Часть 1 Расчет загрузки и оценка мореходных качеств т/х «Олюторский залив» по Информации об остойчивости

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

В данном курсовом проекте необходимо произвести расчет загрузки и оценить мореходные качества т/х “Олюторский залив” на рейс заданной дальности при полном использовании грузоподъемности и грузовместимости судна. Параметры индивидуального задания – порт назначения, дальность рейса, перевозимый груз, затопленный отсек и изменения параметров посадки судна на мели определяются из таблицы, приведенной в Приложении А.

Порт отправления/назначения – Владивосток, направление рейса определяется самостоятельно по роду перевозимого груза.

Действующая грузовая марка – зимняя, осадка по летнюю грузовую марку задается преподавателем.

Необходимые для выполнения курсового проекта данные приведены в приложениях.

В курсовом проекте необходимо решить следующие задачи:

1. Определить запасы на рейс и распределить их по танкам.

2. Составить грузовой план, обеспечивающий полное использование грузоподъемности и грузовместимости судна.

3. Рассчитать водоизмещение, координаты центра масс, параметры остойчивости и посадки.

4. Проверить грузовой план и, при необходимости, откорректировать.

5. Построить диаграммы остойчивости и определить критерии остойчивости.

8. Произвести расчеты аварийной плавучести и аварийной остойчивости при затоплении грузового отсека.

7. Рассчитать реакцию грунта, приложенную к днищу судна на мели.

8. Рассчитать балластировку, обеспечивающую посадку «на ровный киль».

9. Рассчитать и построить кривые буксировочного сопротивления и эффективной мощности главного двигателя.

10. Произвести расчет загрузки СТР-503 на ПК.

Часть 1 Расчет загрузки и оценка мореходных качеств т/х «Олюторский залив» по Информации об остойчивости

1 Судовой расчет остойчивости

Под выражением судовой расчет остойчивости принято понимать составление и проверку грузового плана, а так же расчет посадки.

Для проверки грузового плана и расчета посадки производится вычисление статических моментов или координат центра масс судна.

Непосредственно остойчивость рассчитывается только при перевозке нехарактерных для данного судна грузов – крупногабаритных грузов на палубе, сыпучего груза навалом и т.п., а так же при выполнении специальных операций – использования тяжеловесной стрелы, кренгования и т.п.

Оформляется судовой расчет остойчивости по образцу, приведенному в Информации об остойчивости данного судна.

1.1 Составление грузового плана

Грузовым планом называют схему расположения грузов на судне. Пример грузового плана представлен в Приложении Г.

Для составления грузового плана при известных вместимости грузовых помещений и характеристиках перевозимых грузов необходимо определить грузоподъемность судна в данном рейсе.

1.1.1 Расчет грузоподъемности и судовых запасов

Грузоподъемность Р_гр.р. определяется из уравнения масс

D_ГМ = D_п + Р_эк + Р_з + Р_гр.р. ,

из которого следует

Р_гр.р. = D_ГМ - D_п - Р_эк - Р_з ,

где D_ГМ - водоизмещение судна по действующую грузовую марку; D_п - водоизмещение судна порожнем; Р_эк - масса экипажа, провизии и снабжения; Р_з - количество запасов, необходимых для выполнения рейса.

Грузовая марка – специальный знак, наносимый на борта судна в районе мидель-шпангоута с целью обеспечения минимально необходимого надводного борта путем ограничения осадки. Зоны и сроки действия сезонной грузовой марки приведены в Правилах Регистра [2].

Осадка, водоизмещение и дедвейт по летнюю грузовую марку приводятся в Основных характеристиках судна. Водоизмещение по зимнюю или тропическую грузовую марку определяется по соответствующей осадке при помощи грузовой шкалы, грузового размера или гидростатических элементов. Осадка по зимнюю грузовую марку меньше осадки по летнюю на 1/48 последней, а осадка по тропическую марку больше на 1/48, т.е.

d_з = d_л, d_т = d_л.

Водоизмещение судна порожнем D_п и масса Р_эк экипажа приведены в Информации об остойчивости в таблице нагрузки типового случая (Приложение Г).

Количество запасов на рейс Р_з определяются в зависимости от дальности рейса. На практике количество каждого вида запасов рассчитывается как произведение утвержденного судовладельцем суточного расхода данного вида запаса на количество суток рейса плюс 10% «штормового запаса». Таким образом, на приход останется 10% каждого вида запасов.

При отсутствии норм расхода, количество запасов можно определить по количеству запасов из типовых случаев загрузки, приведенных в Информации об остойчивости пропорционально дальности рейса Д. При этом, запасы «на отход» типового случая уже содержат 10% штормового запаса.

Для расчета судовых запасов на рейс дальностью Д миль используется таблиц “Расположение судовых запасов на 5000 миль” из Типовых случаев нагрузки Информации об остойчивости ([1], с. 14 – 15), Приложение Г. Приведенные в таблице запасы «на отход» включают в себя 10 % «штормового запаса».

Количество каждого вида запасов рассчитывается пропорционально заданной дальности рейса Д:

- тяжелое топливо..................Р_ТТ = Д*Р_ТТ5000/5000;

- дизельное топливо........…..Р_ДТ = Д*Р_ДТ5000/5000;

- смазочное масло.................Р_М = Д*Р_М5000/5000;

- пресная вода....................... Р_ПВ = Д*Р_ПВ5000/5000;

- грязная вода........................ Р_ГВ = Д*Р_ГВ5000/5000,

где Р с индексом 5000 - соответствующее количество запасов на 5000 миль выбираются из таблицы запасов «на отход» или «на приход» Приложения Г.

Данные по судовым танкам, необходимые для распределения запасов, приведены в Приложении Д ([1], с. 72 – 74).

При распределении судовых запасов по танкам необходимо учитывать следующее:

- каждый вид запасов размещается в танках, предназначенных именно для этих запасов (тяжелое топливо - в танках для тяжелого топлива, пресная вода в танках для пресной воды и т.д.);

- в первую очередь заполняются расходные танки (для пресной воды – танки питьевой воды), затем - отстойные и последними - остальные;

- смазочные масла принимаются в первую очередь в чистые танки (танки сепарированного, цилиндрового и запасного масла);

- по каждому виду запасов неполным может быть только один танк;

- для частично заполненного танка аппликата его центра тяжести z берется как для полностью заполненного, а вносимая при этом в величину М_z погрешность идет в запас остойчивости.

Оформляется расчет запасов в виде двух таблиц – «Запасы на отход» и «Запасы на приход» по образцу типового случая. Необходимые данные приводятся в Информации об остойчивости (Приложение Д).

В таблице запасов в первый столбец вносятся номера танков; во второй – масса запаса в танке; в третий – аппликата Z (возвышение над основной плоскостью) центра масс запаса в танке; в пятый - абсцисса Х (отстояние от мидель-шпангоута) центра масс запаса в танке; в седьмой – поправку на свободную поверхность.

Для частично заполненных танков абсциссы и аппликаты принимаются, как для полных.

Поскольку танки каждого вида запасов распрессовываются последовательно, поправки на свободную поверхность учитываются следующим образом: для тяжелого и дизельного топлива выбирается по одной наибольшей поправке из всех используемых цистерн, для пресной воды – по одной наибольшей поправке из используемых танков питьевой, мытьевой и котельной воды.

В четвертый столбец таблицы вносятся статические моменты танка относительно основной плоскости – произведение массы запаса в танке на его аппликату, в шестой – статические моменты танка относительно мидель-шпангоута – произведение массы запаса на абсциссу.

Сумма масс (сумма чисел столбца 2) – масса запасов, сумма статических моментов танков относительно основной плоскости (сумма чисел столбца 4) – статический момент запасов относительно основной плоскости, сумма статических моментов танков относительно мидель-шпангоута (сумма чисел столбца 6) – статический момент запасов относительно мидель-шпангоута. Определяется так же сумма поправок на свободную поверхность (сумма чисел столбца 7).

1.1.2 Подбор факультативного груза и распределение грузов по грузовым помещениям

Минимальное количество обязательного груза, принимаемого на борт, определяется в зависимости от его удельного погрузочного объема, приведенного в Приложении Б:

для µ < 2,0 - Р_об= 5000 т;

2,5 > µ ≥ 2,0 - Р_об= 3000 т;

3,0 > µ ≥ 2,5 - Р_об= 2500 т;

4,0 > µ ≥ 3,0 - Р_об= 2000 т;

µ ≥ 4,0 - Р_об= 1000 т.

В качестве факультативного может быть выбран любой груз из списка, приведенного в Приложении Б, включая обязательный груз, а также рыбий жир в танках, топливо, смазочное масло и пресная вода, а также можно принять груз на палубу.

Для подбора факультативного груза определяется удельная грузовместимость судна в рейсе

µ_уд = ,

где W_тр – объем трюмов (Приложение Е); Р_гр.р – грузоподъемность судна, рассчитанная ранее.

Если удельный погрузочный объем обязательного груза меньше удельной грузовместимости µ_об < µ_уд , то подбираемый факультативный груз должен иметь µ_ф > µ_уд и наоборот, если µ_об > µ_уд , то µ_ф < µ_уд . К продуктовому грузу желательно в пару выбирать продуктовый. При этом необходимо учитывать, что местная прочность палубных перекрытий позволяет принять полный трюм груза с удельным погрузочным объемом не менее 1,3 м³/т, поэтому для обязательного груза с µ_об > µ_уд рационально подбирать факультативный груз с удельным погрузочным объемом 1,3 … 1,4.

Для определения примерного количества обязательного и факультативного груза в трюмах рекомендуется решить систему уравнений

Р_об + Р_ф = Р_гр.р;

W_об + W_ф = W_тр,

где объем обязательного груза W_об = Р_об µ_об: объем факультативного груза W_ф = Р_ф µ_ф.

Распределение по трюмам начинается с более легкого груза. То помещение, в которое попадает остаток груза, заполняется этим грузом полностью, что позволит избежать необходимости иметь в одном грузовом помещении два различных груза. Оставшиеся грузовые помещения заполняются тяжелым грузом. В итоге, масса груза в трюмах будет меньше грузоподъемности. Остаток грузоподъемности используется для перевозки жидкого груза в танках. На этот груз составляется соответствующая таблица.

Если обязательный груз имеет удельный погрузочный объем менее 1,3, то в каждое грузовое помещение принимается два груза – в нижнюю часть тяжелый, сверху легкий груз. Отношение объемов этих грузов в помещении соответствует общему отношению этих грузов. Аппликаты центров масс каждого груза в грузовом помещении рассчитывается из предположения о том, что каждое помещение имеет форму параллелепипеда, следовательно, отношение высот штабелей каждого груза равно отношению их объемов. Значение высот грузовых помещений приведено в Приложении В.

Если груз перевозится на палубе, то так же определяются координаты его центра масс.

После распределения груза составляется таблица по образцу таблицы запасов и рассчитывается суммарная масса груза и его статические моменты.

1.2 Проверка грузового плана

Для того, чтобы принять грузовой план к исполнению, необходимо произвести проверку остойчивости, посадки и прочности судна. Проверка грузового плана производится не только «на отход», но и «на приход», поскольку расходование в рейсе судовых запасов приводит к изменению положения центра масс судна. Для проверки грузового плана производится расчет водоизмещения, координат центра масс судна, параметров посадки и остойчивости, выполняемый в форме таблица нагрузок.

1.2.1 Заполнение таблицы нагрузок

В качестве примера рассмотрим таблицу нагрузок, представленную в Приложении Г.

Таблица нагрузок состоит из двух частей - из собственно таблицы нагрузок (до строки «Водоизмещение», включительно) и таблицы параметров остойчивости и посадки.

Рассмотрим первую таблицу.

В первую строку таблицы вносятся данные порожнего судна, приводимые в Информации об остойчивости. Во вторую – данные экипажа, провизии и снабжения, также приводимые в Информации, однако обычно эти данные отсутствуют, поскольку включаются в порожнее судно.

Далее в соответствующие строки вносятся массы и статические моменты запасов, груза и жидкого балласта (если балласт принят).

Водоизмещение судна ∆ определяется как сумма масс статей нагрузки, статический момент водоизмещения относительно основной плоскости M_z – сумма статических моментов статей относительно основной плоскости, статический момент водоизмещения относительно мидель-шпангоута M_х – сумма статических моментов статей относительно мидель-шпангоута.

Координаты центра масс судна – аппликата z_g и абсцисса x_g рассчитываются

z_g = ; x_g = .

Рассчитанные значения водоизмещения, статических моментов водоизмещения и координат центра масс судна вносятся в соответствующие ячейки строки «Водоизмещение».

Далее заполняется таблица параметров остойчивости и посадки.

К M_z прибавляется сумма поправок на свободную поверхность ΣδM_z , получается расчетный статический момент водоизмещения относительно основной плоскости (исправленный поправками на свободную поверхность) M_{z расч} = M_z + ΣδM_z; M_{z расч} делится на водоизмещение, получается расчетное (исправленное) возвышение центра масс над основной плоскостью z_{g расч} = M_{z расч} /∆; из таблицы допустимых возвышений центра массы судна, Приложение К, по значению водоизмещения из столбца «по аварийной остойчивости» выбирается z_{g доп} . Столбец «по аварийной остойчивости» используется потому, что в символе класса судна имеется [1], означающая конструктивное обеспечение непотопляемости при затоплении 1 любого отсека. При выборке z_{g доп} необходимо учитывать дифферент, рассчитываемый далее, поэтому рекомендуется по завершению расчета водоизмещения сразу из таблицы гидростатических элементов (Приложение И) выбрать значения осадки по грузовому размеру d, абсциссу центра величины x_c, абсциссу центра тяжести площади ватерлинии x_f, момент, дифферентующий на 1м M_1M и возвышение метацентра над основной плоскостью z_m.

Если z_{g расч} ≤ z_{g доп}, то остойчивость судна обеспечена по общим требованиям к остойчивости и расчет продолжается. Если указанное условие не выполняется, то необходимо увеличить остойчивость.

Остойчивость увеличивается при понижении центра масс судна.

Если перевозится несколько разных грузов, то необходимо более тяжелые грузы переместить в нижние грузовые помещения и провести новый расчет. Если указанное условие по-прежнему не выполняется, то необходимо принять балласт в танки двойного дна.

Балластные танки двойного дна парные, поэтому балласт принимается в каждую пару последовательно, и танки заполняются полностью. Вначале балласт принимается в танки 1.4 и 1.5. Рассчитывается новые значения ∆₁ = ∆ + Р_1.4+1.5, M_{z расч1} = M_{z расч} + Р_1.4 z_1.4 + Р_1.5 z_1.5 ,

z_{g расч1} = M_{z расч1} /∆₁; по ∆₁ определяется z_{g доп1} и проверяется условие z_{g расч1} ≤ z_{g доп1}. Если условие не выполняется, то последовательно балластируются танки 1.6, 1.7 и 1.8, 1.9. После выполнения условий заполняется таблица балласта и производится корректировка таблицы нагрузок.

Далее рассчитывается метацентрическая высота без поправки h₀ = z_m –z_g, поправка на свободные поверхности δh = ΣδM_z/∆ и исправленная метацентрическая высота h = h₀ – δh.

Последними рассчитываются параметры посадки:

D_f = ;

d_н = d + ( - x_f) ;

d_к = d - ( + x_f) ,

d_ср = ,

где L = 142 м – длина между перпендикулярами.

Правильность расчета посадки можно оценить по величине дифферента D_f = d_н - d_к . Разница значений дифферента, определенных по продольному моменту и по осадкам не должна превышать 0,01 м.

1.2.2 Проверка посадки

В Информации об остойчивости в разделе “Ограничения и рекомендации капитану” ([1], с. 58 – 64) указываются следующие ограничения по посадке:

- загрузка и бункеровка судна должна производится всегда так, чтобы крен отсутствовал, а дифферент был на корму;

- средняя осадка в морской воде не должна превышать 8,31 м (осадку по летнюю грузовую марку);

- при плавании в ледовых условиях средняя осадка не должна превышать 8,0 м (из условия расположения ледового пояса корпуса судна) (в данной работе этот пункт игнорируется);

- чтобы избежать ударов носовой части днища о воду (слемминга), рекомендуется иметь осадку носом не менее 3,4 м;

- для обеспечения наименьшей потери скорости на волнении и предотвращения перегрузки двигателя из-за недостаточного погружения гребного винта, рекомендуется иметь осадку кормой не менее 5,7 м;

- для обеспечения требований к аварийной посадке судна осадка кормой не должна превышать 9,8 м.

Рассчитанные значения дифферента, осадок носом и кормой сравниваются с вышеприведенными ограничениями. Средняя осадка сравнивается с рассчитанным значением осадки по зимнюю грузовую марку. По результатам сравнения делаются соответствующие выводы.

1.2.3 Проверка остойчивости судна

Остойчивость судна считается обеспеченной, если выполняются общие и дополнительные требования к остойчивости, приведенные в Правилах Морского Регистра Судоходства [2] (Глава 4 «Остойчивость»).

Общие требования к остойчивости (для судов, киль которых заложен до 01.07.02 г.)

1) Критерий погоды К, выражающий отношение плеча опрокидывающего момента l_c к плечу кренящего момента от шквала l_v должен быть не менее 1,0

К = ³ 1,0;

2) Начальная метацентрическая высотас поправкой на влияние свободной поверхности жидкостей в танках должна быть не менее 0,15 м

h ³ 0,15 м;

3) Максимальное плечо диаграммы статической остойчивости должно быть не менее 0,20 м

l_max ³ 0,20 м;

4) Угол максимума диаграммы статической остойчивости должен быть больше 30°

q_m > 30°;

5) Угол заката диаграммы статической остойчивости должен быть не менее 60°

q_v ³ 60° (без обледенения),

q_v ³ 55° (с обледенением).

Остойчивость судна по общим требованиям считается обеспеченной, если выполняется условие z_{g расч} ≤ z_{g доп}.

Дополнительное требование

(как для судна, имеющего отношение ширины к осадке больше 2,5)

Остойчивость по критерию ускорения К^* считается приемлемой, если в рассматриваемом состоянии нагрузки расчетное ускорение a_расч (в долях g) не превышает допустимого значения, т.е. выполняется условие:

К^* = 0,3/a_расч ³ 1,0.

Расчетные параметры остойчивости должны быть не менее требуемых в течение всего рейса.

Таким образом, остойчивость судна считается обеспеченной, если выполняются условия z_{g расч} ≤ z_{g доп} и К^* ³ 1,0.

Порядок проверки остойчивости по общим требованиям приведен в разделе «Заполнение таблицы нагрузок».

Для проверки остойчивости по дополнительному требованию необходимо произвести расчет критерия ускорения К^*.

Величина расчетного значения ускорения определяется по формуле

a_расч = 1,1*10^-3*В*m²*q_r,

где В – ширина судна; q_r - амплитуда качки в градусах, определяется по диаграмме “Амплитуда бортовой качки”, Приложение Н ([1], с. 81);

m = - нормируемая частота собственных колебаний судна;

h₀ – метацентрическая высота без поправок (рассчитана в таблице нагрузок);

m₀ - коэффициент, определяемый по Приложению М в зависимости от ; Ñ - объемное водоизмещение судна (Ñ = , ρ = 1,025 т/м³ – плотность забортной воды).

1.2.4 Проверка прочности

Проверяется местная и общая продольная прочность.

Местная прочность проверяется по величине удельной нагрузки на палубу в каждом грузовом помещении.

Удельная нагрузка на палубу q определяется выражением

q = ,

где h_гр - высота штабеля груза в грузовом помещении; m - удельный погрузочный объем груза.

Рассчитанная удельная нагрузка сравнивается с допустимой, приведенной в Приложении Ж.

Общая прочность проверяется по диаграмме контроля общей продольной прочности.

Общая прочность проверяется по предельным напряжениям, возникающим при продольном изгибе корпуса судна.

Достаточность продольной прочности корпуса судна проверяется сравнением расчетного момента от сил дедвейта M_DW с допустимым моментом. Величина M_DW определяется как половина суммы моментов масс, составляющих дедвейт

M_DW = ,

где P_i, |x_i| – масса и абсолютная величина абсциссы i-той статьи дедвейта, соответственно. Таким образом, для определения M_DW необходимо сложить построчно, игнорируя знак, статические моменты относительно мидель-шпангоута в таблицах запасов, грузов и балласта, а также экипажа, провизии и снабжения из таблицы нагрузок и разделить на 2.

В Приложении Р представлена Диаграмма контроля общей прочности. На оси абсцисс диаграммы откладывается величина водоизмещения судна; полученная точка сносится вниз параллельно линиям Диаграммы до уровня, соответствующего дифференту судна; через полученную точку проводится линия, перпендикулярная к горизонтальной оси Диаграммы до уровня, соответствующего расчетному значению момента дедвейта. Если полученная точка находится между линиями “Опасно – перегиб в рейсе” и “Опасно – прогиб в рейсе”, то общая продольная прочность при данном состоянии нагрузки обеспечена. Если нет – у судна опасный прогиб или перегиб корпуса и необходимо перераспределить запасы или груз.

1.2.5 Корректирование грузового плана

Выполнив комплексную оценку параметров исходного грузового плана по посадке, остойчивости и прочности, намечают мероприятия по его исправлению.

Если рекомендации по размещению груза в грузовых помещениях были учтены, то местная прочность будет обеспечена.

Принятие балласта в носовые балластные танки позволяет увеличить осадку носом, уменьшить осадку кормой и уменьшить возвышение центра масс судна, однако при этом необходимо откорректировать расчет водоизмещения и координат центра масс судна.

Если трюма заполнены грузом равномерно, то общая продольная прочность обеспечивается автоматически.

После перераспределения грузов и запасов и принятия балласта производится расчет новой посадки и ее проверка, а также проверка остойчивости и прочности. Пересчеты проводятся до тех пор, пока грузовой план не будет удовлетворять всем указанным требованиям.

2 Расчет критериев остойчивости

Критерии остойчивости, величину которых необходимо определить в данной работе, указаны в разделе “Требования Регистра к остойчивости” Информации об остойчивости ([1], с. 59 – 60). Некоторые критерии – метацентрическая высота и критерий ускорения уже рассчитаны в предыдущих разделах.

2.1 Построение диаграммы статической остойчивости

Диаграмма статической остойчивости “на отход” строится по значениям плеч остойчивости формы l_ф, выбираемым из таблицы “Плечи остойчивости формы (пантокарены)”, Приложение Л ([1], с. 79), по значению водоизмещения для углов крена, кратных 10°. Расчет плеч диаграммы статической остойчивости производится по формуле

l_ст = l_ф - z_{g расч}sinq,

где z_{g расч}sinq - плечо веса, z_g – расчетное (исправленное) возвышение ЦМ судна над ОП.

Диаграмма статической остойчивости “на приход” строится по диаграмме “Универсальная диаграмма статических плеч”, приведенной в Приложении С ([1], с. 87 – 88). Для определения значений плеч диаграммы статической остойчивости на Универсальной диаграмме проводится кривая, соответствующая расчетному значению водоизмещения; на правой оси Диаграммы откладывается значение метацентрической высоты, исправленной поправкой на свободные поверхности, и полученная точка соединяется прямой линией с точкой 0 левой оси; значение длин отрезков между проведенными кривой и прямой для кратных 10° значений углов крена в масштабе шкалы плеч дадут искомые значения плеч диаграммы статической остойчивости.

Обе диаграммы строятся на одном графике. На этом же графике строятся проверочные треугольники, катетами которых являются соответствующие метацентрические высоты и угол крена в 57,3°. При правильном построении начальный участок диаграммы статической остойчивости совпадает с гипотенузой соответствующего проверочного треугольника.

С диаграмм снимаются значения максимального плеча диаграммы l_max, угла максимального плеча q_m и угла заката диаграммы q_v.

2.2 Расчет критерия погоды

Критерий погоды, равный отношению плеча опрокидывающего момента к плечу динамически приложенного кренящего момента от ветра К = l_c/l_v рассчитывается только на отход.

Для определения плеча опрокидывающего момента l_c строится диаграмма динамической остойчивости. Плечи диаграммы рассчитываются по формуле

l_{д10 i} = l_д10(i-1) + (l_ст10(i-1) + l_{ст 10i}) ,

где i = 1; 2; … n – значения углов крена, для которых рассчитываются плечи диаграммы; l_{д 0} = l_{ст 0} = 0.

Вид диаграммы динамической остойчивости представлен на рис. 1.

На диаграмме от точки 0 вправо и влево откладывается амплитуда качки q_r, определенная выше при расчете критерия ускорения. Точка 1 получается от пересечения перпендикуляра, восстановленного к точке +q_r, с линией диаграммы; через точку 1 проводится линия, параллельная оси наклонений; пересечение этой линии с перпендикуляром к точке -q_r образует точку 2; из точки 2 проводится прямая, касательная к кривой диаграммы; от точки -q_r вправо откладывается 57,3° - точка 3; отрезок перпендикуляра к точки 3 между кривой диаграммы и прямой, проходящей через точки 1 и 2 в масштабе оси плеч будет равен искомому плечу опрокидывающего момента l_с.

lс

30 -θr20 10 0 10 20 θr 30 40 50 60 70 θ 57,3°

lд

57,3

Рис. 1.

Плечо кренящего момента l_v определяется по “Таблице плеч ветровой нагрузки”, Приложение П ([1], с. 80).

Результаты всех проведенных расчетов (запасы “на отход” и “на приход”, грузы, диаграммы статической остойчивости, параметры посадки и остойчивости) оформляются по образцу “Типового случая нагрузки”, приведенного в Приложении Г ([1], с. 6 – 57).

3 Расчеты непотопляемости

Расчеты производятся для состояния судна «на отход».

При аварийном затоплении отсека непотопляемость считается обеспеченной, если выполняются требования к аварийной посадке и аварийной остойчивости, приведенные в Правилах российского Морского Регистра Судоходства [2].

3.1 Требования Регистра к аварийной плавучести и аварийной остойчивости

Аварийная плавучесть и аварийная остойчивость судна считаются обеспеченными, если при затоплении отсеков выполняются следующие условия:

1) начальная метацентрическая высота, рассчитанная по методу постоянного водоизмещения, в конечной стадии затопления для ненакрененного судна до принятия мер по ее увеличению должна быть не менее 0,05 м.

Для непассажирского судна по согласованию с Регистром допускается положительная МЦВ меньше 0,05 м;

2) угол крена при несимметричном затоплении должен быть не более 20° до спрямления и не более 12° после;

3) протяженность части ДСО с положительными плечами без учета срабатывания перетоков, а также после спрямления (с учетом угла заливания) должна быть не менее 20°;

4) максимальное плечо ДСО в пределах указанного участка должно быть не менее 0,1 м;

5) площадь части ДСО с положительными плечами должна быть не менее 0,0175 м_*рад;

6) аварийная ватерлиния должна проходить по крайней мере на 0,3 м ниже опасных отверстий (отверстий, через которые вода может распространиться по судну).

Для грузовых судов допускается вход в воду палубы переборок и даже открытой палубы.

3.2 Расчет коэффициентов проницаемости

Важнейшей характеристикой, позволяющей оценивать непотопляемость судна, является коэффициент проницаемости отсека c, равный отношению объема воды, способной заполнить отсек, к теоретическому объему отсека.

Если трюм полностью заполнен одним грузом, то коэффициент проницаемости трюма c_тр равен коэффициенту проницаемости груза c _гр

c _тр = c _гр.

Коэффициент проницаемости частично заполненного рефрижераторного трюма c_тр определяется выражением

c _тр = 0,93 – V_гр*(0,93 -c _гр )/V_тр,

где V_гр - объем груза в трюме; V_тр – об ем трюма.

c _гр - коэффициент проницаемости груза;

V_тр - объем трюма.

Если в трюме 2 различных груза, то

V_гр = V_гр1 + V_гр2;

c _гр = (c_гр1*V_гр1 + c_гр2*V_гр2 )/(V_гр1 + V_гр2).

Коэффициент проницаемости отсека

c _ср =(c_в*V_в + c_с*V_с + c_н*V_н )/(V_в + V_с + V_н),

где соответствующим индексом обозначен верхний, нижний и средний трюма.

Коэффициенты проницаемости рассчитываются для всех грузовых отсеков.

3.3 Расчет параметров аварийной посадки и аварийной

остойчивости при затоплении отсека

Для расчета параметров аварийной посадки и аварийной остойчивости при затоплении малого отсека (малым считается отсек, затопление которого не приводит к существенному изменению формы и площади ватерлинии) используются два метода: при затоплении отсеков 1 и 2 категории (уровень затопления таких отсеков не зависит от посадки судна) – метод приема груза; при затоплении отсека 3 категории (уровень затопления зависит от посадки) – метод постоянного водоизмещения.

Номер затапливаемого отсека (трюма) определяется по варианту задания (Приложение А). Предполагается, что трюм имеет форму параллелепипеда; коэффициент проницаемости постоянен по всей высоте отсека. Посадка и остойчивость судна соответствует состоянию «на отход». Отсек затапливается через пробоину, расположенную ниже ватерлинии.

Поскольку при указанном затоплении отсек имеет третью категорию, для расчетов используется способ постоянного водоизмещения. Абсциссы ЦТ затопленного объема x_v, ЦТ потерянной площади ватерлинии x_s и пустого отсека х_тр принимаются равными по величине. Соответствующие ординаты принимаются равными нулю. Площадь ватерлинии до затопления

S = q_м / r.

Рассчитывается объем воды, влившейся по исходную ватерлинию

v = c_* v₀,

где v₀ = d_{тр *} l _* b - объем отсека по исходную ватерлинию;

d_тр = d+ (х_тр – x_f) _* D_f / L – осадка отсека по исходную ватерлинию;

l, b – длина и ширина отсека.

Потерянная площадь ватерлинии моменты инерции площади затопленного отсека определяются из выражений

s = c_* l_* b;

i_x = c_* l_* b³/12; i_y =c_* l³_* b/12;

изменение средней осадки

d d = v/(S – s);

координаты ЦТ площади поврежденной ватерлинии

x_f1 = x_f – (x_s – x_f )_* s/(S – s);

y_f1 = - y_s* s/(S – s);

потерянные моменты инерции площади ватерлинии

dI_x = i_x + s_* y_s² + (S – s) _* y²_f1;

dI_yf = i_y + s(x_s – x_f )² + (S – s) _* (x_f1 – x_f )²;

изменение метацентрических высот

d h = v_* (d + d d/2 – z_v - d I_x /v)/Ñ;

dH = v_* (d + d d/2 – z_v - d I_yf /v)/Ñ » - d I_yf /Ñ;

метацентрические высоты

h_а = h + d h;

H_а = H + dH;

изменение углов крена и дифферента

dq° = 57,3° _* v_* (y_v – y_f1)/(Ñ_* h₁);

dy = v_* (x_v – x_f1)/(Ñ_* H₁);

осадки носом и кормой

d_на = d_н + d d + (L/2 - x_f1) _* dy;

d_ка = d_к + d d - (L/2 + x_f1) _* dy.

Полученные значения параметров посадки и остойчивости сравниваются с нормативными значениями и делается вывод об обеспечении непотопляемости для данной загрузки судна.

4 Расчет реакции грунта судна на мели

Расчет производится для состояния судна «на отход».

При посадке судна на мель (камни) без повреждения днища часть поддерживающей силы r gÑ компенсируется реакцией грунта R. При этом изменяется посадка и остойчивость судна. В Приложении А указаны значения изменений осадок d d_нм и d d_км и угол крена q_м судна на мели. Для расчета условий самостоятельного всплытия необходимо определить реакцию грунта R и точку ее приложения к корпусу (предполагается, что реакция грунта приложена к днищу в точке с координатами х_м, у_м).

Реакция грунта в точке касания принимается равной

R = q_{м *} d d_м,

где q_м – число тонн на метр осадки, определяется по таблице гидростатических элементов; d d_м = (d d_нм + d d_км)/2 - dY_* x_f; dY = (d d_км - d d_нм)/L – изменение угла дифферента.

Изменение остойчивости судна на мели соответствует снятию груза массой, численно равной реакции грунта R, с основной плоскости судна

h_м = h +d h_м; d h_м = .

Координаты точки приложения реакции мели

х_м = x_fм + ;

у_м = ,

где М_1м.м – момент, дифферентующий на 1 м, определяемый по величине

D_м = D - R.

5 Расчет балластировки судна

Расчет производится для случая нагрузки судна «на приход».

Необходимо рассчитать комплекс мероприятий, обеспечивающую посадку «на ровный киль» (D_f = 0).

В первую очередь посадка судна изменяется балластировкой соответствующих танков. Если операций с жидким балластом окажется недостаточно, то производится разгрузка соответствующих трюмов.

При расчете балластировки вначале рассчитывается величина продольного момента М_б0, обеспечивающего уменьшение дифферента до нуля

М_б0 = - D_fМ_1м.,

где D_f - дифферент судна «на приход».

Продольный момент танка равен произведению массы, принятого в танк балласта, на абсциссу танка. Поскольку начальный дифферент отрицателен, то необходимый продольный момент будет положительным, а следовательно балластируются танки в нос от миделя, т.е. танки с положительными абсциссами. В первую очередь балласт принимается в танки, максимально удаленными от миделя. Поскольку балластные танки за исключением форпика парные, то и балластируются они попарно для обеспечения симметрии загрузки. Если суммарный продольный момент при заполнении очередной пары танков превышает необходимый, то избыток момента разделенный на сумму абсцисс танков, составляющих последнюю пару, определяет количество балласта, который необходимо отлить из каждого танка.

Если продольный момент от балластировки всех носовых балластных танков и танков грязной воды меньше необходимого, то производится разгрузка трюма № 4, начиная с верхнего помещения.

После того, как определены мероприятия, обеспечивающие создание необходимого продольного момента, производится повторный расчет дифферента

D_f1 = ,

где Δ₁ = Δ + ΣР_бi – водоизмещение с принятым балластом; x_g1 = - абсцисса ЦТ судна с балластом; абсцисса ЦВ х_с1 и момент дифферентующий на 1м М_1М1, определяемые по Δ₁.

Далее определяется М_б1 и расчет повторяется до тех пор, пока не выполнится условие x_g = х_с. При выполнении указанного условия D_f = 0, которому соответствует d_н = d_к = d_ср = d.

По окончании расчета производится проверка новой загрузки по z_{g доп}.

6Расчет буксировочного сопротивления и эффективной

мощности главного двигателя

Расчет производится для случая нагрузки судна «на отход». Буксировочное сопротивление судна R_б рассматривается как сумма трех составляющих: сопротивления трения R_тр, вихревого сопротивления (сопротивления формы) R_ф и волнового сопротивления R_в

R_б = R_тр + R_ф + R_в.

Сопротивление трения и вихревое сопротивление обусловлены вязкостью жидкости, волновое сопротивление – весомостью жидкости.

В практических расчетах используют гипотезу Фруда, согласно которой буксировочное сопротивление находится как сумма сопротивления трения R_тр, зависящего от числа Рейнольдса и остаточного сопротивления R_ост, зависящего от числа Фруда. Число Рейнольдса Re = выражает вязкость жидкости, а число Фруда Fr = – силу тяжести.

В приведенных выражениях V, L– скорость и длина судна; ν - коэффициент кинематической вязкости для морской воды при 4°С ν = 1,6_* 10^-6 м²/с; g - ускорение свободного падения.

Величина сопротивления трения рассчитывается по эмпирическим формулам, а остаточное сопротивление определяется с использованием кривых, полученных на основе систематических испытаний моделей судов.

Для расчета буксировочного сопротивления используется выражение

R_б = 0,5ζ_б ρV²Ω,

где ζ_б - коэффициент буксировочного сопротивления; ρ - плотность забортной воды; V - скорость судна, м/с; Ω - площадь смоченной поверхности корпуса судна.

Площадь смоченной поверхности можно определить по эмперической формуле

Ω = _٭ (3,4 + 0,5L).

Коэффициент буксировочного сопротивления определяется как сумма коэффициента сопротивления трения ζ_тр и коэффициента остаточного сопротивления ζ_ост

ζ_б = ζ_тр + ζ_ост.

Коэффициент сопротивления трения рассчитывается как сумма коэффициента трения эквивалентной (по площади смоченной поверхности) технически гладкой пластины ζ_f и надбавок на шероховатость ζ_ш и выступающие части ζ_в.ч.

ζ_тр = ζ_f + ζ_ш + ζ_в.ч.,

ζ_f = ;

ζ_ш = 0,4_٭10^-3 – надбавка на шероховатость судов длиной до 150 м;

ζ_в.ч. = 0,1_٭10^-3 – надбавка на выступающие части одновинтового судна длиной 130…200 м.

Величина коэффициента остаточного сопротивления ζ_ост определяется по диаграмме, приведенной в Приложении Т.

Эффективная мощность главного двигателя N_e определяется выражением

N_e = ,

где η – пропульсивный коэффициент (в работе принимается η = 0,6).

Расчеты выполняются в табличной форме (см. таблицу 2). По результатам расчетов строятся графики зависимости буксировочного сопротивления и эффективной мощности от скорости судна.

№ п/п	Наименование расчетных величин	Обозначение и Формула	Раз- мер-ность	Числовые значения расчетных величин
	Скорость судна	Vs	уз
	Скорость судна	V=0,515 Vs	м/с
	Число Рейнольдса	Re =	-
	Число Фруда	Fr =	-
	Коэффициент трения пластины	ζf =	-
	Коэффициент остаточного сопротивления	ζост	-
	Коэффициент буксировочного сопротивления	ζб = ζf + ζш + ζв.ч. + ζост	-
	Буксировочное сопротивление	Rб = 0,5ζб ρV2Ω	кН
	Эффективная мощность	Ne =	кВт

Таблица 2 – расчет буксировочного сопротивления и эффективной мощности главного двигателя