Реферат Контроль и регулирование движения судна
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Реферат на тему:
Контроль и регулирование движения судна
Качкой называют сложное колебательное движение, которое судно может совершать как твердое тело при плавании на спокойной или взволнованной поверхности воды. Возможность колебательного процесса определяется наличием сил или моментов, оказывающих сопротивление перемещениям и стремящихся возвратить судно в исходное положение.
Под действием возмущающей силы судно может иметь шесть возможных видов перемещений: три поступательных в направлении осей х, у, z и три колебательных вокруг этих осей. Однако только три из них могут иметь колебательный характер. Вертикальные колебания (сила действует в направлении оси z), приводящие к периодическим погружениям и всплытиям, называют вертикальной качкой. Колебания вокруг оси у, вызывающие наклонения с борта на борт, называют бортовой качкой (переменный крен). Колебания вокруг оси х, вызывающие продольные наклонения, называют килевой качкой (переменный дифферент).
Сила в направлении оси х вызывает ускорение или торможение движения, а сила в направлении оси у— боковое смещение (дрейф). Момент вокруг оси z вызывает лишь отклонение от курса.
Колебания судна обычно происходят одновременно, но их раздельное изучение облегчает задачу, а результирующее перемещение, определяющее положение судна относительно воды, может быть получено суммированием результатов.
Характеристиками колебательного процесса являются:
амплитуда качки — наибольшее отклонение судна от положения равновесия;
размах качки — полное перемещение от одного крайнего положения до другого (сумма двух амплитуд следующих друг за другом колебаний);
частота качки — число полных колебаний судна за время 2nt;
период качки t — интервал времени между двумя последовательными колебаниями отклонений судна в одном и том же направлении (два размаха), t = 2/;
коэффициент динамичности качки — отношение амплитуды качки к амплитуде волны, отражающее реакцию судна на воздействие регулярных волн.
Если возмущающая сила приложена однократно, то колебательный процесс под действием сопротивления быстро затухает. Амплитуда максимального отклонения зависит от значения приложенной силы и характеристик судна, а частота или период качки — только от характеристик судна. Поэтому такие колебания называют собственными, или свободными.
Наиболее важным параметром качки является частота, которая при совпадении с частотами действующих сил может привести к резонансным
колебаниям и значительному, иногда многократному, увеличению амплитуды. Обеспечение плавания без попадания в условия резонансных колебаний возлагается на судоводителя. При отсутствии расчетных данных с достаточной точностью период свободной бортовой качки может быть определен по формулe
t = Kk (B/h1/2m) (1)
где Kk — размерный коэффициент (принимают Kk = 0,83-:-0,86 с/м для пассажирских судов, 0,75-:-0,85 с/м для грузовых судов и 0,62-:-0,72 с/м для буксиров; большие значения коэффициента относятся к порожнему судну, меньшие — к груженому);
В — ширина судна, м;
hm — малая метацентрическая высота, м.
Из формулы (1) видно, что чем меньше метацентрическая высота, тем больше период качки, а следовательно, плавнее качка. Поэтому в процессе проектирования и эксплуатации судна стремятся к тому, чтобы его метацентрическая высота имела минимальное значение, обеспечивающее безопасность мореплавания.
Периоды свободной килевой и вертикальной качки одинаковы и приближенно могут быть определены:
t = tверт – (2,7-:-3)Т
где Т — осадка судна, м.
Связь между периодом бортовой качки и метацентрической высотой позволяет заметить, что при увеличении остойчивости (hm возрастает) снижается плавность качки (t убывает), т. е. возрастает частота колебаний .
На волнении повторяемость возмущающих сил (встреча с волной) оказывается регулярной, что может привести к резонансным колебаниям. Частота встречи с волной зависит от скорости судна и волны, угла их встречи. Если считать, что судно идет к направлению распространения волн под углом , то относительная скорость встречи
c' = vcos ± cB, (2)
где v — скорость судна, м/с;
сB — скорость распространения волны, м/с (знак плюс соответствует встречной волне, минус — попутной).
Частота встречи (частота возмущающей силы) соответствует отношению длины волны к относительной скорости встречи, т. е.
tB = B/ c'
Длина волны B определяется расстоянием между двумя соседними вершинами или подошвами волн. Высота волны определяется по вертикали от нижней точки ее впадины (подошвы) до высшей точки вершины (гребня). Период волны tB определяется временем, в течение которого две соседние волны проходят через одну неподвижную точку пространства. Приближенно скорость распространения волны
св=1,25 B.
Тогда кажущийся период волны
tB = B / (vcos ± 1,25B). (3)
Судоводитель должен сопоставить период собственных колебаний судна [формулы (1) и (2)] с вынужденными колебаниями —(3). Для обеспечения безопасности движения различие между ними должно быть не менее 20 %. Как видно из выражения (3), частоту возмущающей силы можно изменить изменением скорости судна и угла встречи с волной.
На практике безопасную скорость судна и курсовой угол часто выбирают с помощью специальных диаграмм Ремеза, Власова и других.
Влияние качки учитывают главным образом при нормировании мореходных качеств. В нормировании остойчивости качка учитывается при определении допускаемых моментов, а для судов класса М-СП и при нормировании относительного ускорения при бортовой качке, которое соответствует удовлетворительной обитаемости. Сводится это к тому, чтобы ускорение, испытываемое человеком, не превышало значения, равного одной десятой части ускорения свободного падения (0,lg). Если это требование не удовлетворяется, то на судне следует выполнить мероприятия, снижающие амплитуду бортовой качки.
Рис. 1. Возникновение сил на скуловых килях при качке
Наиболее простым средством являются скуловые кили — пластины, установленные на скуловом поясе перпендикулярно обшивке (рис. 1). Протяженность их соответствует длине цилиндрической вставки, ширина — габаритам шпангоута. При действии возмущающего момента Мв скуловые кили создают момент сопротивления силам Р. Применяют также активные скуловые кили (бортовые рули, стабилизирующие качку).
Рис. 2. Цистерны для успокоения качки:
/ — свободное пространство цистерн; 2, 4 — соответственно воздушный и водяной соединительные каналы; 3 — система клапанов
Существуют и другие виды гасителей колебаний, к которым относятся пассивные успокоительные цистерны, представляющие собой бортовые цистерны, соединенные воздушным каналом сверху и водяным снизу (рис. 2). Каналы снабжены системой клапанов, обеспечивающих перетекание жидкости при крене. Сопротивление воздуха, силы инерции и трения тормозят перетекание жидкости в такой мере, что период перетекания оказывается равным периоду качки судна и отстает по фазе от колебаний судна на 90° и колебаний волны на 180°. Таким образом, жидкость перетекает в сторону поднимающегося борта и ее масса создает момент, успокаивающий качку судна. При режимах качки, близких к резонансу, цистерны уменьшают амплитуды качки примерно вдвое. Если жидкость перемещается насосами, то такие успокоительные цистерны считаются активными.
Наиболее сложным и дорогостоящим является применение гироскопических успокоителей. Тяжелый диск (гироскоп) успокоителя вращается с большой скоростью вокруг оси, соединенной с рамой. Ось качания рамы расположена горизонтально в поперечной плоскости судна и специальными цапфами соединена с его корпусом. При качке судна и вращении гироскопа возникает сложное движение рамы — прецессия, приводящая к появлению в цапфах реакций, создающих стабилизирующий момент.
Особенности плавания в штормовую погоду.
Конструкция современных морских судов обеспечивает большую прочность, надежную работу судовых механизмов и хорошие мореходные качества. Однако плавание и управление судном в шторм остаются сложной задачей. Обеспечение безаварийного плавания в этот период требует большого напряжения в работе всего экипажа, особенно судоводителей, четких знаний, умения и сознательной дисциплины.
Основные факторы, действующие на судно во время шторма — ветер и волнение. Ветер оказывает влияние на судно в зависимости от конструк-тивных особенностей. При развитых надстройках, избыточном надводном борте, небольшой осадке увеличиваются крен и дрейф судна. Ветер встречных направлений увеличивает сопротивление движению судна, ухудшает его управляемость. Если курс проходит вблизи берега, отмелей, рифов, то дрейф в их сторону во время плавания становится опасным.
Главную опасность для судна во время шторма представляют волнение, вызывающее качку, напряжение в корпусе и удары волн. Сильная бортовая качка создает большие динамические нагрузки на корпус и судовые механизмы. В результате этого могут появиться деформации и трещины в наружной обшивке корпуса и в палубах. Возникающие инерционные силы могут явиться причиной сдвига с фундаментов механизмов и устройств, смещения груза; удары волн и качка ухудшают управляемость, снижают скорость судна; рулевая машина работает с большой нагрузкой из-за частных перекладок руля.
Неправильная загрузка судна повлекшая смещение груза, или отсутствие опыта в управлении судна, в шторм приводят к аварийным ситуациям с тяжелыми последствиями, связанными с опрокидыванием на. Плавание с большой скоростью навстречу волне (особенно при неправильной загрузке) может вызывать напряжение корпуса, которое превысит допустимый предел, и судно может переломиться. На волне корма небольших судов и судов в балласте периодически поднимается, оголяя гребной винт, что приводит к перенапряжению в работе главного двигателя.
На судне в балласте качка значительно сильнее, особенно опасна для него встречная волна, которая, ударяясь в поднятое волной днище носовой части корпуса, вызывает сильную вибрацию.
В сильный шторм волны могут повредить или смыть палубные грузы, разрушить люковые закрытия, вентиляторы, судовые устройства и системы. Это создает опасность проникновения воды в трюмы, влечет за собой подмочку груза, а иногда и гибель судна.
Судоводитель должен всегда помнить, что ошибки в управлении судном в
шторм могут привести даже самое современное судно к аварийному состоянию или его гибели. Безаварийное плавание в шторм зависит от высоких профессиональных знаний и опыта экипажа, подготовленности судна, заблаговременного получения прогнозов погоды и умелого управления.
Составная часть повседневной организации службы независимо от предстоящего плавания, продолжительности рейса, прогнозируемой погоды является подготовкой судна к штормовым условиям плавания. Судно должно быть приведено в такое состояние, которое обеспечит безопасность плавания в любых погодных условиях. Подготовка судна к плаванию начинается при стоянке в порту. Особое внимание уделяется погрузке. При составлении грузового плана необходимо предусмотреть обеспечение остойчивости, местной и общей прочности корпуса, мореходных качеств на момент выхода судна из порта, на период рейса и приход в порт назначения с учетом расходования судовых запасов в рейсе и качественную доставку груза получателю. Во время погрузки необходимо контролировать остойчивость, при необходимости производить перерасчеты;
тщательно следить за укладкой, наливом, штивкой и сепарацией, креплением груза. Особый контроль необходимо осуществить за погрузкой и креплением тяжеловесных и палубных грузов. Доступ к палубным механизмам и пробкам воздушных трубок балласта, льял или льяльных колодцев должен быть свободным.
При подготовке судна к рейсу следует руководствоваться Рекомендациями по обеспечению безопасности плавания судов в осенне-зимний период и в штормовых условиях (РОБПС-84).
Штормование. Если плавание судна в нужном направлении или в направлении ближайшего порта-убежища невозможно из-за очень сложных штормовых условий, то выполняется штормование — особый вид плавания, при котором судно удерживается на месте или идет курсом и скоростью, наиболее благоприятными относительно направления ветра и ветровых волн. Практикой установлено, что при штормовании против волны наиболее безопасной является минимальная скорость, при которой судно еще слушается руля.
Способ штормования определяется судоводителями с учетом конструктивных особенностей судна, его загрузки, остойчивости и района плавания:
на носовых курсовых углах — наиболее распространенный вид, рекомендуется для судов, имеющих полные обводы в носовой части (корпус конструктивно укреплен и рассчитан на большие волновые нагрузки с дифферентом на корму). На курсах носом на волну судно легче управляется, более устойчиво на курсе. Остойчивость судна сохраняется. Размахи бортовой качки уменьшаются. Скорость минимальная;
на кормовых курсовых углах выполняется только в том случае, когда длина
волны значительно отличается от длины судна, имеющего нормальную или повышенную остойчивость; в этом случае возрастает рыскливость, снижается устойчивость на курсе;
в дрейфе — штормование с застопоренными главными двигателями. Опасно для судна при сильном шквальном ветре.
Судно с большой метоцентрической высотой — остойчиво, но будет иметь сильную и резкую бортовую качку, при которой возможны повреждения корпуса, сдвиг механизмов, нарушения креплений и смещение груза.
Судно с большой парусностью может быть положено на борт. Способ требует большого водного пространства, свободного от навигационных опасностей с подветренной стороны.
Штормование лагом к волне. В этом случае судно в наибольшей степени подвержено воздействию волны и ветру. Штормовать данным способом могут суда с повышенной остойчивостью. Качка у таких судов плавная, оно легко восходит на волну, не принимая много воды на палубу.
В штормовых условиях о повороте судна на новый курс экипаж предупреждается заблаговременно. При очень сильном шторме наиболее опасным является положение судна лагом к волне. Чтобы повернуть судно на новый курс, устанавливается закономерность изменения размеров ветровых волн и только после прохождения очередной наиболее развитой волны выполняется поворот.
Поворот при плавании судна против волны совершают как вправо, так и влево, позволив судну уваливаться под ветер и уменьшив ход до минимального. Поворот судна начинают перекладкой руля на борт (30—35°) и дают полный ход, когда корма окажется на обратном склоне крутой волны. Во время поворота, при подходе высоких волн с кормовых углов руль следует отводить к ДП заблаговременно. По окончании поворота изменением скорости хода вывести судно из зоны усиленной качки.
Поворот при плавании судна по волне начинают, когда на обратном склоне последней из серии крупных волн окажется носовая часть судна с таким расчетом, чтобы вторая половина поворота выполнялась в период относительно спокойного волнения. Если у судна перед поворотом период бортовой качки больше периода волн, то первую половину поворота выполняют на малом ходу, а вторую— как можно быстрее, не набирая большой инерции хода.
В другом случае, когда перед поворотом период бортовой качки меньше периода волн, тогда первую половину нужно выполнять на большом ходу, а вторую как можно быстрее, но не набирая большой инерции хода.
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 (+), а в днище — сжатия (- ), 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
= 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 = 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 = T (/2) v2
где T — безразмерный коэффициент сопротивления трения;
v — скорость судна, м/с;
— площадь смоченной поверхности корпуса, м2.
Площадь смоченной поверхности определяют по теоретическому
чертежу или эмпирической формуле:
= L(1,36T + 1,13В),
где L, В, Т — главные размерения судна, м;
— 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 = Ф(/2) v2
где 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 RB обусловлено влиянием волн на распределение гидродинамических давлений вдоль смоченной поверхности судна:
RВ = В(/2) v2
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:
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 л 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
Н.Г. Смирнов «Теория и устройство судна», М., 1992.
А.А. Антонов «Устройство морского судна», М., 1974
А.Д. Дидык и др. «Управление судном и его техническая эксплуатация», М., 1990.
Г.Г. Ермолаева «Справочник капитана дальнего плавания», М., 1988.