . Сумму сопротивления формы и сопротивления
трения называют вязкостным сопротивлением RV  RVP  RF .
Таким образом, сопротивление воды движению судна можно выразить так
Rx  RF  RP  RF  RW  RVP  RWB  Ri  RS  RC .
Эти виды сопротивления не всегда возникают одновременно; некоторые из
них могут отсутствовать.
Сопротивление воды вызывается двумя основными причинами: вязкостью
жидкости ( RV ) и волнообразованием ( RW ). Также полную силу сопротивления
можно разделить на сопротивление движению судна воды и воздуха RAA . Тогда
Rx  RV  RW  R AA .
При изучении сопротивления принимают гипотезу: физические процессы,
вызывающие возникновение отдельных составляющих силы полного
сопротивления, происходят взаимно независимо.
Для морских грузовых судов при расчетах ходкости различают понятия
эксплуатационной скорости и скорости на испытаниях. Значение скорости на
испытаниях определяют с помощью числа Фруда, при котором начинается
интенсивный рост коэффициента сопротивления. Эксплуатационную скорость
6
судна назначают меньшей, чем скорость на испытаниях, чтобы обеспечить запас
мощности судна для движения в неблагоприятных погодных условиях.
ВЯЗКОСТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Пограничный слой и гидродинамический след судна
При движении судна с большими числами Рейнольдса влияние вязкости на
структуру потока ограничивается тонким слоем вблизи его поверхности пограничным слоем. Толщина погранслоя  мала по сравнению с продольной
координатой и увеличивается от носа к корме.
Пограничный слой либо плавно сходит с кормовой оконечности тела, либо
происходит его отрыв с поверхности. В обоих случаях за судном образуется
гидродинамический след. Структура поля скоростей в следе влияет на рулевое
устройство и работу винта. Вне погранслоя жидкость можно считать невязкой.
Вязкостное сопротивление судна включает сопротивление трения RF ,
сопротивление формы RVP и индуктивное Ri . Последнее во многих случаях
объединяют с сопротивлением формы, так как появление Ri обусловлено
продольными носовыми и кормовыми вихрями, формирующимися в результате
отрыва пограничного слоя.
Сопротивление трения зависит от распределения касательных
напряжений т0 по корпусу; на него влияют продольная и поперечная кривизна
обводов и обусловленные ею перепады давления, различные виды отрыва
пограничного слоя, а также волнообразование. Все эти факторы приводят к
местным отклонениям значений касательных напряжений от закона,
соответствующего плоской пластине при равных числах Re . Однако эти
отклонения невелики, что позволяет использовать понятие эквивалентной
пластины. Коэффициент сопротивления трения корпуса определяется
зависимостью CF  CF 0 1  k F  , где:
C F 0 - коэффициент сопротивления трения эквивалентной плоской
пластины, чаще всего определяемый по формуле Прандтля—Шлихтинга
CF 0 
0.455
lg Re 2.58
.
k F - коэффициент, учитывающий влияние кривизны судовой поверхности,
составляет от 0,02 до 0,06 и практически не зависит от числа Рейнольдса
Сопротивление формы RVP существенно зависит от наличия различных
видов отрыва пограничного слоя, возникновению которых способствуют иногда
даже небольшие изменения формы корпуса (в частности, резкий рост для полных
судов). При расчете коэффициента CVP судов
используется зависимость
CVP  CF 0 kVP
Коэффициент kVP зависит от формы обводов и не меняется при
переходе от модели к натурному судну.
Суммарное вязкостное сопротивление судна и его модели определяется
по формуле CV  CF 0 1  kФ , kФ  k F  kVP , где kФ - формфактор, не зависящий
от чисел Рейнольдса и Фруда; значения kФ получают путем обработки
результатов буксировочных испытаний моделей в бассейне или продувок
дублированных моделей судов в аэродинамических трубах.
7
ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Возникновение волн при движении судна обусловлено действием сил
тяжести жидкости и сил поверхностного натяжения на свободной поверхности
тяжелой жидкости или границе раздела жидкостей различной плотности. При
движении судов, а также их моделей, изготовленных в большом масштабе,
основную роль в создании волнообразования и волнового сопротивления играет
сила тяжести. Возникающие при ее действии волны называются
гравитационными. Силы поверхностного натяжения, порождающие капиллярные
волны, могут оказывать заметное влияние на волновое сопротивление только при
движении малых моделей.
Свободная поверхность не препятствует вертикальным перемещениям
жидкости, поэтому в районе носа и кормы, где в соответствии с уравнением
Бернулли при обтекании тела давления повышены, уровень жидкости
повышается, а в средней части, где в потоке возникает разрежение, —
понижается. Частицы жидкости, расположенные около поверхности и
выведенные из равновесия, под действием сил тяжести и поверхностного
натяжения начинают совершать колебания, фаза которых вследствие действия сил
инерции отстает от основных возмущений. Эти колебания, источниками которых
служат носовая и кормовая оконечности, вызывают вторичные искажения
свободной поверхности и дополнительные скорости в потоке, образуются
корабельные волны.
В носовой оконечности образуются бугор, т. е. вершина волны, и зона
повышенных давлений на корпусе.
Гравитационные волны на глубокой воде распространяются за движущимся
телом в зоне, имеющей вид сектора. Изменение поля давления приводит к
возникновению волнового сопротивления, а также вертикальной силы и
продольного момента волновой природы, изменяющих среднюю осадку и угол
дифферента при движении судна или его модели. Характерно наличие двух
систем волн — расходящихся и поперечных. У судов с полными обводами
возможно разрушение носовой подпорной волны.
Волнообразование создается участками поверхности тела, имеющими
значительную продольную кривизну (районы носовой и кормовой оконечностей).
Поэтому у судов со значительной по длине цилиндрической вставкой отдельно
наблюдаются носовая и кормовая группы расходящихся и поперечных волн.
Гребни этих волн не выходят за пределы сектора, образующая которого
составляет с ДП  B . Значение этого угла на глубокой воде практически не
зависит от скорости судна, формы его обводов и составляет около 18—20°. Вне
этого сектора возмущение свободной поверхности жидкости незначительно и
быстро угасает по мере удаления от его границы. Отдельные гребни
расходящихся волн несколько искривлены, однако значение угла, образуемого
участками их гребней, расположенными вблизи внешней границы сектора
волнового движения, с диаметральной плоскостью, составляет 2 B .
Поперечные волны расположены внутри волнового сектора; их гребни
имеют вид пологих поперечных дуг, составляющих угол 90° с ДП судна. Картина
поперечных волн за судном создается в результате наложения и взаимодействия
поперечных волн носовой и кормовой групп.
8
Схема возникновения составляющих сопротивления:
а) волнового; б) индуктивного; в) кавитационного; г) вязкостного.
Изменение уровня свободной поверхности воды около судна.
9
Длина фронта поперечных волн по мере их удаления от района
возникновения увеличивается. Если запас их энергии остается постоянным, а
энергия волн пропорциональна квадрату амплитуды, то их высота должна
убывать обратно пропорционально корню квадратному из расстояния от носа. В
районе носа судна образуется вершина носовой системы волн. Кормовая группа
волн начинает формироваться в области, где начинается кривизна кормовых
ветвей ватерлиний.
Волновой рельеф при движении модели;
1 – повышение уровня;
2 – понижение уровня.
Процесс взаимодействия поперечных волн обеих групп можно рассмотреть,
если схематически заменить действие носовой и кормовой оконечностей судна
точечными перемещающимися положительными (+) и отрицательными (-)
давлениями; расстояние между этими точками можно принять равным
b0 L, b0  1.
Волнообразование, вызываемое такими возмущениями, перемещающимися
со скоростью V по поверхности жидкости, исследовалось Кельвином. Решению
Кельвина соответствует значение  B  19 28` , волнообразование сосредоточено
внутри сектора с вершиной в центре давления, образующие которого составляют
угол 2 B , а первые гребни поперечных волн расположены за центром
положительного и отрицательного возмущений на расстояниях x 
5
9
и x  .
8
8
10
Схема волнообразования при действии перемещающихся давлений.
Суммарная амплитуда поперечных волн
b
a  aн 2  aк 2  2aн aк cos 0 ,
Fr 2
где aн - амплитуда носовой системы поперечных волн с учетом ее убывания при
подходе к корме, aк - амплитуда кормовой системы поперечных волн.
Если фазы поперечных волн носовой и кормовой систем совпадают и
b
cos 0  1 , то позади судна формируются поперечные волны с амплитудой
Fr 2
a  aн  aк . Числа Фруда и соответствующие им скорости движения судна в этом
b
случае являются неблагоприятными. Если cos 02  1 , происходит наложение
Fr
подошвы и вершины взаимодействующих волн, т.е. a  aн  aк . Это –
благоприятные значения.
Данная схема справедлива при Fr  0.5 , при больших значениях на длине
судна укладывается меньше одной длины волны и картина обтекания кормовой
оконечности в основном определяется полем скоростей, создаваемых в этом
районе подошвой носовой поперечной волны.
Вблизи тупой носовой оконечности полных судов формируется
подповерхностный подковообразный вихрь и возникает поднятие уровня воды в
виде плато. Носовая волна разрушается, возникает дополнительное волновое
сопротивление от разрушения волн RWB . Процесс разрушения волны зависит от
осадки судна; он становится более интенсивным с ее уменьшением, т. е. у судна в
балласте.
Для выделения коэффициента волнового сопротивления из полного,
CW  C  CF 0 1  kФ  .
полученного из экспериментов, применима формула
11
Волновое сопротивление можно вычислить, используя связь его с
энергией волн (которая пропорциональна квадрату их амплитуды). В случае
пространственной задачи необходимо учитывать энергию как поперечных, так и
расходящихся волн.
Соотношение составляющих сопротивления у различных типов судов
неодинаково. Так, у тихоходных судов – крупнотоннажных танкеров и балкеров
( Fr  0.16  0.18 ) - вязкостное сопротивление составляет 95% от полного,
гравитационное (волновое) – 5%.
У относительно быстроходных судов
( Fr  0.25  0.30 ) эти составляющие соответственно равны 77% и 23%.
Сопротивление трения составляет примерно 70% и для тихоходных, и для
относительно быстроходных судов, сопротивление формы у тихоходных судов
24%, у быстроходных – 8%, волновое – соответственно 5% и 20%, воздушное –
1% и 2%.
ГРЕБНОЙ ВИНТ КАК ЭЛЕМЕНТ ПРОПУЛЬСИВНОГО КОМПЛЕКСА
Все судовые движители , в том числе гребные винты, по принципу действия
являются реактивными. Реакция отбрасываемой среды, приложенная к рабочим
элементам движителя, создает силу, проекция которой на направление движения
называется упором движителя.
Гребной винт состоит из 3-7 лопастей, радиально установленных на
одинаковом угловом расстоянии друг от друга на теле вращения, называемом
ступицей. Лопасти – закрученные крылья малого удлинения.
Обтекание
элемента лопасти определяется скоростью VE , которая равна сумме
поступательной скорости движения судна V и вращательной скорости r вокруг
оси винта.
Элемент винта можно рассматривать как крыло, движущееся в потоке со
скоростью VE под углом атаки  . На элементе возникнут подъемная сила и
сопротивление. Проекция равнодействующей этих сил на направление движения
- упор dP рассматриваемого элемента; проекция на плоскость вращения dF ,
направленная против скорости r , создает момент относительно оси вращения,
преодолеваемый двигателем.
Схема действия гребного винта
12
Направление упора, создаваемого гребным винтом, однозначно
определяется направлением его вращения.
Основные геометрические элементы гребных винтов.
Лопасти гребного винта представляют собой установленные на ступице 1
закрученные крылья 4 малой относительной толщины.
Они образованы в результате пересечения двух криволинейных
поверхностей, одна из которых представляет собой нагнетающую сторону
лопасти 6, а другая — засасывающую 5. Нагнетающей называется сторона
лопасти, обращенная в корму судна, на ней на переднем ходу формируется
повышенное давление. Сторона лопасти, на которой возникает пониженное
давление, называется засасывающей, эта поверхность обращена в нос судна.
Линия пересечения засасывающей и нагнетающей поверхностей называется
контуром лопасти 3. Наиболее удаленная от оси винта точка B контура лопасти
называется концом лопасти. Для каждой лопасти условно вводится
перпендикулярная к оси линия, которая называется осевой линией лопасти (ОЛЛ).
Расстояние от точки B до оси Ox представляет собой радиус винта R , его
удвоенное значение равно диаметру винта D .
Область притыкания лопасти к ступице называется корнем лопасти 2,
расстояние от корня лопасти до ее конца, измеренное по радиусу, есть длина
лопасти l  R  rH , где rH — радиус ступицы. Наибольший размер лопасти,
измеренный в осевом направлении h , - подъем лопасти, или ее осевой размер.
Цилиндрическая система координат
правоходового гребного винта
O, x, r, 
и
основные
элементы
Важная характеристика винта, определяющая его геометрию - направление
вращения. Если смотреть вдоль оси Ox , то у винта правого вращения правая
кромка вертикально расположенной лопасти в ее верхнем положении более
удалена от наблюдателя, чем левая, для рассматриваемого цилиндрического
сечения. Кромка лопасти, более удаленная от наблюдателя и как бы встречающая
поток воды при движении судна передним ходом первой, называется входящей 11,
а противоположная — выходящей 8.
Развернутое на плоскость сечение лопасти характеризует профиль сечения.
13
Хорда профиля 12 – отрезок прямой, соединяющая наиболее удаленные
точки профиля. Каждая хорда - цилиндрическая винтовая линия. Ширина
профиля сечения b измеренная по хорде, называется шириной лопасти на данном
радиусе. Наибольший размер e , измеренный по перпендикуляру к хорде,
определяет наибольшую толщину профиля сечения лопасти на рассматриваемом
радиусе. Форма профиля сечения лопасти характеризуется также его
e
b
относительной толщиной   , значение которой зависит от радиуса сечения
  0.2  0.02 .
Лопасть образуют винтовые поверхности. Винтовая поверхность
описывается плоской кривой, которая вращается вокруг оси и одновременно
движется вдоль этой оси поступательно.
Шаг винтовой линии – измеренное вдоль оси расстояние, которое проходит
точка за один оборот вокруг оси (обозначается H ). В общем случае винтовая
поверхность может иметь переменный шаг как в осевом направлении, так и по
радиусу.
Поверхность, проходящая через кромки лопасти и состоящая из хорд всех
цилиндрических сечений этой лопасти, называется номинальной поверхностью.
Шаг этой поверхности называется кромочным шагом. Если кромочный шаг всех
сечений лопастей винта одинаков, то винт называется винтом постоянного шага.
Если номинальная поверхность имеет радиально-переменный шаг, то винт
называется винтом переменного шага.
Шаговый угол
  arctg
H
,
2r
при
постоянном шаге шаговый угол возрастает от периферии к ступице. Обычно в
качестве характерного или конструктивного шага принимается шаг сечения,
расположенного на относительном радиусе r  0.7 . Отношение конструктивного
шага винта к его диаметру называют конструктивным шаговым отношением
H
.
D
Площадь номинальной поверхности характеризует площадь лопасти
гребного винта. Однако эта поверхность не может быть без искажения совмещена
с плоскостью, поэтому в качестве меры площади лопасти принимают величину
площади спрямленной поверхности лопасти. Причем контур, ограничивающий
эту площадь, называют контуром спрямленной поверхности лопасти. Ширина
спрямленной поверхности на каждом радиусе равна хорде профилей образующих
лопасть. Площадь этой поверхности для лопасти гребного винта со ступицей
радиуса rH равна
AE R
  br dr ,
Z r
где br  — ширина лопасти на радиусе r .
H
Полная площадь лопастей гребного винта, имеющего Z лопастей, в этом случае
равна AE . Отношение этой площади к площади диска гребного винта
AE
AE

A0 D 2 4
называется дисковым отношением, величина его для судовых гребных винтов
0.4 1.4 .
Кинематические характеристики гребного винта.
Работа гребного винта в жидкости определяется двумя одновременными и
независимыми движениями: поступательным вдоль оси со скоростью VA и
14
вращением вокруг этой же оси с угловой скоростью   2n , где n — частота
вращения. Если бы винт вращался в твердой среде, как болт в гайке, то за один
оборот он прошел бы в осевом направлении путь, равный условному
геометрическому шагу винта H . В жидкости винт пройдет за один оборот
расстояние, меньшее шага H , это расстояние называется абсолютной; или
линейной поступью винта h P . Линейная поступь связана со скоростью VA и
периодом
T
1
n
соотношением
(временем,
за
которое
винт
совершает
один
оборот)
V
hP  V AT  A .
n
Относительная поступь - отношение линейной поступи к диаметру винта, это
- основная безразмерная кинематическая характеристика гребного винта,
определяющая режим его работы в жидкости:
P 
hP V A

.
D nD
Жидкость приобретает вызванные, или индуктивные, скорости, которые
приводят к ускорению потока за гребным винтом, закручиванию струи, а также
уменьшению ее поперечного сечения. Составляющие скорости — осевая w X ,
окружная w , радиальная wr .
Разность H hP называется скольжением винта. Оно определяет, насколько
отстает винт при своем перемещении в жидкости от перемещения винта в твердой
среде. Скольжение, выраженное в долях от шага, называют относительным
скольжением s 
H h P
h
 1 P
H
H
Гидродинамические характеристики гребного винта.
Согласно лопастной теории силы и моменты, действующие на винт,
получаются суммированием элементарных сил и моментов, возникающих на
элементах его лопастей, отсекаемыми соосными цилиндрами с зазором dr .
Гидродинамические
характеристики
элемента
крыла
определяются
безразмерными коэффициентами подъемной силы
CY 
2dY
VR2bdr
и силы сопротивления C X 
2dX
VR2bdr
,
где bdr - площадь элемента крыла, VR - скорость его обтекания, dY , dX —
подъемная сила и сила профильного сопротивления.
Безразмерные коэффициенты CY , C X - функции угла атаки. Направление
потока, при котором CY  0 - направление нулевой подъемной силы (ННПС). Угол
между вектором скорости набегающего потока и ННПС называют
гидродинамическим углом атаки 1 .
Упор элемента лопасти создается в результате действия его подъемной силы,
а профильное сопротивление уменьшает упор и увеличивает окружную
составляющую силу, а следовательно, и потребный момент на валу гребного
винта.
Упор винта P и момент M определяются интегрированием в пределах
длины лопасти по радиусу и умножением на число лопастей.
Коэффициенты упора и момента
K1 
P
n D
2 4
,
K2 
M
n2 D5
.
15
Мощность, необходимая для вращения винта N D  M  2K2 n D .
Коэффициент полезного действия (КПД) винта (отношение полезной
3 5
мощности к затраченной)
P 
K1 P
.
K 2 2
Безразмерные гидродинамические характеристики K1, K2 , P в функции
относительной поступи P , называются кривыми действия винта, по ним
определяют упор и момент винта при различных режимах его работы.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВИНТА
И КОРПУСА СУДНА.
Гидродинамические поля, создаваемые движителем и корпусом судна,
взаимно влияют друг на друга. Движитель изменяет поле скоростей и давлений на
корпусе, поэтому сопротивление судна при работающем движителе не равно
сопротивлению буксируемого судна.
Приближенно винт считается изолированным, но работающим в потоке,
создаваемом корпусом буксируемого судна, а набегающий на корпус поток
считается измененным действием движителя
При движении корпуса судна в жидкости за его кормой возникает течение
жидкости, направленное в сторону движения судна - попутный поток. Его
составляющие:
1.потенциальный попутный поток определяется полем скоростей корпуса за
пределами пограничного слоя (сохраняется и в невязкой жидкости).; cкорость
определяется формулой VP  Vd  Vw , где
Vd - скорость попутного потока вытеснения;
Vw - скорость волнового попутного потока.
2. Вязкостный попутный поток: погранслой на поверхности судна приводит
к перераспределению скоростей; скорость Vv .
Попутный поток определяют в диске движителя. Попутный поток,
определенный в отсутствие движителя, называется номинальным.
Коэффициент попутного потока
   P  v   d  w  v .
Для морских транспортных судов определяющей является вязкостная
составляющая.
Коэффициент попутного потока считается положительным, если попутный
поток в среднем направлен в сторону движения судна. Попутный поток
вытеснения и вязкостный попутный поток всегда положительны. Волновой же
попутный поток может быть как положительным, так и отрицательным. Если
гребной винт расположен под вершиной волны, образующейся при движении
судна, то волновой попутный поток будет положительным, а если винт
расположен под подошвой волны, то отрицательным.
Движитель, работающий за корпусом судна, изменяет его номинальный
попутный поток. Попутный поток за судном, возникающий при работающем
движителе, называют эффективным попутным потоком.
Скорость эффективного потока равна разности скорости протекания
жидкости через движитель при его работе за корпусом и при отсутствии корпуса.
Для судов небольшой полноты и при малых нагрузках движителя
16
осредненные по диску значения номинального и эффективного попутного
потока близки. У полнообводных судов в условиях срыва погранслоя при
больших коэффициентах нагрузки винт сильно влияет на попутный поток,
особенно на вязкостную составляющую.
При выборе элементов винта в качестве расчетной скорости VA принимают
скорость судна V , уменьшенную на величину расчетной скорости попутного
потока Vw
 V 
V A  V  Vw  V 1  w   V 1  WT ,
V 

- коэффициент расчетного
WT
где
попутного потока, определяется
экспериментально.
Под коэффициентом расчетного попутного потока понимают коэффициент
попутного потока, определенный из условия эквивалентности работы движителя
за корпусом и в свободной воде, т. е. при условии равенства упоров и равенства
потребляемой мощности.
Движитель, работающий вблизи корпуса судна, увеличивает скорость
обтекания его кормовой оконечности, вызывая понижение давления на
поверхности этой части корпуса. Это приводит к увеличению его сопротивления.
Эта дополнительная сила называется силой засасывания R . Таким образом,
движитель должен развить упор, который превышает полезную тягу,
необходимую для буксирования судна, на величину силы засасывания:
где PE - полезная тяга комплекса движитель — судно, она
P  PE  R ,
численно равна буксировочному сопротивлению судна RV  , приходящемуся на
один движитель.
Отношение силы засасывания к упору движителя называется
коэффициентом засасывания
t
R P  PE
P
K

 1 E  1 E ,
P
P
P
K1
где
KE
—
коэффициент полезной тяги, K1 — коэффициент упора.
Сила засасывания вызывается не только перераспределением давлений на
поверхности корпуса судна в корме, но и перераспределением скоростей в его
пограничном слое. В результате изменяется вязкостная составляющая
сопротивления воды движению судна, и появляется силы засасывания вязкостной
природы. Кроме того, волнообразование, возникающее при движении судна с
работающим гребным винтом, вызывает появление силы засасывания волновой
природы. Поэтому, так как волновая и вязкостная составляющие малы,
получается t  t P  t w  tv  t P .
Эффективность преобразования подводимой к движителю мощности в
полезную тягу характеризуется пропульсивным коэффициентом
D 
1  t PBV A
,
1  WT 2nM B
где PB — упор винта при его работе за корпусом судна. M B — момент
сопротивления вращению движителя при его работе за корпусом.
КПД винта, работающего за корпусом судна
B 
K1B P
,
K 2 B 2
17
где K1B и K2B - значения коэффициентов упора и момента винта при его работе
за корпусом. Считается, что K1B  K1 при равных значениях относительной
поступи P , а K2B  iM K2 , где iM - коэффициент влияния неравномерности поля
скоростей на величину момента. Полученные выражения позволяют для
проектирования винтов, работающих за корпусом, и для определения их
эффективности использовать результаты испытаний моделей винтов в свободной
воде, а влияние корпуса учитывать с помощью коэффициентов взаимодействия.
СОВМЕСТНАЯ РАБОТА КОМПЛЕКСА ВИНТ-ДВИГАТЕЛЬ-КОРПУС.
От соответствия винта двигателю зависит эффективность использования
мощности главного двигателя. Частота вращения винта равна (или кратна при
наличии редуктора) частоте вращения вала двигателя, крутящий момент
двигателя равен моменту сопротивления вращения гребного винта (моменту
винта) с учетом потерь на трение в валопроводе.
Для морских транспортных судов скорость при конкретном режиме
эксплуатации практически линейно зависит от частоты вращения винта, так что
поступь и коэффициент момента изменяются мало, и потребляемая винтом
мощность пропорциональна кубу частоты PD  2nM B  2K2 D5n3  Cn3 ,
где C - постоянный для конкретных условий плавания (посадка, состояние
поверхности корпуса, волнение, …) коэффициент, его величина фактически
определяется зависимостью R(V ) .
Зависимость мощности, потребляемой гребным винтом, от частоты его
вращения называется винтовой характеристикой.
Рассмотрим скоростные характеристики двигателей внутреннего сгорания.
Область устойчивой работы двигателя в осях мощность — частота:
1 - номинальная внешняя характеристика т, е. зависимость мощности от
частоты вращения при максимальной подаче топлива;
2 - ограничительная характеристика по механической напряженности при
M Д  const и N S  2nM Д ;
3 - линия минимальных устойчивых оборотов;
4 - ограничительная регуляторная характеристика (обеспечивается работой
регулятора, не допускающего разноса двигателя при внезапном снижении
нагрузки);
5 - нижняя ограничительная характеристика (характеристика холостого хода)
Точка А диаграммы определяет длительную номинальную мощность двигателя
при номинальной частоте вращения при его работе без перегрузок. При
нормальной эксплуатации двигателя не допускается его работа выше
заградительных характеристик по тепловой или механической напряженности
(кривая 1 или 2).
На эту диаграмму нанесены различные винтовые характеристики — кривые
I , II , III . Винт фиксированного шага согласован с главным двигателем, если он
потребляет номинальную мощность, развиваемую двигателем при номинальной
частоте вращения для заданных условий. Расчетная винтовая характеристика
такого винта (кривая I ) проходит через точку А.
Если при выходе на внешнюю ограничительную характеристику двигателя
винт развивает частоту вращения меньше номинальной, то такой винт называется
18
гидродинамически тяжелым (точка В). Гидродинамически легким считается
винт, который при достижении номинальной частоты вращения (точка С) не
использует полной номинальной мощности двигателя.
Рабочая область ДВС и соответствие гребного винта двигателю
Несоответствие гребного винта двигателю обнаруживается в процессе
испытаний и эксплуатации судна.
И для тяжелого, и для легкого винта полная мощность двигателя не
используется, что приводит к меньшей эксплуатационной скорости судна, чем ее
расчетное значение. Чтобы тяжелый винт соответствовал двигателю, нужно
уменьшить либо шаговое отношение, либо диаметр. Легкий винт можно только
заменить.
Для компенсации утяжеления гребного винта из-за увеличения
сопротивления корпуса судна его проектируют с «облегчением» по шагу, так
чтобы в условиях сдаточных ходовых испытаний винт был гидродинамически
легким. Во время эксплуатации судна винт будет постепенно утяжеляться, и
приблизительно в середине междокового периода он окажется соответствующим
корпусу и двигателю, при этом будет обеспечено полное использование
19
мощности при расчетной частоте вращения. К концу междокового периода он
также перегрузит двигатель, но в меньших пределах.
Установки с турбозубчатыми агрегатами имеют внешние характеристики,
значительно более благоприятные для работы как с утяжеленным винтом, так и с
облегченным, поскольку они допускают регулирование мощности и частоты.
Гребные винты судов с турбинными установками облегчать по шагу при
проектировании не требуется.
ГРЕБНЫЕ ВИНТЫ РЕГУЛИРУЕМОГО ШАГА (ВРШ).
У судна с дизельной энергетической установкой полная мощность
используeтся только при соответствии характеристик винта и двигателя, т.е.
необходимо, чтобы при номинальной частоте вращения двигателя мощность,
потребляемая винтом, и мощность двигателя были одинаковыми. Это равенство
соблюдается лишь при одном значении скорости. При увеличении сопротивления
винт окажется гидродинамически тяжелым, при уменьшении сопротивления —
легким. В реальных условиях сопротивление изменяется непрерывно (изменение
нагрузки, обрастание корпуса, волнение). Таким образом, при изменении условий
эксплуатации двигателю соответствует не один винт, а серия гребных винтов с
различными шаговыми отношениями.
Гребной винт, лопасти которого могут поворачиваться относительно
осей, перпендикулярных к оси гребного винта, называется винтом
регулируемого шага (ВРШ) (обычные винты - фиксированного шага). Благодаря
повороту лопастей в ВРШ реализована идея совмещения серии винтов в одном
движителе. Кривые действия ВРШ аналогичны диаграмме серии ВФШ по
шаговому отношению.
Использование ВРШ особенно важно для судов с
широким диапазоном изменения сопротивления (буксиров, траулеров). Для этих
судов характерны два основных режима движения — свободный ход и ход судна
с возом. ВФШ, спроектированный на режим свободного хода, оказывается
тяжелым при ходе с возом, а ВФШ, спроектированный на режим с возом, легок
при движении на свободном ходу. Для этих судов применение ВРШ позволяет
обеспечить либо увеличение тяги на швартовах и при движении с возом, либо
скорости.
Диаграмма кривых действия ВРШ
Кривые тяги винтов при работе по
верхней
ограничительной
характеристике
20
Кривая 1 - ВФШ, спроектированный на свободный ход; кривая 2 —ВФШ,
рассчитанный на швартовный режим; кривая 3 — ВРШ. Очевидно, что выигрыш
от применения ВРШ тем больше, чем больше разница в сопротивлении судна на
свободном ходу и с возом.
Таким образом, применение ВРШ обеспечивает использование полной
мощности при произвольном значении скорости судна, выбор наиболее
экономичных режимов движения при заданной скорости и получение любого
значения скорости в диапазоне от полного переднего до полного заднего хода без
изменения направления вращения гребного вала.
Возможность реверсирования с помощью винтов позволяет устанавливать на
судне нереверсивные двигатели. Вследствие ускорения реверсирования
сокращается выбег и увеличивается безопасность плавания. Возможность
управления скоростью с помощью поворота лопастей обеспечивает судну лучшие
маневренные качества, облегчается швартовка и постановка сетей и тралов,
уменьшается вероятность рывков при натяжении буксирного троса и т.п. Резкое
уменьшение числа пусков и остановок двигателя при маневрировании и
швартовке существенно увеличивает моторесурс дизелей. На некоторых
специальных типах судов, например пожарных, вспомогательные механизмы
питаются за счет отбора мощности от главного двигателя. На главные двигатели
можно навешивать генераторы тока, а в случае электродвижения применять
наиболее простые синхронные электродвигатели переменного тока.
Недостатки:
- КПД ВРШ на расчетном режиме, как правило, ниже (на 1—3%), чем КПД
ВФШ;
- большая масса по сравнению с массой литого винта;
- увеличение первоначальных затрат на постройку судна.
Затраты на установку ВРШ
обычно окупаются за один-два года
эксплуатации судна, а увеличения массы установки в целом можно избежать, если
главный двигатель и судно заранее проектировать с учетом применения ВРШ.
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРЕБНЫХ
ВИНТОВ, ИХ СВОЙСТВА, ОСОБЕННОСТИ ЭКСПУАТАЦИИ.
Процессы обслуживания и ремонта гребных винтов в первую очередь
зависят от материала изготовления гребного винта. Основные материалы:
- марганцовистые латуни;
- алюминиево-никелевые бронзы;
- марганцово-алюминиевые бронзы;
- нержавеющие стали.
Все марганцовистые латуни склонны к коррозионному растрескиванию.
Коррозионное растрескивание — это предельный случай коррозии под
напряжением, который представляет собой полное разрушение металла в
результате одновременного воздействия на него растягивающих напряжений и
агрессивной среды — морской воды и даже воздуха. Растягивающие напряжения
в лопастях гребных винтов возникают от нагрева при заварке пороков и трещин,
при нагреве для правки лопастей, из-за неравномерного нагрева ступиц при
монтаже и демонтаже гребных винтов. Для коррозионного растрескивания
21
обычно необходимы растягивающие напряжения, приближающиеся к пределу
текучести. У марганцовистых латуней разрушения наступают при меньших
напряжениях и проявляются через определенный срок. По экспериментальным
данным при нагреве ступицы для монтажа гребного винта на вал кислородноацетиленовыми или кислородно-пропановыми горелками напряжения в лопасти
достигают 140 МПа. После такого нагрева ступицы гребного винта через 10—12
дней в корневых сечениях лопасти появятся микротрещины, вызванные
растягивающими напряжениями, образовавшимися после нагрева. Трещина под
влиянием агрессивной среды будет увеличиваться. Дальнейшее развитие
трещины из-за циклических напряжений, возникающих при эксплуатации,
приведет к обрыву лопасти в корневых сечениях. Поэтому не допускается монтаж
и демонтаж гребных винтов из любых материалов путем неравномерного нагрева
ступиц открытым пламенем.
Алюминиево- никелевые бронзы практически не склонны к коррозионному
растрескиванию. Однако они в диапазоне температур t  300  500 С склонны к
повышению хрупкости. В этом диапазоне при нагреве относительное удлинение
уменьшается практически до нуля. Нагрев лопасти, например, для правки
имеющегося загиба в диапазоне этих температур, а затем приложение ударной
нагрузки неминуемо приведет к облому выправляемого участка лопасти.
Осмотр гребных винтов в эксплуатации рекомендуется производить не реже
одного раза в течение 6 мес. Во избежание кавитационной эрозии необходимо
осуществлять правку даже самых незначительных погибов лопастей.
Требования к гребным винтам, находящимся в эксплуатации,
дифференцируются применительно к трем зонам А, В, С. В зоне А исправление
любых дефектов допускается только механическим способом в пределах
допусков по ГОСТ 8054—81. В зонах В и С допускается исправление дефектов
сваркой. В зоне В общая поверхность дефектов должна занимать не более 20%
22
поверхности одной стороны лопасти, максимальный единичный дефект по
площади должен быть не более 10% одной стороны лопасти. Зона С не имеет
ограничений.
Трещины, выявленные в порту, в котором нельзя произвести ремонт,
должны обследоваться для выявления их протяженности и глубины до здорового
материала. При глубине трещин, не превышающих 2% толщины лопасти,
трещины удаляют шлифованием. Более глубокие трещины засверливают по
концам на глубину, превышающую на 5 мм глубину трещин, сквозные трещины
засверливают насквозь. В сверления ставят заглушки, а края зачеканивают.
До окончательного ремонта частота вращения гребного винта снижается до
значения
n1  nK 1 
Где
l
b
n - номинальная частота вращения, об\мин;
l - длина трещины, мм;
b - ширина лопасти в месте трещины, мм;
К=0.7 - для зоны А в районе входящей кромки;
К=0.8 - для выходящих кромок зоны А и входящих кромок зоны В;
К=0.9 - для выходящих кромок зоны В;
К=1.0 - для зоны С.
В случае поломки лопасти в качестве временной меры следует удалить
(если возможно) противоположную лопасть во избежание дисбаланса гребного
винта и вибрации валопровода. Следует по возможности избегать применения
сварочных работ для устранения дефектов. В частности, трещины на поверхности
ступицы устраняются путем шлифования до здорового металла. Допустимая без
заварки глубина трещины в ступице не должна превышать
t  Dd  1.7 Di
где
мм.
Dd - наружный диаметр ступицы, мм;
Di - внутренний диаметр ступицы,
В зоне А и В все дефекты глубиной не более t / 50 или 2 мм (что больше)
необходимо удалять шлифованием.
Глубина заварки не должна превышать t / 3 мм. Операция шлифования
должна производиться при умеренном давлении инструмента. Желательно
применять для этой цели высокоскоростной шлифовальный инструмент. Все
дефекты следует сгладить, переходы к сошлифованному углублению выполнить
как можно плавнее. Править лопасти желательно в горячем состоянии
статической нагрузкой без ударов.
Температура нагрева латуни — 500—600°С, алюминиево-никелевой бронзы —
700—900°С, марганцово-алюминиевой бронзы
—-700—800°С.
Контроль
температуры в процессе правки обязателен. Особенно он важен для алюминиевоникелевых бронз.
Сварку, заварку, наплавку целесообразно производить с местным
предварительным подогревом исправляемого участка.
Для алюминиевоникелевых бронз температура подогрева не должна превышать 150°С, для других
латуней и бронз - не более 250°С.
После заварки или правки лопастей, изготовленных из материалов,
склонных к коррозионному растрескиванию, необходимо производить
23
термическую обработку в форме отжига при следующих температурах: для
латуней — 350—400° С; для бронз — 500—550° С. Термическая обработка
состоит в отжиге, повышение температуры при нагреве должно происходить
равномерно со скоростью не более 200°С в час. Время выдержки гребных винтов
при температуре отжига зависит от габаритных размеров винтов. Для гребных
винтов диаметром более 2,0 и до 4,5 м включительно время выдержки составляет
не менее 3 ч, диаметром более 4,5 м и до 7,0 м включительно — не менее 5 ч,
диаметром более 7,0 м — не менее 6 ч. Охлаждение должно производиться
равномерно до температуры 150—180° С со скоростью не более 50°С в час.
При отсутствии печей для отжига должна применяться местная термическая
обработка. В этих случаях используются различные способы нагрева, так же как и
при нагреве лопастей для горячей правки.
Гребные винты, изготовленные из сплавов на медной основе, категорически
запрещается окрашивать. При окраске кормового подзора корпуса судна в доке
необходимо принять меры, предотвращающие попадание краски на поверхность
винта. Брызги краски окажутся источником питтинговой коррозии. При каждой
возможности не реже одного раза в год необходимо производить очистку и
шлифование лопастей.
Устранение коррозионного и эрозионного воздействия морской среды
может быть обеспечено применением электрохимической катодной или
протекторной защиты
Протектирующее действие на гребной винт оказывает стальной корпус
судна, оборудованный местной протекторной защитой. Для этой защиты могут
быть использованы протекторы из алюминиевых сплавов. Окраска корпусов судов коррозионно-стойкими покрытиями обеспечивает надежную электрическую
изоляцию стального корпуса, но создает условия для коррозии гребного винта,
особенно на ходу судна. На ходу гребной вал обычно «всплывает», т, е.
самоизолируется масляной пленкой от корпуса. Наличие появившегося
сопротивления между валом и корпусом судна приводит к резкому снижению
тока, проходящего к гребному винту. В связи с этим для надежной
противокоррозионной защиты гребных винтов должен быть создан электрический
контакт между валом и корпусом, который обеспечивается контактно-щеточными
устройствами.
ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
В период эксплуатации изменяется состояние обшивки корпуса и лопастей
гребного винта. Возрастает вязкостное сопротивление, одновременно повышается
коэффициент попутного потока. При этом несколько компенсируются потери на
трение, но возрастает коэффициент нагрузки по упору и, как следствие, снижается
КПД винта.
Лопасти гребного винта, отполированные при изготовлении в соответствии
Ra  0.8  2.5 мкм, в процессе
с требованиями ГОСТ 8054—72, до значений
эксплуатации изменяют состояние поверхности до Ra  80  500 мкм; в отдельных
случаях макрошероховатость поверхности вследствие коррозии, эрозии и
обрастания достигает нескольких миллиметров. В период достройки судна на
лопастях появляется налет карбонатов магния или кальция, что повышает
шероховатость лопастей на 100—200 мкм.
24
Из теории крыла известно, что вследствие роста шероховатости возрастает
профильное сопротивление C X , падает подъемная сила профилей лопасти CY ,
возрастает коэффициент обратного качества, причем существенно быстрее, чем
падает CY . Это приводит к увеличению коэффициента момента K 2 и падению
коэффициента упора K1 ,т. е. к существенному снижению КПД винта.
Шероховатость лопастей даже бронзового гребного винта (исходная величина
Ra  20  40 ) может после достройки судна на плаву возрасти до Ra  300  400 мкм,
что приведет к снижению КПД винта на 10—15%.
Такие изменения шероховатости винта «утяжеляют» винтовую
характеристику.
Увеличение силы профильного сопротивления лопастей вследствие
возрастания шероховатости повышает момент гребного винта, т. е. еще более
«утяжеляет» винтовую характеристику. С изменением гидродинамических
характеристик гребного винта K1 , K 2 и относительной поступи  P изменяются
частота вращения гребного винта и режим работы двигателя,. Это приводит к
потере скорости судна, снижению мощности главных двигателей, увеличению
расхода топлива.
Необходима тщательная очистка обшивки корпуса и лопастей гребных
винтов при очередных докованиях. Если суда эксплуатируются в тропических и
южных морях, рекомендуется очистка переменного пояса корпуса, а лучше —
всей его подводной поверхности; очистка и шлифовка лопастей гребных винтов
обязательны, если обнаружено снижение скорости в пределах 4—5% от
спецификационной.
Влияние шагового отношения на изменение упора и момента
при шероховатой только нагнетательной стороне
При покраске корпуса судна в доке необходимо следить, чтобы брызги
краски не попадали на лопасти винта, так как они играют роль катода по
отношению к не защищенной краской поверхности и ускоряют процесс коррозии.
Из этих же соображений не рекомендуется красить гребные винты, независимо от
материала, из которого они изготовлены.
25
Влияние шероховатости входящей кромки на изменение упора и момента
1 – обе стороны;
2 – засасывающая сторона.
Сохранение
состояния
поверхности
лопастей,
предотвращение
коррозионного разрушения материалов, повышение коррозионно-усталостной
прочности зависят от эффективности установленной на судне протекторной или
электрохимической защиты.
Гребные винты из латуней всех марок при отсутствии протекторной защиты,
особенно в тропических водах, подвергаются обесцинкованию, т. е. выделению
цинка из сплава. В этом случае металл лопастей, особенно в районах кромок,
вследствие избирательной коррозии имеет губкообразный вид и приобретает
пониженную прочность.
Шероховатость лопастей резко возрастает из-за обрастания гребного
винта зоопланктоном и водорослями. В течение многих лет производились
измерения шероховатости гребных винтов судов, проходивших докование и
ремонт на заводе, при этом фиксировались: материал винта, даты предыдущих
докований, время эксплуатации до очистки поверхности, районы эксплуатации и
т. д. Всего было произведено более 3000 измерений на более 250 гребных
винтах, включая винты одноименных судов при их многократных докованиях.
Измерение шероховатости всех гребных винтов -проводилось по
приведенным ниже схемам. На основании данных осреднений и с учетом
времени эксплуатации каждого винта были получены приближенные зависимости
параметра шероховатости Ra от времени эксплуатации за междоковый период
применительно к четырем группам винтов, объединенных по материалам.
Ra  3  30 x  8.5xx  1  0.167 xx  1x  2  0.0416 xx  1x  2x  3 .
Латунь
Бронза
Ra  30  20 x  3.5xx  1  0.667 xx  1x  2  0.25xx  1x  2x  3 .
Углеродистая сталь
Ra  90  160 x  95xx  1  26.7 xx  1x  2  4.58xx  1x  2x  3 .
Ra  35  2.5x .
Нержавеющая сталь
t
6
Здесь x  , t - время эксплуатации, мес.
26
Схема измерения эксплуатационной шероховатости лопастей гребного винта:
а) засасывающая сторона; б) нагнетательная сторона;
1) входящая кромка; 2) выходящая кромка.
Установлено:
- шероховатость (по значению Ra ) больше на засасывающей поверхности,
чем на нагнетательной;
Зависимость изменения упора, момента и КПД от времени эксплуатации
для гребных винтов из латуни ( P  0.35  0.45 )
- на входящей кромке часто наблюдается большая шероховатость, чем на
любом другом участке лопастных сечений;
27
у бронзовых гребных винтов на
нагнетательной
поверхности
шероховатость равномерно увеличивается от входящей кромки к выходящей и от
корня лопастей к ступице. Наибольшая зона шероховатости наблюдается на
r
 0.75  0.8 . В средней
R
части засасывающей поверхности происходит уменьшение значения Ra . В целом
засасывающей стороне на расстоянии от края лопасти
это наиболее качественные материалы. Однако на отдельных гребных винтах
наблюдаются участки особо повышенной шероховатости и местные язвы
эрозионного происхождения;
- у гребных винтов из нержавеющей стали наблюдается существенное
увеличение шероховатости на периферийной части лопасти и на входящей кромке
при относительно равномерном распределении шероховатости в средней части
лопасти;
- лопасти латунных гребных винтов подвержены общему износу и их
шероховатость повышается от ступицы к периферии. Наблюдается кавитационноэрозионный износ на засасывающей поверхности. Наибольшая шероховатость
наблюдается в зоне входящей кромки и на внешнем радиусе засасывающей
стороны. Второй по значению Ra
является зона входящей кромки
нагнетательной поверхности. Однако лопасти отдельных винтов через много лет
эксплуатации имеют вполне удовлетворительную поверхность;
- лопасти гребных винтов из углеродистой стали через 12—24 месяцев
эксплуатации имеют равномерный по поверхности коррозионный износ с
глубиной язв и каверн 15—25 мм. Это подтверждает то, что углеродистая сталь не
должна применяться для изготовления гребных винтов морских судов. Даже у
гребных винтов ледоколов лопасти из углеродистой стали полностью выходят из
строя вследствие коррозионного износа через 10 месяцев эксплуатации.
Зависимость изменения упора , момента и КПД от времени эксплуатации
для гребных винтов из углеродистой стали ( P  0.35  0.45 )
28
Гидродинамически «тяжелые» гребные винты, шаговое отношение которых
завышено при проектировании или оказалось больше необходимого вследствие
старения корпуса, должны быть приведены в соответствие корпусу и главному
двигателю. По данным анализа теплотехнических испытаний и рейсовых отчетов,
необходимо установить сначала степень «утяжеления» гребного винта, т. е
определить процент частоты вращения, не развиваемой двигателем по сравнению
с расчетным значением п при правильной регулировке двигателя и его
нормальном техническом состоянии, при спецификационной посадке судна,
чистом свежеокрашенном корпусе и заданных метеорологических условиях.
Степень увеличения шагового отношения можно затем оценить по винтовым
диаграммам, используя как исходные данные результаты анализа
теплотехнических испытаний и материалов эксплуатации.
Для проверки результатов часто используют апробированное эмпирическое
правило, согласно которому 1% снижения спецификационной частоты вращения
при «тяжелом» гребном винте соответствует увеличению шага гребного винта
приблизительно на 1,25%.
Приведение гребных винтов в соответствие двигателю и корпусу:
а) «облегчение» винта обрубкой лопастей по радиусу;
б) «облегчение» винта подрезкой выходящей кромки;
в) «утяжеление» винта приданием вогнутости сечениям;
г) «утяжеление» винта подрубкой входящей кромки.
---- линия обрезки или подрубки
У сборных гребных винтов с эллиптическими отверстиями во фланцах во
время очередного докования разворачивают лопасти и уменьшают шаг на
величину H , соответствующую установленному недобору по частоте вращения
n .
Уменьшить шаг «тяжелого» цельнолитого гребного винта невозможно. Для
его «облегчения» используется сформулированное Э. Э. Папмелем эмпирическое
правило о том, что для гребных винтов действует соотношение
H  D  const
Для гребных винтов транспортных судов эта зависимость справедлива в
пределах 5—10% суммы H  D . Следовательно, для гидродинамического
29
«облегчения» гребного винта можно уменьшить его по диаметру на величину
избытка шага. Учитывая, что зависимость справедлива только при сохранении
геометрического подобия, а при уменьшении диаметра возрастает дисковое
отношение, обрезку лопастей необходимо произвести на величину
4
H .
3
При
этом кромка обрезанного по диаметру гребного винта во избежание
кавитационной эрозии должна быть утонена до толщины кромки необрезанного
винта
Уменьшение диаметра гребного винта обрезкой «облегчит» его, приведет в
необходимое соответствие с двигателем, однако КПД такого винта будет ниже
оптимального:
1 
P
K1  K1  P
, где
K 2  K 2 2
 1 —КПД обрезанного гребного винта;
P
K1, K 2 , — поправки к коэффициентам упора и момента необрезанного гребного
винта. При обрезке на каждые 0,05 R приращения равны: K1  0.025, K2  0.007 .
Гидродинамически «тяжелые» гребные винты из цветных сплавов могут быть
«облегчены» подрубкой выходящей кромки лопасти, обеспечивающей
уменьшение гидродинамического шага (.
«Утяжеление» гидродинамически «легких» цельнолитых гребных винтов —
значительно более сложная и трудоемкая операция. При наличии в лопастях
запасов прочности и запасов на кавитацию такое «утяжеление» может быть
произведено подрубкой лопастных сечений с приданием вогнутости
нагнетательной поверхности или подрубкой входящей кромки с увеличением
шаговых углов сечений.
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ.
Работа гребного винта связана с потерями энергии как при ее
преобразовании (в энергию поступательного движения), так и в результате
взаимодействия с корпусом судна. Так как пропульсивный КПД обычно не
больше 80%, а для тяжело нагруженных винтов может быть около 50%, то от 20%
до 50% энергии теряется.
Экспериментально установлено, что удачно спроектированный винт при
плохом согласовании с корпусом, создающим минимальное буксировочное
сопротивление , приводит к потере пропульсивного КПД до 40-50%.
Источники потерь:
- создание осевых и окружных вызванных скоростей (индуктивные потери);
- влияние вязкости жидкости на обтекание лопастей и ступицы (конструктивные,
или профильные, потери).
Больше всего на величину потерь влияет коэффициент нагрузки винта по
упору. При малых коэффициентах нагрузки основные потери - профильные. При
больших коэффициентах нагрузки – индуктивные.
Для создания упора необходимы осевые скорости, поэтому потери энергии
на их создание неизбежны. Все остальные виды потерь - непроизводительные
затраты.
Из теории идеального движителя известно, что КПД движителя при заданном
коэффициенте нагрузки по упору можно повысить за счет увеличения средней
30
скорости струи, протекающей через диск винта.. Поэтому для уменьшения
потерь, вызванных осевыми скоростями, используются направляющие насадки.
Баланс мощности, затрачиваемой на работу гребного винта:
N - полная мощность, потребляемая винтом; N P - полезная мощность; N a потеря мощности на осевые вызванные скорости; Nt - потеря мощности на
закручивание потока; N - потеря мощности на профильное сопротивление
лопастей.
Для снижения индуктивных потерь проектируют винты оптимального
диаметра. Увеличение диаметра винта при одновременном уменьшении частоты
вращения повышает КПД, но возникает опасность аэрации; для предотвращения корма специальной формы (один из вариантов – туннельная корма). Для
повышения КПД используют направляющие насадки. Потери на закручивание
струи существенно снижаются при использовании пары соосных винтов
противоположного вращения (снижается коэффициент засасывания), также эти
потери снижаются при несимметричной кормовой оконечности (обеспечивается
предварительное закручивание потока в плоскости диска винта). Контрвинты и
контрпропеллеры уменьшают потери энергии на закручивание струи. Необходимо
обеспечить правильное профилирование лопастей и улучшать качество обработки
поверхности лопасти.
Пропульсивные наделки.(«Груши Коста») на пеое руля в районе корневых
сечений и ступицы повышает давление и уменьшает вихреобразование за
ступицей.
31
КОНСТРУКТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ СУДОВ.
Непотопляемостью называется способность судна при нарушении
водонепроницаемости корпуса и затоплении части отсеков оставаться на плаву,
имея при этом посадку и остойчивость, обеспечивающие минимум
управляемости судна.
Цель конструктивного обеспечения непотопляемости – придание судну при
постройке таких качеств и снабжение его такими техническими средствами,
которые обеспечивают заданный уровень непотопляемости и возможность
борьбы за живучесть судна.
Мероприятия по конструктивному обеспечению непотопляемости судна
подразделяются на три группы:
- придание судну достаточных запасов плавучести, остойчивости и
прочности;
- конструктивное ограничение потерь запаса плавучести и остойчивости
при повреждении судна;
- конструктивное и материально-техническое обеспечение борьбы за
живучесть судна.
Мероприятия
первой
группы
обеспечивают
непотопляемость
неповрежденного судна.
Мероприятия второй группы направлены на обеспечение характеристик
посадки и остойчивости, при которых судно управляемо, а именно:
- разделение судна поперечными и продольными переборками, палубами и
платформами на водонепроницаемые отсеки;
- конструктивное обеспечение водонепроницаемости переборок, палуб,
платформ и наружной обшивки, ограничивающих отсеки.
Мероприятия третьей группы – создание сети судовых систем, которые
используются в борьбе за непотопляемость.
Надводная непроницаемая часть корпуса судна обеспечивает его плавучесть
при увеличении осадки, что может быть следствием приема дополнительного
груза и (или) затопления отсеков. Количество груза или воды, которое судно
может принять сверх того, что уже находится на судне, называется запасом
плавучести. Мерой запаса плавучести служит объем надводной непроницаемой
части корпуса судна, который зависит от высоты надводного борта. Если скорость
затопления отсека ограничена, а осушительная система работает эффективно, то
запас плавучести становится определяющим фактором борьбы за
непотопляемость.
Запасы плавучести судов различного назначения неодинаковы:
80 – 100 % объемного водоизмещения у пассажирских судов и ледоколов;
25 – 30 % объемного водоизмещения у грузовых судов;
100 – 150 % объемного водоизмещения у военных надводных кораблей;
15 – 40 % объемного водоизмещения у подводных лодок.
При наличии седловатости верхней палубы или палубы бака весь запас
плавучести не используется полностью, так как главная палуба не должна входить
в воду.
32
Фактически используется т.н. эффективный запас плавучести - объем,
ограниченный сверху плоской ватерлинией, касательной к поверхности главной
палубы, а снизу – действующей ватерлинией.
В качестве меры аварийной плавучести можно также использовать
минимальное расстояние от аварийной ватерлинии до палубы переборок при
отсутствии крена или до опасного отверстия (вне района затопления) в
зависимости от того, что меньше.
Всякое
нарушение
непроницаемости
(открытые
иллюминаторы,
незадраенные люки и т.п.) снижает запас плавучести (имеется в виду скорость
уменьшения этого запаса при заливаемости). Высокий надводный борт
препятствует заливаемости и улучшает остойчивость при больших углах
наклонения. При повреждении корпуса судна ниже действующей ватерлинии
уменьшение запаса плавучести часто сопровождается большими наклонениями.
Это может повлечь за собой увеличение сопротивления формы, выход винтов и
руля из воды (при дифференте на нос).
Возможно также ухудшение остойчивости, вплоть до опрокидывания судна.
Остойчивость – способность судна возвращаться в положение равновесия, если
судно было выведено из него внешними силами. Судно должно быть
спроектировано и построено так, чтобы пара сил, приложенных в центре тяжести
(сила веса P ) и центре величины (сила плавучести), создавала
восстанавливающий момент.
Плечо восстанавливающего момента называется плечом статической
остойчивости.
Остойчивость разделяют на остойчивость веса и остойчивость формы.
Остойчивость веса зависит от исходной посадки судна и распределения грузов по
высоте (от исходного положения центра тяжести и центра величины).
Остойчивость формы обусловлена перемещением центра величины при
наклонении судна.
Различают продольную и поперечную остойчивость, а в зависимости от
величины наклонения – начальную остойчивость и остойчивость на больших
наклонениях. Обычно минимальной является поперечная остойчивость.
33
Характеристикой ее является диаграмма статической остойчивости
зависимость поперечного восстанавливающего момента m от угла крена  .
–
Основные характеристики диаграммы:
- коэффициент поперечной начальной остойчивости k 
d
m  0 , который
d
служит мерой поперечной начальной остойчивости;
max
- максимальный поперечный восстанавливающий момент m ,
определяющий предельную величину статически приложенного кренящего
момента – запас статической остойчивости судна;
- угол крена  max , соответствующий максимуму восстанавливающего
момента; с приближением статического крена к этой величине возникает
непосредственная угроза опрокидывания судна;
- угол заката диаграммы  З (протяженность положительной части
диаграммы при положительной начальной остойчивости);
- площадь, ограниченная положительным участком диаграммы и осью
З
углов крена u   m d – запас динамической остойчивости судна.
З
0
Перечисленные меры остойчивости, имеющие размерность момента,
являются абсолютными. Они позволяют оценить остойчивость данного судна в
различных условиях.
При проектировании удобнее пользоваться относительными мерами,
имеющими размерность длины:
m
- поперечное плечо статической остойчивости l   ;
P
k
d
- поперечная начальная метацентрическая высота h  
l  ;
P d  0
max
m
max
- максимальное плечо поперечной статической остойчивости l 
;
P
u
- максимальное плечо поперечной динамической остойчивости d   .
P
Равенство относительных мер остойчивости у разных судов характеризует
их одинаковую сопротивляемость действию внешних кренящих моментов.
Остойчивость судна регламентируется правилами классификационных
обществ.
З
З
34
По формальным соображениям прочность не относят к мореходным
качествам судна, однако фактически непотопляемость существенно зависит от его
прочности.
Общая прочность - способность корпуса судна выдерживать внешние
нагрузки без разрушений и чрезмерных деформаций. Местная прочность
обеспечивает водонепроницаемость наружной обшивки судна, палуб, платформ и
переборок, препятствующих попаданию воды вовнутрь судна. Повреждения
судна ведут к уменьшению его общей прочности вследствие разрушения
отдельных прочных связей. Кроме того, при затоплении отдельных отсеков
перераспределяется приложенная к судну внешняя нагрузка, что также угрожает
общей прочности.
Возможное уменьшение общей прочности при повреждении судна
практически ничем не компенсируется, так что общая прочность может быть
обеспечена только более благоприятными внешними условиями (меньшей
балльностью волнения, более благоприятными курсами относительно волнения и
т.п.).
Общая продольная прочность рассчитывается на действие статического M cт
и динамического M дин изгибающих моментов. Первый определяется статической
постановкой на расчетную волну заданных параметров, второй учитывает
динамические нагрузки при ходе судна против волн. Общая прочность считается
обеспеченной, если предельный изгибающий момент M пред , при котором наиболее
удаленные от нейтральной оси связи корпуса нагружены до предела текучести,
превышает расчетный изгибающий момент M изг  M cт  M дин . Отношение
M пред
называется коэффициентом запаса прочности.
M изг
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗДЕЛЕНИЯ СУДНА НА ОТСЕКИ.
Деление судна на водонепроницаемые отсеки - важнейшее конструктивное
мероприятие по ограничению потерь запаса плавучести и остойчивости
поврежденного судна. Это деление стало практически осуществимо после того,
корпуса судов стали изготовлять из металла.
Эффективность деления корпуса судна на отсеки зависит от их размеров и
расположения. Критерий рациональности такого разделения с точки зрения
обеспечения непотопляемости – те изменения посадки, плавучести и
остойчивости судна, к которым приводит затопление отсеков при различных
вариантах повреждений.
Казалось бы, деление судна на большое количество малых отсеков наиболее
безопасно. Однако увеличение числа отсеков ведет к увеличению массы судна,
усложнению его конструкции и эксплуатации. Это неэффективно для военных
кораблей, пассажирских и служебно-вспомогательных судов, а для грузовых
судов просто неприемлемо.
При прочих равных условиях гибель судна от опрокидывания в результате
потери поперечной остойчивости более опасна, чем гибель от потери плавучести
с ограниченным креном и дифферентом.
Для военных кораблей одно из важнейших требований к делению на отсеки
– обеспечение сохранения кораблем остойчивости при повреждениях до полного
35
израсходования запаса плавучести. Вопрос рационального размещения
поперечных переборок исследовал И.Г.Бубнов (1901). Он свел эту задачу к
отысканию эквивалентного распределения, при котором затопление любого из
отсеков вызывает одно и то же углубление носа или кормы (что больше).
Наглядное изображение зависимости длины эквивалентного отсека от его
положения по длине корабля – кривая эквивалентных длин отсеков, ординаты
которой посредине длины каждого отсека равны самой его длине.
Для гражданских судов расположение переборок регламентируется
правилами классификационных обществ. РС признает судно удовлетворяющим
требованиям к посадке поврежденного судна, если оно разделено поперечными
переборками так, что после аварийного затопления аварийная ватерлиния
проходит ниже предельной линии погружения, которая проводится касательно к
линии пересечения наружных поверхностей палубы переборок и борта судна.
Предельная линия погружения в районе повреждения может входить в воду, но
при этом все опасные отверстия вне района затопления должны находиться выше
аварийной ватерлинии (не менее чем на 0.3 м).
С помощью предельной линии погружения строят кривую предельных длин
затоплений. Ординаты этой кривой для любой точки по длине судна определяют
максимальную длину условного отсека с серединой в данной точке, от затопления
которого судно садится по ватерлинию, касательную к предельной линии
погружения. Координаты зависят от коэффициента проницаемости отсека.
По правилам РС за расчетную принимается предельная длина затопления
для коэффициента проницаемости 0.8 при исходной посадке без дифферента по
грузовую ватерлинию деления судна на отсеки (при минимально допустимой
высоте борта). Длина водонепроницаемого отсека (группы отсеков) не должна
превышать значение предельной длины.
КАТЕГОРИИ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОНИЦАЕМОСТИ ОТСЕКОВ.
В зависимости от характера затопления отсеки подразделяются на
категории (три основные и две дополнительные)
первая категория – отсеки, затопленные полностью (закрытые сверху и не
сообщающиеся с забортной водой, а также глубоко расположенные, заполненные
полностью и сообщающиеся с забортной водой) (а);
вторая категория – частично затопленные отсеки, не имеющие сообщения
с забортной водой (б);
36
третья категория – частично затопленные отсеки, сообщающиеся с
забортной водой и атмосферой (открытые сверху) (в);
четвертая категория – частично затопленные отсеки, сообщающиеся с
забортной водой, но не сообщающиеся с атмосферой (закрытые сверху) (г);
пятая категория – отсеки, затопленные (частично) по кромку пробоины
или открытого забортного отверстия (д).
Коэффициентом проницаемости отсека называют отношение объема воды
V , фактически влившейся в отсек, к теоретическому объему VT

V
.
VT
Принимают такие значения коэффициентов проницаемости:
для
помещений,
занятых
механизмами,
электростанциями,
технологическим оборудованием на промысловых и рыболовных судах и судах
специального назначения – 0.85;
- для помещений непассажирских судов, занятых грузами или запасами, а
также предназначенных для перевозки жидких грузов или запасов и для
помещений пассажирских судов, занятых запасами – 0.60;
- для помещений, обычно не занятых значительным количеством грузов или
запасов; для помещений, загруженных порожней колесной техникой или другими
грузами, имеющими высокую проницаемость, а также для жилых помещений –
0.95;
- для пустых цистерн и цистерн, предназначенных только для
балластировки забортной водой – 0.98;
- для грузовых помещений накатных судов – 0.8.
Коэффициент проницаемости помещений, предназначенных для перевозки
грузов на пассажирском судне, определяется в зависимости от осадки перед
повреждением, но не более 0.95 и не менее 0.60.
При
расчете
проницаемости
грузовых
помещений,
включая
рефрижераторные, коэффициент проницаемости груза принимается равным 0.60,
а коэффициент проницаемости груза в контейнерах, трейлерах, роллтрейлерах и
грузовиках – 0.71.
Значения коэффициента проницаемости, меньшие указанных, принимаются
только по результатам расчетов, одобренных классификационным обществом.
По аналогии определяют коэффициент проницаемости поверхности как
отношение площади свободной поверхности жидкости в затопленном отсеке S к
37
теоретической площади ST сечения отсека действующей ватерлинии, которая
называется потерянной площадью ватерлинии.
S 
S
.
ST
Коэффициенты проницаемости поверхностей, на которые умножают
потерянные площади ватерлиний, а также их статические моменты и моменты
инерции, принимают те же, что и для объемов.
ДВА СПОСОБА РАСЧЕТА НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ.
Если в подводной части судна некоторый объем v заполнен
забортной водой, то в центре величины этого объема приложены две взаимно
уравновешивающиеся силы веса и плавучести, равные gv . Одинаково
правильно эти силы либо одновременно учесть, либо отбросить. Тогда определить
посадку и остойчивость судна после затопления одного или нескольких отсеков
можно двумя методами.
Метод приема груза (метод переменного водоизмещения); объем v
рассматривается как часть погруженного объема V , а влившаяся вода - как
принятый груз массой m  v ; этот метод применяется при затоплении отсеков,
не сообщающихся с забортной водой. Преимущество метода – в качестве
плавучего рассматривается весь погруженный объем, ограниченный той же
поверхностью, что и до повреждения. Это позволяет использовать графики и
диаграммы неповрежденного судна.
Метод постоянного водоизмещения (метод исключения) –
затопленный отсек исключается из погруженного объема судна, а влившаяся вода
не включается в нагрузку.
Действующие и потерянные элементы объема судна.
Действующим объемом принято называть ту часть погруженного объема
судна, которая формируется в результате исключения из погруженного объема
судна подводных объемов затопленных отсеков.
При затоплении отсеков 3 категории из непроницаемого объема судна
исключаются их полные объемы, лежащие по обе стороны ватерлинии. В
результате изменяется и сама ватерлиния, разделяющая эти объемы.
~ и
В случае затопления отсека 3 категории действующий объем V
xc , ~
yc , ~
zc (при     0 ) определяют по формулам
координаты его ЦВ ~
V~  V  v; V~~
xc  Vxc  vxv ;
V~~
yc  vyv ;
V~~
z  Vz  vz ,
c
c
(*)
v
где V , xc , zc — элементы всего погруженного объема судна;
v, xv , yv , zv — элементы затопленного отсека при той же посадке.
38
~
Для действующей площади ватерлинии S , координат ее ЦТ ~
xf ,~
yf
~
~
~
центральных моментов инерции I xf , I yf , I xyf
и ее
относительно продольной и
~
~
S~  S  s;
S~~
x f  Sx f  sxs ;
S~~
y f   sy s ;
I~xf  I x  iПx ; I~yf  I yf  iПy ;
I~  i ;
поперечной осей F~
x , F~
y получены выражения
xyf
Пxy
(**)
~ 2
iПx  ix  sy s 2  S ~
yf ;
iПy  i y  sx s 2  S~~
x f 2  sy f 2 ;
i  i  sx y  S~~
x ~
y ,
Пxy
xy
s s
f
f
где S , x f , I x , I yf — элементы всей площади ватерлинии;
s, xs , ys , ix , i y , ixy — элементы свободной поверхности воды в отсеке по ту
же ватерлинию.
Формулы (*) используют для случая затопления отсеков 1 категории, а для
отсеков
2
категории
в
формулах
(**)
принимают
s  0, iПx  ix , iПy  i y , iПxy  ixy
Исключенные объемы или их части, расположенные ниже ватерлинии
неповрежденного судна, называют потерянными объемами. Используются также
понятия о потерянной площади ватерлинии s , координатах ее ЦТ xs , y s и о
потерянных моментах инерции ватерлинии iПx , iПy , iПxy .
Понятие об эквивалентном отсеке.
В расчетах непотопляемости группу затопленных отсеков удобно заменять
условным единичным отсеком, затопление которого вызывает такие же
изменения посадки и остойчивости судна, как и затопление всей
39
рассматриваемой группы. Такой единичный отсек носит название
эквивалентного отсека, а его объем и статические моменты этого объема
определяются выражениями
v
 vi ;
I  III
vyv 
vxv 
 vi yvi ;
I  III
 vi xvi ;
I  III
vzv 
 vi zvi ,
I  III
где знаками  обозначено суммирование по отсекам первых трех
категорий.
По методу исключения подсчитывают элементы потерянной площади
ватерлинии
s   si ; sxs   si xsi ; sy s   si ysi ; sz s   si z si ;
III
ix 
где
III
 ixi ;
II  III

iy 
III
 i yi ;
II  III
ixy 
III
 ixyi ,
II  III
— суммирование только по отсекам 3 категории,

- по
II III
III
отсекам 2 и 3 категорий
Расчет непотопляемости судна в первом приближении.
Целью расчетов является определение посадки и остойчивости
поврежденного судна. Определение посадки состоит в решении уравнений
равновесия поврежденного судна относительно неизвестных параметров посадки
T ,  ,  . Остойчивость определяется либо в ходе решения этих уравнений, либо
отдельно, после их решения.
Для упрощения общую пространственную задачу наклонения судна
разделяют на три:
~
—вертикальную, состоящую в определении осадки T f при ЦТ
действующей площади ватерлинии поврежденного судна;
— продольную плоскую, состоящую в определении 
T~f  const ;
при   0 и
— поперечную плоскую, состоящую в определении  при   0
T~f  const .
и
Вторую и третью задачи решают с учетом изменений остойчивости,
вызванных затоплением при     0 .
Расчет в первом приближении выполняют в предположении полной
независимости параметров  ,  . и при линеаризации всех трех уравнений
равновесия. Это возможно при следующих допущениях:
- до повреждения судно не имело крена и дифферента;
- углы крена и дифферента, вызванные затоплением отсеков, малы;
- главными плоскостями наклонений остаются продольная и поперечная
плоскости судна;
40
- в пределах рассматриваемых изменений посадки судно прямобортно,
затопленные отсеки прямостенны и имеют постоянные коэффициенты
проницаемости;
- категории всех затопленных отсеков не меняются с изменением посадки
судна.
Используется метод исключения, поэтому метацентрические высоты
поврежденного судна относятся к водоизмещению неповрежденного судна и
меняются пропорционально коэффициенту остойчивости.
ИЗМЕНЕНИЕ ПОСАДКИ, ЗАПАСА ПЛАВУЧЕСТИ И ОСТОЙЧИВОСТИ
ОТ ЗАТОПЛЕНИЯ ОТСЕКОВ.
Рассмотрим сначала изменение запаса плавучести и остойчивости от
затопления отсеков. В любом случае затопления отсеков запас плавучести
уменьшается на величину объема влившейся внутрь судна воды. Кроме этого
уменьшения возможна дополнительная потеря запаса плавучести, если в
результате аварии произошло нарушение водонепроницаемости части надводного
объема судна.
Например, затопление отсека Ш категории – отсека, открытого сверху и
сообщающегося с забортной водой, приводит к потере запаса плавучести в объеме
надводной части этого отсека, поскольку при последующих изменениях посадки
этот объем заполняется водой по забортный уровень.
Всякое нарушение водонепроницаемости палуб, ограничивающих отсек
сверху, в случае затопления ведет к потере запаса плавучести даже в тех случаях,
когда лежащие выше поврежденных палуб отсеки при данном затоплении не
затапливаются. К потерям запаса плавучести ведут всякие нарушения
непроницаемости надводного борта, так как при изменении посадки могут быть
затоплены объемы внутри судна. Потерю запаса плавучести в этом случае
принимают равной полному объему отсека.
Для ограничения потерь запаса плавучести необходимо проводить
разделение корпуса на водонепроницаемые отсеки не только в подводной, но и в
надводной части корпуса, а так же обеспечить водонепроницаемость палуб,
накрывающих отсеки.
Деление надводной и подводной частей корпуса судна на отсеки должно
быть согласовано. Свидетельством тому является анализ изменения остойчивости
судна при повреждениях. Из теории непотопляемости известно, что затопление
отсека целиком ведет к увеличению начальной остойчивости судна, и в
большинстве случаев, к увеличению остойчивости при больших углах
наклонения. Остойчивость веса при этом увеличивается, т.к. ЦВ влившейся в
отсек воды лежит ниже ЦВ дополнительно входящего в воду объема судна. ЦВ
влившегося объема воды в отсек 1 категории (полностью затопленный отсек)
41
совпадает с ЦТ этого объема воды. Следовательно, аппликата ЦТ судна
понижается, что ведет к увеличению остойчивости. Начальная остойчивость
формы также растет с увеличением осадки, если судно имеет развал бортов.
Частично затопленные отсеки, не сообщающиеся с забортной водой (2
категория) могут быть как выше, так и ниже действующей ватерлинии.
Если отсек 2 категории в случае аварии находится выше ватерлинии,
остойчивость веса уменьшается. Кроме того, во всех случаях остойчивость
уменьшается из-за наличия свободной поверхности.
Если отсек 3 категории симметричен относительно ДП судна, а по длине
расположен в районе ЦТ площади ватерлинии, то затопления отсека окажет такое
же влияние на начальную остойчивость, как аналогичное затопление по типу 2
категории.
Т.о. если исключить влияние на остойчивость крена и дифферента, то
наибольшую опасность для остойчивости представляет затопление высоко
расположенных объемов 2 и 3 категории, характерное в случаях повреждений
палуб, накрывающих затапливаемые отсеки (т.е. в случае нарушения их
водонепроницаемости). Поэтому опасным является скопление воды, налитой при
тушении пожара или при повреждении трубопроводов судна.
Рассмотрим теперь изменение крена и дифферента от затопления отсеков и
их влияние на остойчивость поврежденного судна. В результате повреждения, не
вызвавшего гибели судна меняется его посадка. Увеличивается осадка, в общем
случае судно получает крен и дифферент, которые ухудшают ходовые и
маневренные характеристики судна и особенно опасны для остойчивости судна в
случае ухода под воду поврежденных частей надводного борта и палубы,
ограничивающей отсек. У судна плавающего с креном, резко уменьшаются все
характеристики запаса остойчивости. Максимальный восстанавливающий момент
такого судна значительно меньше аналогичного для судна, сидящего на ровный
киль. Еще резче сокращается запас динамической остойчивости. Уменьшение
42
запаса остойчивости с увеличением крена особенно опасно для низкобортных
судов.
Сравнение начальной поперечной остойчивости судна плавающего без
дифферента,
и того же судна с большим дифферентом, вызванным
горизонтально-продольным перемещением его ЦТ, показывает - с появлением
дифферента остойчивость веса несколько возрастает (в результате перемещения
вверх ЦВ судна), а остойчивость формы в случае ухода под воду открытой
палубы в опустившейся оконечности уменьшается (из-за сокращения размеров
ватерлинии). С ростом дифферента уменьшение поперечной остойчивости может
привести к опрокидыванию судна. Большой дифферент, ведущий к уходу под
воду верхней открытой палубы в оконечности корабля опасен из-за роста
аварийных деформаций переборок и палубы поврежденной оконечности.
В некоторых случаях оказывается целесообразно соединять отсеки
противоположных бортов системой перетока (автоматической противокреновой
системой), исключающей возможность несимметричного затопления (или
уменьшающей эту несимметричность). Однако при частичном затоплении
бортовых отсеков резко возрастает потеря поперечной остойчивости,
обусловленная влиянием свободной поверхности в них. Поэтому АПС
оборудуются лишь низко расположенные и симметричные относительно ДП
отсеки, как правило не предназначенные для перевозки жидких грузов. Как
исключение системы перетока со специальными клинкетами или другими
запорными устройствами применяются для отсеков с жидкими грузами.
Дадим общую оценку изменений посадки и остойчивости судна от
затопления отсеков различных категорий.
Если поврежденное судно не получает большего дифферента, то затопление
отсека 1 категории через пробоину увеличивает начальную остойчивость судна. К
такому же результату приводит намеренное затопление отсека 1 категории в
подводной части судна.
Влияние на начальную остойчивость судна затопления отсека 2 категории
зависит не только от положения по высоте, но и от размеров и формы свободной
поверхности воды в нем. Затопление отсеков 2 категории, расположенных выше
ватерлинии, всегда уменьшает поперечную начальную остойчивость судна,
особенно при затоплении отсеков с большими свободными поверхностями.
Потеря остойчивости возрастает, если затоплены несколько ярусов отсеков.
Затопление отсека 3 категории ведет к увеличению остойчивости веса.
Начальная остойчивость формы уменьшается, но ее изменения зависят от многих
факторов: площади свободных поверхностей воды в отсеках, расположение их по
длине, ширине и высоте судна. Несимметричность отсеков 3 категории
относительно ДП увеличивает потери поперечной остойчивости, а затопление
отсеков 3 категории в оконечностях судна увеличивают потери продольной
остойчивости.
ТРЕБОВАНИЯ К НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ СУДНА И ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.
Требования к непотопляемости морских гражданских судов и судов
обеспечения ВМФ определяются правилами классификационных обществ,
наблюдающими за постройкой судна. Эти требования, именуемые требованиями
43
к делению судна на отсеки, строятся на вероятностной основе. При этом
вероятность сохранения судна после получения пробоины, характеризуемая
индексом деления A , должна быть не ниже величины, характеризуемой
требуемым индексом деления R , т.е. A  R . Величина R определяется длиной
судна, его назначением и числом перевозимых людей N
Индекс A определяется суммированием по всем отсекам вероятностей
затопления отсека (группы отсеков) ap , умноженных на вероятность сохранения
судна при повреждениях cs , т.е.
A   apcs
Вероятность ap зависит от положения отсека по длине судна и его
протяженности. При этом a определяет влияние положения отсека с учетом
закона распределения положения пробоины по длине судна, p – влияние длины
отсека с учетом закона распределения длины пробоины. Величина c условно
учитывает влияние аварийной остойчивости на вероятность cs , s – закон
распределения осадки и коэффициента проницаемости для грузовых трюмов.
Способы вычисления R и A приведены в Правилах.
Правила устанавливают также требования к остойчивости поврежденного
судна, а именно:
- начальная поперечная метацентрическая высота в конечной стадии затопления
до принятия мер по ее восстановлению должна быть не менее 0,05 м;
- диаграмма статической остойчивости должна иметь достаточную площадь,
участка с положительными плечами остойчивости (максимальное плечо в
конечной стадии затопления или после спрямления – не менее 0,1 м,
протяженность части диаграммы с положительными плечами – не менее 30˚при
симметричном затоплении и не менее 20˚ при несимметричном).
Ограничения по углу крена при несимметричном затоплении: не более 15˚
для пассажирских судов; 20˚ для непассажирских и 25˚ для нефтеналивных судов,
химовозов, газовозов при затоплении 2 или более отсеков (до принятия мер по
спрямлению).
После принятия мер по спрямлению углы крена не должны превышать 7˚
для пассажирских судов при затоплении одного любого отсека, 12˚ – двух или
более отсеков для любых судов, кроме нефтеналивных, химовозов и газовозов, и
не более 17˚ для последних. Время спрямления для пассажирского судна – не
более 10 мин.
Конструктивное обеспечение непотопляемости эффективно даже тогда,
когда после получения судном повреждений не принимаются меры по его
спасению, т.е. не ведется борьба за непотопляемость судна. Активная борьба
личного состава за непотопляемость требует конструктивного и материальнотехнического обеспечения борьбы за непотопляемость.
К числу конструктивных мер по обеспечению корабля средствами борьбы
за непотопляемость относятся:
- создание систем: креновой, дифферентной, водоотливной, осушительной,
перекачки системных жидкостей, затопления, спускной и перепускной и т.д.
44
- оборудование командных пунктов и служебных постов судна
необходимыми приборами: системой трюмной сигнализации, кренометрами,
дифферентометрами, осадкомерами, средствами связи.
К
мерам
материально-технического
обеспечения
борьбы
за
непотопляемость относятся снабжение судна переносными водоотливными
средствами, а также аварийно-спасательным имуществом и материалами для
борьбы с водой.
Водоотливная система является техническим средством борьбы с
поступлением воды в отсеки корабля при повреждениях. Первоочередное
назначение ее в борьбе за непотопляемость – борьба с распространением воды за
пределы непосредственно поврежденных отсеков, т.е. откачка фильтрационной
воды и восстановление плавучести путем откачки воды из поврежденного отсека
после временной заделки пробоины корабельными средствами. Совершенство
водоотливной системы определяется не только ее общей производительностью,
но и рациональной схемой размещения водоотливных средств. Важным
качеством системы является возможность дистанционного автоматического
управления водоотливными средствами и обслуживающими их системами спуска
и перепуска.
Аналогично роль играют и переносные водоотливные средства, входящие в
состав аварийно-спасательного имущества. Эти средства служат резервом на
случай выхода из строя отдельных элементов стационарной водоотливной
системы или на случай необходимости дополнительной концентрации
водоотливных средств на наиболее ответственных участках. Временные заделки
пробоин не полностью устраняют водотечность поэтому исключительно важна
роль водоотливных средств для поддержания плавучести и остойчивости
поврежденного судна после стабилизации его состояния. Часто плавучесть и
остойчивость спасенного судна обеспечиваются только за счет непрерывной
работы водоотливных средств. В связи с этим большое значение имеет
резервирование водоотливных средств, т.к. выход из строя части из них создает
прямую угрозу гибели судна от потери плавучести или остойчивости. Работа
водоотливных средств по борьбе с фильтрацией может часто иметь целью не
только поддержку плавучести и остойчивости, но одновременно и обеспечение
прочности поврежденного судна.
Большое значение для обеспечения борьбы за непотопляемость имеет также
другие судовые системы: перепускная, спускная, балластная, креновая,
дифферентная, система перетока, осушительная, пожарная, топливная и т.д.
Главное назначение перепускной системы – обеспечение стока воды к
водоотливным средствам из отсеков, в которых этих средств нет. Назначение
спускной системы – слив воды из верхних помещений в междудонные отсеки или
трюмы к водоотливным средствам; это очень важно для сохранения судном
остойчивости при попадании большого количества воды на высоко
расположенные палубы и платформы.
Система балластировки служит для быстрого приема воды в низко
расположенные (междудонные) отсеки в целях восстановления остойчивости и
спрямления поврежденного корабля. Эта же система может применяться для
увеличения остойчивости поврежденного судна путем приема воды в пустые
топливные цистерны (система замещения топлива водой).
45
Осушительная система служит для устранения свободных поверхностей
воды в отсеках. Она предназначена для удаления малых масс воды с судна.
Креновую и дифферентную системы создают на больших судах. Эти
системы включают выделенные креновые и дифферентующие отсеки. На малых
судах для создания спрямляющих моментов используют отсеки, занятые в
эксплуатационных условиях второстепенным оборудованием (кладовые,
мастерские) или свободные от жидких грузов и топлива цистерны для спрямления
судна может быть использована перекачка топлива с использованием топливной
системы. Используется
также автоматическая противокренная система,
обеспечивающая переток воды из поврежденных отсеков одного борта в
симметрично расположенные отсеки другого борта.
Пожарная система может быть использована для затопления отсеков, не
имеющих специальной системы затопления забортной водой. Затопление можно
произвести через мерные трубы либо через раздраенные горловины и люки.
В соответствии с потребностями борьбы за непотопляемость и
возможностями современного уровня развития техники приборы на судне можно
разделить на три типа: - измерительные и сигнально-измерительные,
определяющие параметры посадки и остойчивости судна, наличие и количество
жидких грузов, а также сигнализирующие о затоплении отсеков и их характер
затопления;
- счетно-решающие, служащие для быстрого определения посадки, плавучести и
остойчивости судна при повреждении и спрямлении;
- информационно-запоминающие, содержащие информацию о ранее
выполненных расчетах непотопляемости для многих вариантов повреждений и
спрямлений.
К приборам 1 класса относятся:
- креномеры, дифферентометры, осадкомеры, позволяющие с необходимой
точностью определять параметры равновесной посадки судна в условиях
волнения (статическую осадку, крен и дифферент);
- индикаторы остойчивости, определяющие ее по изменению крена и
дифферента или по замерам периода бортовой качки судна;
- системы трюмной сигнализации, позволяющие определить наличие и
уровень воды в отсеке, наличие воздушных подушек;
- системы, позволяющие определить количество жидких грузов в цистернах.
1.
ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ БОРЬБЫ ЗА ЖИВУЧЕСТЬ СУДНА.
Борьба за непотопляемость – важнейшая составная часть борьбы за
живучесть. Под борьбой за непотопляемость понимается совокупность действий
экипажа, направленных на поддержание и восстановление плавучести и
остойчивости поврежденного судна, а также на приведение его в положение,
обеспечивающее ход, управляемость и использование по назначению судовых
устройств и систем. Повреждения судна можно разделить на 3 группы:
Большие пробоины в подводной части судна, ведущие к быстрому
затоплению отсека.
2.
Мелкие нарушения водонепроницаемости, через которые в результате
фильтрации происходит распространение воды по отсекам (сюда можно
отнести повреждение судовых трубопроводов).
46
3.
Нарушение водонепроницаемости судна (включая внутренние палубы и
переборки) в надводной части.
Результаты повреждений первой группы зависит от конструктивных
особенностей судна и его состояния до повреждения с одной стороны и характера
повреждений – с другой. Т.е. они не зависят от действий экипажа, если были
соблюдены предупредительные организационно-технические мероприятия по
обеспечению непотопляемости. Если затапливаемый объем отсеков, имеющих
повреждение первой группы, превышает запас плавучести или от затопления этих
отсеков судно теряет остойчивость, то неизбежна его гибель либо от потери
плавучести либо в результате опрокидывания, прежде чем экипаж успеет
предпринять какие-либо меры по спасению судна.
При меньшем объеме отсеков, затопленных в результате повреждений
первой группы (или меньшей потере остойчивости) судно может остаться на
плаву со средней осадкой, превышающей начальную и с некоторым креном и
дифферентом. Принятое судном новое положение является остойчивым
положением равновесия. По определению А.Н. Крылова судно может в этом
случае продержаться на воде “неопределенно долгое время». Гибель судна, не
затонувшего сразу после повреждения, может быть вызвана следующими
причинами:
- продолжающимся распространением воды по судну из-за фильтрации (при
наличии повреждений второй группы);
- ухудшением гидрометеоусловий;
- дополнительными (вторичными) повреждениями, в том числе
неправильными действиями экипажа.
Общие принципы и основные элементы за непотопляемость:
- правильная эксплуатация неповрежденного судна и подготовка экипажа и
технических средств для активной борьбы за живучесть;
- контроль за изменение запасов плавучести и остойчивости судна и меры
по предупреждению их падения ниже установленных пределов;
- поддержание водонепроницаемости и прочности судна в условиях его
эксплуатации;
- организация и подготовка экипажа (составление аварийного расписания);
- систематическая проверка и поддержание тех средств борьбы за
непотопляемость в готовности к немедленному использованию по назначению;
- снабжение командных пунктов по БН (борьба за непотопляемость)
необходимой технической документацией.
Как было отмечено выше, от правильной эксплуатации неповрежденного судна в
значительной степени зависит его состояние после повреждения.
К организационно-техническим мероприятиям по поддержанию запасов
плавучести и остойчивости судна относятся:
- строгое соблюдение инструкций по приему и расходованию топлива и
других жидких грузов, оптимальное с точки зрения остойчивости распределение
их по цистернам;
47
- систематический учет наличия и расположения на судне всех
перемещений грузов, замер осадок и определение водоизмещение судна и его
запаса плавучести;
- систематический контроль остойчивости и поддержания ее в
установленных пределах;
- мероприятия по увеличению остойчивости при приеме на судно
дополнительных грузов и при обледенении судна.
Перегрузка судна или неправильное распределение на нем грузов, создание
больших свободных поверхностей жидких грузов в цистернах могут существенно
снижать запасы плавучести и остойчивости судна по сравнению с проектом. К
уменьшению остойчивости ведет повышение ЦТ судна вследствие высокого
расположения накапливающегося льда и закупорки нарастающим льдом
штормовых шпигатов в фальшборте, в результате чего на палубе задерживается
вода.
Остойчивость судна в условиях эксплуатации считают обеспеченной, если
она не падает ниже наименьшего проектного значения. При нормальной
эксплуатации остойчивость судна постепенно меняется вследствие изменений
нагрузки – расход (прием) топлива, воды, продовольствия и т.д. Поддержание
остойчивости в заданных пределах обеспечивается при этом строгим
выполнением специальных инструкций, в частности инструкций по приему и
расходованию переменных грузов.
Практически для поддержания остойчивости в заданных пределах все
грузовые операции подчиняют условию максимального сохранения потерь
остойчивости. В особо опасных случаях допускается балластировка судна
приемом воды в низко расположенные цистерны.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОСТИ И ПРОЧНОСТИ
ПЕРЕБОРОК, ПАЛУБ, ПЛАТФОРМ.
Ряд организационно-технических мероприятий, направленных на
поддержание водонепроницаемости и прочности корпуса в условиях
эксплуатации судна включает:
- систематический контроль и поддержание в исправном состоянии
наружной обшивки (надводный борт в том числе), водонепроницаемых
переборок, палуб, платформ и водонепроницаемых закрытий;
- строгое соблюдение правил задраивания водонепроницаемых закрытий.
В процессе эксплуатации часто нарушается водонепроницаемость
различного рода затворов и уплотнений. Особое внимание должно быть уделено
исправности дверей, люков, горловин, иллюминаторов, вентиляционных каналов,
уплотнений электрокабелей. Категорически запрещается сверление и прорубание
водонепроницаемых переборок и палуб без специального разрешения. Все
конструкции должны в установленные сроки окрашиваться (антикоррозионная
защита) Систематически должен проверяться износ корпусных конструкций.
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ПОСАДКИ,
ОСТОЙЧИВОСТИ И СПРЯМЛЕНИЕ ПОВРЕЖДЕННОГО СУДНА
В борьбе за непотопляемость решается задача улучшения состояния
поврежденного корабля. При выборе мероприятий по восстановлению
48
остойчивости и спрямлению необходимо стремиться к сохранению и
восстановлению запаса плавучести. Т.о. отдавать предпочтение нужно в первую
очередь мероприятиям, увеличивающим запас плавучести, затем не изменяющим
его (учитывая конкретную аварийную ситуацию).
Рекомендуется такая последовательность в выборе мероприятий по
спрямлению поврежденного судна и восстановлению его остойчивости:
1) Откачка за борт воды из отсеков, расположенных выше ватерлинии.
2) Откачка фильтрационной воды из отсеков, с большой площадью свободной
поверхности.
3) Устранение нерегулируемого перетекания жидких грузов из отсеков
противоположных бортов.
4) Спуск воды в нижележащие отсеки (спуск воды из отсеков 3 категории не
допускается).
5) Осушение затопленных отсеков после временной заделки пробоин.
6) Перекачивание жидких грузов.
7) Перемещение вниз и вверх грузов.
8) Балластировка забортной водой и контрзатопление бортовых и концевых
отсеков.
9) Удаление грузов.
Мероприятия 1, 2, 5, 9 ведут к увеличению запаса плавучести, 3, 4, 6 и 7 не
меняют запас плавучести, и только 8 ведет к расходованию запаса плавучести
судна.
Осушение затопленных отсеков, несмотря на высокую эффективность, не
включено в первоочередное мероприятие, т.к. заделка пробоин не всегда
возможна. Однако, если выкренить судно, т. е. обеспечить судну остойчивость,
первоочередными мерами не удается, необходимо, использовать методы,
приводящие к спрямлению и частичной потере запаса плавучести прежде, чем
судно потеряет его вовсе из-за опрокидывания.
ВЫПРЯМЛЕНИЕ КРЕНА И ДИФФЕРЕНТА.
При выборе мероприятий по спрямлению судна необходимо оценить их
эффективность исходя из конкретных условий аварийной ситуации и
характеристик судна. При этом судовая документация по непотопляемости
должна рассматриваться как рекомендованное пособие.
Мероприятие, связанное со спуском воды из верхних отсеков в отсеки,
расположенные ниже ватерлинии, малоэффективно (или вредно), если площадь
свободной поверхности воды в этих отсеках будет велика, т.к. поперечные
моменты инерции свободной поверхности увеличатся и результат от таких
действий может быть противоположным ожидаемым.
Если спущенная из верхних в низко расположенные отсеки вода заполнит
их полностью, то мероприятие будет наиболее эффективным. Однако, если спуск
воды занимает некоторый интервал времени (возможно достаточно
продолжительный), то на промежуточном этапе слива мы можем вместо одного,
затопленного вверху, получить несколько незатопленных отсеков, и возникнет
временное ухудшение остойчивости. С подобной ситуацией можно столкнуться
при балластировке и контрзатоплении отсеков забортной водой.
49
Учитывая отрицательное влияние на остойчивость свободных
поверхностей воды или жидких грузов, необходимо стремиться к уменьшению
размеров поверхностей, используя перераспределение жидких грузов по
цистернам, откачку их за борт или дополнительный прием воды из-за борта для
полного затопления отсека.
Меры по ликвидации крена называется поперечным спрямлением, а меры
по уменьшению дифферента - продольными. Отдельные способы спрямления
отличаются друг от друга в основном по 2-м признакам:
- по преимущественному использованию в качестве исходной информации
данных о затоплении отсеков или о посадке судна и ее изменениях:
- по преимущественному использованию результатов заранее выполненных
расчетов, или расчетов, выполняемых в результате решения аварийной задачи.
Способы спрямления делят на 3 группы:
- расчетные и расчетно-графические, состоящие в проверке эффективности
выбранных мер по спрямлению;
- готовые рекомендации, основанные на заранее выполненных расчетах для
типовых вариантов повреждений;
- экспериментальные, основанные на контроле за изменением посадки судна
в процессе спрямления.
Обычно применяются комбинации указанных трех основных групп. Цели и
методы спрямления определяются состоянием поврежденного судна.
Поперечное спрямление.
В условиях эксплуатации крен может быть вызван тремя причинами:
- внешними кренящими моментами;
- несимметричностью нагрузки корабля относительно ДП;
- наличием у судна отрицательной начальной остойчивости.
Для спрямления судна в первых двух случаях необходимо приложить к
судну спрямляющий момент, равный по величине и противоположный по
направлению кренящему. При этом:
- спрямляющий момент должен прикладываться достаточно медленно,
чтобы не вызвать динамического крена судна на противоположный борт;
- приложение спрямляющего момента не должно создавать угрозы для
судна в случае изменения внешнего кренящего момента (например, вызванного
действием ветра);
- при наращивании спрямляющегося момента необходимо следить за
изменением крена; отсутствие таких изменений укажет на наличие, препятствий
для свободных наклонений корабля (натяжение швартовов, касание корпусом
грунта)
Крен, вызванный отрицательной начальной остойчивостью, вообще нельзя
спрямлять приложением к судну спрямляющего момента. Это может привести к
опасному динамическому переваливанию судна на противоположный борт.
Единственным действенным средством для ликвидации крена в таком случае
является восстановление остойчивости.
50
Если крен вызван одновременно действием нескольких причин, для
безопасности судно следует спрямлять как восстановлением остойчивости, так и
приложением спрямляющегося момента.
Задачи и методы поперечного спрямления поврежденного судна
существенно зависит от его состояния. Выделяют 5 типовых случаев, которым
отвечает принципиально различные цели и методы спрямления.
1-й случай. Затопление симметрично относительно ДП, начальная
поперечная остойчивость положительна. Поврежденное судно без крена.
Задачами спрямления (в широком смысле) являются
- поддержание и (при необходимости) увеличение остойчивости;
- восстановление запаса плавучести;
- уменьшение в необходимой мере дифферента, если он имеется.
Восстановление запаса плавучести следует осуществлять в первую очередь
удалением фильтрационной воды из высоко расположенных отсеков с большими
свободными поверхностями.
2-й случай. Затопление несимметрично относительно ДП, начальная
поперечная остойчивость положительна. Судно в наклонном остойчивом
положении равновесия с креном, вызванным несимметричностью затопления.
Прямому положению отвечает восстанавливающий момент отличный от нуля и
положительный коэффициент начальной остойчивости. Задачей спрямления
является ликвидация или уменьшение крена. Может стать также задача
увеличение остойчивости. Поперечное спрямление
считается
безусловно
необходимым при угрозе ухода в воду кромки открытой палубы или затопление
внутренней палубы через пробоины в надводном борту. Для полного спрямления
надо приложить спрямляющий момент. Спрямляющий момент, созданный
контрзатоплением отделений вышедшего из воды борта или удалением жидкости
из отделений вошедшего в воду борта считают равным моменту принятого или
удаленного груза относительно ДП судна. Продольный спрямляющий момент в
аналогичных случаях определяется как момент веса груза относительно
шпангоута, в котором лежит ЦТ площади исходной ватерлинии неповрежденного
судна.
3-й случай. Затопление симметрично относительно ДП, начальная
поперечная остойчивость отрицательна. Прямое положение судна является
положением неостойчивого равновесия. Судно может плавать в одном из двух
остойчивых положений равновесия: с креном на правый либо левый борт.
Переход из одного положения в другое может быть вызван различными,
случайными причинами. Задачи спрямления – ликвидация крена и
восстановление остойчивости судна. Крен, вызванный отрицательной начальной
остойчивостью, нельзя спрямлять приложением к судну спрямляющего момента.
Это может привести к опасному динамическому переваливанию корабля на
противоположный борт, что при малом запасе остойчивости может привести к
опрокидыванию судна. Восстановление остойчивости в этом случае обязательно
должно осуществляться без нарушения симметричности затопления и нагрузки
судна относительно ДП.
51
4-й случай. Начальная поперечная остойчивость отрицательна, затопление
несимметрично относительно ДП, так что ЦТ затопленных объемов смещен в
сторону вошедшего в воду борта. Крен обусловлен не только наличием
отрицательной остойчивости, но и несимметричностью нагрузки. Задачи
спрямления те же, что и в третьем случае, но метод несколько меняется, так что
одно только восстановление остойчивости не приводит к полному спрямлению,
поскольку остается крен, созданный несимметричностью нагрузки.
5–й случай. Начальная поперечная остойчивость отрицательна, затопление
несимметрично относительно ДП, ЦТ затопленных отсеков смещен в сторону
вышедшего из воды борта. Поврежденное судно имеет начальный крен,
вызванный отрицательной начальной остойчивостью и уменьшенный за счет
несимметричности затопления (начальный неуравновешенный момент действует
в сторону, противоположную крену). Этот случай опасен из-за возможности
переваливания судна на другой борт, т.к. переваливание может произойти при
одном только восстановлении остойчивости, без приложения спрямляющих
моментов. Во избежание переваливания необходимо в процессе восстановления
остойчивости сохранять у диаграммы остойчивости участок с отрицательным
значением восстанавливающих моментов до тех пор, пока начальная
остойчивость не станет положительной.
Продольное спрямление. Дифферент, вызванный повреждением судна,
имеет следующие отрицательные последствия:
- ухудшение ходовых и маневренных характеристик судна;
- уменьшение продольной и поперечной остойчивости;
- ухудшение условий эксплуатации судового оборудования.
Вследствие большой продольной остойчивости надводных судов их
продольное спрямление затруднительно. Для его осуществления требуется
приложение больших продольных спрямляющих моментов, создание которых
ведет к ухудшению других качеств судна. Поэтому В.Г.Власов рекомендовал:
- прибегать к продольному спрямлению лишь в случаях крайней
необходимости и уменьшать дифферент не более того, чем требуется по
соображениям ходкости, управляемости и использования технических средств и
оборудования;
- по соображениям остойчивости прибегать к продольному спрямлению
лишь при входе в воду верхней открытой палубы в оконечности судна и доводить
спрямление лишь до выхода ее из воды.
Продольное спрямление контрзатоплением не рекомендуется, т.к.
необходимость создания больших продольных спрямляющих моментов ведет к
значительному уменьшению запаса плавучести.
Скачать