Раздел 2. теория судна

ТЕМА 2.1. ПОНЯТИЕ О ГЕОМЕТРИИ КОРПУСА СУДНА.

Теоретический чертеж представляет собой изображение наружных очертаний корпуса судна (его обводов) в трех взаимно перпендикулярных плоскостях: диаметральной, мидельшпангоута и грузовой ватерлинии.

Диаметральная плоскость (ДП) продольно-вертикальная плоскость, делящая судно на левую и правую половину по оси симметрии. Изображение судна в этой плоскости называется боком.

Плоскость мидельшпангоута (миделя) — поперечно-вертикальная плоскость, проходящая перпендикулярно к ДП через середину длины судна. Изображение судна в этой плоскости называется корпусом.

КООРДИНАТНЫЕ ПЛОСКОСТИ И ОСИ.

В теории устройства судна различают три перпендикулярные друг другу координатные плоскости (рис.1.113):

- основная плоскость, ОП – горизонтальная плоскость, проходящая через киль судна параллельно поверхности воды (для посадки судна «на ровный киль»);

- диаметральная плоскость, ДП – вертикальная плоскость, проходящая через киль вдоль судна и делящая его корпус на две симметричные части;

- плоскость мидель-шпангоута – вертикальная плоскость, проходящая поперёк ширины судна через его центр тяжести.

При решении задач плавучести используется система координат с началом в точке 0, образующейся при пересечении осей X, Y и Z.

Рис.113. Координатные плоскости и оси.

Ось абсцисс Х является линей пересечения диаметральной плоскости судна с основной плоскостью. Она проходит через киль параллельно поверхности воды и имеет положительное направление в нос.

Ось ординат Y – линия, образованная при пересечении плоскости мидель-шпангоута с основной плоскостью; положительное направление – на правый борт.

Ось аппликат Z – линия пересечения диаметральной плоскости с плоскостью мидель-шпангоута; положительное направление – вверх.

При расчетах элементов статики, т.е. плавучести, остойчивости и непотопляемости используется прямолинейная, прямоугольная, правая, декартова система координат, жестко связанная с корпусом судна. Ее начало помещается в точке пересечения трех главных плоскостей :

- диаметральной (ДП);

- основной (ОП);

- мидель-шпангоута

Принятое направление осей координат:

Ох - в нос;

Оу - на правый борт;

Оz - вертикально вверх.

Положение покоящегося судна относительно невозмущенной поверхности воды называется его посадкой.

ПОСАДКА СУДНА.

Посадкой плавающего судна называется его положение относительно поверхности спокойной воды. С изменением посадки судна изменяются очертания погруженной части корпуса и положение действующей ватерлинии. Посадка судна характеризуется наличием крена и дифферента.

Крен – это поперечное наклонение судна. Крен измеряется в градусах прибором кренометром и обозначается греческой буквой θ (тэта). Крен увеличивает осадку судна, о чём следует помнить при плавании в мелководных районах. Наличие крена ухудшает управляемость: вследствие неравенства давления воды на борта судна оно уваливается в сторону повышенного борта.

Дифферентом называется продольное наклонение судна. Дифферент характеризуется разностью осадок носом и кормой и обозначается греческой буквой ψ (пси). Деферент на нос увеличивает лобовое сопротивление воды движению судна, снижая эффективность работы винтов, уменьшая скорость и вызывая рыскливость. Небольшой дифферент на корму повышает управляемость судна, тогда как при больших его значениях это качество ухудшается и понижается скорость хода.

В процессе эксплуатации судна возможны четыре случая посадки:

судно сидит прямо и на ровный киль ( q = 0 ; y = 0 );

судно сидит на ровный киль, но с креном (q ¹ 0 ;y = 0 );

судно сидит прямо, но с дифферентом ( q = 0 ;y ¹ 0 );

судно имеет произвольную посадку ( q ¹ 0 ;y ¹ 0 ).

Рис.114. Посадка.а)прямо на ровный киль; б) на ровный киль с креном; в) прямо с дифферентом.

Поверхности, ограничивающие корпус судна сверху, с боков и снизу, соответственно называются верхней палубой, бортами и днищем.

Общее представление о геометрической характеристике формы корпуса судна дает метод сечения корпуса тремя взаимно перпендикулярными плоскостями: вертикальной плоскостью симметрии, проходящей вдоль корпуса посередине его ширины; горизонтальной плоскостью, проходящей вдоль корпуса и делящей его на две несимметричные части: на надводную и подводную, и вертикальной плоскостью, перпендикулярной первым двум и проходящей посередине расчетной длины судна. Вертикальная плоскость, проходящая вдоль корпуса судна и делящая его теоретическую поверхность на две симметричные части, называется диаметральной плоскостью (ДП).

Основной плоскостью (ОП) называется горизонтальная плоскость, проходящая через нижнюю точку килевой линии корпуса.

Основной линией (ОЛ) называется линия пересечения основной и диаметральной плоскостей. Поскольку корпус судна имеет очень сложную форму, то при его изготовлении, а также при монтаже на нем всех деталей насыщения судна (механизмы, аппараты, оборудование и прочее), установочные размеры этих деталей можно определять по высоте и ширине судна только от этих двух плоскостей. Линия, образующаяся при пересечении верхней палубы с диаметральной плоскостью, называется палубной линией. Палубная линия морских судов имеет изогнутую форму с подъемом от середины длины судна к оконечностям. Такой продольный изгиб палубной линии называется седловатостью палубы . Палубная линия речных судов, к мореходным качествам которых не предъявляют повышенных требований, делается прямой, без седловатости.

Рис.115. Сечение корпуса судна тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. I-диаметральна я плоскость; II-плоскость мидель-шпангоута; III — плоскость конструктивной ватерлинии. 1-верхня я палуба; 2 - борт; 3- днище; 4 - форштевень; 5 - килевая линия 6ахтерштевень; 7-палубна я линия; 8 - бортовая линия; 9 -нос ; 10— корма; h— стрелка погиби.

Бортовая линия палубы — линия пересечения теоретической поверхности борта и палубы или их продолжений при закругленном соединении палубы с бортом.

Килевая линия (КЛ) — линия пересечения днищевой части теоретической поверхности корпуса с диаметральной плоскостью. Килевая линия имеет разнообразные формы в зависимости от назначения и типа судна.

Килевая линия большинства современных судов горизонтальна. Наклонная килевая линия встречается у судов с так называемым конструктивным дифферентом, который делается для заглубления винта и руля и для их защиты при малой осадке судна. Килевая линия с уступом — реданом встречается у быстроходных легких судов (катеров). В этом случае на ходу судна носовая часть корпуса выходит из воды, а кормовая часть скользит (глиссирует) на водной поверхности. Килевая линия судов специальных типов (подводные лодки, яхты и т. п.) часто бывает криволинейной, что объясняется специфическими особенностями их эксплуатации.

Кромки, образующиеся при пересечении бортовых поверхностей корпуса с диаметральной плоскостью в носовой и кормовой оконечностях, по которым сопрягаются поверхности правого и левого борта, называются штевнями. Носовой штевень, расположенный по ходу судна впереди, называется форштевнем, кормовой штевень — ахтерштевнем. Форма обводов штевней вырабатывалась на практике обычно в соответствии с назначением судна. Характерные формы форштевней показаны на рис. 116: а) наклонный форштевень, характеризующийся прямой наклонной линией, в подводной части плавно или под углом переходит в килевую линию. Такой форштевень придает судну как бы устремленность вперед, но делается он таким не только ради эстетического впечатления, а также исходя из практических соображений: наклонный форштевень в сочетании с развалом бортов в носовой оконечности увеличивает полезную площадь верхней палубы и улучшает всхожесть судна на волну;

Рис.116. Характерные формы судовых форштевней: а — наклонный; б—клиперский; в — бульбообразный; г — ледокольный; д — прямой.

б) клиперский форштевень характеризуется плавной образующей линией, направленной верхним концом вперед. Такой форштевень делается по тем же соображениям, что и предыдущий, его форма заимствована у парусных судов; в) бульбообразный форштевень имеет над водой наклонную прямую или вогнутую линию, его подводная часть имеет каплеобразную форму и опущена несколько ниже килевой линии. Такой форштевень предусматривается на судах с относительно большой шириной корпуса для уменьшения сопротивления воды движению и увеличения скорости хода судна; г) ледокольный форштевень в надводной части характеризуется наклонной прямой, которая, не доходя немного до уровня воды, приобретает плавный наклон до 30° (выработанный на практике), наклон продолжается в подводной части до плавного перехода в килевую линию. Такой форштевень имеют ледоколы и суда, плавающие во льдах, для того, чтобы судно могло с хода вылезать на ледяное поле и своей тяжестью продавливать его; д) прямой форштевень имеет вертикальную линию образования в подводной части, плавно переходящую в килевую линию. Такой форштевень встречается преимущественно у речных судов, имеющих свободное место на палубе, не плавающих на относительно взволнованной поверхности, он удобен для обзора пространства перед носом судна при частом плавании в узкостях и при подходах к причалам.

Кормовые оконечности судов, несмотря на их разнообразие, разделяются в основном на три типа (рис. 117). Рассмотрим их: а) обыкновенная корма имеет свес верхней части корпуса высоко над водой, который называется подзором . Такая корма в большинстве случаев встречается у грузовых одновинтовых судов, имеющих небольшую скорость хода; б) крейсерская корма с подзором (со свесом), утопленным в воду, и плавными обводами. Такая форма кормы увеличивает площадь палубы и уменьшает вихреобразование за корпусом и предусматривается на быстроходных судах или на судах с несколькими гребными винтами;

Рис.117. Форма судовых кормовых оконечностей: а — обыкновенная с подзором; б — крейсерская; в— транцевая.

в) транцевая корма имеет над водой усеченный вид, образованный вертикальной или наклонной в корму поперечной плоскостью, носящей название транца. Такая корма бывает на тех судах, где с кормы выполняются специальные операции; она необходима, например, при работе с сетями на промысловых судах, при постановке мин или тралов военными кораблями. Вторым сечением, характеризующим форму корпуса судна, является горизонтальное сечение или, как говорят, сечение по конструктивной ватерлинии.

Ватерлинией (ВЛ) называется след от пересечения теоретической поверхности корпуса горизонтальной плоскостью.

Конструктивной ватерлинией (КВЛ) называется ватерлиния, соответствующая полученному предварительным расчетом полному водоизмещению судов или нормальному водоизмещению (с половинным запасом топлива).

Конструктивная ватерлиния у транспортных судов является одновременно и грузовой ватерлинией (ГВЛ), соответствующей проектной осадке судна. Характерные формы конструктивных ватерлиний современных судов показаны на рис.118:

а) грузовое судно имеет ватерлинию, заостренную в оконечностях и так называемую цилиндрическую вставку в средней части, на протяжении которой обводы ватерлинии параллельны ДП. Цилиндрическая вставка увеличивает вместимость корпуса судна, упрощает технологию и удешевляет его постройку. Однако с увеличением скорости хода таких судов значительно возрастает сопротивление воды их движению, что вызывает затраты дополнительных мощностей. Суда со средней скоростью (14—16 узл) имеют цилиндрическую вставку, равную 10—40% длины корпуса;

б) быстроходное судно, скорость которого является важным эксплуатационным качеством, имеет ватерлинию хорошо обтекаемой формы с очень незначительной цилиндрической вставкой или же вообще без нее;

Рис.118. Ватерлинии судов различных типов: а — грузового; б — быстроходного; в — с транцевой кормой; г — тихоходного.

в) ватерлиния быстроходных судов с транцевой кормой получается усеченной, транец выполняет роль редана, способствующего отрыву струи воды от днища при скольжении судна по поверхности воды — глиссировании. Эти суда также не имеют цилиндрической вставки; г) тихоходные и несамоходные речные суда с большим внутренним объемом корпуса имеют ватерлинию полного образования с цилиндрической вставкой на 70—90% длины судна.

Третьим сечением, дающим представление о форме корпуса, является сечение вертикальной плоскостью, проходящей посередине длины судна перпендикулярно диаметральной плоскости и плоскости конструктивной ватерлинии, называемое обводом мидель-шпангоута. В поперечном сечении корпуса судов могут иметь вертикальные борта, развал или завал в верхней части борта. Палуба в поперечном сечении корпуса делается выпуклой, с кривизной по параболе, со стрелкой погиби равной 0,02 (1:50) от ширины палубы на миделе. Выпуклость палубы в поперечном направлении корпуса судна называется погибью палубы. Погибь палубы делается для стока воды, заливающей палубу, и придает ей большую продольную устойчивость. Плавный переход линии днища в линию борта выполняется по дуге окружности или по лекальной кривой и называется скуловым закруглением или скулою. Характерные формы миделевых обводов судов разных типов показаны на рис. 6, наиболее характерны: а) морские транспортные суда — с вертикальным бортом и с подъемом днища;

Рис.119. Обводы миделевых сечений судов различных типов: а — транспортного; б — быстроходного; в —ледокола; г — быстроходного катера; д — судна внутреннего плавания; е — речного.

б) морские быстроходные суда —с хорошо обтекаемыми обводами, большим углом подъема днища и большим скуловым закруглением; в) ледокольные суда со скругленными бортами и развалом в подводной части и завалом в надводной части. Такая форма поперечного сечения увеличивает поперечную жесткость корпуса, и в случае сжатия судна в ледяных полях лед вдвигается по наклонным бортам или под судно, выжимая его из воды, или поднимается вверх; г) быстроходные суда малого водоизмещения (катера), в большинстве случаев имеющие прямые с развалом борта, переходящие под углом в днище с большим подъемом слегка изогнутой формы; д) быстроходные суда внутреннего плавания —с плоскодонным днищем, с циркульной скулой, переходящей в борта с развалом. Такие образования увеличивают площадь палубы и помещения в надводной части корпуса; е) речные плоскодонные суда —с горизонтальным днищем, с вертикальными бортами и с малым радиусом закругления скулы. Такой профиль поперечного сечения обеспечивает максимальный объем корпуса и предусматривается на тихоходных судах с минимальной осадкой.