К. Чайников - Общее устройство судов
Таким образом, под управляемостью судна понимаются оба эти качества, которые являются противоречивыми. Так, если создать судно с таким соотношением главных размерений, которые обеспечат ему твердую устойчивость на курсе, то судно будет обладать плохой поворотливостью. Наоборот, если судно будет обладать хорошей поворотливостью, то оно будет неустойчивым и рыскливым на курсе. При создании судна необходимо это учитывать и выбирать оптимальное значение для каждого из этих качеств с таким расчетом, чтобы судно обладало нормальной управляемостью.
Рыскливостью называется способность судна самопроизвольно отклоняться от курса под влиянием внешних сил. Считается, что судно устойчиво на курсе, если для его удержания число перекладок руля не превышает 4-6 в минуту и судно при этом успевает отклониться от курса не свыше 2-3°.
Для обеспечения устойчивости судна на курсе и его поворотливости в кормовой части судна устанавливают рули . При перекладке руля на борт возникает момент пары сил, поворачивающий судно вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести, в ту сторону, в которую переложен руль (рис. 24).
Рис. 24. Схема сил, действующих на судно при перекладке пера руля. N – равнодействующая сил давления воды на перо руля; l- плечо пары сил, вращающих судно; Q – сила дрейфа; F – лобовое сопротивление движению судна.
Перенесем равнодействующую N в центр тяжести судна – точку G, не меняя ее направления и величины, и приложим вторую силу N в обратном направлении. Образовавшаяся пара сил создает момент Mпов = Nl, отклоняющий судно от прямого направления в сторону перекладки пера руля.
Силу N обратного направления разложим на две составляющие: F – силу, направленную вдоль – в сторону, обратную движению судна, и создающую лобовое сопротивление, уменьшающее скорость хода судна примерно на 25-50%; Q – силу дрейфа, действующую перпендикулярно ДП и вызывающую перемещение судна лагом, которое быстро погашается сопротивлением воды.
Если руль идущего с определенной скоростью судна оставить положенным на борт, то центр тяжести судна (вокруг которого оно поворачивается) начнет изменять траекторию своего движения из прямой в криволинейную, постепенно переходящую в окружность постоянного диаметра Dц, который называется диаметром циркуляции, а движение судна по такой траектории – циркуляцией судна (рис. 25).
Диаметр циркуляции, выраженный в длинах судна, определяет степень поворотливости судна. Судно считается хорошо поворотливым, если Dц = (3/5) L. Чем меньше диаметр циркуляции, тем лучше поворотливость судна. Расстояние l, пройденное судном между ЦТ его в момент перекладки руля и до поворота судна на 90°, измеренное по прямой его движения, называется выдвигом.
Рис. 25. Циркуляция судна. Dц – диаметр установившейся циркуляции; Dт – тактический диаметр циркуляции; ,в – угол дрейфа.
Расстояние между положением диаметральной плоскости в начале поворота и после изменения курса судна на 180°, измеренное по перпендикуляру к первоначальному направлению движения, называется тактическим диаметром циркуляции , который обычно составляет Dт = (0,9/1,2) Dц . Угол, образованный положением ДП и касательной к траектории движения судна при циркуляции, проведенной через точку G, называется углом дрейфа в.
При движении судна на циркуляции у него возникает крен на борт, противоположный перекладке руля. Кренящий момент образуется от пары сил: центробежной силы инерции, приложенной в ЦТ судна, и силы гидродинамического давления, приложенной приблизительно посередине осадки. Максимального значения угол крена достигает при диаметре циркуляции, равном 5L, и становится тем больше, чем больше скорость судна и чем меньше диаметр циркуляции, и увеличение этих параметров может привести к опрокидыванию судна.
Ходкостью судна называется его способность перемещаться с заданной скоростью при затрате определенной мощности главных двигателей.
При движении судна на него сразу же начинают действовать силы сопротивления воды и воздуха, направленные в сторону, противоположную его движению, преодолеваемые упорным давлением движителя.
Изучение вопросов, связанных с закономерностью этих сопротивлений, дает возможность выбора наиболее рациональных обводов судна, обеспечивающих достижение скорости при минимальной затрате мощности двигателей.
Сопротивления движению судна возрастают при увеличении его скорости и равны сумме отдельных сопротивлений. Сопротивление воды слагается из:
а) сопротивления формы или вихревого сопротивления Rф, зависящего от формы погруженной части корпуса и создающихся за кормой вихревых образований воды, которые, отрываясь от судна, уносят с собой приобретенную ими живую силу вращательного движения. Чем полнее корпус судна и хуже его обтекаемость, тем больше вихрей и значительнее сопротивление;
Рис. 26. Система волн, возникающих при движении судна. 1, 2 – расходящиеся кормовые и носовые соответственно; 3, 4 – поперечные носовые и кормовые соответственно.
б) сопротивления трения Rт, которое зависит от скорости судна и величины поверхности погруженной в воду части корпуса. Сопротивление трения возникает оттого, что частички воды, соприкасающиеся с погруженной поверхностью корпуса, прилипают к ней и приобретают скорость судна. Соседние слои воды также начинают двигаться, но по мере удаления от поверхности корпуса скорость их постепенно снижается и пропадает совсем. Таким образом, на поверхности погруженной части корпуса образуется так называемый пограничный слой, в поперечном сечении которого скорость воды неодинакова. Экспериментальным путем получены формулы, с помощью которых определяется трение судовой поверхности.
Шероховатость поверхности увеличивает сопротивление трения, которое учитывается дополнительно.
На сопротивление трения большое влияние оказывает обрастание подводной части корпуса водорослями, ракушками и другими организмами, жувущими в воде, которое увеличивает трение между корпусом и водой. Известны случаи, когда через 4-5 месяцев после очистки подводной поверхности скорость судна из- за обрастания уменьшалась на 4-5 узл.
в) волнового сопротивления RВ, зависящего от формы подводной части корпуса и представляющего собой затрату части мощности главного двигателя на образование системы волн, сопровождающей судно на ходу (рис. 26).
На малых скоростях образуются преимущественно расходящиеся волны. При увеличении скорости хода возрастает величина поперечных волн, на образование которых затрачиваются большие мощности; в.ч
г) сопротивления выступающих частей R , зависящего от сопротивления отдельных выступающих частей, расположенных в подводной части корпуса: рулей, кронштейнов, боковых килей, выступающих деталей приборов и т. п.
Для определения величины этих сопротивлений (за исключением сопротивления трения, которое определяется расчетно-экспериментальным путем), проводят испытания моделей судов в специальных опытовых бассейнах, размеры которых достигают 1500x20 м при глубине до 7 м. Длина моделей 2-8 м.
Буксировку этих моделей осуществляют с помощью специальных тележек, движущихся по рельсам, уложенным по обеим сторонам бассейна. Модель соединяется с тележкой через динамометр, замеряющий силу сопротивления модели при равномерном движении тележки с определенной скоростью вдоль бассейна. Модели судов делают из деревянного каркаса (скельтон), обтянутого парусиной и покрытого слоем парафина. Парафин хорошо обрабатывается и легко поддается переделкам и восстановлению. Иногда модели делают полностью из дерева.
Полученные при испытании моделей результаты пересчитывают на натурное судно по законам динамического подобия. Воздушное сопротивление RВ3 зависит от величины проекции надводной части судна на плоскость миделя; скорости, направления движения; скорости ветра. Оно определяется в аэродинамической трубе методом продува в ней модели и достигает на больших скоростях внушительных размеров, доходящих до 10% от полного сопротивления. После определения всех отдельных сопротивлений полное сопротивление движению судна определяется как сумма их, равная
Полное сопротивление является основой для определения необходимой мощности главной судовой силовой установки, которая преобразуется движителями в поступательное движение судна с заданной скоростью.
Существуют три вида необходимой мощности
1) буксировочная, или эффективная, мощность (EPS), необходимая для преодоления полного сопротивления движению судна с определенной скоростью, выраженная в лошадиных силах (1 л. с.=75 кГм/сек); она равна
