Требования к содержанию информации о маневренных характеристиках судна

Согласно Резолюциям ИМО № А-209 и № 285, каждому судну рекомендуется иметь на борту «Информацию капитану о маневренных элементах судна». Наставлением по организации штурманской службы на судах Украины (РШСУ-98) предусмотрен минимум сведений, включаемых в такую «Информацию», а также форма их представления.

Поворотливость судна представляется в «Информации» в виде вычерченных в масштабе траекторий движения судна на циркуляции при перекладке руля «на борт» и на 15 градусов вправо и влево. На траектории указываются точки, соответствующие определенным изменениям курса с начала циркуляции, а именно: в первой четверти циркуляции – через 10 градусов, во второй – через 30 градусов и далее – через 90 градусов.

По инерционно-тормозным характеристикам в «Информацию» включаются сведения о пассивном торможении и торможении полным задним ходом, соответственно, с полного морского, полного маневренного, среднего, малого и самого малого передних ходов. Эти сведения для каждого маневра приводятся в виде линейного вертикального графика, вертикальная длина которого в принятом масштабе выражает тормозной путь. Через каждую минуту времени от начала торможения на линейных вертикальных графиках делаются засечки, против которых указывается скорость судна в данной точке. В начале графика, внизу, указывается начальная скорость для данного маневра.

Рисунок 1. – Классификация маневренных характеристик.

Графики для активного торможения строятся до полной остановки судна, а для пассивного – до скорости, составляющей 20% от скорости полного хода судна. Элементы поворотливости, разгона и торможения строятся для двух состояний судна – в грузу и балласте. В «Информацию» включаются также элементы ходкости в виде таблиц и графиков зависимости скорости судна от частоты вращения винта в грузу и балласте.

Маневренные элементы могут определяться любыми способами, обеспечивающими точность конечных результатов, не хуже +/- 10% от измеряемой величины. Натурные измерения допускается производить при ветре до 4 баллов и волнении до 3 баллов.

Общие сведения об инерционно-тормозных свойствах судна

При управлении судном на акватории портов, рейдов, в узкостях, при расхождении в море с другими судами, а также в аварийных ситуациях возникает необходимость в изменении скорости судна. Изменение скорости судна, обладающего большой массой, происходит главным образом под воздействием двух сил: силы упора движителя и силы сопротивления воды. При этом масса судна при его ускорении или замедлении (положительном или отрицательном) порождает силу инерции, всегда препятствующую изменению скорости движения.

Способность судна изменять скорость своего движения во времени под совместным влиянием силы упора движителя и силы сопротивления воды при различных начальных условиях принято называть инерционно-тормозными характеристиками (ИТХ).

Движение судна в процессе изменения скорости, описывается первым уравнением системы (1). Для случая прямолинейного движения, при отсутствии ветра и прямом положении руля, когда сила Ах (продольная аэродинамическая сила) и Ррх (продольная сила давления воды на руль) несущественны, имеем:

(2.1)

где m_x - масса судна с учетом присоединенной массы воды при движении по оси Х

m_x = ( ) кг;

R - сила сопротивления воды, Н;

P_e - сила упора винта (винтов), Н.

Знак минус перед силой сопротивления указывает на то, что она всегда направлена против движения, а знак плюс перед силой упора винта означает, что упор направлен вперед, а знак минус – назад.

Произведение массы на ускорение представляет собой силу инерции.

При торможении судна ускорение имеет отрицательный знак, т.е. происходит его замедление. Присоединенная масса воды при движении по оси Х часто принимается равной 10% массы судна . При этом условии масса судна с учетом присоединенной массы воды рассчитывается по формуле: , (2.2)

где D - водоизмещение судна, т.

Сила сопротивления воды обычно принимается пропорциональной квадрату скорости, т.е.

(2.3)

где – коэффициент пропорциональности;

V - скорость судна, м/с.

Сила сопротивления воды, равна:

, (2.4)

где - безразмерный гидродинамический коэффициент полного сопротивления, зависящий от формы (обводов) и состояния его поверхности (шерховатости);

- массовая плотность воды (принимается в расчетах = 1020 кг/м³)

- площадь смоченной поверхности, м².

Сила упора изолированного винта (без учета взаимодействия с корпусом) определяется по формуле:

(2.5)

где -частота вращения гребного винта;

D_в – диаметр винта, м;

К_р - коэффициент упора винта.

Эта формула дает надежные результаты, когда винт не имеет поступательного движения вперед или назад, Однако если движение происходит с изменением скорости, то возникают переходные процессы, существенно влияющие на силу упора, что особенно проявляется в режиме торможения.

7. Особенности реверсирования различных видов движительных

установок судов.

Реверс главного двигателя не может быть выполнен мгновенно, поэтому активному торможению всегда предшествует участок пассивного. Длительность периодов активного и пассивного торможения зависит от типа пропульсивного комплекса двигатель – движитель.(Propulsus (латынь) – толкаемый вперёд, подгоняемый).

В качестве главных двигателей наиболее часто используют: двигатели внутреннего сгорания (ДВС), турбозубчатые агрегаты (ТЗА) и гребные электродвигатели (ГЭД). В качестве движителей используются: винты фиксированного шага (ВФШ) и винты регулируемого шага (ВРШ), которые образуют пропульсивные комплексы: ДВС – ВФШ, ТЗА – ВФШ, ГЭД – ВФШ, а также любой двигатель – ВРШ.

Реверсирование ДВС – ВФШ.

На большинстве теплоходов устанавливаются низкооборотные ДВС, напрямую связанные с гребным валом. Для выполнения реверса сначала закрывается подача топлива на ДВС. Когда обороты снизятся, из пусковых баллонов в цилиндры подается сжатый воздух, который проворачивает двигатель в обратном направлении, после этого впрыскивается топливо и происходит запуск двигателя на топливе.

Для этого комплекса характерен замедленный реверс при торможении с полного переднего хода. Это объясняется тем, что давление контрвоздуха обычно недостаточно для преодоления момента, приложенного к винту со стороны набегающего потока воды и работающего в режиме гидротурбины. Для уверенного запуска ДВС необходимо, чтобы обороты винта, вращающегося в режиме гидротурбины, снизились до значения 25 – 35% от оборотов полного переднего хода, что будет соответствовать 60 – 70% снижению скорости судна от полного переднего хода. При этом судно длительное время движется по инерции.

Если же торможение выполняется при пониженной скорости, то реверс выполняется быстро за 10 – 15 с и путь торможения резко сокращается.

Реверсирование ТЗА – ВФШ.

Для реверсирования на турбоходах используется турбина заднего хода, мощность которой составляет примерно 50% от мощности турбины переднего хода. Обе турбины имеют общий вал.

Для выполнения реверса сначала перекрывают пар на турбину переднего хода, затем открывают пар на сопла турбины заднего хода. Поскольку ротор турбины вращается с высокой частотой (несколько тысяч об/мин.), то его остановка с помощью турбины заднего хода не может быть выполнена мгновенно. Тем не менее, реверс турбины с полного переднего хода выполняется быстрее, чем на теплоходах, однако упор винта на задний ход у них невелик. Поэтому при малых скоростях тормозные характеристики турбоходов значительно хуже, чем на теплоходах.

Реверсирование ГЭД – ВФШ.

Существуют различные типы электроприводов на постоянном и переменном токе. Судовые энергетические установки обычно состоят из нескольких дизель – или турбогенераторов, питающие гребные электродвигатели, что позволяет оперативно варьировать мощностями, в зависимости от условий работы судна, например, на многовинтовых ледоколах. Реверсирование электродвигателей осуществляется коммутированием питающего напряжения. Тормозные характеристики электроходов несколько лучше, чем у теплоходов.

Реверсирование ВРШ.

Изменение направления упора ВРШ происходит в результате поворота лопастей гребного винта без изменения направления вращения двигателя и без снижения частоты вращения. Скорость реверсирования ВРШ зависит от скорости срабатывания привода поворота лопастей. Приводы ВРШ позволяют изменить шаг винта с полного переднего на полный задний ход за 5 – 10 с, что обеспечивает резкое уменьшение пути и времени торможения. Суда, оборудованные ВРШ с такими приводами, обладают наилучшими тормозными характеристиками.

Торможение судна

Под тормозными характеристиками подразумеваются время и путь торможенияв зависимости от величины начальной скорости и водоизмещения судна. Торможение бывает пассивным и активным.

Криволинейная траектория, описанная центром тяжести судна в процессе торможения, называется тормозным путем. Кратчайшее расстояние от начала торможения до остановки судна или до заданной скорости называется выбегом.

В общем случае процесс торможения принято делить на три периода.

Первый период – прохождение команды до момента закрытия топлива на ДВС, пара на ТЗА или выключения питания на ГЭД. Он составляет примерно 5- 10 с.

Второй период – пассивное торможение длится с момент прекращения подачи топлива (пара) на двигатель, до момента реверса.

Третий период – активное торможение длится с момента реверса до момента полной остановки судна или снижения скорости до заданного значения.

Полное время Т и полный тормозной путь S определяются, как суммы элементов трех периодов

Т = t₁ + t₂ + t₃

S = s₁ + s₂ + s₃ (2.6)

На судах с ВРШ началом третьего периода можно считать момент прохождения лопастями нулевого (нейтрального) положения.

Количество характеристик торможения и форма их представления, которые должны быть на судне, определяются рекомендациями ИМО и требованиями национальных нормативных документов Украины (РШСУ-98) [3]. При назначении режима движения судна используют условное деление всей мощности на части, равные 0.7, 0.5, 0.3 от мощности полного переднего хода.

Для обозначения режимов движения будем использовать условные обозначения, рекомендованные РШСУ -98: ПП - передний полный ход; ППм - передний полный маневренный ход; ПС - передний средний ход; ПМ - передний малый ход; ПСМ - передний самый малый ход; ЗП - задний полный ход; ЗС - задний средний ход; ЗМ - задний малый ход; ЗСМ - задний самый малый ход.

Для описания каждого из приведенных выше режимов движения применяют дифференциальные уравнения, которые описывают перемещение центра тяжести по продольной оси. Их получают из системы уравнений (1).

Пассивное торможение.

Пассивное торможение представляет собой процесс уменьшения скорости при движении судна с неработающим движителем, за счет сопротивления воды.