Шляхи зменшення опору руху суден

Одна з найбільших витрат при експлуатації суден – витрати на горюче – мастильні матеріали. Тому всілякі дії, направлені на зменшення опору руху суден, були, є і завжди будуть актуальними.

Існує безліч методів зменшення опору руху суден. Одні реальні – інші на даний час фантастичні.

Методи зменшення опору руху суден поділяються на методи зменшення в’язкістного опору (тертя і форми) і хвильового.

Відомі наступні методи зменшення опору тертя. Реальні – періодичні докування суден з очищенням підводної частини від балянусу і пофарбуванням. На даний час фантастичні – часткова заміна турбулентного руху води в приграничному шарі ламінарним за рахунок зміни фізичних властивостей води на поверхні корпусу введенням поверхнево-активних речовин, підігрівом поверхневого шару або введенням в нього повітря. Гасіння в приграничному шарі турбулентності також можливе покриттям поверхні корпусу пружним, легко деформованим матеріалом.

Зменшення опору форми можливо за рахунок покращення обводів кормової кінцівки корпусу і використання носових бульбів.

Ефективним способом зменшення хвильового опору, окрім використання носових бульбів, є побудова напівзанурених суден з малою площею ватерлінії.

 

Рушії

 

Рушій – це пристрій, що долає опір руху судна.

Першими рушіями були і зостаються до цього часу вітрило і весло. Перше перетворює енергію вітру в роботу, що долає опір руху судна. Друге – енергію м’язів людини. З появою парових машин з’явилося гребне колесо, яке зараз майже повністю витіснене гребним гвинтом.

Зараз гребний гвинт – рушій переважної більшості суден. Ще на деяких спортивних суднах використовуються водомети. Як гребний гвинт, так і водомет відкидають від судна маси води і тим створюють силу, яка штовхає судно. Гребні гвинти діляться на гвинти фіксованого і гвинти регульованого кроку. Перші – це деталі, другі – механізми судна. Типовий гребний гвинт фіксованого кроку показаний на рисунку 6.

 

Рисунок … – Гребний гвинт фіксованого кроку (ВФШ) і схема створення упорного тиску елементарної площадки лопасті гвинта

 

Рисунок – Гребний гвинт регульованого кроку (ВРШ) з поворотно шатунним механізмом зміни кроку

1 – лопасті гвинта, 2 – ступиця, 3 – гребний вал, 4 – повзун зі штангою, 5 – палець шатуна. 6 – підшипник кореневого кінця лопасті, 7 – обтічник.

Основні складові гребного гвинта – ступиця і приєднані до неї лопасті.

Лопасті гребного гвинта – це профільовані крила, які здійснюють одночасно обертальний і поступальний рухи вздовж осі обертання.

Діаметр гвинта (D) – це діаметр кола, що умовно проходить через кінці лопатей. Диск гвинта – це круг діаметром, рівним діаметру гвинта D з центром на осі гвинта. Площа диска гвинта

.

Відношення площі всіх лопатей до площі диска гвинта

,

де z – число лопастей гвинта;

А – площа поверхні лопасті,

називається дисковим відношенням.

Дискові відношеннягребних гвинтів транспортних суден мають значення від 0,35 до 0,80.

Місце примикання лопасті до ступиці називається коренем лопасті.

Гвинти бувають правого і лівого обертання. Якщо, дивлячись в корму судна, що віддаляється, бачимо, що гвинт обертається по годинниковій стрільці – це гвинт правого обертання. Якщо в протилежному напрямку – лівого.

Бокова кромка лопасті, повернута в сторону обертання гвинта, називається вхідною, протилежна – вихідною. Поверхня лопасті, на яку діє при передньому ході реакція води, що відкидається, називається нагнітаючою поверхнею. Протилежна поверхня, що повернена в сторону корпусу судна, – засмоктуючою. Перетин лопасті циліндром, вісь якого співпадає з віссю гвинта, дає профіль лопасті. Для гребних гвинтів застосовуються сегментні і авіаційні профілі.

Поверхні лопатей гребних гвинтів – це гвинтові поверхні. Крок гвинта (Н) – це відстань по осі, на яку переміщається гвинт за один оберт при русі в твердому середовищі (нерухомій гайці).

 

Гребний гвинт характеризується не кроком, а відношенням кроку до діаметра гвинта. Відношення називається кроковим відношенням.

В воді гвинт, відкидаючи воду, проходить відстань h_p менше кроку Н. Відстань h_p називається лінійною ходою гвинта.

де v_p – швидкість судна в м/с;

n – число обертів гвинта за секунду.

Відносна хода гвинта (в долях діаметра гвинта)

де D – діаметр гвинта.

 

Гребний гвинт працює в потоці води, збаламученої корпусом судна. Це впливає як на роботу гвинта, так і на сили, що діють на корпус судна. Корпус судна при русі захоплює за собою маси води і створює потік, направлений в сторону руху судна. Цей потік називається попутним потоком.

Швидкість попутного потоку оцінюють в долях швидкості судна. Відношення де u – середнє значення швидкості попутного потоку по диску гвинта, називається коефіцієнтом попутного потоку. Для одно гвинтових суден коефіцієнт попутного потоку

w 0,50 – 0,05,

де – коефіцієнт загальної повноти судна.

З іншого боку, працюючий за кормою гребний гвинт підсмоктує до себе маси води, внаслідок цього кормова кінцівка судна обтікається водою з більшою швидкістю, ніж в випадку, коли судно просто б буксирували. Тиск при цьому в кормі на підводну поверхню зменшується і з’являється додаткова сила Т, направлена проти руху судна. Ця сила називається силою засмоктування. Відношення , де Р упор гвинта, називається коефіцієнтом засмоктування. Коефіцієнт засмоктування залежить від форми корпусу і приблизно оцінюється в долях попутного потоку.

t ≈ (0,5 – 0,7) w.

Відношення потужності, необхідної для буксирування судна, до потужності, що підводиться до гребного гвинта,

,

де R – упор гвинта;

v – швидкість судна;

N _p – потужність, що підводиться до гребного гвинта,

називається пропульсивним коефіцієнтом.

Пропульсивний коефіцієнт для одногвинтових суден η ≈ 0,4 – 0,8.

 

Гребний гвинт, головний двигун і корпус судна зв’язані між собою як кінематично, такі динамічно.

Зв'язок між двигуном і гвинтом полягає в наступному:

кінематичний зв'язок – частота обертання гребного гвинта дорівнює (або кратна) частоті обертання колінчатого валу головного двигуна

n_гв = n_дв;

динамічний зв'язок – момент, що крутить гребний гвинт, дорівнює (або кратний) моменту на вихідному фланці колінчатого валу з урахуванням коефіцієнта корисної дії валопроводу

М_гг = η_гв М_гд.

 

При сталому русі судна всі залежності виконуються. Але якщо одна із величин змінюється, то автоматично змінюються і всі інші величини. Наприклад, змінюється число обертів колінчатого вала – змінюється момент на валу, змінюється швидкість судна.

Дуже важливо, щоб гребний гвинт по своїм гідродинамічним характеристикам відповідав головному двигуну. Якщо при певних числах обертів гребний гвинт не вибирає повну потужність головного двигуна то такий гребний гвинт називають гідродинамічно легким гвинтом. Якщо навпаки, головний двигун перевантажений, то гребний гвинт гідродинамічно важкий. І потрібно зменшувати число обертів.

Гребні гвинти регульованого кроку (ВРШ) дозволяють змінювати упор гвинта і його напрям (відповідно швидкість і напрям руху судна) при незмінному числі обертів. ВРШ – це складні механізми, набагато дорожчі від звичайних гвинтів фіксованого кроку. Окрім великої вартості ВРШ менш надійні, маса їх більша, експлуатація і ремонт їх більш дорогі і коефіцієнт корисної дії менший. Тому їх ставлять тільки на судна, в яких при експлуатації значно змінюється опір руху (буксири, риболовні траулери) або необхідно часто змінювати швидкість при проході в вузькостях, портах при швартовці і т.п.

Рисунок … – Рушій типу «Азіпод»

 

Керованість суден

Керованістю називається здатність судна рухатися по заданій траєкторії.

В керованість входить як стійкість на курсі, тобто спроможність рухатися прямолінійно, так і повороткість, тобто здатність судна змінювати напрямналежним чином.

Окрім цього до керованості відносяться маневри, які використовуються при швартовці, при спільному русі з іншими суднами, при утриманні судна в умовах вітру, хвилювання моря, на течії і в інших випадках. При цьому використовуються різні режими роботи рушіїв.

Керованість судна в значній мірі залежить від його форми. Судна довгі і вузькі більш стійкі на курсі, але менш повороткі, ніж судна менш видовжені.

Більшість суден не стійкі на курсі і для утримання їх на курсі необхідно з певним періодом перекладати кермо в ту і другу сторону на деякий кут. В зв’язку з цим існує поняття експлуатаційна стійкість на курсі, під якою розуміють здатність судна зберігати заданий напрям руху за допомогою періодичних перекладок керма. Ступінь експлуатаційної стійкості характеризується відношенням середнього кута відхилення судна від назначеного курсу до середнього значення необхідного кута перекладки керма і числом перекладок за одиницю часу.

 

Основною характеристикою повороткості судна служить траєкторія, яку описує центр тяжіння судна при його русі з кермом, перекладеним на постійний кут. Ця траєкторія, а також сам процес руху судна, називається циркуляцією.

Рисунок 15.1 – Циркуляція судна і її елементи

 

Процес циркуляції прийнято ділити на три періоди. Перший період, маневровий, починається з моменту початку перекладки керма і закінчується кінцем перекладки. Другий, еволюційний, закінчується, коли параметри циркуляції приймуть сталий характер. Третій період, період сталої циркуляції, починається з закінченням другого і продовжується до тих пір, поки руль остається в перекладеному стані.

Основні параметри циркуляції:

- діаметр сталої циркуляції D – діаметр кола, яку описує центр тяжіння судна в третьому періоді циркуляції;

- видвиг l ₁ – відстань, на яку зміщується центр тяжіння судна в напрямку первинного курсу з моменту початку перекладки керма до точки, що відповідає зміні курсу на 90º;

- прямий зсув l ₂ – відстань, на яку зміщується центр тяжіння від лінії первинного курсу до точки, що відповідає зміні курсу на 90º;

- зворотний зсув l ₃ – найбільша відстань, на яку зміщується центр тяжіння судна від лінії первинного курсу в сторону, протилежну повороту;

- кут дрейфу ß – кут між вектором швидкості центра тяжіння судна і діаметральною площиною;

- тактичний діаметр D_т – відстань між діаметральною площиною судна на початку повороту (на первинному курсі) і після зміни курсу на 180º.

Числові значення вказаних параметрів циркуляції (в залежності від кута перекладки руля та завантаження судна) лежать в наступних межах:

D = (3 …7) L,

де L – довжина судна.

l ₁=(0,6 …1,2) D; l ₂ = (0,5 …0,6) D; l ₃ = (0…0,1) D; D_т = (0,9…1,2) D.

 

При русі судна на мілководді практично змінюються всі елементи, що характеризують циркуляцію. Діаметр циркуляції збільшується, зростає рискливість

На судно при циркуляції діють наступні сили:

- упор гвинта;

- сила на відхилений руль;

- відцентрова сила за рахунок криволінійної траєкторії;

- сила опору руху, що діє на підводну частину судна.

В маневровому та еволюційному періодах сили не врівноважені. Тому судно змінює швидкість і має від’ємне прискорення. В третьому періоді сили врівноважені.

За рахунок відцентрової сили і того, що центр мас судна вище ватерлінії, на циркуляції судно має крен назовні.

При вітрі окрім наведених вище гідродинамічних сил на судно діє аеродинамічна сила тиску вітру на надводну частину. Ця сила викликає як бокове зміщення (дрейф) судна, так і зміну курсу. Тому для підтримки заданого курсу потрібно перекладати кермо. В залежності від того, де знаходиться центр парусності, і курсового кута вітру, кермо приходиться перекладати або в сторону вітру або в сторону підвітряного борту. В першому випадку судно увалюється від вітру, в другому – приводиться до вітру.

При русі судна на хвилюванні внаслідок періодично виникаючих сил і моментів судно рискає на курсі. При ході судна назустріч хвилям рискливість менше, ніж на попутному хвилюванні. Особливо значна рискливість спостерігається при русі судна на попутному хвилюванні при швидкості судна, близькій до швидкості бігу хвиль. В випадках, коли довжина судна близька до довжини хвиль, судно може втратити стійкість на курсі, буде захоплене хвилею, здійснить некерований розворот (брочінг) і розвернеться лагом до хвилі. При недостатній остійності судно може перекинутися.

При обгонах і розходженнях суден, що йдуть паралельними курсами, при малих траверзнихвідстанях можуть виникати небезпечні випадки і навіть зіткнення. Причина в тому, що при малій відстані між бортами суден і значній швидкості зменшується тиск води на внутрішні борти і з’являється значна поперечна сила, що притискує судна одне до одного. Тому при обгонах і розходженнях треба мати достатню траверзну відстань і зменшувати швидкість.

При гальмуванні судна шлях гальмування і час, за який судно цей час проходить з вантажем і з баластом є на лінійних графіках гальмування, які є в таблиці маневрових елементів судна, що вивішується в ходовій рубці, та в лоцманській карточці судна. Ці дані отримують при ходових випробуваннях тільки що побудованого судна.

На багатьох суднах, яким часто доводиться проходити вузькостями при малих швидкостях та швартуватися, встановлюють засоби активного управління судном. В основному це підрулюючі пристрої. Ще використовуються поворотні гвинтові колонки та крильчаті рушії.

Підрулюючий пристрій – це тунель, який тягнеться від одного борта до другого, а в ньому гребний гвинт, що якимось чином приводиться в обертання в ту чи іншу сторону.

Поворотні гвинтові колонки (азіподи) – це обтічні гондоли, які можуть повертатися на 180º. З одного кінця гондоли встановлений гребний гвинт, який приводиться в дію електродвигуном (або іншим способом).Поворотні гвинтові колонки використовуються як рушії на круїзних пасажирських суднах.

Крильчатий рушій – це своєрідний диск, вмонтований урівень з обшивкою днища, який обертається за допомогою суднового двигуна. По колу диска перпендикулярно до нього встановлено чотири або вісім лопатей, які обертаються як разом з диском, так і навколо своєї осі. За допомогою привода управління лопатями можна при незмінному напряму обертання диска створювати упор в любому напрямку. Крильчаті рушії мають невисокий к.к.д., складні в виготовленні, дорогі, тому вони використовуються в край рідко.

 

 

Хитавиця суден

Хитавиця – коливання судна від дії хвиль або інших зовнішніх сил.

Судно, як вільно плаваюче тіло, має шість ступенів свободи. Відповідно до цього розрізняють шість видів хитавиці – три зворотно-поступальні (вертикальна, повздовжня і поперечна) і три обертальні (бортова, кільова і рискання).

Рисунок… – Види хитавиць

1 – повздовжня вісь, 2 – поздовжній рух, 3 – бортова (бокова) хитавиця,

4 – поперечна вісь, 5 – поперечний рух (дрейф), 6 – кильова хитавиця,

7 – вертикальна вісь, 8 – вертикальна хитавиця, 9 – рискання.

 

Хитавиця, як любий коливальний рух, характеризується періодом Т і амплітудою Θ. яка вимірюється або в градусах, або в метрах.

По мірі впливу на судно ці шість видів хитавиці розташовуються в наступному порядку:

- бортова – обертальні коливання навколо повздовжньої осі судна;

- кільова – обертальні коливання навколо поперечної осі судна;

- вертикальна – зворотно-поступальні коливання вздовж вертикальної осі;

- поздовжня – зворотно-поступальні коливання вздовж поздовжньої осі;

- поперечна – зворотно-поступальні коливання вздовж поперечної осі;

- рискання – обертальні коливання навколо вертикальної осі судна

Три останні види мало впливають на судно і їх майже не вивчають.

Періоди хитавиць:

- бортової Т = (капітанська формула),

де с = 0,373 + 0,023 B / d – 0,043 L /100 – інерційний коефіцієнт,

В – ширина судна в м,

L – довжина судна в м,

d – осадка судна в м.

h – метацентрична висота в м;

- кільової і вертикальної Тφ ≈ Тζ ≈ 2,5√d.

Хитавиця судна із-за опору води дуже швидко затухає, якщо немає збуджуючих факторів.

Основна причина хитавиці суден – хвилювання води від дії вітру.

Хвилі, які спостерігаються на поверхні моря, виникають головним чином від дії вітру.

Катинка из ВМФ портала

Основні параметри морських хвиль:

- вершина хвилі – найвища точка гребеня хвилі;

- підошва – найнижча точка улоговини хвилі;

- висота (h) – відстань по вертикалі між вершиною і підошвою хвилі;

- довжина (λ) – відстань по горизонталі між гребенями суміжних хвиль;

- період (τ) – час, за який хвиля проходить відстань, рівну її довжині;

- крутизна έ = – відношення висоти хвилі до її довжини;

- швидкість(с) – швидкість переміщення гребеня хвилі в напрямі її бігу.

Для відкритих районів океану τ = 0,8 √λ, с =1,25√λ.

Відповідно λ = .

Коли судно рухається, то на нього набігають хвилі не з істинним періодом, а з відносним (який здається). Відносний період залежить від швидкості судна і напряму руху відносно хвиль.

Відносний період набігання хвиль

τв = ,

де v – швидкість судна в вузлах,

α – курсовий кут до фронту гребенів хвиль (на зустрічному чи попутному хвилюванні α = 90´).

(+) відноситься до руху судна проти хвиль, (-) – до руху за хвилями.

На зустрічному хвилюванні τв = ,

 

При плаванні на судно діє комбінація всіх видів хитавиць. Але в залежності від напряму руху судна відносно хвиль може переважати бортова або кільова хитавиця.

Хитавиця негативно впливає як на саме судно, так і на людей на ньому. До шкідливих наслідків хитавиці відносять:

- зменшення швидкості судна через збільшення опору руху;

- погіршення режиму роботи двигунів та гребних гвинтів;

- поява додаткових зусиль від сил інерції і ударів хвиль;

- можливе ослаблення розкріплення вантажів;

- шкідливий фізіологічний вплив на людей

Поведінка судна при хвилюванні моря залежить від форми і розмірів корпусу, завантаження, швидкості руху, характеру хвилювання, курсового кута руху судна відносно руху хвиль, характеристик вітру, глибини моря і рельєфу дна.

Виділяють два режими плавання судна при хвилюванні моря.

Перший – коли судно не змінює курс. Може тільки трохи збавити швидкість, щоб зменшити удари хвиль, заливання палуби і амплітуду хитавиці.

Другий – режим штормування. При ньому для безпеки плавання змінюють курс і швидкість судна.

При русі судна на хвилюванні можуть виникати наступні явища.

Основний/гармонічний резонанс – значне збільшення амплітуд хитавиці судна. яке спостерігається, коли збігаються період хвилювання, і період власних коливань судна. Гармонічний резонанс виникає, коли є поновлююча сила або момент. Найбільш небезпечним вважається резонанс бортової хитавиці. Резонанси кільової і вертикальної хитавиці менш небезпечні, але вони можуть створювати ряд явищ, таких як слемінг, заливання, збільшення навантаження за рахунок сил інерції і параметричний резонанс.

Слемінг – явище гідродинамічного удару в носовій частині судна в результаті взаємодії з хвилею.

Заливання – явище попадання води на палубу, коли хвиля більша за надводний борт судна.

Брочінг – явище захвата судна хвилею, яке супроводжується втратою керованості, розворотом судна лагом до хвиль і перевертанням. Виникає при значній швидкості судна на попутному хвилюванні. Найбільш вірогідний, коли довжина судна близька до довжини хвилі і швидкість судна близька до швидкості бігу хвиль.

Параметричний резонанс – різке збільшення коливань при періодичному прикладенні незначних зусиль з частотою, рівною частоті власних коливань.

Зміною швидкості і напряму руху судна відносно хвиль можна вийти із резонансної зони. Для цього існують спеціальні штормові діаграми. Одна з таких діаграм – універсальна штормова діаграма Ю.В. Ремеза.

Різні судна на хвилюванні ведуть себе по різному. Але є певна закономірність. Ступінь вірогідності виникнення наслідків руху судна на хвилюванні (дуже мала, мала, середня і велика) при різних напрямах руху хвиль по відношенню до курсу судна приведена в таблиці.

 

Таблиця – Вірогідність виникнення наслідків руху судна на хвилюванні

Параметр	Напрям хвиль
Зустрічний 0˚	Скуловий 45˚ / 315˚	Лагом 90˚	Раковина 135˚/ 215˚	Попутний 180˚
Втрата швидкості	велика	середня	мала	мала	мала
Вертикальна хитавиця	середня	середня	велика	середня	середня
Кільова хитавиця	велика	середня	середня	середня	мала
Слємінг	велика	велика	дуже мала	дуже мала	дуже мала
Навантаження на корпус	велика	велика	середня	середня	середня
Дрейф	мала	середня	велика	середня	мала
Бортова хитавиця	дуже мала	дуже мала	велика	велика	середня
Основний резонанс бортової хитавиці	дуже мала	дуже мала	середня	велика	велика
Параметричний резонанс	мала	середня	середня	мала	мала
Втрата остійності	дуже мала	дуже мала	середня	велика	велика
Брочінг	дуже мала	дуже мала	дуже мала	середня	велика
Заливання	велика	велика	середня	мала	мала
Розгін гвинта	мала	мала	мала	велика	велика
Рискання	дуже мала	середня	середня	велика	мала

 

Приклад 2.11.

Визначити періоди власних коливань при бортовій, кільовій і вертикальній хитавицях суховантажного судна “TIMBER NAVIGATOR” з однорідним вантажем щільністю 0,685 т/м³ і 100% запасів.

В суховантажного судна “TIMBER NAVIGATOR” з однорідним вантажем щільністю 0,685 т/м³ і 100% запасів осадка d = 7,22 м, метацентрична висота h = 0,38 м (див. приклад 2.2).

Період бортової хитавиці Т = =

де с = 0,373 + 0,023 B / d – 0,043 L / 100 = 0,373 + 0,023 × 15,9 / 7,22 – 0,043 × × 112,29 / 100 = 0,375 – інерційний коефіцієнт.

Періоди кільової і вертикальної хитавиць Тφ ≈ Тζ ≈ 2,5 √d = 2,5 √7,22 = = 6,7 с.

Приклад 2.12.

Визначити довжину резонансних хвиль при бортовій, кільовій і вертикальній хитавицях суховантажного судна “TIMBER NAVIGATOR” з однорідним вантажем щільністю 0,685 т/м³ і 100% запасів при стоянці.

Довжина резонансної хвилі при бортовій хитавиці при стоянці судна

λ = м.

Довжина резонансної хвилі при кільовій і вертикальній хитавицях при стоянці судна

λ = м.

 

 

Міцність суден

Міцність корпусу судна, хоч і не є безпосередньо морехідною якістю судна, дуже важлива для безпечної експлуатації.

Судно і всі його складові не повинні ламатися чи змінювати свою форму від тих сил, які на них діють. Сили ці найрізноманітніші – вага складових маси судна, тиск води та вітру на зовнішню обшивку судна, удари хвиль, сили інерції при хитавиці, зусилля від якірного ланцюга чи швартовного тросу і багато інших.

Наука про міцність судна називається будівельною механікою і є однією з профілюючих дисциплін в кораблебудівельних ВУЗах чи факультетах. Це спеціалізоване відгалуження науки про міцність – о пору матеріалів.

Міцність корпусу поділяють на загальну і місцеву. Загальна міцність – це міцність всього судна, як балки змінного по довжині поперечного перерізу, що врівноважує всі діючі на судно сили. Місцева міцність – це міцність окремих елементів корпусу судна.

З точки зору будівельної механіки корпус судна – це балка, складена з вертикальних (вертикальний кіль, днищеві стрингери, борти, повздовжні переборки, комінгси люків) та горизонтальних (горизонтальний кіль, обшивка днища, настил другого дна, настил палуб) повздовжніх елементів, які тягнуться на значну по довжині частину судна. На цю балку зверху діють сили ваги корпусу, механізмів, пристроїв, та сили ваги всіх вантажів судна, що входять в дедвейт. Знизу на балку діють сили підтримки – сили тиску води на підводну частину судна. Сили ваги і сили підтримки загалом по судну врівноважені. Але якщо взяти якусь окрему частину судна, то на ній переважать або сили ваги, або сили підтримки. В результаті в кожному перерізі судна діють сили, що перерізують судно і згинаючі моменти. Відповідно в кожній точці перерізу виникають дотичні і нормальні напруження. Міцність судна згідно з вимогами Класифікаційних товариств розраховують в конструкторських бюро для найбільш небезпечних випадків, що можуть трапитися при експлуатації судна. Тому поломка судна в нормальних умовах експлуатації малоймовірна. Але на старих суднах, корпус яких схильний до дії корозії, поломки судна можливі.

Судно, як балка, може прогинатися або перегинатися. Судно прогинається на тихій воді тоді, коли найбільше вантажу розміщено в середині судна. Якщо вантаж зосереджений по кінцях судна, то судно перегинається. До того ж, якщо при хвилюванні судно потрапить на вершину хвилі, то перегин збільшиться. Так само, якщо судно потрапить на підошву хвилі і вантаж зосереджений в середині судна, буде значний перегин.

Місцева міцність – це міцність окремих складових судна.

З точки зору міцності елементи корпусу судна діляться на пластини і балки.

Пластина – це елемент, в якого висота (товщина) значно менша ніж ширина і довжина.

Балка – це елемент, який гнеться і в якого довжина значно більша за ширину і висоту.

В свою чергу балки і пластини при з’єднанні між собою утворюють рами або перекриття.

Рама – це плоска конструкція, де балки між собою з’єднані під деяким (найчастіше прямим) кутом.

Перекриття – це об’ємна конструкція, де балки йдуть в двох напрямках. Теж здебільшого під прямим кутом. Найбільш складним перекриттям є днище, де повздовжні балки – вертикальний кіль і днищеві стрингери, а поперечні – флори.

Перекриття взаємно пов’язані і опираються одне на одне. Перекриття днища опираються на борти і поперечні переборки. Бортові перекриття опираються на днище, поперечні переборки і палубу. Палубне перекриття опирається на поперечні переборки і борти. Перекриття поперечних переборок опираються на борти, палубу і днище.

Всі повздовжні елементи корпусу (зовнішня обшивка, настил палуби, настил подвійного дна, вертикальний кіль, стрингери, карлінгси, повздовжні ребра жорсткості) вкупі розглядаються як єдина балка висотою, що дорівнює висоті судна, і шириною, що дорівнює ширині судна. Ця сукупність повздовжніх елементів в будівельній механіці має назву еквівалентний брус.

Коли судно згинається, то елементи еквівалентного брусу або розтягуються, або стискаються. При перегині судна розтягуються елементи палуби, а елементи днища стискаються. При прогині судна навпаки – палуба стискається, днище розтягується.

В науці про міцність єтаке поняття – стійкість (по рос. устойчивость). Це є здатність конструкцій сприймати стискаючі зусилля. Якщо елемент не сприймає (або майже не сприймає) стискаючих зусиль, то його називають гнучким. Гнучкість елемента залежить в першу чергу від його довжини. Чим довжина більша, тим елемент гнучкіший. Гнучкість також залежить від площі поперечного перерізу та його форми. Чим площа поперечного перерізу більша, тим елемент менш гнучкий.

Форма поперечного перерізу теж дуже впливає на стійкість елемента. Якщо ви візьмете лист жесті і почнете його стискати, то побачите, що він майже не сприймає стискаючих зусиль (гнеться). Але якщо ви цей лист звернете в трубку та ще й спаяєте стик, то побачите, як сильно збільшилася його стійкість. Залізні (а потім сталеві) судна почали будувати в першій половині 19-го століття. Менш ніж 200 років тому. До цього часу будували тільки з дерева. Товщини дощок, якими обшивали набор, були значними і проблеми стійкості не виникало. Та й довжини суден тих часів були значно менші, ніж зараз. Коли почали обшивати судно тонкими металевими листами, то почали траплятися поломки із-за того, що ці листи не сприймають стискаючих зусиль. Як вийшли з цього? Почали підкріплювати листи повздовжніми ребрами жорсткості. Так з’явилася повздовжня система набору судна. Крайні, найбільш навантажені листи, а це настил верхньої палуби та листи подвійного дна, підкріплюють повздовжніми ребрами жорсткості.

Ще є одна проблема міцності судна. Вона називається концентрація напружень.

Напруженням називають силу, яка приходиться на одиницю площі поперечного перерізу елемента. Одиниця виміру напружень в системі СІ – паскаль (Па). Це сила в один ньютон, яка припадає на 1 м². Паскаль дуже мала величина і здебільшого за одиницю напруження приймають мегапаскаль (МПа). В метричній системі напруження в 1 кгс (кілограм сила) на 1 см² дорівнює приблизно 0,1 МПа. Якщо ви під час дощу подивитесь, як тече вода по вулиці і кинете в цю воду камінець, то побачите, що вода, обтікаючи, забурлить в цьому місці. Щось подібне відбувається в конструкціях навколо вирізів. Напруження по кромці вирізу значно більші, ніж середні в конструкції. Поки вчені не навчилися боротися з цим явищем, бували аварії і навіть страшні – судна переламувалися навпіл.

Як борються з цим явищем? В найбільш напружених елементах корпусу (наприклад в палубному стрингері) забороняється робити вирізи. Вирізи роблять або круглими, або овальними. Якщо овальними, то довгою віссю вздовж судна. Кути великих вирізів, наприклад кути вантажних люків, закругляють. Окрім того вчені-металурги розробили такі суднобудівні сталі, які не тільки добре зварюються, але й мало чутливі до всіляких надрізів.

В суднових умовах контроль загальної міцності судна здійснюють, обраховуючи сумарний статичний момент мас дедвейту відносно середини судна. При цьому відстань вантажу до середини судна як в носовій, так і в кормовій частині судна приймається позитивною. Якщо Σ Р_і × X_i значна, то судно перегинається. Якщо незначна – прогинається. Цей принцип закладений в комп’ютерну програму перевірки загальної міцності судна, яка є на переважній більшості суден.

Форма таблиці розрахунку вихідних даних для оцінки загальної міцності судна приведена в таблиці 4.

Таблиця 4 – Розрахунок моменту дедвейту

Найменування складових дедвейту	Маса Р, т	[ Х ], м	Р ×[ Х ], тм
…………………………………………….	…….	…..	…….
…………………………………………….	…….	…..	…….
…………………………………………….	…….	…..	…….
Всього			Σ

 

Якщо якась складова дедвейту розташована по обидві сторони від міделя, то її розбивають на дві частини і записують кожну частину окремо зі своїм [X].

На тих суднах, де можуть виникнути проблеми з міцністю, є «Інформація про міцність судна для капітана», в якій розглянуті найбільш важкі варіанти завантаження судна, безпечний порядок завантаження і розвантаження, способи оцінки міцності.

Приведені також допустимі навантаження на днище, палуби, кришки вантажних люків.

На більшості сучасних суден в «Інформації по остійність» розглянуто декілька десятків можливих випадків завантаження. І для кожного з цих випадків приведені епюри (графіки) фактичних і допустимих згинаючих моментів і перерізуючих сил по всій довжині судна. В тому випадку, коли немає на судні комп’ютерної програми перевірки загальної міцності судна, завжди можна знайти найбільш близький випадок до даного реального і по ньому оцінити загальну міцність судна.

 

Додаток А

Основні характеристики судна “TIMBER NAVIGATOR”

Призначення – суховантажне судно для перевезення важких вантажів і контейнерів

Завод – будівник Damen Shipyards Bergum (Нідерланди)

Корпус судна збудований в Миколаєві на заводі «Океан»

Рік побудови – 2011

Довжина максимальна Lmax = 118,1 м

Довжина між перпендикулярами Lpp = 112,29 м

Ширина В =15,9 м

Висота борту D = 8,8 м

Осадка d = 7,2 м

Водотонажність по вантажну марку Δ = 11086 т

Дедвейт ΔW = 8270 т

Маса і координати центра мас порожнього судна:

Δо = 2804 т, xg = 49,75м, yg = -0,543 м, zg = 7,626 м.

Головний двигун MaK 9M25C N =2970 кВт

Частота обертання гребного гвинта n = 130 об./хв.

Швидкість з вантажем v = 13,7 вуз.

Витрата палива при русі 15 т

Витрата палива на стоянці 2,8 т

 

Таблиця А.1 – Вантажні трюми

Позначення	l × b × h, м	Об’єм, м³	X, м	Y, м	Z, м
Hold 1 FWD	32,66 × 13,0 × 10,0		85,75		6,19
Hold 2 AFT	51,12 × 13,0 × 10,0		49,21		6,29

 

 

Таблиця А.2 – Цистерни водяного баласту (γ = 1,025 т/м³)

Позначення	Об’єм, м³	Маса, т	X, м	Y, м	Z, м
1 FP) WB CL	225,8	231,45	109,636		4,367
2 DB WB CL	84,54	86,65	98,84		0,668
2 LT WB PS	1j2,74	105,314	98,815	- 5,401	5,175
2 LT WB SB	1j2,74	105,314