Учет влияния ветра в практическом судовождении

Для правильного выполнения маневров судоводители должны знать минимальные скорости, удерживающие судно на курсе при ветрах различной силы, безопасный курсовой угол ветра для движения с минимальной скоростью, минимальную скорость на циркуляции, обеспечивающую управляемость в течении всего маневра.

Отметим, что знание величин и имеют большой практический смысл.

При плавании в море величина угла дрейфа используется при решении ряда навигационных задач. При проводке судов на внутренних водных путях и в узкостях угол дрейфа оказывает непосредственное влияние на ширину ходовой полосы, занимаемой судном (рис.1.6).

Рис.1.6 К определению ширины ходовой полосы

Значение ширины ходовой полосы можно найти из очевидного выражения:

.

(1.11)

На рис.1.7 представлена зависимость ширины ходовой полосы, занимаемой т/х пр.1577 в балласте при различных скоростях кажущегося ветра.

Рис.1.7. Зависимость ширины ходовой полосы т/х пр.1577 от скорости кажущегося ветра и скорости судна

Для практического использования результаты расчетов угла дрейфа, ширины ходовой полосы и потребного угла перекладки рулевых органов для конкретного судна удобно представить в виде графической зависимости (рис.1.8):

Рис.1.8. Зависимость угла дрейфа, ширины ходовой полосы и угла перекладки рулевого органа от скорости кажущегося ветра опасного направления

График позволяет дать качественную и количественную оценку ухудшения управляемости судна при снижении скорости движения. А также имеется возможность найти границу потери управляемости судна. В «Нормах управляемости речных и смешанного река-море судов» допустимое значение угла дрейфа и потребного угла перекладки рулевых органов не должны превышать 20 градусов, а для морских судов 15 градусов.

У судов уваливающихся по ветру потере управляемости предшествует максимальный угол дрейфа, а у судов, приводящихся к ветру максимальный угол перекладки рулевого органа. Для уваливающихся по ветру судов опасными являются курсовые углы кажущегося ветра 40 – 60 градусов, а для приводящихся 120 – 150 градусов. Если судну угрожает потеря управляемости, то следует выполнить, если это возможно, маневр курсом или скоростью. Изменение курса позволит уйти из зоны опасного направления ветра, а увеличение скорости уменьшит значение угла дрейфа.

Практические наблюдения показывают, что связь между углом дрейфа и перекладкой рулевого органа можно определить по приближенной формуле:

= 0,2 .

(1.12)

Из данной формулы видно, что на каждые 5 градусов перекладки руля угол дрейфа изменяется приблизительно на 1 градус. При перекладке рулевого органа под ветер (на приводящихся к ветру судах) абсолютное значение угла дрейфа уменьшается на величину. Если же судно уваливается по ветру и рулевой орган приходится перекладывать на ветер, то значение угла дрейфа соответственно возрастает.

В связи с тем, что точки приложения равнодействующих гидродинамической и аэродинамической сил находятся на разной высоте, возникает кренящий момент, направленный в сторону действия аэродинамической силы. У судов с большой парусностью при сильном шквалистом ветре крен может достичь опасных значений.

Для того, чтобы судно не опрокинулось, необходимо изменить курс относительно ветра, таким образом, чтобы уменьшить угол кажущегося ветра.

При движении задним ходом центр давления гидродинамических сил смещается ближе к корме. Поэтому у большинства судов с развитой надстройкой при движении задним ходом ветровой момент направлен в сторону ветра, т.е. корма энергично разворачивается на ветер, носовая часть – под ветер.

Ветер оказывает влияние и на траекторию криволинейного, например, циркуляционного движения судна, смещая его в направлении своего действия(рис.1.9).

Рис.1.9. Циркуляционное движение судна при ветре

Если оборот выполняется против ветра (рис.1.9, а), то по мере входа судна в циркуляцию наиболее интенсивный дрейф судна по ветру наблюдается тогда, когда угол кажущегося ветра равен или близок к 90 градусам. Выдвиг (продольное смещение судна) уменьшается, но акватория поворота увеличивается. При выполнении поворота по ветру (рис.1.9, б) выдвиг увеличивается и резко растет и потребная акватория. При боковых ветрах (рис.1.9, в), если оборот выполняется «на ветер», то размеры акватории для выполнения маневра уменьшается. При обороте «под ветер» потребная акватория будет значительно больше.

Рассмотрим особенности выполнения поворотов на приводящихся к ветру и уваливающихся по ветру судах.

1.4.1. Выполнение поворотов одновинтового судна

На приводящемся к ветру судне при встречном ветре с правого борта поворот начинают перекладкой руля на ветер (рис.1.10, а, положение 2). Когда судно приведется к ветру (положение 3), дают полный ход назад и руль перекладывают лево на борт. Данный способ разворота можно применять и при боковых ветрах.

При курсовых углах ветра с левого борта (рис.1.10, б), маневр следует начинать на минимальном ходу, переложив руль лево на борт и дав полный передний ход (положение2).

Рис.1.10. Развороты на ветер на судне, приводящемся к ветру

Маневр разворота на обратный курс на уваливающемся по ветру судне выполнять сложнее. При углах кажущегося ветра от 0 до 90 градусов с правого борта разворот по ветру следует осуществлять на малом ходу (рис.1.11, а) В точке начала поворота (положение 2) руль перекладывают лево на борт и дают полный передний ход. После набора максимального числа оборотов скорость снижают до среднего или малого, в зависимости от скорости ветра. После того как корма судна пересечет линию действия ветра, снова дают полный передний ход.

При развороте на ветер маневр начинают на среднем ходу (рис.1.10, б). В точке начала поворота (положение 2) руль перекладывают на правый борт и постепенно увеличивают обороты до полного хода. Когда носовая часть судна пересечет линию ветра (положение 3), обороты сбрасывают и в дальнейшем, ложась на новый курс, стараются удержаться на ветре (положение 6).

Рис.1.11. Разворот уваливающегося по ветру судна

1.4.2. Дрейф судна с остановленными двигателями

В общем случае в условиях ветра судно дрейфует с некоторой скоростью, направление которой не совпадает с направлением ветра. При установившемся дрейфе аэродинамическая сила уравновешивается гидродинамической силой. Для равновесия судна по курсу необходимо, чтобы эти силы действовали в одной плоскости. При этом условии аэродинамический и гидродинамический моменты уравновешивают друг друга.

Указанному условию соответствуют положения судна носом или кормой строго против ветра. Однако это случаи неустойчивого равновесия, которое нарушается при любом случайном отклонении, вызванном порывом ветра. Действующие при свободном дрейфе силы и моменты стремятся развернуть судно лагом к ветру (рис.1.12). Именно данное положение лагом к ветру и является устойчивым.

Рис.1.12. Силы и моменты, действующие на судно в свободном дрейфе

1.4.3. Особенности маневрирования двухвинтового судна

в условиях ветра

В отличии от одновинтовых, на двухвинтовых судах имеется возможность удерживать судно в определенном положении в условиях ветра, но только до определенного значения скорости ветра. Такая возможность появляется на двухвинтовых судах при режиме работы движителей «враздрай» и наличии носового ПУ.

Процесс удержания судна на месте с учетом схемы усилий, действующих на судно (рис.1.13), может быть описан следующей системой уравнений:

.

(1.13)

Рис. 1.13. Схема сил и моментов, действующих на судно при удержании судна на месте в условиях ветра

Компенсация продольной составляющей ветрового усилия может быть всегда достигнута выбором частоты вращения винтов, работающих на передний и задний ход.

Совместное решение второго и третьего уравнений системы (1.13) позволяет получить выражение для определения максимальной скорости ветра, при которой возможно удержание судна на месте при заданном режиме работы движителей:

.

(1.14)

Расчетная зависимость (1.14) справедлива для судов, имеющих в качестве рулевого органа рули или поворотные насадки с раздельным управлением. Если на судне установлены синхронные поворотные насадки, то удержание судна на месте возможно лишь при определенном угле воздействия воздушного потока на судно.

На рис.1.14 приведена графическая зависимость полученнная П.Н. Токаревым для определения скорости выдерживаемого ветра для удержания на месте т/х пр.1565 в грузу и в балласте (насадки переложены «наружу»).

Рис.1.14 Скорость выдерживаемого ветра и потребные углы перекладки насадок для удержания на месте т/х пр.1565 _____ в грузу -------- в балласте

В табл.1.1 приведены сведения о предельных скоростях ветра различного направления при которых суда можно удержать на месте.

Таблица 1.1

Скорость ветра

при которой возможен маневр «удержание на месте»

Проект теплохода (в балласте)

Использование ПУ

Направление ветра, град

используется

не используется

используется

не используется

Важное практическое значение для судоводителей имеет оценка возможности прямолинейного движения при воздействии ветра на малых скоростях (в том числе при использовании подруливающего устройства (ПУ) и работы движителей в режиме «враздрай»).

Уравнения прямолинейного движения в этом случае с учетом действующих на судно сил (рис.1.15) запишутся в виде:

()

Выражения для определения тяги и момента от работы ПУ в общем случае имеют вид:

,

(1.16)

где – значение тяги ПУ в швартовном режиме;

– расстояние от оси канала ПУ до ЦМ судна;

, – значения коэффициентов отношения тяги и момента ПУ при заданной скорости движения к тяге и моменту на швартовном режиме.

Значения коэффициентов , можно приближенно определить по графической зависимости рис.1.16.

Рис.1.15. Схема сил и моментов, действующих на судно при прямолинейном движении с углом дрейфа

Рис.1.16. Эффективность носового подруливающего ПУ с круговой формой поперечного сечения канала

Решение системы уравнений (1.13) в аналитическом виде возможно, если принять допущение о малости величины и считать, что полезный упор ДРК не зависит от ветрового воздействия. Тогда из первого уравнения системы (1.13), задаваясь скоростью движения судна и частотой вращения винта, работающего на передний ход, можно определить частоту вращения винта, работающего на задний ход:

(1.17)

где – сопротивление воды движению судна при скорости ;

– диаметр винта;

– коэффициент упора заднего хода на швартовах.

Анализ зависимости (1.2), отражающей взаимосвязь параметров истинного и кажущегося ветра, проведенный П.Н. Токаревым, показывает, что она не в полной мере отражает особенности влияния ветра при расчете элементов маневра оборота судна «на ветер» и «под ветер». Кроме того, в момент изменения угла воздействия ветрового потока с одного борта на другой в процессе криволинейного движения судна возникают затруднения при определении величины угла кажущегося ветра. Это связано с тем, что угол кажущегося ветра определяется из решения векторного треугольника (рис.1.17). Устранить указанные недостатки можно, если представить угол кажущегося ветра в виде суммы углов и .

Рис.1.17. К определению параметров кажущегося ветра при маневрировании судна

Тогда выражения для определения скорости и угла кажущегося ветра запишутся в виде:

(1.18)

В выражениях (1.18) угол определяется как:

.

(1.19)

В формуле (1.19) для определения величины угла знак плюс при соответствует выполнению маневра отворота «на ветер», а знак минус – «под ветер»

На рис. 1.18 приведены результаты расчета угла ветрового дрейфа и угла перекладки рулевых органов для теплохода типа «Волгонефть» при работе винтов на передний ход без ПУ и работе винтов «враздрай» с использованием ПУ.

Рис.1.18 Зависимость угла ветрового дрейфа и угла перекладки рулевых органов т/х пр.1577(в балласте) от скорости кажущегося ветра ( =10 м/c) при скорости движения судна 2 м/c ____ при работе винтов на передний ход без ПУ; ------ при работе винтов «враздрай» и использовании ПУ.

Анализ результатов расчетов показывает, что использование работы винтов в режиме «враздрай» и работе носового ПУ позволяют несколько снизить величину угла ветрового дрейфа, но при этом необходим несколько больший угол перекладки рулевых органов.

В табл. 1.2 приведены данные расчетов предельных значений ветра при которых возможна потеря управляемости речных и смешанного «река- море» плавания грузовых судов.

Таблица 1.1

Скорость ветра (м/ с), при которой происходит потеря управляемости судна при прямолинейном движении

в режиме «враздрай»

Проект теплохода (в балласте)	Направление ветра, град
2-95

Как показывает анализ аварийности судов, практический интерес представляет расчет маневра отворота с первоначальной линии пути в условиях ветра. В работах Л.М. Рыжова и Н.Ф. Соларева показано, что безопасность маневрирования судна при выполнении данного маневра определяется траекторией движения его кормового перпендикуляра. На рис.1.19 показаны значения характеристик маневра оборота т/х пр.1570 в грузу с полного хода ( =30 градусов).

Рис.1.19. Траектория движения кормовой оконечности т/х пр.1570 в грузу с полного хода(V = 23 м/с; = 90 ) _______ без ветра; ---------- на ветер; ___ ___ под ветер; 1,2,….5 координаты кормовой оконечности через 5 мин.

На рис.1.20 приведены элементы маневра отворота т/х пр.1565 на ветер и под ветер (n = n = 190 об/ мин., =35 градусов).

Рис.1.20. Отворот на ветер (А) и под ветер(В) т/х пр.1565 в балласте при ветре опасного направления 0,1,2,3,4 - положение судна на 0,1,2,3,4 - мин. маневрирования

Анализ расчетных данных позволяет сделать следующие выводы:

- величины, характеризующие элементы поворота при ветре в разной степени зависят от скорости и направления ветра;

- прослеживается нелинейный характер этих зависимостей.

ВЛИЯНИЕ ТЕЧЕНИЯ