Реферат: Контроль и регулирование движения судна

Прочность корпуса определяет способность судна восприни­мать действующие в процессе эксплуатации нагрузки, не разрушаясь. Для оценки прочности судна определяют внешние нагрузки, дейст­вующие на корпус, напряжения в различных наиболее нагруженных его элементах и сопоставляют их с нормативными допускаемыми зна­чениями. Если полученные расчетом напряжения не превышают до­пустимое, то прочность корпуса считается обеспеченной. При этом очень важно, чтобы прочность корпуса была достаточной при мини­мальной массе. Корпусы речных судов рассчитывают в соответствии с Правилами Регистра Судоходства Украины.

На корпус движущегося судна могут действовать постоянные и случайные нагрузки. Постоянные нагрузки, действующие в течение всего периода эксплуатации, — это вес корпуса, надстроек, судовых механизмов и принятого груза, силы поддержания и силы сопротивле­ния воды движению судна. Случайные нагрузки воздействуют на кор­пус в течение какого-либо промежутка времени и возникают при уда­рах волн, посадке судна на мель, столкновении судов. Для упрощения расчетов действующие нагрузки условно делят на две категории: вызывающие общий изгиб корпуса или местный из­гиб отдельных его элементов.

При плавании на тихой воде изгиб корпуса вызывается неравно­мерностью распределения по длине судна сил тяжести и сил поддер­жания. Для построения эпюры весовой нагрузки qB (рис. 3, а) при­нимают, что силы тяжести, действующие в пределах каждой теорети­ческой шпации, распределены равномерно. Значение этих сил рассчи­тывают для каждой шпации отдельно с учетом всех составляющих. Силы поддержания распределяются по длине судна пропорционально погруженным площадям шпангоутов, что и отражает эпюра этих сил

Полученную ступенчатую нагрузку, равную разности сил тяжести и сил поддержания, называют эпюрой нагрузки судна q (рис. 3, б).

По нагрузке судна вычисляют срезывающие силы FТВ и изгибающие моменты МТВ, действующие на корпус при плавании на тихой воде. Их определяют соответственно как сумму сил или сумму моментов, взятых слева или справа от рассматриваемого сечения. Значение и знак изгибающего момента в каждом сечении корпуса зависят от характера распределения нагрузок по длине судна. Очевидно, что чем больше не­равномерность нагрузки, тем больше и изгибающий момент.

      

     Рис. 3. Эпюры нагрузок, вызывающих общий изгиб корпуса

При выходе судна на волну силы поддержания перераспределяют­ся по длине корпуса благодаря_изменению формы погруженного объе­ма. При этом судно

может попасть миделем на вершину (рис. 4, а) или на впадину волны (рис. 4, б). В первом случае в палубе возни­кают дополнительные напряжения растяжения (+Ds), а в днище — сжатия (- Ds), что соответствует перегибу корпуса; во втором, на­оборот, палуба подвергается дополнительному сжатию, а днище — растяжению, что соответствует прогибу корпуса.

    

       Рис. 4. Положение судна при постановке на волну

Наибольшие расчетные изгибающие моменты как для прогиба, так и для перегиба (Мр, кН * м) вычисляют алгебраическим суммирова­нием наибольших значений изгибающих моментов, возникающих на тихой воде, с дополнительным волновым изгибающим моментом М дв:

           МР = МТВ + МДВ

Аналогично наибольшие расчетные перерезывающие силы как для прогиба, так и для перегиба определяют алгебраическим суммирова­нием наибольших значений перерезывающих сил, возникающих на тихой воде FTB, с дополнительной волновой перерезывающей силой FДВ:

           FР = FТВ + FДВ.             

Способность корпуса выдерживать нагрузки, действующие на отдельные его перекрытия и связи, определяет местную прочность. Среди местных нагрузок выделяют гидростатическое давление при аварийных затоплениях отсеков, сосредоточенные и распределенные силы при приеме и снятии грузов в районе грузоподъемных устройств, реакции кильблоков при постановке в док, сосредоточенные силы при швартовке и буксировке, силы обжатия корпуса льдом при ледовой проводке судна.

Давление воды на поперечное сечение корпуса определя­ют с учетом движения судна на волнении, т. е. нагрузки на днище qД и на борта qб вычисляют по осадке уровня волновой ватерлинии. Прочность палубных перекрытий должна обеспечивать восприятие поперечной равномерно распределенной нагрузки qн.

Правилами постройки ледоколов и транспортных судов для пла­вания в ледовых условиях предусматривается комплекс конструктив­ных мероприятий по подкреплению корпуса, обеспечивающих безопас­ность плавания во льдах.

Днищевые перекрытия речных судов проверяют также на восприятие реакции платформ и кильбло­ков косяковых тележек при подъе­ме судов на слипы.

Ре­гистром Украины утверждается инструкция по погрузке, выгрузке и балластировке для судов каждого типа. Отклонение от инструкции может привести к нарушению прочности, поэтому выполнение ее должно строго соблюдаться командным составом судна.

Прогиб (перегиб) судна можно уменьшить или устранить перемещением груза или запасов ближе к оконечностям (мидель-шпангоуту).

Использование моделирующих приборов для контроля загрузки с учетом необходимой посадки, остойчивости и прочности позволяет быстро и достаточно точно проверить несколь­ко вариантов загрузки и выбрать приемлемый, а иногда и оптимальный вариант.

С ростом скорости, и размеров судов при плавании на волнении участились случаи слеминга, приводящего к повреждению днища и бортов судна. В наиболее тяжелых случаях по­вреждения охватывают до 30% длины судна в носу, а прогибы достигают 300 мм. что приво­дит к разрыву связей и обшивки корпуса, за­топлению носовых трюмов.

Условия появления слеминга: волнение с встречных курсовых углов;

близость кажущего­ся периода волнения собственному периоду килевой качки; кажущаяся крутизна волны не менее 1/50; скорость вертикальных колебаний корпуса не менее 3,5 м/с. Днищевой слемннг появляется при осадке носом менее 0,04 - 0,05 длины судна.

Для судоводителя важно объективно оце­нить интенсивность удара вря слемииге для решения вопроса о поддержании скорости без опасения повредить корпус.

Регулирование и контроль за обеспечени­ем местной прочности палубных перекрытий, платформ, двойного дна, люковых закрытий осуществляется: путем назначения для каждого перекрытия допускаемых удельных нагрузок. Величины этих нагрузок указаны на чертежах палуб судовой документации и обычно лежат в пределах 1,0—10 тс/м2.

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 h 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 = RT + RФ + RB + RBЧ + Rвозд

Сопротивление трения RT — 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:

 

         RT = xT (r/2) v2 W

где xT — 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 + 1,13dВ),     

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 RФ 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:

 

RФ = xФ(r/2) v2 W       

 

где xФ — 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 RB обусловлено влиянием волн на распре­деление гидродинамических давлений вдоль смоченной поверхности судна:

RВ = xВ(r/2) v2 W

где xВ — 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:

 

           RO = RФ + RB

Сопротивление выступающих частей RBЧ 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 RВ03Д характеризует воздействие на судно воздушной среды. При проектировании судна для уменьшения сопро­тивления воздуха надстройкам придают обтекаемую форму и макси­мально уменьшают их размеры.

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. 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. 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.

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 vр (рис. 5), а радиаль­ная скорость юг, то угол атаки данного элемента сечения лопасти aл оп­ределяется углом между результирующей скоростью v1 и линией нулевой подъемной силы (ЛНПС). Подъемная сила и сила лобового со­противления сводятся к результирующей силе Yв. Одна из ее проекций дает силу полезного упора винта РВ, а вторая — силу сопротивления вращению RBP. Момент силы RBP 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. 5. Схема действия гребного винта

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.