Ходкость

Ходкостью судна называется его способность перемещаться по воде с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы. У транспортных судов различают скорость на испытании и эксплуатационную, т. е. скорость в эксплуатационном режиме работы энергетической установки при средних навигационных условиях.

Движущая сила, вызывающая перемещение судна, создается судовым движителем, натяжением буксирного троса, давлением ветра на парус и пр. Значение движущей силы зависит от мощности главных двигателей, типа движителя, мощности буксира, силы давления ветра и т. д. Лучшей ходкостью из двух близких по размерениям и водоизмещению судов обладает то, которое при одинаковой тяге развивает большую скорость или, наоборот, для достижения одинаковой скорости требует меньшей тяги.

Рис. 159. Схема опытного бассейна

Приложенная к судну тяга затрачивается на преодоление сопротивления движению судна, которое складывается из сопротивления воды и воздушного сопротивления. Наибольшее влияние на ходкость оказывает сопротивление воды, представляющей собой вязкую среду. Это сопротивление складывается из следующих величин: сопротивления трения R_T, вызываемого трением обтекающей корпус воды; сопротивления формы Rф, вызываемого обтеканием корпуса судна вязкой жидкостью и образованием в носовой части зоны повышенного давления, а в кормовой части — зоны пониженного давления и завихрений, тормозящих движение судна вперед; волнового сопротивления R_B, вызываемого волнообразованием от движения судна (в местах повышенного и пониженного давления воды), требующим соответствующей затраты энергии; сопротивления выступающих частей R_BЧ, вызываемого увеличением сопротивления трения и сопротивления формы от выступающих частей корпуса (рулей, скуловых килей, кронштейнов гребных валов и пр.).

Добавляя к сопротивлению воды воздушное сопротивление R_возд. получим полное сопротивление движению судна

R = R_T + Rф+ R_B +R_BЧ + R_возд

Сопротивление трения зависит от скорости судна, вязкости жидкости, площади подводной поверхности судна (так называемой смоченной поверхности) и степени ее шероховатости, которая зависит от качества окраски и сварки корпуса, а также времени пребывания судна в морской воде после докования; со временем подводная поверхность обрастает морскими организмами и шероховатость увеличивается. Сопротивление трения легко поддается точному расчету.

Сопротивление формы и волновое сопротивление, объединенные в одно, так называемое остаточное сопротивление, можно рассчитать только приближенно. Для более точного определения остаточного сопротивления проводят испытания модели судна в опытном бассейне (рис. 159).

В этом случае в бассейне длиной от нескольких десятков до нескольких сот метров буксируют изготовленную из парафина модель корпуса судна с помощью специальной тележки и динамометром фиксируют силу сопротивления движению этой модели. Полученная величина представляет собой полное сопротивление воды движению модели.

Если из нее вычесть величину сопротивления трения модели, то получим остаточное сопротивление, которое может быть пересчитано с модели на натуру, т. е. для натурного судна.

Прибавив к нему вычисленное расчетом сопротивление трения натурного судна, получим полное сопротивление воды.

Воздушное сопротивление движению судна можно найти, испытывая модель надводной части судна в аэродинамической трубе (рис. 4.20). Модель судна помещают в рабочее пространство трубы и обдувают потоком воздуха, скорость которого может быть задана и измерена. Сопротивление модели измеряют с помощью аэродинамических весов.

Полное сопротивление движению судна равно усилию, возникающему в тросе при его буксировке, поэтому его обычно называют буксировочным сопротивлением.

Мощность, необходимая для буксировки судна со скоростью ν, так называемая буксировочная мощность (в кВт или л. с),

EPS = Rν/75.

В этой формуле сопротивление R выражается в Н или кгс, скорость ν — в м/с.

Однако, чтобы обеспечить судну заданную скорость, мощность, подведенная к гребному винту (на гребном валу), должна быть больше буксировочной мощности вследствие неизбежных потерь, возникающих в процессе преобразования энергии, подводимой к гребному винту, в энергию поступательного движения судна.

Отношение буксировочной мощности EPS к мощности на гребном валу N_p называют пропульсивным коэффициентом η = EPS/N_P.

Пропульсивный коэффициент η равен произведению КПД гребного винта η_р на так называемый коэффициент влияния корпуса η_к, зависящий от формы кормовых обводов, местоположения гребного винта и ряда других факторов и равный 0,8—1,2.

У современных судов пропульсивный коэффициент колеблется в пределах 0,55 — 0,75, причем, чем он больше, тем лучше качество движителя и условия его работы за корпусом.

Рис. 160. Схема аэродинамической трубы.

1 — вентилятор; 2 — направляющие лопатки; 3 — труба; 4 — решетки, спрямляющие поток; 5 — сетка; 6 — сопло; 7 — рабочее пространство; 8 — испытываемая модель; 9 — обратный канал

Понятно, что мощность на фланце главного двигателя должна быть больше мощности на гребном валу, чтобы компенсировать потери в редукторе (η_ред = 2-4 %), в подшипниках валопровода (η_вал =2-3 %) или в других специальных передачах (электрической, гидравлической и т. п.).

В результате мощность N_e на фланце главного двигателя при известной

буксировочной мощности может быть определена выражением,

N_e=EPS/η∙ η_ред∙η_вал.

Чтобы приближенно оценить мощность двигателя, необходимого для обеспечения заданной скорости, можно пользоваться формулой адмиралтейских коэффициентов

N_e = D^2/3ν³/C,

где N_e — мощность на валу главного двигателя, кВт;

D — водоизмещение, т;

ν — скорость, уз;

С — адмиралтейский коэффициент.

Значение С определяется по известным величинам N_e и ν близких по размерам однотипных судов. Обычно у морских транспортных судов С = 340÷540.

Доля различных составляющих полного сопротивления зависит от относительной скорости судна, которая выражается так называемым числом Фруда

где Fr — относительная скорость, или число Фруда; ν — скорость, м/с; L — длина судна, м; g — ускорение свободного падения (9,81 м/с²).

Рис. 161. Распределение составляющих полного сопротивления при изменении относительной скорости

Суда, у которых Fr ≤ 0,20, называют тихоходными, 0,20 — 0,25 — среднескоростными, 0,25—0,35 — быстроходными. У тихоходных судов основную долю полного сопротивления (ок. 80 %) составляет сопротивление трения (рис. 4.21). У быстроходных судов, наоборот, растет доля остаточного сопротивления, которое достигает 50—55 % полного. Поэтому при проектировании тихоходных судов особое внимание обращают на уменьшение

сопротивления трения, а при проектировании быстроходных на уменьшение сопротивления формы и волнового сопротивления.

Уменьшения сопротивления трения можно достичь, сократив площадь смоченной поверхности или уменьшив ее шероховатость. Перспективным, особенно для речных судов, является предложенный учеными метод создания «воздушной смазки» под корпусом судна путем подачи воздуха от вентилятора через отверстия, расположенные в носовой части днища.

Снижения сопротивления формы стараются достичь, уменьшая коэффициент общей полноты, улучшая плавность обводов и отрабатывая форму кормовой оконечности.

Для уменьшения волнового сопротивления заостряют носовую оконечность. В ряде случаев применяют бульбовую форму носа, что особенно эффективно на судах с высокой относительной скоростью (более 0,25—0,26), а также на тихоходных судах с большими коэффициентами общей полноты и малыми отношениями L/B, к которым относятся, например, современные танкеры. В частности, на танкерах типа «София» применение «бульбы» позволило на 5 % увеличить скорость при прежней мощности (что равносильно уменьшению мощности, необходимой для достижения заданной скорости, на 15 %, т. е. примерно на 2200 кВт). Применение бульбовых обводов в подводной части носовой оконечности позволяет без ухудшения ходкости сократить длину, увеличить ширину и коэффициент общей полноты, что, в свою очередь, приводит к снижению массы корпуса судна и соответственному повышению его грузоподъемности. Благодаря экономической эффективности таких обводов их широко применяют при создании крупных морских судов.

Рис. 162. Судно на подводных крыльях (схема):

1 — корпус; 2 — стойки; 3 — подводные крылья; 4 — ватерлиния на ходу судна;

5 - ватерлиния на стоянке судна

Большое распространение получили в последние годы суда на подводных крыльях (СПК) (рис. 162). Благодаря укрепленным под корпусом судна пластинам (крыльям), оно по мере разбега и образования на крыльях подъемной силы приподнимается над водой. В результате резко уменьшается сопротивление воды движению судна, и оно развивает большую скорость при относительно небольшой мощности главного двигателя.

Еще большую скорость развивают суда на воздушной подушке (СВП) (рис. 163). Такие суда имеют специальные вентиляторы, которые нагнетают воздух под днище и создают между ним и поверхностью воды воздушную подушку толщиной в несколько сантиметров. Для уменьшения энергетических затрат на поддержание воздушной подушки на новых СВП устанавливают по периметру частично погруженные в воду жесткие (скеги) или гибкие ограждения. СВП может перемещаться вдоль водной поверхности со скоростью 50—60 уз при относительно небольшой мощности двигателей. Пассажирские СВП, в том числе и достаточно крупные, построенные в разных странах, свидетельствуют об их перспективности.

Рис. 163. Судно на воздушной подушке (разрез по воздушному каналу).

1 — вентилятор; 2 — воздушная шахта; 3 — воздушный канал; 4 — отсек

плавучести; 5 — воздушная подушка; 6 — ватерлиния при работающем

вентиляторе; 7 — ватерлиния при неработающем вентиляторе

Так как при движении судна под поверхностью воды полностью отсутствует волновое сопротивление, в последнее время появились проекты подводных транспортных судов, в частности, подводных танкеров водоизмещением 100 000—170 000 т, со скоростью до 30 уз. Однако строительство таких подводных танкеров пока еще нигде не начато.

Качка

Качкой называют колебательные движения около положения равновесия, совершаемые свободно плавающим на поверхности воды судном.

Качка судна возникает, как правило, на взволнованном море под действием набегающих волн. Но она может возникать и на тихой воде, если на судно действуют какие-либо внешние внезапно приложенные (динамические) силы, которыми могут быть шквал ветра, рывок буксирного троса, раскачивание подвешенного груза и пр.

Раскачивание судна под влиянием возмущающих периодических, т. е. действующих через определенные промежутки времени сил, например набегающих волн, называют вынужденными колебаниями судна.

Такие колебания совершаются судном в течение всего времени действия возмущающих сил. Раскачивание судна на тихой воде под влиянием случайной возмущающей силы после прекращения ее действия называют свободными колебаниями судна. Благодаря наличию сил сопротивления качке (трения воды, сопротивления воздуха и пр.) свободные колебания постепенно затухают и прекращаются.

Рис. 164. Параметры качки:

θ₁, θ₂ — амплитуды; θ₁ + θ₂ — размах

Качка, как и любое колебательное движение, характеризуется следующими параметрами, или основными характеристиками (рис. 164): амплитудой — наибольшим отклонением от среднего до крайнего положения качающегося тела; размахом — суммой двух последовательных амплитуд; периодом — временем совершения двух полных размахов; частотой — количеством колебаний в единицу времени (величина, обратная периоду).

Качка судна, вызывающая неприятные ощущения («морскую болезнь») у находящихся на нем людей, опасна и для установленных на судне механизмов и приборов, так как возникающие при изменении направления движения ускорения вызывают появление сил инерции, которые стремятся сдвинуть с фундаментов котлы, главные двигатели и другое оборудование, имеющее большую массу. Эти же силы нарушают нормальную работу механизмов и приборов, поэтому при проектировании судна, когда рассчитывают фундаменты и крепления на них механизмов, учитывают действие сил, возникающих при качке, а судовое оборудование изготовляют в «морском исполнении».

Различают бортовую, килевую и вертикальную качки.

Бортовой качкой называют колебательные движения, судном вокруг склона проходящей в ДП продольной оси (рис. 165).

Рис. 165. Бортовая качка на волнении

Она вызывается волнением при положении судна лагом к волне, т. е. параллельно гребням волн, или при косом курсе к волне, а также упомянутыми выше случайными динамическими силами. Бортовая качка наиболее опасна и неприятна, так как при относительно малом периоде (от 6—9 с у малых судов до 10—15 с у средних и больших судов) и больших амплитудах измеряемых в углах крена (20—30°), возникают большие ускорения, опасные для механизмов и неприятные для людей.

Рис. 166. Элементы ветровой волны:

λ-длина волны; h_в - высота волны; α_max — максимальный угол волнового

Период свободных колебаний при бортовой качке зависит от формы корпуса судна и распределения масс собственно судна и груза. Для приближенного определения периода свободных колебаний судна на тихой воде можно пользоваться известной «капитанской» формулой

,

где Т_б — период бортовой качки судна, с;

В — ширина судна, м;

h — начальная поперечная метацентрическая высота, м;

С — коэффициент, равный для грузовых судов 0,78—0,81; для пассажирских, промысловых баз и научно-исследовательских — 0,85—0,88.

Из приведенной формулы видно, что чем больше начальная метацентрическая высота h, тем меньше период бортовой качки Т_б, т. е. тем порывистее и тяжелее качка. В этом одно из основных затруднений, возникающих при проектировании судна, так как стремление увеличить остойчивость судна приводит к увеличению порывистости качки. Поэтому значение начальной метацентрической высоты приходится выбирать минимально необходимым для обеспечения остойчивости, чтобы бортовая качка не была слишком порывистой.

При плавании судна на волнении, период которого, т. е. время между набеганием на судно двух соседних гребней волн, равен или близок периоду собственных колебаний судна, амплитуды вынужденных колебаний судна достигают наибольших значений. Наступает явление резонанса, которое может привести даже к опрокидыванию судна. Судоводитель должен знать период волны собственных колебаний судна и период волны, который определяют в зависимости от длины волны, измеряемой расстоянием между соседними гребнями (рис. 4.27), по формуле

где τ — период волны, с;

λ — длина волны, м.

В океане чаще всего встречаются волны длиной 90—100 м, высотой 4—5 м и периодом 7— 9 с. Самые длинные из наблюдавшихся волн — 900 м (высота 18— 20 м). При изменении курса или скорости движения судна меняется кажущийся период набегающей волны и судно выходит из резонанса. Для правильного маневрирования на взволнованном море необходимо объективно оценивать степень волнения. Волнение оценивается по девятибалльной шкале Главного управления гидрометслужбы в зависимости от высоты волны (см. табл. 8).

Так как длина океанской волны в 15—35 раз больше ее высоты (в зависимости от бассейна; в среднем — в 20 раз), то, зная степень волнения, можно определить длину и период волн.

Килевой качкой называют колебательные движения, совершаемые судном вокруг поперечной оси. Килевая качка возникает главным образом при движении судна поперек волны (рис. 167). Период килевой качки на тихой воде обычно меньше периода бортовой качки.

Его можно приближенно определить по формуле

где Т_к — период килевой качки, с;

Т — осадка судна, м.

Но вследствие большого сопротивления судна килевой качке и большой продольной остойчивости свободные колебания при килевой качке на тихой воде быстро затухают. Поэтому при плавании судна в разрез волны килевая качка представляет собой только вынужденные колебания и совершается с периодом возмущающей силы, т. е. с периодом набегающей волны.

Рис. 167. Килевая качка

При килевой качке не возникает опасности опрокидывания судна через нос или корму, однако вполне возможно нежелательное заливание или оголение оконечностей и удары корпуса о воду (слеминг). Кроме того, несмотря на малые по сравнению с бортовой качкой амплитуды, ускорения, возникающие при этом в оконечностях, значительно превосходят ускорения от бортовой качки и представляют опасность для расположенных там механизмов.

Рис. 168. Вертикальная качка на волнении:

а — всплытие на вершине волны; б — погружение на подошве волны

Вертикальной качкой называют колебательные движения, совершаемые судном в вертикальной плоскости вверх и вниз и вызываемые изменением сил поддержания при прохождении волны под судном. Если гребень волны находится под средней частью, т. е. более полной, чем оконечности, сила поддержания увеличивается, и судно всплывает (рис. 168, а). Когда под средней частью судна находится подошва волны, силы поддержания уменьшаются, и судно погружается глубже (рис. 168, б). Период вертикальной качки равен периоду волны, а ее амплитуды, измеряемые в метрах, зависят от размеров судна и волнения.

При плавании судна на взволнованном море оно испытывает одновременно бортовую, килевую и вертикальную качку.

Успокоители качки. Для предотвращения неприятных последствий от действия качки на судах применяют успокоители качки, которые по характеру действия делятся на пассивные — неуправляемые, и активные — управляемые.

Самыми простыми успокоителями качки, применяемыми практически на всех судах, являются скуловые (боковые) кили (рис. 169).

Рис. 169. Схема действия скуловых (боковых) килей.

Они представляют собой стальные пластины, установленные в районе скулы примерно на 1/3 длины судна в средней его части. Кили создают дополнительное сопротивление при бортовой качке и способствуют значительному уменьшению амплитуд — в 1,5— 2 раза (на период качки скуловые кили не влияют). Недостатком их является некоторое увеличение сопротивления воды из-за смоченной поверхности, что вызывает уменьшение скорости на 2—3 %. Скуловые кили относятся к числу пассивных успокоителей качки.

Более значительное уменьшение амплитуд бортовой качки можно получить, установив активные боковые рули (рис. 170). По конструкции это такие же рули, как и обычные, но их располагают в плоскости, близкой к горизонтальной, и устанавливают с каждого борта по одному или по два. Рули поворачиваются вокруг своей оси таким образом, чтобы при колебании судна создавалась сила, противодействующая его наклонению на этот борт. После переваливания судна на другой борт рули поворачиваются так, что противодействующая сила создается в обратном направлении. Рули приводятся в действие электрогидравлическими машинами, управляемыми по сигналам датчиков, которые реагируют на направление и скорость наклонения судна.

Недостатком активных боковых рулей является их сложность, высокая стоимость и способность эффективно работать только на ходу судна (при скорости не менее 10—15 уз). Но, несмотря на это, все океанские пассажирские лайнеры оборудуют успокоителями именно этого типа, так как они уменьшают амплитуды качки с 15—20° до 2—3°.

Рис. 170. Активные боковые рули:

а — общий вид; б — схема действия; в — силы, действующие на боковой руль

Для успокоения качки используют также специальные цистерны с переливающейся в них водой (рис. 171).

Цистерны располагают по бортам и соединяют переливными трубами (в двойном дне) и воздушным каналом с разобщающим вентилем (в верхней части цистерн). Диаметр переливных труб и степень открытия вентиля на воздушном канале подбирают таким образом, чтобы при качке судна переливание воды с борта на борт несколько отставало от наклонения судна и тем самым создавало кренящие моменты, противодействующие наклонению. Успокоительные цистерны бывают пассивные, в которых вода переливается самотеком, и активные — в них воду перекачивают специальными насосами.

Большое распространение получили в последнее время пассивные успокоители качки типа «Флюм», состоящие из трех цистерн, расположенных поперек судна и соединенных между собой отверстиями в переборках, или перетоками (рис. 172).

Уменьшение качки происходит за счет переливания жидкости из цистерны одного борта в цистерну противоположного борта через среднюю цистерну. Сечения переливных отверстий (перетоков) подбирают заранее расчетным путем так, чтобы при качке судна образовывались препятствующие раскачиванию моменты от медленно перетекающей с борта на борт жидкости. Обычно в цистернах этого типа в качестве рабочей жидкости используют груз (на танкерах), топливо или жидкий балласт. Масса рабочей жидкости должна составлять примерно 2—3 % водоизмещения судна. Цистерны типа «Флюм» уменьшают амплитуды качки в 1,3—1,6 раза.

Рис. 171. Пассивные успокоительные цистерны.

1 — воздух; 2 — вода; 3 — переливная труба в двойном дне; 4 — соединительный воздушный канал; 5 — воздушный вентиль

Рис. 172. Успокоительные цистерны (типа «Флюм» на танкере).

1 — рабочая жидкость (груз — нефть, или балласт); 2 — отверстия; 3 — продольные переборки

Успокоения килевой качки в принципе можно добиться, установив управляемые горизонтальные рули (типа боковых) в оконечностях судна, но пока такие успокоители практически не применяют. Одним из средств уменьшения килевой качки является соответствующее проектирование формы носовой оконечности судна и, в частности, создание большого развала бортов выше ватерлинии в носу. Успокоителей вертикальной качки судна не существует.