В. Б. Жинкин ТЕОРИЯ И УСТРОЙСТВО КОРАБЛЯ УЧЕБНИК ДЛЯ ВУЗОВ 5-е издание, исправленное и дополненное Рекомендовано Учебно-методическим отделом высшего образования в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим направлениям Книга доступна в электронной библиотеке biblio-online.ru, а также в мобильном приложении «Юрайт.Библиотека» Москва Юрайт 2019 УДК 629.12(075.8) ББК 39.42-01я73 Ж72 Автор: Жинкин Валентин Борисович — профессор, кандидат технических наук, профессор кафедры теории корабля факультета кораблестроения и океанотехники Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Рецензенты: Милькин Г. Т. — кандидат технических наук, доцент Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова; Гофман А. Д. — доктор технических наук, профессор. Ж72 Жинкин, В. Б. Теория и устройство корабля : учебник для вузов / В. Б. Жинкин. — 5-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2019. — 379 с. — (Высшее образование). — Текст : непосредственный. ISBN 978-5-534-11349-5 В учебнике приводятся основы знаний о мореходных качествах судна, его конструкции и прочности, краткие сведения о судовых устройствах и системах. Особое внимание уделено физическим представлениям об этих качествах, теоретическим способам их определения, путям дальнейшего совершенствования. Приводятся многочисленные примеры, в том числе расчетов ходкости, на основании которых определяется мощность судовой энергетической установки. Издание содержит богатый иллюстративный материал в виде графиков и диаграмм, а также предметный указатель. Соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по инженерно-техническим направлениям, бакалавров, аспирантов, преподавателей и всех интересующихся. УДК 629.12(075.8) ББК 39.42-01я73 Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. Правовую поддержку издательства обеспечивает юридическая компания «Дельфи». ISBN 978-5-534-11349-5 © Жинкин В. Б., 2018 © Жинкин В. Б., 2019 © ООО «Издательство Юрайт», 2019 Оглавление От автора .............................................................................................. 7 Введение ............................................................................................... 9 Глава 1. Форма корпуса и плавучесть судна .....................................16 1.1. Основные сведения о судах .....................................................................16 1.2. Форма судового корпуса .........................................................................18 1.3. Основные элементы теоретического чертежа........................................23 1.4. Краткая классификация судов и кораблей .............................................26 1.5. Плавучесть судна .....................................................................................33 Контрольные вопросы ....................................................................................41 Глава 2. Остойчивость, непотопляемость и спуск судна на воду .... 42 2.1. Начальная остойчивость .........................................................................42 2.2. Изменение посадки и остойчивости при грузовых операциях .............51 2.3. Влияние на начальную остойчивость перемещающихся грузов и условий эксплуатации ..........................................................................58 2.4. Остойчивость на больших углах крена ..................................................65 2.5. Динамическая остойчивость ..................................................................74 2.6. Нормирование остойчивости судна .......................................................78 2.7. Непотопляемость.....................................................................................82 2.8. Спуск судна ..............................................................................................86 Контрольные вопросы ....................................................................................91 Глава 3. Сопротивление движению судна ........................................ 92 3.1. Общие положения ...................................................................................92 3.2. Основные составляющие сопротивления...............................................97 3.3. Дополнительные составляющие сопротивления. Буксировочная мощность судна .....................................................................................106 3.4. Определение сопротивления экспериментальным путем ...................110 3.5. Приближенные способы расчета сопротивления ................................118 3.6. Влияние условий эксплуатации на сопротивление..............................127 3.7. Влияние размеров, формы и дифферента судна на его сопротивление .......................................................................................139 3.8. Сопротивление движению быстроходных судов с динамическим поддержанием .......................................................................................144 3.9. Отечественные суда и корабли с динамическим поддержанием ........152 Контрольные вопросы ..................................................................................156 Глава 4. Движители...........................................................................157 4.1. Классификация движителей .................................................................157 4.2. Краткие сведения из теории движителей.............................................162 3 4.3. Конструкция и геометрия гребного винта ...........................................167 4.4. Гидродинамические характеристики гребного винта.........................170 4.5. Экспериментальные исследования работы гребных винтов...............175 4.6. Взаимодействие гребного винта и корпуса судна................................187 4.7. Кавитация гребных винтов ...................................................................193 4.8. Проектирование гребных винтов .........................................................197 4.9. Движители быстроходных судов ...........................................................207 4.10. Работа пропульсивного комплекса судна ...........................................213 4.11. Дополнительные вопросы работы гребных винтов ...........................224 4.12. Расчет ходкости судна .........................................................................231 4.13. Расчет гребного винта и выбор энергетической установки с использованием типоразмерного ряда ДВС.....................................242 Контрольные вопросы ..................................................................................251 Глава 5. Качка судна ........................................................................ 252 5.1. Общие сведения о качке........................................................................252 5.2. Качка судна на тихой воде ....................................................................256 5.3. Качка судна на волнении ......................................................................260 5.4. Влияние курса и скорости движения судна на качку ...........................269 Контрольные вопросы ..................................................................................273 Глава 6. Управляемость ....................................................................274 6.1. Основные понятия.................................................................................274 6.2. Средства обеспечения управляемости .................................................275 6.3. Циркуляция судна .................................................................................278 6.4. Особенности управляемости судов с динамическим поддержанием (СДП) ............................................................................282 Контрольные вопросы ..................................................................................283 Глава 7. Пути совершенствования мореходных качеств судна .... 284 7.1. Общие положения .................................................................................284 7.2. Способы снижения сопротивления воды движению судна .................285 7.3. Методы повышения эффективности гребных винтов..........................289 7.4. Способы умерения качки ......................................................................296 7.5. Вспомогательные средства управления судном ...................................298 Контрольные вопросы ..................................................................................300 Глава 8. Прочность корпуса судна и его конструкция ...................301 8.1. Общие положения .................................................................................301 8.2. Общая прочность корпуса.....................................................................302 8.3. Местная прочность................................................................................312 8.4. Судостроительные материалы ..............................................................313 8.5. Проектирование корпусных конструкций ...........................................318 8.6. Дополнительные вопросы прочности...................................................322 8.7. Архитектурно-конструктивные типы судов .........................................326 8.8. Системы набора и конструктивные элементы корпуса .......................339 8.9. Конструкция перекрытий и других элементов корпуса.......................342 8.10. Конструкция корпуса судов с динамическим поддержанием ............350 Контрольные вопросы ..................................................................................353 4 Глава 9. Судовые устройства и системы ........................................ 355 9.1. Общие сведения ....................................................................................355 9.2. Рулевое устройство ...............................................................................355 9.3. Грузовое устройство .............................................................................358 9.4. Спасательные средства .........................................................................362 9.5. Якорное устройство ..............................................................................367 9.6. Швартовное и буксирное устройства ...................................................370 9.7. Судовые системы ...................................................................................373 Контрольные вопросы ..................................................................................374 Список литературы ..........................................................................375 Новые издания по дисциплине «Теория и устройство судна» и смежным дисциплинам ................................................................379 От автора Учебник написан в соответствии с программой курса «Теория и устройство корабля» и предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Кораблестроение и океанотехника» по специальности «Судовые энергетические установки». В качестве учебного пособия книга может быть полезна при изучении курса «Морская энциклопедия» и студентам других кораблестроительных специальностей. Она знакомит с основами знаний о мореходных качествах судна, конструкции и прочности его корпуса, содержит краткие сведения о судовых устройствах и системах. Особое внимание в учебнике уделено водоизмещающим судам, однако не забыты и суда с динамическим поддержанием. Для ознакомления студентов с количественными характеристиками отдельных мореходных и прочностных качеств судна в учебнике приведены многочисленные примеры расчетов. Излагаемый материал базируется на положениях курсов высшей математики, теоретической механики, сопротивления материалов, гидромеханики и введения в специальность. В результате изучения материала студент должен: знать • общее устройство судна, геометрию его корпуса; • главные размерения и коэффициенты полноты, основы теории корабля — науки о мореходных качествах судна; • требования, необходимые для моделирования объектов морской техники и проведения экспериментальных исследований; • основные методы расчета ходкости судна, выбора главной энергетической установки; • понятие о прочности судна, конструкции его корпуса, назначении основных судовых устройств и систем; уметь • определять объемное водоизмещение судна; • строить кривые элементов теоретического чертежа; • определять основные характеристики отдельных мореходных и эксплуатационных качеств корабля; • анализировать результаты полученных экспериментальных данных; владеть • существующими методиками проведения модельного и натурного эксперимента; 7 • современными способами расчета необходимых мореходных качеств кораблей; • методами расчета гребного винта, мощности двигателей и определения скорости судна в различных условиях эксплуатации. Введение Каждое судно должно обладать комплексом эксплуатационных и мореходных качеств. К эксплуатационным качествам принято относить грузоподъемность и грузовместимость; маневренность, скорость, дальность плавания и автономность; обитаемость судна. Одним из важнейших эксплуатационных качеств является прочность, которая, наряду с мореходными качествами, обеспечивает безопасность плавания судна. В середине XIX в. танкеры имели водоизмещение около 500 т, перед Второй мировой войной основное ядро наливного флота составляли суда водоизмещением 10—15 тыс. т. Впервые наименование «супертанкер» было присвоено построенному в 1953 г. танкеру «Тина Онасис» водоизмещением 59 тыс. т. Однако размеры судов этого типа продолжали стремительно возрастать, абсолютный рекорд был зарегистрирован в 1980 г., когда японские судостроители, удлинив танкер «Оппама», довели его водоизмещение до 640 тыс. т. «Чемпион» получил новое имя «Сиуайз Джаэнт», а суда подобного класса стали называть сверхкрупнотоннажными танкерами. В связи со столь бурным ростом размеров судов пришлось по-новому решать проблему их прочности. Немало проблем возникает и при внедрении новых материалов и технологий. Пример тому — знаменитые цельносварные суда типа «Либерти», строившиеся во время Второй мировой войны в США. Эта серия судов вошла в историю судостроения как самая крупная в мире — всего было построено 2580 ед. На изготовление первого судна потребовалось 250 дней; на изготовление одного из последующих — рекордно малое время, 7 суток 14 часов и 23 минуты; средняя продолжительность строительства одного судна составила 35 дней. Однако прославились суда типа «Либерти» тем, что в ходе эксплуатации некоторые из них переломились пополам и погибли. Подобная картина имела место и у некоторых танкеров типа Т-2. И «Либерти», и эти танкеры были судами массовой постройки, на них впервые практически полностью отказались от клепаных соединений; нарушение прочности корпуса этих судов произошло из-за недостатка опыта применения сварки. В дальнейшем подобные аварии были практически сведены на нет. Мореходные качества судна — плавучесть, остойчивость, непотопляемость, ходкость, плавность качки и управляемость — входят в компетенцию специальной науки — теории корабля. Плавучестью называется способность судна плавать в заданном положении относительно поверхности воды. 9 Остойчивость — это способность судна, выведенного из равновесия, возвращаться в исходное положение после прекращения действия внешних сил. Непотопляемость — способность судна оставаться на плаву и в ограниченной степени сохранять другие мореходные качества после затопления одного отсека или их группы. Непотопляемость определяется плавучестью и остойчивостью поврежденного судна. Ходкостью называется способность судна двигаться с заданной скоростью при наименьшей возможной мощности главной механической установки. Плавность и малые амплитуды качки — качества, необходимые для обеспечения мореходности судна в условиях морского волнения. Управляемость — это способность судна выдерживать заданное направление движения. Неполное удовлетворение требований, предъявляемых к судну каждым из перечисленных выше качеств, в лучшем случае существенно затруднит его эксплуатацию, а в худшем может послужить причиной его гибели. Интуитивно это было ясно судостроителям и мореходам всех времен и народов. Более двух тысяч лет назад известный римский мудрец Сенека (4—65 гг. до н. э.) сформулировал требования к кораблю, который «хорошим именуется, когда он устойчив и непоколебим, послушен рулю, ходок и ветру уступчив». До недавнего времени эти задачи судостроители решали опытным путем, эмпирически, методом проб и ошибок, за которые мореплаватели платили своими жизнями. Искусство кораблестроения совершенствовалось и передавалось от поколения к поколению. История сохранила нам сведения о наиболее удачных конструкциях своего времени. Абсолютным рекордсменом среди них, пожалуй, следует признать древнегреческую триеру (римская трирема), которая в течение почти тысячелетия являлась главным боевым кораблем военных флотов этих стран. Основоположником теории корабля по праву считается один из величайших ученых древности Архимед. Открытый им в III в. до н. э. закон лежит в основе плавучести судна. Занимался Архимед и некоторыми вопросами остойчивости. В практике судостроения закон Архимеда впервые применил английский инженер Энтони Дин — в 1666 г. он рассчитал осадку корабля «Руперт» и прорубил, к величайшему удивлению современников, пушечные порты в его бортах на стапеле, еще до спуска на воду. Рождение теории корабля как науки о мореходных качествах судна обычно датируют серединой XVIII в., когда почти одновременно вышли труды члена Петербургской Академии наук Л. Эйлера и французского академика П. Бугера. В этих фундаментальных сочинениях излагалось учение о плавучести и остойчивости, развивались положения Ньютона о законах сопротивления среды движению тел, затрагивались некоторые вопросы мореходности судов. К середине следующего, XIX, века 10 главные проблемы плавучести и остойчивости были решены, требования, предъявляемые к судам для обеспечения этих качеств, в основном сформулированы. Недостаточная остойчивость грозит кораблю гибелью. Судостроителям это было известно испокои веков. Однако для некоторых закон был не писан. В 1628 г. на испытаниях, произведя салют из всех пушек, опрокинулся и в течение минуты затонул только что построенный флагман шведского флота «Ваза», спроектированный в соответствии с указаниями короля Густава II Адольфа. Стремясь усилить вооружение корабля, сделать его более мощным, чем у противника, на нем установили 64 орудия, расположенные в три яруса на палубах каждого борта. Королевские инженеры пытались доказать, что при таком количестве пушек центр тяжести корабля поднимется слишком высоко и это губительно скажется на остойчивости, однако их доводы не были услышаны монархом. Некомпетентность венценосца начала XVII в. объяснима. Гораздо труднее понять, как почти четверть тысячелетия спустя подобное могло произойти в просвещенной Англии. В 1870 г. по проекту Кольза был построен броненосец «Кептен». На первый взгляд он обладал рядом неоспоримых достоинств: сильной артиллерией во вращающихся башнях, толстой бортовой броней, низким надводным бортом, обеспечивающим малую площадь цели, и полным парусным вооружением в дополнение к паровой машине. Главный кораблестроитель Великобритании Е. Рид отказался утвердить проект, но идея Кольза была поддержана лордами адмиралтейства, мнение которых перевесило доводы специалиста. Во время первого же пробного плавания в составе эскадры «Кептен» под действием шквала опрокинулся и почти мгновенно затонул, унеся жизни 530 человек команды, в том числе и автора злополучного проекта Кольза. Остальные суда эскадры перенесли шквал безболезненно. По приговору английского суда в соборе Св. Павла в Лондоне на бронзовой доске выгравирован текст, повествующий о гибели «Кептена» и выражающий, по меткому замечанию академика А. Н. Крылова, «порицание невежественному упрямству тогдашних лордов адмиралтейства». Случай с «Кептеном» стал хрестоматийным примером, вошел во все руководства по кораблестроению. Но стремление к увеличению вооружения любой ценой уже в XX в. привело к очередной трагедии. В 1934 г. вскоре после спуска на воду во время шторма опрокинулся японский миноносец «Томодуру». Несколько дней спустя его обнаружили плавающим в перевернутом состоянии, из 113 человек команды погибло около 100. В то время Япония стремилась проектировать свои надводные корабли так, чтобы при минимальном водоизмещении разместить максимальное количество вооружения. Это привело к занижению остойчивости многих военных кораблей различных классов. Гибель «Томодуру» послужила толчком к ревизии проектов как построенных, так и строящихся кораблей флота и их переделке. 11 Было бы ошибкой полагать, что потеря остойчивости грозит только военным кораблям и что аварии подобного рода остались в прошлом. И сегодня ежегодные потери мирового флота, причем только среди достаточно крупных судов, составляют около 0,6 % их общего количества. При этом приблизительно 20 % случаев — наиболее тяжелые аварии от потери остойчивости. Так, например, в 1987 г. крупный современный английский автомобильно-пассажирский паром «Геральд оф фри Энтерпрайз», едва отойдя от пирса, опрокинулся в бельгийском порту Зеебрюгге — погибло более 190 человек. Причина аварии — неплотно закрытые водонепроницаемые ворота, через которые вода хлынула на грузовую палубу. Положение усугубили погруженные на паром, но не закрепленные автомашины, в том числе тяжелые грузовики — сместившись в сторону накрененного борта, они способствовали опрокидыванию судна. Еще более страшная трагедия произошла на Балтике 28 сентября 1994 г. с другим автомобильно-пассажирским паромом «Эстония». Судно водоизмещением около 11 тыс. т сначала внезапно легло на борт, получив крен около 35°, а затем быстро опрокинулось и затонуло. Хотя это случилось всего в сотне километров от финского порта Турку и в спасательной операции принимало участие несколько судов, самолетов и вертолетов, авария сопровождалась очень крупными жертвами — погибло более 800 человек. Причина гибели судна так и осталась до конца не выясненной. Совсем недавно практически новое, построенное в 2001 г., норвежское грузовое судно «Рокнес» длиною 166 м в январе 2004 г. потеряло остойчивость и опрокинулось всего за несколько минут в 100— 200 м от берега рядом с базой ВМС Норвегии близ города Бергена. Спасти удалось 12 членов экипажа, восемь человек погибли. Приоритет в создании науки о непотопляемости корабля принадлежит отечественным ученым. «Истинным основателем учения о непотопляемости судов» называл академик А. Н. Крылов адмирала С. О. Макарова, впервые сформулировавшего главные требования к обеспечению непотопляемости. Блестящее развитие идеи С. О. Макарова нашли в трудах А. Н. Крылова и И. Г. Бубнова — создателя современной строительной механики корабля. Гибель в Порт-Артуре броненосца «Петропавловск» с адмиралом С. О. Макаровым на борту, трагедия Цусимы заставили командование русского военно-морского флота прислушаться к голосу ученых — с 1905 г. на всех кораблях были введены таблицы непотопляемости, разработанные А. Н. Крыловым. В иностранных флотах подобные таблицы нашли применение значительно позже. Трагедия, произошедшая в 1912 г., когда в первом же трансатлантическом рейсе «непотопляемый», как его рекламировали владельцы, пассажирский лайнер «Титаник» затонул, став могилой для полутора тысяч человек, окончательно убедила кораблестроителей в том, что для обеспечения непо12 топляемости судна недостаточно одной интуиции, а требуются строгие и обоснованные расчеты. Практически во все книги по судостроению вошел хрестоматийный пример, когда в 1914 г. одна немецкая подводная лодка в течение короткого времени друг за другом потопила три английских крейсера «Худ», «Абукир» и «Кресси». Британские корабли шли кильватерным строем. Когда первый был торпедирован, следующий за ним остановился для оказания помощи — его постигла та же участь. Затем все повторилось и с последним крейсером, также остановившимся для спасения экипажей тонущих кораблей. Быстротечная гибель трех крейсеров, получивших всего по одной торпеде, в очередной раз показала необходимость обеспечения более высокой степени непотопляемости боевых кораблей. Указанный эпизод имел и другие очень важные последствия: во многих военных флотах было введено правило — не оказывать помощи гибнущему кораблю, если торпедировавшая его подводная лодка не уничтожена или вообще имеет место опасность атаки подводных лодок. Вопросами ходкости конструкторы вплотную занялись только в конце XIX в. В эпоху парусного флота скорость судна, а следовательно, и продолжительность рейса в основном определялись силой и направлением ветра, а также опытом судоводителя; форма корпуса играла второстепенную роль. Появление паровой машины, а затем и других механических двигателей в корне изменило отношение к ходкости. Хотя в отличие от остойчивости и непотопляемости низкие ходовые качества не приводили к немедленной гибели судна, неприятностей они тоже доставляли немало. Всего 180 лет назад парусник «Даймонд» из Европы в Америку шел сто дней. За время столь продолжительного рейса 17 пассажиров умерли от истощения. Приблизительно в то же время первый пароход пересек Атлантику без помощи ветра — это был «Сириус» водоизмещением около 700 т. Выходя в рейс, он имел на борту 98 пассажиров и 450 т угля, отчего борта судна едва выступали из воды. В конце пути запасы угля иссякли, поэтому на подходе к Нью-Йорку были срублены мачты, за ними в топку пришлось отправить всю деревянную утварь. Трансатлантический переход удалось завершить за 18,2 суток, среднерейсовая скорость составила 8,5 уз — неплохой по тем временам результат. Рекордным оказался и расход топлива — около 5 т на одного пассажира. «Сириус» не был исключением: первые коммерческие пароходы 1840-х гг. имели удельную массу установки порядка 800 кг/л. с. и расход топлива около 6 кг/(л. с. · ч). У судна водоизмещением 1500 т с паровой машиной мощностью 450 л. с. масса главной механической установки и топлива составляла приблизительно 750 т. И это при скорости около 10 уз и запасах угля всего на 6 суток. Стало очевидным, что дальнейший прогресс судоходства невозможен без совершенствования формы корпуса судов и движителей, без создания достоверных методов расчета ходовых качеств. Большой 13 вклад в развитие учения о ходкости внес известный английский исследователь В. Фруд, разработавший первые научно обоснованные методы прогнозирования сопротивления воды движению судна. Широкое применение нашла предложенная в 1892 г. русским инженером В. И. Афанасьевым эмпирическая формула для определения мощности, необходимой для достижения судном заданной скорости. В 1890-х гг. в Петербурге был построен первый в России опытовый бассейн, предназначенный для исследования мореходных качеств судов на их моделях. Инициатива его создания принадлежала гениальному русскому ученому Д. И. Менделееву. Основоположником вихревой теории гребного винта, основного движителя сегодняшнего дня, является другой выдающийся ученый, «отец русской авиации» Н. Е. Жуковский. Самыми «молодыми» дисциплинами теории корабля, пожалуй, следует признать качку и управляемость. Создателем классической общей теории качки корабля на волнении по праву считается академик А. Н. Крылов. Английское общество корабельных инженеров за этот труд присудило ему, первому из иностранцев, золотую медаль, что явилось признанием приоритета русской науки и принесло А. Н. Крылову мировую известность. Качка судна существенно затрудняет его эксплуатацию, а иногда может стать и причиной его гибели. В декабре 1944 г. третий флот США попал в район, расположенный близ центра тайфуна. Корабли испытывали сильную качку, у некоторых из них амплитуды достигали 70° и более. Три эсминца опрокинулись и затонули. Еще около 30 ед., от сторожевых кораблей до линкоров и авианосцев, получили значительные повреждения. Оценивая последствия тайфуна, командующий Тихоокеанским флотом США адмирал Нимиц отмечал, что потери оказались большими, чем этого можно было ожидать от любого сражения. Невысокие маневренные качества судна, недостаточное знакомство судоводителей с законами управляемости могут повлечь за собой серьезные повреждения и даже гибель судов. Примеров тому несть числа, остановимся на тех, которые чреваты самыми тяжелыми последствиями, — на столкновениях судов. В мае 1914 г. канадский пассажирский лайнер «Эмпресс оф Айрленд» водоизмещением около 20 тыс. т в заливе Св. Лаврентия был протаранен норвежским пароходом «Сторстад». Удар пришелся в правый борт лайнера под углом 35°, прямой форштевень парохода вошел в его корпус на 5 м, произведя большие разрушения. Всего через 17 минут после удара «Эмпресс оф Айрленд» скрылся под водой, эта ошибка судовождения стоила жизни более чем 1000 человек. Осенью 1942 г. огромный английский пассажирский лайнер «Куин Мэри» (водоизмещение около 84 тыс. т, длина 314 м) шел из США в Англию, имея на борту почти 11 тыс. американских солдат. Его сопровождал крейсер «Кюрасао» (водоизмещение 4300 т, длина 137 м). Корабли двигались почти параллельными курсами с высокой скоростью — 25 уз. Когда они сблизились, за две минуты до столкновения 14 были предприняты попытки отвернуть, однако предотвратить катастрофу уже не удалось. «Куин Мэри» врезался в левый борт крейсера и, подобно топору, разрубил его пополам. «Кюрасао» затонул, вместе с ним погибло более 300 членов экипажа. Капитан лайнера, опасаясь возможных атак немецких подводных лодок, не остановился для оказания помощи экипажу крейсера, он не имел права рисковать жизнями своих пассажиров. Позже, разбирая этот поступок, суд оправдал этого капитана. Позднее было высказано мнение, что столкновению способствовала сила взаимного присасывания, впервые обнаруженная еще в 1911 г. при столкновении лайнера «Олимпик» с крейсером «Хок». Эта авария была хорошо изучена, на основании ее сделаны выводы и соответствующие рекомендации. Однако, как показал пример с «Кюрасао», тридцати лет оказалось недостаточно для воплощения этих рекомендаций в жизнь. В 1970 г. в Ла-Манше в ясную погоду, при хорошей видимости столкнулись два крупнотоннажных либерийских танкера, шедших встречными курсами. За минуту до аварии, когда расстояние между судами уменьшилось до одного кабельтова, на обоих танкерах были переложены рули, но избежать столкновения не удалось — кормовые части судов ударились по касательной. В результате — пожар, загрязнение нефтью моря, гибель 14 человек. Еще свежа в памяти трагедия, произошедшая в 1987 г. вблизи Новороссийска, когда балкер «Петр Васев» врезался в борт пассажирского лайнера «Адмирал Нахимов». Протараненное судно затонуло в течение считанных минут, унеся жизни нескольких сотен пассажиров и членов экипажа. С развитием судостроительных наук аварий, подобных описанным выше, к счастью, становится все меньше. Приведены же эти примеры в назидание будущим инженерам в целях иллюстрации важности вопросов, о которых будет идти речь ниже. Глава 1 ФОРМА КОРПУСА И ПЛАВУЧЕСТЬ СУДНА . 1.1. Основные сведения о судах Современное судно — сложнейшее плавучее сооружение, предназначенное для выполнения транспортных, производственных или военных функций. Общая особенность всех судов — сила их тяжести уравновешивается возникающими в воде силами гидростатической или гидродинамической природы. Классифицировать суда можно по ряду независимых признаков: по характеру передвижения, району плавания, положению относительно поверхности воды, материалу корпуса, типу механической установки и т. д. Кратко остановимся на главном классификационном признаке — назначении судов. В этом плане их принято делить на военные, их по традиции называют кораблями, и гражданские суда. Последние, в свою очередь, подразделяют на транспортные, промысловые, служебные, суда технического флота. Основой морского флота являются транспортные суда, которые можно разделить на пассажирские и грузовые. Последние как по водоизмещению, так и по количеству составляют подавляющее большинство среди транспортных судов. Их принято подразделять по роду перевозимого груза на две категории: сухогрузные и наливные. Внутри каждой из этих категорий также существует градация. Так, среди наливных судов различают танкеры, предназначенные для транспортировки нефтепродуктов, газовозы, химовозы, виновозы (о специфике последних судов говорит само их название). Танкеры — самые крупные из современных судов, водоизмещение некоторых из них превышает 600 тыс. т, а длина — 400 м. Еще более разнообразны типы сухогрузных судов. Здесь прежде всего выделяют суда для перевозки массовых (навалочных, насыпных) и генеральных (в упаковке, отдельными местами) грузов. Первые иногда называют балкерами, они перевозят руду, уголь, бокситы, цемент, зерно, сахар и т. д. Среди существующих судов по водоизмещению крупнейшие «навалочники» уступают только танкерам. Суда для генеральных грузов делятся на универсальные и специализированные. Первые составляют наиболее многочисленную группу; 16 в соответствии с названием они перевозят разнообразные генеральные грузы. К специализированным судам относят контейнеровозы, лихтеровозы, автомобилевозы, лесовозы, суда с горизонтальным способом обработки, суда для перевозки тяжеловесных грузов и т. д. Самые крупные из судов данной категории — контейнеровозы — по водоизмещению уступают не только танкерам, но и навалочникам, однако значительно превосходят их по скорости, которая может достигать 20 уз и более. Существуют и комбинированные суда, предназначенные для перевозки как массовых, так и жидких грузов. Это позволяет в значительной степени сократить количество балластных переходов, благодаря перевозке разнородных грузов на встречных направлениях. По своим характеристикам комбинированные суда близки к судам для навалочных грузов и относятся, как и танкеры, к сравнительно тихоходным судам — их скорость обычно не превышает 16—17 уз. Самыми скоростными из транспортных судов являются пассажирские лайнеры, предназначенные для обслуживания регулярных линий. При весьма солидном водоизмещении, достигающем 50—70 тыс. т, эти суда развивают скорость до 30—35 уз. Более скромными размерами и скоростными качествами отличается другая категория пассажирских судов — круизные, предназначенные для путешествий, отдыха, морского туризма. Промысловые суда используются для добычи, переработки и транспортировки морепродуктов. В эту категорию входят как малые рыболовные суда водоизмещением в несколько десятков тонн, так и крупные плавучие базы, водоизмещение которых достигает 50 тыс. т. Среди служебных в первую очередь следует назвать ледоколы, буксиры, спасатели, научно-исследовательские, учебные и другие суда. Основное их назначение — обеспечение эксплуатации транспортного и промыслового флота. К судам технического флота принято относить дноуглубительные снаряды, грунтоотводные шаланды, плавучие краны, доки, мастерские и т. д. Сюда же причисляют и технические средства освоения Мирового океана: буровые суда, плавучие буровые установки, суда для добычи со дна твердых полезных ископаемых и т. д. По характеру сил поддержания, уравновешивающих силу тяжести судна в расчетном режиме движения, различают суда водоизмещающие и с динамическим поддержанием (СДП). У первых превалируют гидростатические (архимедовы) силы поддержания, у вторых — динамические, возникающие на днище либо на несущих элементах. Подавляющее большинство судов всех назначений относится к водоизмещающим. Высокоскоростные суда с динамическим поддержанием (глиссеры, суда на подводных крыльях, суда на воздушной подушке, суда-экранопланы) имеют небольшое водоизмещение (D ≤ 500 т), их удельный вес в мировом флоте весьма незначителен. 17 В дальнейшем речь в основном будет идти о водоизмещающих транспортных судах. 1.2. Форма судового корпуса Основные габаритные размеры корпуса принято называть главными размерениями. Это L — длина судна; В — ширина; Н — высота борта; Т — осадка. Первые три неизменны и относятся к геометрическим характеристикам корпуса в целом, последняя, осадка, может изменяться в широких пределах и определяет погруженный (подводный объем) судна. Обычно, когда говорят о главных размерениях судна, то принимают осадку по расчетную, или конструктивную, ватерлинию, соответствующую проектной загрузке судна. Длина тоже должна быть конкретизирована. Различают длину между перпендикулярами L⊥⊥, по КВЛ LКВЛ, максимальную Lmах. Первые две близки между собой, последняя является габаритной. При изучении мореходных качеств судна, строго говоря, следует оперировать с длиной по ватерлинии, однако часто вместо нее принимают однозначно определенную величину — L⊥⊥. Наиболее крупные современные суда достигают весьма внушительных размеров: их длина может превышать 400 м, ширина 60, а осадка в грузу составлять около 30 м. Координатные оси и посадки судна. В теории корабля в зависимости от характера решаемых задач принимают различные системы координат. В статике будем использовать левую систему с началом в точке пересечения трех взаимно перпендикулярных плоскостей: основной, диаметральной и плоскости мидель-шпангоута (рис. 1.1). Напомним, что диаметральная плоскость (ДП) — это продольная вертикальная плоскость, проходящая через середину ширины судна; плоскость мидель-шпангоута (пл. мш) — поперечная вертикальная плоскость, проходящая через середину длины судна. В отличие от двух предыдущих основная плоскость (ОП) не является секущей. z . пл мш ДП x о ОП y Рис. 1.1. Система координат 18 Она горизонтальна (параллельна поверхности воды) и проходит через нижнюю точку корпуса судна. В качестве координатной ОП принята в связи с тем, что ее положение строго фиксировано, чего нельзя сказать о плоскостях ВЛ. Линия пересечения ОП и ДП — ось ох — направлена в нос судна; линия пересечения ОП и пл. мш — ось оу — на правый борт; ось oz направлена вверх и представляет собой линию пересечения ДП и пл. мш. Посадкой судна называется его положение относительно поверхности воды. Посадка полностью определяется тремя независимыми величинами: средней осадкой — Tср, углом крена θ и углом дифферента j. Средняя осадка определяется погружением судна по оси оz; угол крена — угол поворота корпуса относительно оси ох, угол дифферента — относительно оси оу. В судостроении зачастую используется специфическая терминология. Так, если угол крена θ = 0, то говорят, что «судно сидит (а не плавает) прямо»; если j = 0 — «судно сидит на ровный киль». Как правило, нормальной в эксплуатации, а следовательно, и расчетной, является посадка, при которой θ = 0 и j = 0, т. е. когда судно «сидит прямо и на ровный киль». Исключение составляют некоторые специальные суда, имеющие конструктивный дифферент на корму. Положение судна, сидящего прямо, может быть задано и осадками носом и кормой Tн и Tк, при этом очевидно справедлива зависимость tg j = (Tн – Tк)/L ≈ j. (1.1) Реальные значения углов дифферента транспортных судов малы, поэтому в (1.1) тангенс угла можно заменить его аргументом. Теоретический чертеж. Исчерпывающее представление о форме корпуса судна дает его теоретический чертеж (рис. 1.2). Он состоит из трех проекций, на каждой из которых изображаются сечения корпуса плоскостями, параллельными рассмотренным выше, — ДП, пл. мш и ОП. На теоретическом чертеже представляется теоретическая поверхность корпуса без учета наружной обшивки и выступающих частей. Совокупность сечений плоскостями, параллельными ДП, принято называть боком, а сами эти сечения — батоксами. Обычно на этой проекции нос судна изображается справа, а корма — слева. Сечения плоскостями, параллельными пл. мш, наносятся на вторую проекцию, так называемый корпус. В силу симметрии судна относительно ДП на корпусе представляют только половину соответствующего сечения: справа от вертикальной линии — следа ДП — располагают носовые шпангоуты, слева — кормовые, сечение по мидель-шпангоуту помещают полностью, на обеих половинах корпуса. Третья проекция — полуширота — совокупность сечений корпуса плоскостями, параллельными ОП. Здесь также представляются только половины симметричных относительно ДП ватерлиний. Обычно на теоретическом чертеже изображают равноотстоящие батоксы 19 (2—3 на один борт), ватерлинии (10—15) и шпангоуты — 21. Нумеруются батоксы от ДП, ватерлинии — от ОП. Вертикальные линии, проведенные через точки пересечения КВЛ с линиями штевней, называются носовым и кормовым перпендикулярами. Для одновинтовых судов кормовой перпендикуляр совпадает с осью баллера руля. Корпус Бок ДП II II I I 20 18 10 16 14 12 8 6 4 2 0 14 20 ОП 4 6 16 18 II I I II 10 Полуширота 20 10 0 Рис. 1.2. Теоретический чертеж судна Шпангоуту, в плоскости которого лежит носовой перпендикуляр, присваивается номер 0, мидель-шпангоуту — номер 10, последний, 20-й, номер имеет шпангоут, совпадающий с кормовым перпендикуляром. В отличие от конструктивных шпангоуты на теоретическом чертеже называют теоретическими, а расстояние между ними ∆L = L⊥⊥/20 — теоретической шпацией. В районах оконечностей, где форма корпуса изменяется наиболее интенсивно, проводят дополнительные шпангоуты под номерами 1/4, 1/2, 3/4 и 181/2, 191/2. Все проекции теоретического чертежа должны быть согласованы — они описывают форму одного и того же корпуса. Сечение судна ДП дает представление о палубной и килевой линиях, а также о форме фор- и ахтерштевней. Для морских транспортных судов характерна седловатость (подъем в носу и корме) палубы — это снижает заливаемость оконечностей, особенно при движении на волнении. О форме поперечного сечения палубы и днища, а также соединения их с бортами можно получить представление по сечению пл. мш. Палуба морских транспортных судов понижается к бортам, т. е. имеет погибь бимсов, что ускоряет стекание с нее воды. Для большинства судов и кораблей характерны круглоскулые обводы — переход бортовой ветви шпангоута в днищевую осуществляется плавно. Исключение — высокоскоростные суда, которые могут быть остроскулыми. Обобщенные характеристики формы. Наряду с теоретическим чертежом представление о форме корпуса судна дают обобщенные безразмерные характеристики — соотношения главных размерений и коэффициенты полноты. От этих характеристик во многом зависят как мореходные, так и другие качества судна. Основные соотношения главных размерений следующие: L B L H L ; ; ; ; . B T T T H 20 Отношение L/B, или, как его иногда называют, относительная длина, в значительной степени определяет ходовые качества: чем оно больше, тем относительно быстроходнее судно. У современных водоизмещающих судов эта величина колеблется в диапазоне L/B = 3 ÷ 10. Нижний предел характерен для некоторых буксирных судов, верхний присущ высокоскоростным военным кораблям. Естественно, имеют место и исключения, так, например, некоторые спортивные лодки для академической гребли имеют L/B > 25. Отношение В/Т в основном влияет на остойчивость и качку. Чем оно больше, тем лучше с точки зрения остойчивости, хотя качка при этом делается более порывистой. Для современных морских судов В/Т = 2 ÷ 5. Отношение L/T влияет на управляемость: его увеличение повышает устойчивость на курсе и ухудшает поворотливость. Отношение Н/Т определяет остойчивость на больших углах наклонения и непотопляемость судна. Рост Н/Т благоприятно влияет на оба эти качества. Отношение L/H влияет на прочность корпуса: чем выше это отношение, тем сложнее обеспечить общую прочность судна. Основных независимых коэффициентов полноты три. Это коэффициент полноты площади ватерлинии: α = S/LB, (1.2) где S — площадь КВЛ; коэффициент полноты мидель-шпангоута: β = ωмш/ВT, (1.3) где ωмш — площадь сечения мидель-шпангоута ниже ВЛ; коэффициент общей полноты: δ = V/LBT, (1.4) где V — объем подводной части корпуса или объемное водоизмещение. Как следует из (1.2)—(1.4), все коэффициенты полноты суть отношения площадей (объема) соответствующих элементов к площадям (объему) описанных прямоугольников (параллелепипедов). Все эти коэффициенты меньше единицы, их числовые значения для морских судов лежат в пределах: α = 0,7 ÷ 0,85; β = 0,75 ÷ 0,98; δ = 0,35 ÷ 0,85. Меньшие величины характерны для более быстроходных судов; верхние границы отвечают тихоходным судам с очень полными обводами (образованиями). В табл. 1.1 приведены соотношения главных размерений и коэффициенты полноты некоторых кораблей и судов различных типов. В некоторых расчетах теории корабля удобнее пользоваться производными от основных, дополнительными коэффициентами продольной 21 j = δ/β и вертикальной χ = δ/α полноты, физическая интерпретация которых ясна. Таблица 1.1 Соотношение главных размерений и коэффициенты полноты L/B B/T δ α β Крейсеры 8,5—11,5 2,6—4,2 0,45—0,60 0,69—0,73 0,76—0,90 Эсминцы 9,2—11,9 2,5—4,1 0,44—0,53 0,68—0,73 0,75—0,86 Пассажирские 6,0—9,0 2,5—3,5 0,55—0,75 0,70—0,85 0,92—0,98 Грузовые 5,0—8,0 2,0—5,0 0,50—0,85 0,75—0,85 0,90—0,99 Танкеры 6,0—8,0 2,0—3,0 0,70—0,85 0,75—0,85 0,98—0,995 Ледоколы 3,5—5,5 2,0—3,5 0,45—0,60 0,70—0,80 0,75—0,85 Буксиры 3,0—6,0 2,0—5,0 0,40—0,60 0,68—0,83 0,75—0,84 Тип судна Пример 1.1 Великий Ньютон говорил: «При изучении наук примеры не менее поучительны, нежели правила». Посему, следуя мудрому указанию гения, некоторые из рассматриваемых теоретических положений и выводов будем иллюстрировать примерами. Большую их часть отнесем к одному судну, которому дадим имя «Инженер». Выбор названия не случаен: во-первых, первоначальный смысл слова «инженер» — изобретатель, созидатель, во-вторых, инженер — это основная движущая сила научно-технического прогресса, плоды которого еще не столь весомы, как хотелось бы; в-третьих, цель настоящей книги — внести посильную лепту в превращение студента в квалифицированного инженера. Итак, задано многоцелевое сухогрузное судно «Инженер», боковой вид которого приведен на рис. 1.3, а основные характеристики таковы: Lmax = 181 м; Dгр =18 300 т; L⊥⊥ = 173 м; DW = 20 500 т; В = 28,2 м; D = 29 400 т; T = 9,5 м; G = 288 000 кН; H = 15,1м; S = 3700 м2; V = 28 700 м3; ωмш = 261 м2. Рис. 1.3. Судно «Инженер» Судно имеет носовой бульб, машинное отделение сдвинуто в корму (промежуточное положение машинного отделения МО). Система набора комбини22 рованная — верхняя палуба и двойное дно набраны по продольной системе, борта — по поперечной. Найдем соотношения главных размерений и коэффициенты полноты судна: L 173 B 28,2 = = 6,13; = = 2,97; B 28,2 T 9,5 H 15,1 L 173 = = 1,59; = = 18,2. T 9,5 T 9,5 Коэффициент общей полноты по (1.4) δ= 28 700 V = = 0,619. LBT 173 ⋅ 28,2 ⋅ 9,5 Коэффициент полноты площади ВЛ по (1.2) α= S 3700 = = 0,759. LB 173 ⋅ 28,2 Коэффициент полноты мидель-шпангоута по (1.3) β= ω мш 261 = = 0,975. BT 28,2 ⋅ 9,5 Величины коэффициента общей полноты и отношение L/B дают основание полагать, что «Инженер» имеет достаточно острые обводы и относится к среднескоростным транспортным судам. 1.3. Основные элементы теоретического чертежа В расчеты по теории корабля закладываются различные характеристики формы корпуса. К основным элементам теоретического чертежа относят: — объемное водоизмещение V; — координаты центра величины хс, zc; — площадь ватерлинии S; — абсциссу центра тяжести площади ВЛ xF; — центральные моменты инерции площади ВЛ Iх и IF; — коэффициенты полноты α, β, δ. Центром величины называют центр тяжести (центр масс) подводного объема корпуса (объемного водоизмещения). Все элементы теоретического чертежа принято изображать на едином графике в функции от осадки. Сюда же часто дополнительно наносят и зависимости малого r и большого R метацентрических радиусов, а также возвышений поперечного m0 и продольного mj метацентров. Эти величины используют при анализе начальной остойчивости судна. Объемное водоизмещение судна можно найти, суммируя элементарные объемы, заключенные между соседними ватерлиниями: 23 T V = ∫ S dz (1.5) 0 либо между соседними теоретическими шпангоутами: L/2 V = ∫ ω dx , (1.6) − L/2 где S, ω — площади ватерлиний и шпангоутов. Координаты центра величины находятся с использованием известных из курса теоретической механики формул: xc = M yz V M xy M xz ; zc = , V V ; yc = (1.7) где Myz, Mxz, Mxy — статические моменты подводного объема относительно соответствующих координатных плоскостей. Поскольку корпус судна симметричен относительно ДП (пл. xoz), то Мxz = 0 и yc = 0. Остальные элементы определяются в виде L/2 T − L/2 0 M yz = ∫ ωx dx ; M xy = ∫ Sz dz. (1.8) Статический момент объема относительности плоскости мш (пл. yoz) можно записать и в ином виде: T M yz = ∫ Sx F dz. (1.9) 0 В свою очередь, площадь ВЛ находится по формуле L/2 S = 2 ∫ y dx , (1.10) − L/2 где у — половина ширины ВЛ в рассматриваемом месте, или ордината, замеренная от ДП до борта. Абсцисса центра тяжести (ЦТ) площади ВЛ xF = My/S, (1.11) где L/2 M y = 2 ∫ xy dx (1.12) − L/2 — статический момент площади ВЛ относительно оси. Поскольку ватерлиния не симметрична относительно пл. мш, то в общем случае xF ≠ 0. Центральные моменты инерции определяются относительно главных, т. е. проходящих через ц. т. площади ВЛ, осей. Одна из них — ось 24 ох, вторая — параллельна оси оу и проходит через точку F. Соответствующие моменты инерции: L/2 (2 y )3 dx 2 L/2 3 = ∫ y dx ; 12 3 − L/2 − L/2 Ix = ∫ I F = I y − Sx 2F , (1.13) (1.14) где L/2 I y = 2 ∫ yx 2 dx. (1.15) − L/2 Метацентрические радиусы не являются независимыми величинами, они находятся по формулам r = Ix/V; (1.16) R = IF/V. (1.17) Как правило, обводы корпуса, в частности контур ватерлинии у = f(x), не описываются в аналитическом виде, поэтому все перечисленные выше интегралы (1.5)—(1.15) могут быть определены только одним из известных приближенных методов (способ трапеций, Симпсона и т. д.). Построенные на основании указанных расчетов кривые элементов теоретического чертежа, или гидростатические кривые, позволяют оперативно, без каких-либо вычислений, находить необходимые элементы в зависимости от осадки судна. Некоторые из этих кривых имеют собственные наименования, поскольку имеют самостоятельное значение. Строевая по ватерлиниям — это зависимость площади ватерлинии от осадки, в силу (1.5) она характеризует и распределение объема в функции от осадки. Большинство современных транспортных судов имеет плоское днище, в этом случае зависимость S(T) не исходит из начала координат (рис. 1.4). Очевидно, что площадь, ограниченная строевой по ВЛ и осью ординат, суть объемное водоизмещение при заданной осадке Т. Строевая по ВЛ широко используется при решении задач о приеме и расходовании малого груза. Грузовой размер представляет собой зависимость водоизмещения от осадки. На этот график кроме объемного водоизмещения V, определенного по теоретическому чертежу, наносят еще и водоизмещение с учетом обшивки и выступающих частей V1, а также и массовое водоизмещение D (рис. 1.5). Грузовой размер, в частности, используется при решении задач приема и снятия большого груза. Масштаб Бонжана представляет собой совокупность зависимостей площадей всех теоретических шпангоутов от их погружения ω(z). Величины указанных площадей определяются в виде z ω = 2∫ y dz. (1.18) 0 25 T T V V1 D O S V, D Рис. 1.4. Строевая по ватерлиниям Рис. 1.5. Грузовой размер Строится масштаб Бонжана на трансформированном контуре сечения корпуса диаметральной плоскостью. Трансформация заключается в том, что для удобства использования линейные масштабы вдоль осей ох и оу выбираются различными (рис. 1.6). От вертикальных линий, следов соответствующих теоретических шпангоутов откладывают доведенные до высоты верхней палубы значения площадей шпангоутов ω(z). С помощью масштаба Бонжана можно по (1.6) определить водоизмещение по любую, в том числе и наклонную (для судна, сидящего с дифферентом), ватерлинию. Масштаб Бонжана используется при расчетах непотопляемости, продольного спуска судна, а также для других целей. Строевая по шпангоутам характеризует распределение объемов по длине судна и представляет собой зависимость площади шпангоута от его расположения вдоль оси ох при заданной осадке (рис. 1.7). Строевая по шпангоутам может быть построена с помощью масштаба Бонжана для любой ватерлинии. Очевидно, что площадь, заключенная между строевой и осью ох, суть объемное водоизмещение. Строевая по шпангоутам, в частности, используется при расчете моментов, изгибающих судно. ω Линия палубы в ДП Линия борта КВЛ ωis ω(T) 20 20 15 10 5 Рис. 1.6. Масштаб Бонжана 0 ωx ωS 10 0 L Рис. 1.7. Строевая по шпангоутам 1.4. Краткая классификация судов и кораблей Классификация судов и кораблей производится по различным независимым признакам. Главные из этих признаков следующие. По средствам движения — самоходные и несамоходные. По району плавания — внутреннего, прибрежного, неограниченного, смешанного (река — море) плавания. 26 По материалу корпуса — металлические, деревянные, пластмассовые, железобетонные. По типу главной энергетической установки (ГЭУ) — с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) — теплоходы, с паровыми и газовыми турбинами — турбоходы, с электродвигателями — электроходы, с ядерными установками — атомоходы, с ветродвижителями — ветроходы. По характеру движения — надводные и подводные. По природе сил поддержания в расчетном режиме движения — суда водоизмещающие и суда с динамическим поддержанием. Основным классификационным признаком является назначение. Здесь различаются суда гражданские и военные, которые обычно принято называть кораблями. Гражданские суда. Они делятся на транспортные, промысловые, служебные и суда технического флота. Транспортные суда являются основой морского флота, они включают суда пассажирские и грузовые. Пассажирские — это все морские суда, число пассажиров на которых превышает 12 человек. Это очень широкий класс, как по размерам (от 10 тыс. до 80 тыс. т водоизмещением), так и по скорости движения (от 10 до 60 уз). Среди пассажирских судов различают следующие. Пассажирские лайнеры — самые крупные в этом классе суда (до 80 тыс. т водоизмещением), имеющие высокие скорости (рекорд — более 40 уз) и обслуживающие, как правило по расписанию, достаточно протяженные линии. Автомобильно-пассажирские паромы (АПП) — суда более скромных размеров (до 20—25 тыс. т) со скоростями, обычно не превышающими 25 уз. Чаще всего они используются на коротких линиях (через Балтийское и Средиземное моря, через пролив Ла-Манш и др.), также ходят по расписанию и перевозят пассажиров и колесную технику, в основном автомобили. Среди последних большую долю составляет легковой транспорт пассажиров. Круизные суда — предназначенные для отдыха на море. Основным отличием этих судов можно считать очень высокую степень комфорта, обеспечиваемую пассажирам. Большинство из них по размерам занимает промежуточное место между лайнерами и автомобильно-пассажирскими паромами. Однако, в связи с интенсивным развитием морского отдыха и туризма, в последнее время построено несколько круизных судов, которые по габаритам и водоизмещению практически не уступают самым крупным лайнерам. Так, например, в Финляндии, стране, уверенно занявшей ведущие позиции в постройке подобных гигантов, введена в эксплуатацию серия круизных пассажирских судов, каждое из которых имеет длину около 340 м, водоизмещение более 60 тыс. т, на 15 палубах размещено 1800 кают для 3600 пассажиров и 1400 членов экипажа. Скорости этих судов составляют около 22 уз. 27 Малые высокоскоростные суда с динамическим поддержанием — широко используются как на внутренних водоемах, так и в прибрежных районах. Это суда глиссирующие, на подводных крыльях, на воздушной подушке. Их водоизмещение — D = 25 ÷ 500 т, скорости достигают 60 уз. и более. Грузовые суда — составляют подавляющее большинство среди транспортных судов. Они — чемпионы по главным размерениям, водоизмещению, дедвейту, делятся на суда наливные, сухогрузные и комбинированные. Наливные суда предназначены для транспортировки жидких грузов наливом. Здесь различают следующие. Танкеры (продуктовозы) — для перевозки нефтепродуктов (сырая нефть, бензин, керосин и др.). По своим размерам это самые крупные в мире суда — их длина достигает 450 м, водоизмещение — 650 тыс. т. Скорости этих судов весьма скромные — не превышают 16 уз. Более 40 % тоннажа мирового морского флота составляют именно эти суда. Газовозы — служат для транспортировки сжиженного газа. Это крупные суда, хотя по габаритам они и уступают танкерам. Грузовые помещения газовозов весьма сложной конструкции — они должны выдерживать высокое давление, а температура в них должна поддерживаться низкой. Скорости крупных газовозов достигают 20 уз. Химовозы — относительно небольшие по сравнению с танкерами суда. Их особенностью является большое, доходящее до 45, количество танков, предназначенных для перевозки разнообразных жидких химикалий. Комбинированные суда — могут использоваться для транспортировки жидких и сухих, массовых грузов, как одновременно, так и порознь. Соответственно их грузовые помещения могут быть приспособлены для обоих типов грузов либо быть специализированными. По своим характеристикам они мало отличаются от навалочников и наливных судов. Сухогрузные суда — подразделяются на две группы: первая из них — навалочники, суда для транспортировки массовых (навалочных, насыпных) грузов. Второй тип судов предназначен для грузов генеральных, т. е. тех, которые представляют собой отдельные места либо находятся в упаковке. Встречаются также и многоцелевые суда, способные перевозить все категории сухих грузов. Навалочники, часто называемые еще и балкерами, — предназначены для транспортировки насыпных грузов, таких как руда, цемент, уголь, удобрения, зерно и т. д. Это сравнительно тихоходные суда, по габаритам уступающие только танкерам. Суда для генеральных грузов — могут быть универсальными — для любых грузов, либо специализированными, для конкретного типа груза. Сегодня последние весьма разнообразны, основные среди них следующие. Контейнеровозы. Контейнер — это стандартный тип тары, предназначенный для перевозки разнообразных грузов различными видами 28 транспорта (морского, речного, железнодорожного, автомобильного). Контейнер представляет собой металлический ящик в форме параллелепипеда с унифицированными размерами. Поперечное сечение его — квадрат со сторонами В × Н = (8 × 8) фт = (2,44 × 2,44) м, длина может составлять 10, 20 или 40 фт (соответственно 3,05; 6,10 или 12,2 м). Грузовместимость контейнеровозов определяется в условных единицах TEU — Transport Equivalent Unit — по габаритам, соответствующим 20-футовым контейнерам. Контейнеровозы — крупные быстроходные суда, их водоизмещение может превышать 100 тыс. т, а скорость достигать 30 уз. и более Так, введенный в строй в 2008 г. контейнеровоз Emma Maersk длиной около 400 м, водоизмещением около 200 тыс. т и грузовместимостью 13 тыс. TEU имеет скорость порядка 26 уз. Лихтеровозы (баржевозы) — тоже достаточно крупные суда, перевозящие лихтеры. Последние представляют собой баржи стандартных размеров и упрощенных обводов. Погрузка и разгрузка лихтеров осуществляется с воды, что делает эти суда незаменимыми для обслуживания портов и прибрежных районов, плохо оборудованных грузовыми устройствами. Суда с горизонтальным способом грузообработки. Их еще называют накатными, трейлерными судами, ролкерами. Погрузка и разгрузка осуществляется накатом через специальные ворота в носовой и кормовой части таких судов, а также в их бортах. Колесная техника перемещается своим ходом, другие виды грузов — с помощью автопогрузчиков. Обычно ролкеры — достаточно крупные и скоростные суда. Автомобилевозы — весьма своеобразные многопалубные, с большим надводным бортом суда. Большое количество палуб необходимо для размещения большого количества легковых автомобилей, число которых может достигать 5—6 тыс. Естественно, что это суда накатные, перемещение автомобилей между палубами осуществляется с помощью лифтов либо пандусов. Железнодорожные паромы — используются для регулярных перевозок железнодорожных составов на постоянных линиях. Это позволяет значительно сократить время транспортировки грузов, избежав при этом пересечения нескольких сухопутных границ и уменьшив расстояние. Так, например, некоторое время назад успешно функционировала паромная линия между портом Ильичевск, расположенном недалеко от Одессы, и портом Варна в Болгарии. Линию обслуживали специально построенные для этой цели железнодорожные паромы «Герои Шипки» и «Герои Плевны». Лесовозы — транспортируют лес-кругляк либо пиломатериалы в унифицированных пакетах. Особенностью этих судов является малый надводный борт, а также и то, что значительное количество груза (до 30 %) располагается на палубе. При этом остойчивость судна не страдает — входя в воду при крене, палубный груз повышает восстанавливающий момент и препятствует опрокидыванию лесовоза. 29 Суда для тяжеловесных грузов — могут на верхней палубе транспортировать крупногабаритные грузы массой 1000 т и более, например плавучие буровые установки. По конструктивным признакам, способу выполнения грузовых операций и грузовому оборудованию суда подобного типа существенно различаются между собой. Промысловые суда — предназначены для добычи, переработки и транспортировки морепродуктов. Размеры промысловых судов изменяются в очень широких пределах — их водоизмещение колеблется от 50 (малый сейнер) до 50 тыс. т (большие промысловые базы). Добывающие суда — это траулеры, сейнеры, краболовы, лангустоловы, зверобойные суда и др. К добывающе-перерабатывающим судам относятся большие морозильные траулеры-рыбозаводы, морозильные траулеры и др. Перерабатывающие суда — плавучие базы принимают и перерабатывают улов и обслуживают экипажи малых добывающих судов. Транспортные суда — рефрижераторы, принимают улов с не имеющих собственного морозильного оборудования судов и транспортируют его на берег. Служебные суда предназначены для обеспечения нормального функционирования транспортных и промысловых судов. В эту категорию входят следующие. Ледоколы, обязанность которых поддерживать навигацию в ледовых условиях. Самые мощные из них, отечественные атомные ледоколы, способны непрерывным ходом преодолевать ледовые поля толщиной до 2,5 м. Буксиры — служат для буксировки судов в открытом море, в портах и гаванях. Буксиры-спасатели — самые крупные представители этого класса, оказывают помощь судам, терпящим бедствие, — получившим пробоины, охваченным пожаром и т. д. Спасатели имеют значительное водоизмещение (до 15 тыс. т и более), обладают достаточно высокой скоростью — до 20—22 уз. Научно-исследовательские суда — предназначены для систематических научных исследований, они несут космическую службу, изучают проблемы гидрографии, океанологии, метеорологии, морские и атмосферные явления. Учебные и учебно-производственные суда — предназначены для подготовки специалистов морского флота, которые, обучаясь в высших и средних мореходных училищах, проходят на этих судах плавательную практику. Суда технического флота — обслуживают портовое хозяйство, водные пути, другие суда; обеспечивают хозяйственные нужды (подводную добычу полезных ископаемых и др.). Сюда входят следующие. Дноуглубительные снаряды — используются для поддержания необходимой глубины портов, фарватеров, других водных коммуникаций. 30 Грунтоотвозные шаланды — работают совместно с земснарядами, их назначение полностью соответствует названию. Плавучие доки — предназначены для подъема из воды судов, их осмотра, окраски, ремонта. Плавучие краны осуществляют грузовые операции, в том числе связанные с подъемом малых судов на берег. Технические средства освоения океана (ТСОО) — включают разнообразные суда и плавучие объекты: буровые суда, суда для добычи полезных ископаемых со дна моря, плавучие буровые установки (ПБУ), подводные аппараты и т. д. Класс судна. Технический надзор за постройкой и эксплуатацией всех судов осуществляется классификационными обществами различных стран. Среди них: Английский Ллойд, самое старое (основанное в 1834 г.) общество, а также Германский Ллойд, Французское и Норвежское бюро Веритас и др. В нашей стране государственным органом технического надзора является Российский морской регистр судоходства, который определяет условия, гарантирующие безопасность плавания судов. Кроме выполнений функций надзора Регистр разрабатывает обязательные для судостроителей правила и технические нормы постройки судов, а также присваивает судну класс в соответствии с его назначением и районом плавания. Классификационное свидетельство, выдаваемое Регистром, означает, что судно полностью отвечает всем требованиям Регистра, в том числе всем требованиям в отношении прочности и мореходности, т. е. тех качеств, которые в основном рассматриваются в учебнике. Класс судна записывается в виде основных символов и дополнительных знаков. Основными символами класса судна, построенного по правилам отечественного классификационного общества — Российского морского регистра судоходства, являются звездочка, вписанная в окружность, и проставленные перед ней буквы КМ — для самоходного и К — для несамоходного судна. Дополнительные знаки информируют о других важнейших особенностях судна: — категории ледовых усилений по мере убывания их прочностных качеств — Ice 1, Ice 2, Ice 3, Arc 4, Arc 5, Arc 6, Arc 7, Arc 8, Arc 9 (до 1999 г. категории ледовых усилений обозначались другими знаками: Л4, Л3, Л2, Л1, УЛ, УЛА); — степени обеспечения непотопляемости — цифра, заключенная в квадрат, указывает, затопление какого количества отсеков выдерживает судно; — наличии усиленной противопожарной защиты — буква F; — ограничении района плавания — I, II, ПСП, III районы, либо неограниченном районе — без специального знака; — знаке автоматизации судовой энергетической установки А1 или А2, в первом варианте более высокая степень автоматизации — позволяет плавать без постоянной вахты в машинном отделении; — назначении судна. 31 Так, например, класс отечественного атомного лихтеровоза «Севморпуть» записывается следующим образом: КМ УЛ 1 FA1 лихтеровоз. Это — самоходное судно, построенное под наблюдением Российского морского регистра судоходства, неограниченного района плавания, имеющее усиленные ледовые подкрепления (УЛ по современной классификации соответствует знаку Arc 7), остающееся на плаву при затоплении любого одного отсека, удовлетворяющее дополнительным требованиям Правил по противопожарной защите, с объемом автоматизации энергетической установки, допускающим эксплуатацию судна без постоянной вахты в машинном отделении и центральном пульте управления, оборудованное атомной ЭУ, предназначенное для перевозки лихтеров. Класс судна присваивается, возобновляется или восстанавливается на определенный классификационным обществом срок с выдачей классификационного свидетельства, в котором удостоверяется, что судно отвечает всем требованиям, предъявляемым к его прочности и мореходности. Корабли военно-морского флота. В состав ВМФ входят боевые корабли и суда обеспечения. Среди последних буксиры, ледоколы, наливные, транспортные и другие суда, о которых шла речь выше. Боевые корабли по характеру движения делятся на подводные и надводные. Подводные лодки, в свою очередь, по типу главной энергетической установки бывают атомные (ПЛА) и дизельные (ДПЛ). Основное назначение подводных лодок обоих типов в значительной степени определяется вооружением, которое для них характерно. Это могут быть баллистические и крылатые ракеты, ракетно-торпедное вооружение. Разнообразны и цели ПЛ: здесь фигурируют сухопутные объекты, отдельные корабли и их соединения. От назначения и типа вооружения в значительной степени зависят водоизмещение и скорость отдельных ПЛ. Так, масса самых крупных ПЛА с баллистическими ракетами в подводном положении достигает 25 тыс. т и более, в то время как скорость их обычно не превышает 25 уз. ПЛА с ракетно-торпедным вооружением имеют более скромное водоизмещение, а вот максимальная подводная скорость самой «быстрой» в мире отечественной подводной лодки, имеющей массу около 3600 т, превышает 40 уз. Рабочая глубина погружения современных ПЛ также зависит от их типа и назначения, она изменяется в пределах 300—1000 м. Боевые надводные корабли (БНК) основных классов включают следущие. Авианесущие корабли — авианосцы — водоизмещение самых крупных из них достигает 100 тыс. т. Основное вооружение ударных авианосцев — самолеты и вертолеты различных типов; ракетное и артиллерийское оружие играет здесь вспомогательную роль. Крейсера — многоцелевые БНК водоизмещением, как правило, более 10 тыс. т, несущие ракетное, артиллерийское и торпедное оружие. 32 Эсминцы — БНК водоизмещением D = 6000 ÷ 10 000 т. Фрегаты — корабли водоизмещением D = 2000 ÷ 6000 т. Корветы — БНК меньших размеров, D = 500 ÷ 2000 т. Боевые катера — корабли, водоизмещение которых обычно не превышает 500 т. Перечисленные БНК, от эсминцев до катеров включительно, — многоцелевые. В их задачу входит борьба с кораблями противника, противолодочная и противовоздушная оборона. Каждый из этих БНК выполняет эти задачи в меру своих возможностей: вооружения и скорости, которая обычно возрастает по мере уменьшения размеров. Самые быстроходные боевые катера на подводных крыльях и воздушной подушке движутся со скоростями 60 уз и более, отечественные корабли-экранопланы имеют скорости около 200 уз. Уместно отметить, что признанным лидером в создании высокоскоростных боевых катеров является Россия, самые выдающиеся отечественные корабли этого класса заслуженно внесены в книгу рекордов Гиннеса. Минно-тральные корабли — включают минные заградители и тральщики, назначение которых соответствует их наименованиям. Десантные корабли — замыкают краткий перечень боевых надводных кораблей основных типов. 1.5. Плавучесть судна Плавучестью называется способность судна плавать в заданном положении относительно поверхности воды. Имеется в виду, что судно может плавать по поверхности либо в полностью погруженном положении, при этом считается, что оно не имеет хода либо его скорость настолько мала, что силами гидродинамической природы можно пренебречь. Здесь и в дальнейшем, в остальных разделах теории корабля, будем полагать судно бесконечно жестким, недеформируемым телом. Это очередное допущение, однако, как показывает практика, учет деформаций корпуса при изучении мореходных качеств судна, существенно усложняя расчеты, не повышает их точности, а тем более не вносит качественных изменений в их результаты. На плавающее в покое судно действуют две вертикальные, равные между собой и противоположно направленные силы: сила тяжести G и сила плавучести γV: G = γV, (1.19) где γ = ρg — удельный вес; ρ — плотность (ρ = 1 т/м3 для пресной и ρ = 1,025 т/м3 для морской) воды; g — ускорение свободного падения. Равенство (1.19) представляет собой выражение известного со школьной скамьи закона Архимеда, в связи с чем силу плавучести часто называют архимедовой. 33 G K C TV Рис. 1.8. Силы, действующие на плавающее судно Сила тяжести судна G приложена в центре его тяжести, а сила плавучести — в центре величины (рис. 1.8). Только равенства этих сил недостаточно для обеспечения равновесия судна, необходимо еще и равенство нулю суммы моментов этих сил относительно координатных осей: Gx g − γVx c = 0; (1.20) Gy g − γVy c = 0, (1.21) где xg, yg — координаты центра тяжести судна; хс, ус — координаты центра величины. В силу симметрии корпуса относительно ДП ус = 0, соответственно для того, чтобы судно плавало прямо (θ = 0), необходимо распределить нагрузку, составляющую силу его тяжести, таким образом, чтобы и yg = 0. (1.22) Из (1.19) и (1.20) вытекает второе требование к положению центра тяжести судна, плавающего прямо и на ровный киль: xg = xc. (1.23) Координаты центра величины определяются только формой подводной части судна и для каждой заданной осадки (заданного водоизмещения) легко находятся, в частности, с помощью кривых элементов теоретического чертежа. Сила тяжести судна рассчитывается путем суммирования отдельных статей нагрузки, включающих корпус, главные и вспомогательные механизмы, оборудование, устройства, системы, запасы воды, топлива, экипаж судна и пассажиров, перевозимый груз и т. д.: G = ∑ pi , (1.24) где рi — сила тяжести отдельной статьи нагрузки. Координаты центра тяжести судна находят с использованием известных из курса теоретической механики зависимостей: xg = ∑ pi xi ; y = ∑ pi yi ; z = ∑ pi zi . g g G G G (1.25) Отдельные грузы на судне должны размещаться таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий (1.22) и (1.23). Положение центра 34 тяжести по высоте (величина zg) также не может быть произвольным. Его выбирают таким, чтобы оно отвечало требованиям обеспечения остойчивости. Грузовой размер (см. рис. 1.5) представляет собой однозначную зависимость водоизмещения от осадки для судна, сидящего на ровный киль (j = 0). В процессе эксплуатации, особенно в балластных пробегах, зачастую имеет место значительный дифферент. Для определения водоизмещения судна в этом случае служит диаграмма Г. А. Фирсова (рис. 1.9). На ней по координатным осям отложены осадки носом и кормой, определяющие дифферент судна. Нанеся на диаграмму точку, отвечающую заданным (известным) значениям Тн и Tк, легко найти объемное водоизмещение V судна и соответствующую ему абсциссу центра величины хс. Диагональ диаграммы (пунктирная линия) относится к судну, сидящему на ровный киль (j = 0), т. е. соответствует грузовому размеру. Tк xc = co ns D = co ns t t Тн Рис. 1.9. Диаграмма Фирсова Осадку судна определяют по маркам углублений (маркам осадки), которые наносят на оба борта в носу и корме судна, а также и в районе миделя. Осадки на этих марках отмечают через дециметр, отсчитываются они от нижней кромки горизонтального киля. Изменение осадки судна при грузовых операциях. Любое изменение нагрузки приводит к изменению левой части уравнения (1.19), что автоматически отражается как на величине объемного водоизмещения, так и на осадке судна. Очевидно, что прием груза влечет за собой вхождение в воду дополнительного объема ΔV, удовлетворяющего условию, аналогичному (1.19): p = γΔV. (1.26) В свою очередь, если груз не очень велик, то изменение осадки ΔT будет также небольшим, в пределах которого площадь ватерлинии S практически останется постоянной. Тогда дополнительно вошедший в воду объем 35 ΔV = SΔT, (1.27) и с учетом (1.26) получим элементарную зависимость изменения осадки при приеме (снятии) груза р: ΔT = p/γS = m/ρS. (1.28) Выражения (1.27) и (1.28), строго говоря, справедливы лишь для прямобортного [когда S ≠ f(Т)] судна, однако практика показывает, что их использование не приводит к существенным ошибкам, если сила тяжести груза не превышает р = 10 ÷ 12 % G. Из (1.28), положив ΔT = 1 см = 0,01 м, легко получить выражение для так называемого числа тонн на сантиметр осадки: q = γS/100g = ρS/100, (1.29) где q — масса груза, прием (снятие) которого приводит к изменению осадки на 1 см. Тогда вместо (1.28) для практических расчетов удобно использовать формулу ΔT = m/q, (1.30) где ΔT — изменение осадки, см; т — масса принимаемого (снимаемого) груза, т. Из (1.28) и (1.29) следует, что для решения задач, связанных с грузовыми операциями, необходима строевая по ватерлиниям (см. рис. 1.4). Зависимости (1.28) и (1.30) используются для контроля осадки в процессе эксплуатации судна, учета влияния на осадку расходования топлива, воды и т. д. Коэффициент полноты площади ватерлинии изменяется в достаточно узких пределах (см. параграф 1.2), поэтому, приняв его среднее значение α = 0,78, плотность морской воды ρ = 1,025 т/м3 с учетом (1.2) и (1.29), вместо (1.30) запишем ∆T = 1,25 m , м, LB (1.31) где т — масса груза, т; L, В — длина и ширина судна по рассматриваемую ВЛ, м. Формулу (1.31) можно использовать для экспресс-оценки изменения осадки при грузовых операциях. Строго говоря, грузовая операция кроме изменения осадки в общем случае должна приводить и к появлению углов крена и дифферента, т. е. к изменению посадки в целом. Для определения этих углов мы пока не обладаем достаточной информацией, поэтому сформулируем задачу несколько иначе: какие условия должны быть выполнены, чтобы прием малого груза не сопровождался ни креном, ни дифферентом? 36 Очевидно, что крен не появится, если ордината центра тяжести груза ур = 0, т. е. находится в ДП. Чтобы не возник дифферент, моменты силы тяжести груза и дополнительной силы плавучести должны быть равны, или, другими словами, сила тяжести и сила плавучести должны лежать на одной вертикали. Поскольку дополнительный, входящий в воду объем, представляет собой призму, основанием которой является ватерлиния, то абсцисса центра тяжести этого объема равна абсциссе центра тяжести площади ВЛ. Таким образом, для отсутствия дифферента необходимо выполнение условия хр = хF. (1.32) Сказанное выше справедливо для относительно небольшого груза. Когда груз велик, задачу можно решать в несколько этапов, разделив его на части, к которым применимы зависимости (1.28) и (1.30). Однако при этом не исключена ощутимая ошибка: формулы (1.28) и (1.30) приближенные, погрешность может накапливаться. Проще и надежнее использовать грузовой размер (см. рис. 1.5), отложив на котором требуемое приращение подводного объема ΔV = ρ/γ, сразу найдем изменение осадки ΔT (рис. 1.10). T ΔT T V V ΔV = ρ/γ Рис. 1.10. Определение изменения осадки при приеме груза Эти же задачи, связанные с грузовыми операциями, могут эффективно решаться с помощью так называемой грузовой шкалы (рис. 1.11). Она представляет собой номограмму, на вертикальных шкалах которой откладывают водоизмещение в соленой и пресной воде, дедвейт, осадку и высоту надводного борта судна. Здесь же наносят и число тонн на сантиметр осадки, а также некоторые элементы поперечной и продольной остойчивости — возвышение малого метацентра, момент, дифферентирующий на 1 см. По одной из известных величин (D, T, Dw и др.) находят все остальные, причем для этого не требуется производить никаких выкладок. В связи с этим грузовую шкалу широко используют в процессе эксплуатации, она входит в число штатных судовых документов. Основанием для построения грузовой шкалы служат элементы теоретического чертежа, в частности строевая по ватерлиниям, грузовой размер, кривые аппликат центра величины и метацентрических радиусов. 37