Влияние на качку курса и скорости судна

В предыдущем подразделе рассматривалась качка судна, не имеющего хода. Если судну дать ход, то периодичность воздействия возмущающей силы на корпус судна изменяется и будет зависеть от относительного перемещения судна и волн.

Как видно из рис. 6.7, скорость распространения волн С по отношению к судну определяется выражением

С = С + v cosφ,

где С — скорость бега волн;

v —скорость судна;

φ— курсовой угол волны.

Период τ прохождения волн относительно корпуса судна является кажущимся периодом волны и согласно выражению (6.1) будет определяться выражением

. (6.5)

Формула (6.5) показывает, что при постоянной длине волны ее кажущийся период, или, что то же самое, действительный период качки судна, будет зависеть только от курсового угла волн и скорости хода судна.

Рассмотрение закономерности изменения амплитуды и периода вынужденных колебаний позволяет принципиально решить вопрос о выборе курса и скорости судна с целью уменьшения размаха бортовой качки. Для упрощения задачи выбора курса и скорости в штормовых условиях созданы специальные диаграммы качки. В практике получила распространение универсальная диаграмма Ремеза. Диаграмма построена на основе формулы (6.5). Сведения о правилах использования диаграммы судоводители могут получить в Рекомендациях по обеспечению безопасности плавания судов в осенне-зимний период и в штормовых условиях.

Вместе с тем отмечено, что универсальная диаграмма качки не всегда дает приемлемое решение задачи выбора маневра для уменьшения воздействия шторма на судно. Судоводителям приходится выбирать благоприятные курсы и скорость путем проб. Причины этого состоят в следующем.

Рис. 6.7. Положение судна относительно направления бега волн

1. Удовлетворительные решения задачи уменьшения бортовой и килевой качки одновременно в большинстве случаев взаимно исключают друг друга.

2. Поведение судна на взволнованной поверхности моря зависит не только от выбора курса и скорости, но и от его размеров, надводного борта, дифферента и обводов носовых образований.

3. Период свободных колебаний судна на волнении имеет переменное значение из-за изменений начальной метацентрической высоты и не соответствует расчетному (его значению на тихой воде).

4. Универсальная диаграмма не учитывает различий между дорезонансным и послерезонансным режимами качки, что особенно важно при большой крутизне волны.

5. Имеющиеся на универсальной диаграмме шкалы А, В и балльности относятся не ко всем видам волнения. Например, при развитом океанском волнении от ветра 7 баллов (w =16 м/с)в его спектре имеется волна длиной около 300 м и высотой 6,8 м[см. формулы (6.1)].

6. Встречающееся в действительности волнение часто является не только результатом интерференции волн одного направления, но и наложения волн от двух разных направлений (толчея).

7. Во время особенно сильного шторма для большинства типов и размеров судов зона усиленной качки охватывает все курсовые углы волн и все возможные скорости хода, за исключением движения судна носом на волну или прямо по волне. Это происходит потому, что в спектре сильного волнения всегда имеются колебания с периодом, близким к собственному периоду колебаний судна.

Таким образом, использование диаграммы качки для выбора курса и скорости если и не ограничивается указанными ее недостатками, то требует от судоводителей умения анализировать полученные результаты, используя изложенные выше сведения о качке.

В качестве примера такого анализа рассмотрим возможные варианты маневров, обеспечивающих выход судна из зоны усиленной качки, для случаев, когда длина волны 60 м, а период свободных колебаний T ₂=12 с.

На рис. 6.8 зона усиленной качки (заштрихованная) определяется периодами 9 и 17 с. Область диаграммы левее зоны соответствует дорезонансному режиму качки, а область правее зоны — послерезонансному.

Рис. 6.8. Анализ маневров, вы. полненных по данным диаграммы Ремеза

Положим, наблюдается условие резонанса τ= T ₂ при курсовом угле волны 130° к скорости хода 14 уз. Из диаграммы видно, что выход из зоны усиленной качки может быть осуществлен: увеличением скорости до 18 уз (точка C _t), изменением курса в сторону направления бега волн на 18° (точка С ₂), уменьшением скорости до 6 уз (точка С ₃), изменением курса в сторону фронта волны на 18° (точка С ₄) либо совместным изменением курса и скорости с таким расчетом, чтобы точка С лежала вне пределов заштрихованной части диаграммы.

Рассмотрим особенности поведения судна при совершении того или иного маневра. Точки С ₁и С ₂ соответствуют дорезонансному режиму качки, при котором амплитуда качки не может быть меньше действующего в поперечной плоскости судна максимального угла волнового склона. В связи с уменьшением амплитуды и увеличением периода качка становится плавнее, ускорение и инерционные силы — меньше. Сказанное относится в большей степени к маневру изменения курса (точка С ₂), так как в этом случае действующий в поперечной плоскости судна максимальный угол волнового склона меньше, чем при маневре увеличения скорости (точка С ₁ ). Однако маневр изменения курса увеличивает время лежания судна на попутной волне, что может иметь неблагоприятные последствия для судов длиной 30—90 м (см. рис. 6.4).

В отличие от маневра увеличения скорости маневр уменьшения скорости (точка С ₃) соответствует послерезонансному режиму качки, при котором, как это следует из колебательной кривой (см. рис. 6.5), уменьшение амплитуды качки происходит быстрее, чем в дорезонансном режиме. Следовательно, амплитуда качки в этом случае меньше, чем при увеличении скорости. Вместе с тем уменьшается и период качки, т. е. она в отличие от предыдущих примеров будет менее плавной, судно испытает толчки от ударов волн.

При изменении курса в сторону фронта волн (точка С ₄) из-за увеличения максимального угла волнового склона, действующего в поперечной плоскости судна, амплитуда качки по сравнению с маневром уменьшения скорости увеличивается, так как период качки сохраняется прежним (9 с), качка становится более резкой, судно испытывает более мощные удары волн.

На основании проведенного анализа можно сделать следующие заключения.

При плавании на крутой волне для судов длиной более 100 м наиболее благоприятным будет дорезонансный режим качки. Если у судна есть резерв скорости, то маневр следует начинать с ее увеличения. Если после увеличения скорости желаемый результат не будет достигнут, следует уменьшить курсовой угол волны. Для малых судов в связи со значительным уменьшением восстанавливающего момента на попутной волне значительное уменьшение курсового угла волны нецелесообразно. Если же у судна отсутствует достаточный резерв скорости или интенсивность качки будет оставаться значительной, следует перевести судно в после-резонансный режим путем уменьшения хода.

При плавании на пологой волне (старой зыби) удовлетворительный результат может дать также маневр изменения курса в сторону фронта волны (точка С ₄).

Аналогичный анализ решения задачи выбора курса и скорости на диаграмме может быть произведен для случая плавания судна навстречу волнению. Судоводителям рекомендуется проделать эту работу самостоятельно. Такой анализ поможет глубже осмыслить физические закономерности качки и быстрее накопить опыт управления судном во время шторма.

Повороты в условиях шторма

Поворот на новый курс в условиях шторма является одним из ответственных моментов в управлении судном. В процессе поворота на некоторых его стадиях качка может приобрести особо жестокий характер. В условиях очень сильного шторма наиболее опасным является положение судна лагом к волне, когда кренящий момент от давления ветра достигает максимума, а режим качки близок к резонансному.

Поворот на новый курс в условиях шторма выполняется после специальной подготовки, в процессе которой необходимо установить и учесть следующее:

1) установить характер волнения: средний период и длину всех волн, периодичность более крупных волн, наличие волн других направлений;

2) определить режим качки (дорезонансный, послерезонансный); установить диапазон курсовых углов, скоростей, при которых будет наблюдаться усиленная качка, имея в виду, что при продолжительном шторме в океане силой 7 баллов и более усиленная качка будет иметь место практически при всех возможных курсовых углах волн и скоростях судна;

3) установить относительное направление ветра и волнения, имея в виду, что в северном полушарии ветер отклоняется от направления бега волн против часовой стрелки, в южном — по часовой стрелке;

4) предусмотреть, как судно будет реагировать на ветер, учитывая при этом, что во время сильного волнения носовая и кормовая части судна, поднимаясь на гребни волн и опускаясь между ними, будут подвергаться различной силе давления ветра.

При волнении, близком к регулярному, поворот рассчитывается так, чтобы судно прошло резонансную зону в относительно спокойный период с максимальной скоростью поворота. При очень сильном смешанном волнении поворот должен осуществляться с таким расчетом, чтобы судно проходило в спокойный период волнения. Положение судна — лагом к волне. Поэтому основному маневру, непосредственно повороту, должна предшествовать подготовительная стадия, в течение которой судну задается режим движения, в наибольшей степени обеспечивающий выполнение основного маневра.

Схемы поворота с курса против волны на курс по волне представлены на рис. 6.9; положение 1 — начальный курс судна, 2 — исходное положение судна непосредственно перед перекладкой руля.

При плавании против волны и совпадении направления бега волн с направлением ветра поворот совершают как влево, так и вправо, предварительно позволив судну несколько увалиться под ветер и уменьшив ход до минимально возможного (рис. 6.9,а). Если направление ветра не совпадает с направлением бега волн, то на подготовительном этапе нужно судно привести к ветру (рис. 6.9, б). В обоих случаях поворот следует начинать перекладкой руля на борт и дачей полного хода в момент, когда корма окажется на обратном склоне последней из серии наиболее крупных волн. Во избежание статической постановки судна на гребень волны на завершающей стадии поворота обороты необходимо сбросить. При плавании по волне поворот начинают, когда на обратном склоне последней из серии наиболее крупных волн окажется носовая часть судна. Если при этом направление ветра отличается от направления бега волн, то на самоприводящихся судах поворот выполняют на ветер (рис. 6.10, а), а на уваливающихся — под ветер (рис. 6.10, 6).

Буксировка судов

Требования к буксирной линии

Буксировка судов осуществляется за кормой на буксирном канате, лагом и толканием. Но только первый из трех способов может использоваться в открытом море на волнении.

Скорость и безопасность буксировки зависят от мощности буксировщика и устройства буксирной линии, которая должна удовлетворять определенным требованиям в отношении прочности, амортизационных свойств и длины.

Прочность буксирной линии определяется нагрузкой, создаваемой сопротивлением среды буксируемому судну и равной тяге на гаке буксировщика Т _г. Такая нагрузка является рабочей.

Согласно Правилам Регистра СССР буксирная линия должна выбираться так, чтобы разрывное усилие троса было не менее пяти рабочих нагрузок при номинальной тяге на гаке 10 т и менее или трех рабочих нагрузок при номинальной тяге на гаке 30 т и более. Для промежуточных значений номинальной тяги на гаке запас прочности определяется интерполяцией.

В начале движения буксировщика при рыскании, резком повороте, при внезапном шквале и в других случаях, когда имеют место рывки буксирного каната, в нем возникают напряжения, превышающие рабочую нагрузку. Особенно сильные рывки наблюдаются во время волнения. Это объясняется тем, что при плавании по волне, навстречу волне или под некоторым углом к волне вследствие орбитального движения буксировщика и буксируемого судна расстояние между ними постоянно изменяется в пределах высоты волны.

Возникающие при орбитальном движении силы инерции достигают сотен и даже тысяч тонн. Если во время увеличения расстояния между судами им не будет обеспечена свобода перемещения относительно друг друга, то никакой реально существующий канат такие напряжения не выдержит. Поэтому расчет прочности буксирной линии производят на рабочую нагрузку, а компенсация рывков и свобода перемещения судов относительно друг друга достигаются специальными мерами: применением автоматических буксирных лебедок, а также длинных и тяжелых линий; использованием канатов с большим упругим удлинением.

Применение буксирной автоматической лебедки является наиболее совершенным способом. При равенстве тяги лебедки рабочей нагрузке линии увеличение расстояния между судами обеспечивается при любой ее длине. Автоматическая лебедка позволяет также выбирать наибольшую безопасную скорость буксировки при любых условиях погоды и внезапных ее изменениях.

Использование упругой деформации буксирного каната для компенсации рывков и увеличения расстояния между судами на волнении основано на естественном свойстве всех материалов увеличивать, не теряя прочности, в некоторых пределах свою длину под действием внешней силы и восстанавливать первоначальную длину после прекращения действия этой силы.

Упругое удлинение стальных канатов незначительно (~1%) и при определении длины буксирной линии не учитывается, а принимается как запас, необходимый для компенсации случайных рывков каната. Наоборот, упругое удлинение некоторых синтетических канатов полностью компенсирует изменение расстояний между судами во время их орбитального движения при любом волнении моря.

При длительных буксировках используются длинные линии из стального каната. Основным достоинством таких линий является высокая надежность. Увеличение расстояния между судами на волнении достигается за счет распрямления линии и определяется величиной ее провеса. В свою очередь, провес линии пропорционален массе каната, и, следовательно, чем длиннее линия или чем она тяжелее, тем большее расхождение между судами может быть обеспечено.

На практике утяжеление линии получают путем комбинирования стального буксирного каната с отрезками якорной цепи. Массу одного метра такой линии принимают равной:

, (7.1)

При буксировке за кормой тормозящие влияния на буксируемое судно оказывает кильватерная струя буксировщика. Испытания показали, что существенное влияние струи становится заметным, если расстояние между судами менее двух длин буксировщика. Следовательно, минимальная длина буксирной линии не должна быть меньше этой величины независимо от амортизационных свойств линии.

7.2 Диаграмма буксировки. Расчет прочности буксирной линии

При буксировке за кормой натяжение буксирного каната равняется сопротивлению буксируемого объекта при данной скорости

T _г = R _б.о = К _б..о v ²,

где К _б...о — гидродинамический коэффициент сопротивления буксируемого объекта.

Сопротивление объекта и собственное сопротивление буксировщика преодолевается тягой винта буксировщика:

Р = R _б..о + R _б = К _б...о+ К _б. v ²,

где К _б — гидродинамический коэффициент сопротивления буксировщика.

Следовательно, тяга на гаке (натяжение буксирного каната)

T _г = P - R _б = P - К _б. v ². (7-2)

 

Данная формула является основным уравнением буксировки без учета инерционных сил, возникающих при рывке буксирного каната. Решение основного уравнения получают графическим путем. С этой целью строят кривые зависимости потребной тяги винта Р, сопротивления буксировщика R _б и сопротивления буксируемого судна от скорости буксировки. Эти кривые называют диаграммой буксировки (рис. 7.1). Значения Р, R _би R _бoможно рассчитать двумя способами.

Рис. 7.1. Диаграмма буксировки

1. Если на судах имеются паспортные диаграммы (см. рис. 1.5), то необходимые значения тяг определяются непосредственно по графику. Однако кривые потребных тяг не учитывают сопротивления воздуха, волн, буксируемого объекта, винта и буксирного каната, если он находится в воде. Величины сопротивления воздуха и волн рассчитывают отдельно для трех, четырех скоростей буксировки по формулам (1.2), (1.3). Сопротивление буксировке со стороны гребных винтов буксируемого судна рассчитывают по формуле (тс)

R _винта = knd ² v² (7.3)

где k —коэффициент, равный: 2,2 — для застопоренных винтов,

0,8 — для свободно вращающихся винтов;

п — количество гребных винтов;

d — диаметр гребных винтов, м;

v — скорость буксируемого объекта, уз.

Величины сопротивлений каната в воде R_K приведены в табл. 7.1.

Т а б л и ц а 7.1

Величина сопротивления стальных канатов в воде, кгс

 

Диаметр каната, мм	Длина каната, м
Скорость буксировки, уз
32,5		800 1100 1400	1200 1600 2000	1100 1400	900 1300 1700 3200	1500 1900 2500 3200	900 1100 1500 1900	1300 1800 2300 3000	2100 2600 3400 4300

Суммирование вычисленных сопротивлений целесообразно производить графически. Кривую потребной тяги буксировщика получают графическим суммированием кривых R _б, R_{6.. о}.

2. Если диаграмма ходовых характеристик отсутствует, сопротивление чистого корпуса рассчитывают по зависимости

,

где R _i, R _i-1—сопротивления воды движению судна при скоростях v _iи v _i-1соответственно.

В качестве исходных величин сопротивления и скорости принимают тягу винта в режиме полного хода по формуле (1.4) и номинальную скорость v _ном. Сопротивление воздуха, волн, винта и буксирного каната рассчитывают по тем же формулам, что и в предыдущем случае.

С помощью диаграммы буксировки решают следующие задачи.

1. При плановой буксировке, т. е. когда имеется возможность изготовить буксирную линию надлежащей прочности и длины, определяют максимальную скорость буксировки данного объекта и натяжение в буксирной линии, соответствующее этой скорости.

2. При аварийной буксировке, т. е. когда приходится использовать имеющиеся на судне канаты, оценивают возможность применения того или иного каната и определяют допустимую скорость буксировки.

Для определения максимальной скорости буксировки необходимо на оси ординат отложить максимальную тягу винта, равную тяге винта в режиме полного хода (Р _п.х), и провести горизонтальную линию до пересечения с кривой Р (точка b). Максимальной скоростью буксировки v_m будет абсцисса точки b. Наибольшее натяжение в буксирном канате (тяга на гаке Т _г ) найдется как ордината точки а. По тяге на гаке определяют разрывное усилие каната Т _р = пТ _г, где п — коэффициент запаса прочности, и по нему выбирают диаметр каната.

Вторая задача решается в обратной последовательности. Для определения допустимой скорости буксировки (при заданном диаметре каната на оси ординат откладывают допустимое для данного каната натяжение Т' _г =Т _р /п, скорость буксировки находят как абсциссу точки с.

Следует отметить, что определенную таким образом скорость следует рассматривать как приближенную. Ее можно использовать, например, для оценки времени перехода. Действительную же допустимую скорость следует определять непосредственно в процессе буксировки по поведению буксирной линии.

Поскольку задача определения скорости буксировки имеет второстепенное значение, а дополнительное сопротивление от давления ветра и волнения моря на тягу на гаке влияет незначительно, то расчет диаграммы буксировки можно упростить. Если размеры обоих судов примерно одинаковы или буксируемое судно меньше буксировщика, то кривые R_б, R _б.о рассчитывают без учета дополнительного сопротивления от давления ветра и волнения. Тягу на гаке определяют так же, как это указано выше, независимо от состояния погоды, но при этом следует помнить, что при наличии ветра или волнения скорость буксировки будет меньше той, которую получим по диаграмме. Если размеры буксируемого судна значительно больше буксировщика, то максимальное натяжение в буксирной линии принимают равным упору винта буксировщика в швартовном режиме или рассчитывают по формуле (1.5) и по нему определяют разрывное усилие каната.

T _p= nP _шв,

т. е. в этом случае строить диаграмму буксировки нет необходимости.