Контроль и регулирование движения судна.

 

Ходкость—способность судна развивать с помощью движителей за­данную скорость, преодолевая сопротивление окружающей среды — воды и воздуха. Сила сопротивления движению судна зависит от физических свойств среды. Важнейшими физическими характеристика­ми жидкости являются плотность и вязкость.

Плотностью называется величина, определяемая отношением мас­сы вещества к занимаемому им объему, т/м³

 

   r = m/V₁

 

где т — масса жидкости, т;

 V₁ — объем, м⁸.

 

Вязкость (внутреннее трение) — свойство жидкостей оказывать со­противление перемещению одной их части относительно другой. При течении вязкой жидкости в трубе ее скорость возрастает от нулевого значения у стенки трубы до максимального значения на оси. Между слоями, движущимися с разными скоростями, действуют касатель­ные силы внутреннего трения: слой, перемещающийся быстрее, увле­кает за собой слой, движущийся медленнее, а тот в свою очередь тор­мозит первый. Вязкость жидкостей увеличивается с понижением тем­пературы; она характеризуется коэффициентами динамической  и кинематической v вязкости.

Вязкость жидкости, а также шероховатость поверхности вызывают изменение скорости обтекания вблизи поверхности корпуса. Благодаря молекулярным силам сцепления частицы воды, непосредственно сопри­касающиеся с обшивкой корпуса, как бы прилипают к ней и движутся со скоростью, равной скорости судна. По мере удаления от поверхно­сти корпуса скорость частиц в слое воды уменьшается. На некотором удалении частицы имеют скорость невозмущенного потока. Зона, в ко­торой наблюдается изменение скоростей движения частиц жидкости, называется пограничным слоем.

Относительное смещение слоев воды в пограничном слое и измене­ние при этом гидродинамического давления вдоль смоченной поверх­ности корпуса вызывают сопротивление движению судна.

Полное сопротивление движению судна складывается из пяти основ­ных составляющих:

 

  R = R_T + R_Ф + R_B + R_BЧ + R_возд

 

Сопротивление трения R_T — равнодействующая сил трения, возни­кающих вследствие вязкости воды между корпусом движущегося суд­на и ближайшими к нему слоями воды пограничного слоя. Сопротив­ление трения зависит от скорости судна, размеров и формы смоченной поверхности корпуса и степени ее шероховатости:

 

 R_T = x _T (r /2) v² W

 

где x _T — безразмерный коэффициент сопротивления трения;

 v — скорость судна, м/с;

 W — площадь смоченной поверхности корпуса, м².

 

Площадь смоченной поверхности определяют по теоретическому

чертежу или эмпирической формуле:

 

 W = L(1,36T + 1,13 d В),

 

где L, В, Т — главные размерения судна, м;

  d — коэффициент полноты во­доизмещения корпуса.

 

Снижение сопротивления трения на практике достигают устране­нием шероховатости наружной обшивки, периодическими очисткой и окраской подводной части корпуса стойкими и самополирующимися красками мелкой зернистости, планомерной борьбой с обрастанием корпуса водорослями и ракушками у судов смешанного плавания.

 

Сопротивление формы R_Ф образуется при понижении давления во­ды за кормой судна и появлении добавочных сил, препятствующих его движению. Равнодействующая сил, возникающих вследствие разности гидродинамических давлений вдоль корпуса и зависящих от его фор­мы, называется сопротивлением формы:

 

   R _Ф = x _Ф (r /2) v ² W

где x _Ф — безразмерный коэффициент сопротивления формы.

Сопротивление формы может быть уменьшено при проектировании корпуса судна путем улучшения его обтекаемости, увеличения отноше­ния L/B и обеспечения примыкания кормовых ветвей ватерлинии к ДП в подводной части корпуса под возможно меньшими углами.

Волновое сопротивление R_B обусловлено влиянием волн на распре­деление гидродинамических давлений вдоль смоченной поверхности судна:

 

R _В = x _В (r /2) v ² W

 

где _В — безразмерный коэффициент волнового сопротивления (находят по специальным графикам, составленным по результатам модельных испытаний судна).

 

Для уменьшения волнового сопротивления задаются возможно большими значениями отношения L/B и коэффициента продольной пол­ноты. При прочих равных условиях достигается значительное умень­шение волнового сопротивления у катамаранов. С целью снижения волнового сопротивления корпуса морских судов изготовляют с носо­выми бульбами.

Сопротивление формы и волно­вое сопротивление образуют оста­точное сопротивление, определяе­мое по модельным испытаниям судна в опытовом бассейне:

 

 R_O = R_Ф + R_B

 

Сопротивление выступающих частей R_BЧ образуется сопротивлением рулей, насадок, кронштейнов гребного вала и других выступающих частей корпуса. Конструкторы стремятся уменьшить сопротивление выступающих частей, придавая им хорошо обтекаемую форму и сокра­щая их число.

Сопротивление воздуха R_В03Д характеризует воздействие на судно воздушной среды. При проектировании судна для уменьшения сопро­тивления воздуха надстройкам придают обтекаемую форму и макси­мально уменьшают их размеры.

 

Двигатели и движители.

 

Двигатели, с помощью которых судно приво­дится в движение, называются главными. Главные двигатели вме­сте с оборудованием, необходимым для их работы, составляют главную энергетическую установку судна.

На морских судах в качестве главных двигателей устанавли­вают двигатели внутреннего сгорания (дизели), реже — паровые и газовые турбины. На судах старой постройки сохранились паро­вые машины. Все перечисленные двигатели являются тепловыми, т. е. вырабатывают механическую энергию из тепловой. Теплота выделяется при сгорании нефтяного топлива или, в атомных уста­новках, при делении атомных ядер.

Тепловые двигатели различают по роду рабочего тела, при рас­ширении которого теплота превращается в работу. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах рабочим телом служит смесь газов, получаемая при сгорании топлива. В паровых маши­нах и турбинах рабочим телом служит водяной пар.

Судовые дизели. Двигатель, в котором топливо сгорает непо­средственно внутри рабочего цилиндра, называется двигателем внутреннего сгорания. Если при этом воспламенение топлива осу­ществляется за счет температуры сжатия воздушного заряда, дви­гатель называется дизелем. Смесь газов, образующихся при сго­рании топлива, имеет высокое давление и температуру. Расширя­ясь внутри цилиндра, газы перемещают поршень и движение его передается через кривошипно-шатунный механизм коленчатому валу. Для получения большей мощности и равномерного вращения вала двигатели делаются многоцилиндровыми. Мощ­ность судовых дизелей бывает самой различной: от нескольких десятков лошадиных сил — на небольших катерах до 30—40 тыс. л. с.— на крупнотоннажных судах.

Основные достоинства дизеля перед другими двигателями — наименьший расход топлива (150—180 г/л с.-ч) и сравнительно небольшое вспомогательное оборудование. За счет меньших запа­сов топлива и меньших размеров машинного отделения увеличива­ется полезная грузоподъемность судна. Однако при мощности свы­ше 10—20 тыс. л. с. установка становится громоздкой и не всегда выгоднее турбинной.

Судовые паровые турбины работают на ином принципе. Свежий пар подводится в направляющий аппарат (сопло), где расширяется и приобретает большую скорость. Из сопла струя па­ра направляется на рабочие лопатки турбинного диска, который жестко закреплен на валу. Передавая лопаткам свою энергию, пар заставляет диск, а вместе с ним и вал вращаться со скоростью нескольких тысяч оборотов в минуту. Направляющий аппарат и диск с лопатками называются ступенью турбины. Рассмотренная простейшая турбина является одноступенчатой.

Главные турбины делаются многоступенчатыми. Ступени обыч­но размещают в двух корпусах — турбине высокого дав­ления (ТВД) и турбине низкого давления (ТНД). Отработав последовательно во всех ступенях, пар выпускается из ТНД в кон­денсатор. Полученная пресная вода снова направляется в глав­ные котлы для образования пара. Мощность обеих турбин пере­дается на гребной винт через зубчатый редуктор, с которым тур­бины образуют единый главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА). Для осуществления реверса в корпусе ТНД установлена турбина заднего хода (ТЗХ).

Паротурбинные установки уступают дизельным в экономично­сти (расход топлива 180—250 г/л. с.-ч.), но могут быть построены на большую мощность при сравнительно небольших габаритах. Благодаря равномерному вращению вала турбины отличаются ис­ключительно малым износом деталей.

Паровые турбины применяют в основном на крупных судах, где требуется мощность более 10—20 тыс. л. с, а также на судах с атомными реакторами. Мощность существующих ГТЗА достигает 70—80 тыс. л. с, причем на судне иногда устанавливают до четы­рех таких агрегатов.

Судовые газовые турбины. Принцип работы простейшей газо­турбинной установки (ГТУ) показан на рис. 25. Воздух из атмо­сферы засасывается компрессором, сжимается и затем подается в камеру сгорания, куда одновременно впрыскивается топливо. Об­разующиеся при сгорании топлива газы поступают в турбину и приводят ее в движение. Турбина вращает компрессор и гребной винт.

Компрессор, камера сгорания и турбина собираются в единый агрегат. Для первоначального раскручивания турбины служит пусковой электродвигатель, питающийся током от вспомогатель­ного дизель-генератора. Реверс осуществляется обычно с помощью винта регулируемого шага.

Судовые ГТУ по экономичности близки к паровым турбинам, а по весу и габаритам — наиболее легкие и компактные из всех применяемых двигателей. Мощность судовых ГТУ достигает 30 тыс. л. с. в агрегате. На морских судах ГТУ стали применять сравнительно недавно, по мере накопления опыта эксплуатации и совершенствования конструкций они должны получить значи­тельное распространение.

Судовые атомные установки. Источником тепловой энергии в этих установках служит атомный реактор, в котором происходит деление ядер урана и других расщепляющихся материалов. На рис. 26 показана схема атомной энергетической установки ледоко­ла «Ленин». Установка выполнена двухконтурной. В первом кон­туре теплоносителем служит обычная дистиллированная вода под высоким давлением, циркулирующая через реактор. Теплота, вы­деленная в результате атомной реакции, непрерывно отводится этой водой в парогенераторы, где вырабатывается пар второго контура, используемый для работы четырех главных турбин мощ­ностью по 11 тыс. л. с.

Каждая турбина приводит в действие через редуктор два гене­ратора постоянного тока напряжением 600 В. Через главный рас­пределительный щит электроэнергия питает средний гребной элект­родвигатель мощностью 19,6 тыс. л. с. и два бортовых по 9,8 тыс. л. с. Для защиты экипажа от вредных излучений реакторы и все агрегаты первого контура окружены надежной биологической за­щитой из слоя воды и стальных плит.

Основное преимущество судов с атомными установками — практически неограниченная дальность плавания без пополнения запасов топлива. Суточный расход ядерного горючего не превы­шает нескольких десятков граммов, а смену тепловыделяющих элементов в реакторах можно производить один раз в два-три года.

Передачи. Мощность главных двигателей может передаваться на гребной винт посредством прямой, зубчатой или электрической передачи (рис. 27).

Прямая передача представляет собой валопровод, со­стоящий из нескольких соединенных в одну линию валов, лежащих в опорных подшипниках. Наиболее ответственные узлы валопровода — главный упорный подшипник и дейдвудное устройство. Глав­ный упорный подшипник воспринимает упорное давление, созда­ваемое гребным винтом, и передает его корпусу судна. Дейдвудное устройство служит опорой для концевого (дейдвудного) вала и одновременно уплотнением места выхода вала наружу.

Прямая передача самая простая и распространенная. Однако она применима в основном при малооборотных двигателях, так как у большинства судов наибольший к. п. д. "гребного винта достига­ется при частоте вращения 100—200 об/мин.

Если дизель или турбина имеет большую частоту вращения, чем требуется для винта, применяют зубчатую передачу, при которой между двигателем и валопроводом включен понижающий зубчатый редуктор. Быстроходные двигатели при равной мощности имеют меньшие размеры и массу, поэтому, несмотря на наличие ре­дуктора, установка в целом получается более компактной и лег­кой. Достоинством передачи является и то, что она позволяет ра­ботать на один винт нескольким двигателям, часть из которых можно при желании отключать с помощью гидромуфт. Однако в зубчатой передаче теряется 2—3% полезной мощности.

При электрической передаче главные дизели или тур­бины приводят в движение генераторы, а электроэнергия от них питает гребные электродвигатели, которые вращают винты. Элект­ропередача обеспечивает судну высокие маневренные качества, по­этому широко применяется на ледоколах, ледокольно-транспортных судах, паромах, буксирах-спасателях, на некоторых пассажирских судах. Недостаток передачи — сложность оборудования, значитель­ная потеря мощности (10—15%).

Судовым движителем называется специальное устройство для пре­образования работы главного двигателя или другого источника энер­гии в полезную тягу, которая обеспечивает поступательное движение судна.

К судовым движителям относят гребные винты, гребные колеса, водометные и крыльчатые движители.

Гребной винт представляет собой гидравлический механизм, лопа­сти которого захватывают забортную воду и сообщают ей дополнитель­ную скорость в направлении, противоположном движению судна. При этом гидродинамические силы, возникающие на лопастях, создают осе­вую равнодействующую силу, называемую упором движителя. Упор движителя передается корпусу судна через жестко связанный с ним упорный подшипник.

Основными характеристиками винта являются:

диаметр — диаметр окружности, описываемой наиболее уда­ленными от оси точками лопастей; у крупных судов диаметр вин­тов может достигать 8—10 м;

шаг — расстояние, которое прошел бы винт за один оборот в плотной среде, при отсутствии скольжения. По величине шаг вин­та близок его диаметру;

частота вращения — число оборотов в минуту на расчетном режиме, при котором винт имеет наибольший к. п. д.; у крупных и средних судов — 100—200 об/мин, у небольших — 500 об/мин и более.

По направлению вращения различают винты правого и левого вращения. Винт правого вращения при переднем ходе вращает­ся по часовой стрелке (если смотреть с кормы в нос). У такого винта, если взгляд наблюдателя направлен перпендикулярно дис­ку винта, правые кромки верхних лопастей расположены дальше, чем левые. У винта левого вращения — наоборот.

Одновинтовые суда чаще имеют винт правого вращения. Двух­винтовые суда для лучшей управляемости оборудуются винтами разного вращения.

По конструкции гребные винты делятся на винты фиксирован­ного и регулируемого шага.

Винты фиксированного шага (ВФШ) — это обычные винты с неизменяемым шагом. Они бывают цельнолитыми или со съемны­ми лопастями. Цельнолитые винты проще в изготовлении, имеют более высокий к. п. д., а потому и самые распространенные. Вин­ты со съемными лопастями применяют главным образом у судов ледового плавания, у которых возможны более частые поломки лопастей. Ступицы и лопасти таких винтов делают стальными.

Винты регулируемого шага (ВРШ) в отличие от ВФШ имеют полую ступицу увеличенного диаметра; в ней размещен механизм, с помощью которого можно поворачивать лопасти вокруг их вер­тикальной оси и тем самым изменять шаг винта. Управляют ме­ханизмом поворота лопастей с мостика посредством привода, рас­положенного в валопроводе.

Конструкция ВРШ позволяет, не изменяя направление и час­тоту вращения винта, осуществлять реверс (задний ход), удержи­вать судно на месте, устанавливать наиболее выгодный шаг винта для разных режимов работы судна. Все это делает судно более маневренным, значительно снижает расход топлива на перемен­ных режимах. Важным достоинством является и то, что ВРШ позволяет применить на судне нереверсивный главный двигатель.

Поэтому, несмотря на сложность конструкции, ВРШ широко используются на промысловых судах, буксирах, паромах, а в по­следние годы —и на крупных транспортных судах. На новых тан­керах типа «Крым» установлен ВРШ диаметром 7,5 м.

 

Если скорость набегающего на винт потока v_р (рис. 20), а радиаль­ная скорость юг, то угол атаки данного элемента сечения лопасти _л оп­ределяется углом между результатирующей скоростью v₁ и линией нулевой подъемной силы (ЛНПС). Подъемная сила и сила лобового со­противления сводятся к результирующей силе Y_в. Одна из ее проекций дает силу полезного упора винта Р_В, а вторая — силу сопротивления вращению R_BP. Момент силы R_BP относительно оси гребного винта пре­одолевается главным двигателем судна.

Гребные винты имеют относительно малую массу, небольшие разме­ры, надежны в эксплуатации, недороги в изготовлении и позволяют ис­пользовать большинство малооборотных главных двигателей без редукторных передач; их КПД достигает 70 %.

 

Рис. 20. Схема действия гребного винта

 

Заключение

 

«Информация об остойчивости» является судовым документом, предназначенным для капитана и судового командного состава в качестве руководства при решении вопросов связанных с практической оценкой безопасности плавания судна при перевозке навалочных грузов.

Данная работа показывает мореходные качества т/х «Андрей Бубнов» и мероприятия по обеспечению безопасного плавания. При данной загрузке судна произведен расчет статической и динамической остойчивости, расчет амплитуды качки, определение опрокидывающего момента, расчет общей продольной остойчивости, рассчитана посадка судна.

 

Ход судна	n, об/мин	мощность ГД, кВт	V, уз. в грузу
ПСМ	50	318	4,3
ПМ	70	458	6,2
ПС	90	643	8,7
ППм	120	872	11,8
ПП	140	1020	13,8

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Н.Г. Смирнов «Теория и устройство судна», М., 1992.

2. А.А. Антонов «Устройство морского судна», М., 1974

3. А.Д. Дидык и др. «Управление судном и его техническая эксплуатация», М., 1990.

4. Г.Г. Ермолаева «Справочник капитана дальнего плавания», М., 1988.