Лекция: Управление судном в шторм

4

Управление судном в шторм

Управление судном в шторм

Василий Снопков

Рыскание судна. Влияние рыскания на эксплуатационную скорость судна можно определить следующими основными факторами, которые в той или иной мере могут оказать действие на его ходовые качества:

- увеличение сопротивления корпуса вследствие движения судна с переменным по времени углом дрейфа;

- увеличение сопротивления из-за перекладок руля;

- увеличение длины пути, проходимого судном;

- изменение режима работы гребного винта;

- повышенный расход топлива и др.

Ориентировочные данные о потерях скорости судна в зависимости от среднего угла рыскания и перекладки руля приведены в табл. 2.

Потеря скорости на удлинении пути вследствие рыскания незначительна. Например, для углов рыскания ±5° она составляет около 0,12-0,20 %.

Таблица 2

Потери скорости судна

Если направление встречного ветра и волнения отклоняется от курса на 30-40°, то дополнительное сопротивление может возрастать, что является следствием не только воздействия ветра и волнения, но и непосредственно рыскливости судна.

Наибольшей скорости судно достигает при равенстве предельной тяги винта полному сопротивлению движения. Предельную полезную тягу винт развивает, когда двигатель работает по заградительной характеристике, ограничивающей мощность и частоту вращения двигателя при перегрузках в эксплуатации. У дизеля это ограничение более жесткое, чем у паровой турбины. Кроме того, пропульсивный коэффициент судна падает с ростом сопротивления из-за снижения эффективности гребного винта, которое зависит от его гидродинамических качеств. ВРШ в этом случае имеют преимущество перед ВФШ.

Слеминг. Слеминг (днищевой) возникает в процессе продольной качки при оголении носовой оконечности и последующем соударении с волной. Большие динамические нагрузки могут привести к серьезным повреждениям конструкций корпуса и оборудования. Особенности слеминга как физического явления определяются в основном совместным выполнением двух условий: оголением днища и входом его в воду с вертикальной скоростью относительно воды, большей , м/с. Вероятность опасных ударов тем больше, чем больше высота волн и скорость судна. Обычно они наблюдаются на встречном волнении в широком диапазоне курсовых углов. Однако при введении в эксплуатацию судов типа Ро-Ро с особой формой кормовых подзоров из-за устройства аппарели в кормовой части, это явление стало оказывать существенное влияние и на кормовую оконечность судов, разрушая элементы набора судна в корме. Отклонение по курсу от чисто встречного движения не всегда является эффективным средством избежать опасности слеминга. Избежать опасных ударов волн легче снижением скорости или увеличением осадки судна носом.

Разгон гребного винта и двигателя. Переменные гидродинамические силы и моменты, действующие на винт при качке, могут привести к поломке лопастей, конструкций гребного валопровода, вызвать вибрацию вала и кормы. Напряжения при оголении винта в гребном валу могут возрасти в 2-3 раза. Разгон винтов более вероятен для судов, на которых винты имеют малое погружение, большие удельные упоры, большие отношения шага к диаметру и частоты вращения. Разгон винта наименее опасен для турборедукторной пропульсивной установки и наиболее неблагоприятен для дизеля. Для избежания опасности разгона винта может служить увеличение осадки судна кормой или маневрирование скоростью на волнении путем снижения шага ВРШ. Судоводители должны уметь рационально пользоваться этими средствами для обеспечения мореходности своих судов.

Удары волн в развал носа и заливание палубы. Удары волн в развал носа (бортовой слеминг или випинг) вызывают вибрацию, а иногда вмятины в верхней части наружной обшивки носа и в палубе полубака. Многочисленны случаи повреждения груза, а вероятность подмочки груза на практике оказывается примерно вдвое больше вероятности механических повреждений. Для избежания заливания палубы наиболее рационально снизить скорость судна или уменьшить осадку носом.

Рис. 3 Характеристики циркуляции судна водоизмещением 12 587 т: 1 -- точка начала поворота; 2 -- точка окончания поворота на 360° при отсутствии ветра; 3 -- точка окончания поворота на 360° при условии ветра и волнения (W = 20 м/с)

Влияние ветра и волнения на циркуляцию судна и его инерционно-тормозные характеристики

В условиях ветра и волнения форма циркуляции судна и его инерционно-тормозные характеристики значительно отличаются от циркуляции на спокойной воде и при тихом ветре. Это наглядно видно на рис. 3, где показаны формы циркуляции для судна в балласте.

Характеристиками изменения циркуляции являются:

ш -- угол, который измеряется от линии ветра в сторону, противоположную стороне перекладки руля до линии, соединяющей точку 2 и 3.

S -- дистанция циркуляции -- расстояние между точками 2 и 3.

Эти две характеристики зависят от целого ряда параметров конкретного судна, характеризующих его гидродинамические и аэродинамические особенности. Они могут быть рассчитаны на ЭВМ, но требуется решение системы дифференциальных уравнений. Наличие в уравнениях большого числа коэффициентов, значения которых определяются приблизительно, ограничивает возможности расчетных методов циркуляции в условиях ветра и волнения.

Сравнение расчетных траекторий с широкомасштабными натурными данными показало, что точность экспериментально-расчетного метода определения циркуляции в условиях ветра и волнения лежит в пределах 17-19 % при определении тактического диаметра циркуляции и 10 % в определении выдвига.

В обязательной информации в таблице маневренных элементов управляемость судна представлена лишь поворотливостью. С практической точки зрения, в реальных условиях плавания не менее важное значение имеет оценка судоводителями возможности осуществления прямолинейного движения судна в условиях ветра. Судоводитель должен располагать информацией, позволяющей ему судить о возможности осуществления управляемого движения в определенном направлении относительно курсового угла ветра как на глубокой воде, так и на мелководье, а также об углах дрейфа, с которыми это движение осуществляется.

Инерционно-тормозные характеристики. Влияние ветра на инерционно-тормозные характеристики во многом зависит от конструктивных особенностей судна, однако для встречного ветра (q = 0°) и попутного (q = 180°) можно проследить некоторые особенности этого влияния. Для иллюстрации влияния ветра на инерционно-тормозные характеристики судов примем ветер силой 8 м/с, который является предельно допустимым при сдаточных испытаниях судов.

Результаты моделирования свободного и активного торможения, смоделированные по средним параметрам 25 типов судов, показывают, что у судов водоизмещением более 10 тыс. т инерционно-тормозные характеристики при ветре до 4 баллов включительно могут отличаться друг от друга в пределах 26 % по выбегу и до 8 % по тормозному пути. Отличия от штилевых значений составят 18 % по выбегу и 4 % по тормозному пути. Под выбегом судна при свободном торможении здесь понимается путь, пройденный от начала свободного торможения до достижения 20 % начальной скорости.

Рис. 4 Поправочный коэффициент для перевода экспериментальных значений S_э(V)на безветрие для заполнения таблицы маневренных элементов

Рис. 5. Параметры свободного торможения полученные расчетно-экспериментальным методом для судна водоизмещением 12 587 т: X -- смещение в направлении линии первоначального курса; Y -- смещение в направлении перпендикулярной линии первоначального курса; K° -- угол изменения курса вправо к концу свободного торможения (V = 0,2V₀)

Рис. 6 Сопоставление расчетной и экспериментальной траекторий движения судна водоизмещением 12587 т при маневре ППХ--СТОП; t_э, t_р -- экспериментальное и расчетное время соответствующей позиции; ветер 10,3 м/с; волнение 2 м

Учитывая значительную величину погрешностей, результаты натурных испытаний, проведенные при ветре, должны быть исправлены и приведены к условиям безветрия. Если влияние ветра на активное торможение может быть скомпенсировано повторением эксперимента на обратном курсе и осреднением, то для свободного торможения маневрирование на прямом и обратном курсе и осреднение результатов не обеспечивают компенсации сноса даже при курсовых углах ветра 0° и 180°. Однако можно ограничиться одним экспериментом, проведенным при встречном или попутном ветре, если каждое экспериментальное значение S_э (V) для приведения к безветрию умножить на поправочный коэффициент м (рис. 4), зависящий от скорости ветра и отношения фактической скорости в каждый момент замера к начальной скорости.

Влияние ветра на инерционно-тормозные характеристики усиливается на промежуточных курсовых углах ветра. На рис. 5 показано влияние курсового угла ветра скоростью 8 м/с на экспериментальные данные для конкретного судна. Пунктиром показано значение выбега судна при безветрии. Вследствие первоначального движения с углом дрейфа при свободном торможении судно начинает терять управляемость и приводится к ветру. Максимальный угол отклонения от курса 85,5° и максимальное боковое отклонение 0,77 кб происходят при курсовых углах ветра 100-130°, однако наиболее быстро судно тормозится при начальных курсовых углах ветра 40-60°. Аналогичная информация может быть получена для любого типа судов морского флота после моделирования его движения.

Влияние ветра и волнения.

На рис. 6 приведено сопоставление расчетной и экспериментальной траекторий судна при маневре «ППХ-СТОП» при ветре скоростью 10,3 м/с и волнении h_3% = 2 м. Приведенные на рис. 6 данные дают основание говорить о хорошей сходимости результатов и пригодности алгоритма для анализа изменения инерционно-тормозных характеристик конкретных типов судов в условиях ветроволнового воздействия.

Рис. 7 Выбег и боковое уклонение судна водоизмещением 12 587 т в зависимости от скорости ветра W, м/с и начального курсового угла q₀ для маневра ППХ--СТОП

Рис. 8 Экстренное торможение судна водоизмещением 12 587 т в зависимости от направления ветра для маневра ППХ--ПЗХ

Дополнительное уменьшение выбега и тормозного пути судна вследствие волнения значительно. Однако до h = 1ч1,5 м существенного влияния волнения не отмечается.

Ветроволновое воздействие на инерционно-тормозные характеристики носит индивидуальный характер для каждого типа судна. При этом может учитываться либо среднестатистическое волнение, соответствующее каждой скорости ветра, либо с конкретными значениями высот волн 3%-й обеспеченности и коэффициентами развитости волнения.

Информация о ветроволновом влиянии может носить обобщенный характер (рис. 7) или быть представлена в виде конкретных траекторий (рис. 8).

Ориентировочные оценки точности применяемости метода: по активному торможению дS_т ? 14 %; дt_т ? 20 %; по свободному торможению дS_т ? 9 %; дS(V) ? 17 % (в конце свободного торможения). По сбавлению хода дS(t) ? 8 % разгону дS(V) ? 14 %. Обобщая, можно сказать, что расстояние, пройденное судном до достижения определенной скорости V, получено с погрешностью, не превышающей 18 % при свободном торможении и подтормаживании и 15 % при активном торможении и разгоне. судно рыскание скорость штормовой

Выбор курса и скорости судна при плавании в штормовых условиях. Универсальная штормовая диаграмма Ю. В. Ремеза

Выбор курса и скорости судна в условиях штормовой погоды имеет важнейшее значение для безопасности морских судов любого класса, но особенное значение эта проблема стала приобретать при эксплуатации специализированных судов. Например, если ранее мы имели дело с обеспечением безопасности судов-лесовозов с палубным караваном груза, то на современном этапе при эксплуатации таких типов судов как контейнеровозы, Ро-Ро, крупнотоннажные балкеры, суда для перевозки тяжеловесов на палубе и т. д. возникли новые проблемы.

Так, при внедрении ряда международных документов, регламентирующих загрузку судна и систему крепления груза, разработчики исходили из принципа не предельно возникающих нагрузок, а «разумной достаточности». Для балкеров дедвейтом 200-250 тыс. тонн штормовые волны Индийского океана в районе мыса Доброй Надежды оказались губительными вследствие разрушения конструкции корпусных связей в районе первого носового трюма.