Рис. 3. Эпюры нагрузок, вызывающих общий изгиб корпуса
При выходе судна на волну силы поддержания перераспределяют-ся по длине корпуса благодаря_изменению формы погруженного объе-ма. При этом судно
может попасть миделем на вершину (рис. 4, а) или на впадину волны (рис. 4, б). В первом случае в палубе возни-кают дополнительные напряжения растяжения (+Ds), а в днище -- сжатия (- Ds), что соответствует перегибу корпуса; во втором, на-оборот, палуба подвергается дополнительному сжатию, а днище -- растяжению, что соответствует прогибу корпуса.
Рис. 4. Положение судна при постановке на волну
Наибольшие расчетные изгибающие моменты как для прогиба, так и для перегиба (Мр, кН * м) вычисляют алгебраическим суммирова-нием наибольших значений изгибающих моментов, возникающих на тихой воде, с дополнительным волновым изгибающим моментом М дв:
МР = МТВ + МДВ
Аналогично наибольшие расчетные перерезывающие силы как для прогиба, так и для перегиба определяют алгебраическим суммирова-нием наибольших значений перерезывающих сил, возникающих на тихой воде FTB, с дополнительной волновой перерезывающей силой FДВ:
FР = FТВ + FДВ.
Способность корпуса выдерживать нагрузки, действующие на отдельные его перекрытия и связи, определяет местную прочность. Среди местных нагрузок выделяют гидростатическое давление при аварийных затоплениях отсеков, сосредоточенные и распределенные силы при приеме и снятии грузов в районе грузоподъемных устройств, реакции кильблоков при постановке в док, сосредоточенные силы при швартовке и буксировке, силы обжатия корпуса льдом при ледовой проводке судна.
Давление воды на поперечное сечение корпуса определя-ют с учетом движения судна на волнении, т. е. нагрузки на днище qД и на борта qб вычисляют по осадке уровня волновой ватерлинии. Прочность палубных перекрытий должна обеспечивать восприятие поперечной равномерно распределенной нагрузки qн.
Правилами постройки ледоколов и транспортных судов для пла-вания в ледовых условиях предусматривается комплекс конструктив-ных мероприятий по подкреплению корпуса, обеспечивающих безопас-ность плавания во льдах.
Днищевые перекрытия речных судов проверяют также на восприятие реакции платформ и кильбло-ков косяковых тележек при подъе-ме судов на слипы.
Ре-гистром Украины утверждается инструкция по погрузке, выгрузке и балластировке для судов каждого типа. Отклонение от инструкции может привести к нарушению прочности, поэтому выполнение ее должно строго соблюдаться командным составом судна.
Прогиб (перегиб) судна можно уменьшить или устранить перемещением груза или запасов ближе к оконечностям (мидель-шпангоуту).
Использование моделирующих приборов для контроля загрузки с учетом необходимой посадки, остойчивости и прочности позволяет быстро и достаточно точно проверить несколь-ко вариантов загрузки и выбрать приемлемый, а иногда и оптимальный вариант.
С ростом скорости, и размеров судов при плавании на волнении участились случаи слеминга, приводящего к повреждению днища и бортов судна. В наиболее тяжелых случаях по-вреждения охватывают до 30% длины судна в носу, а прогибы достигают 300 мм. что приво-дит к разрыву связей и обшивки корпуса, за-топлению носовых трюмов.
Условия появления слеминга: волнение с встречных курсовых углов;
близость кажущего-ся периода волнения собственному периоду килевой качки; кажущаяся крутизна волны не менее 1/50; скорость вертикальных колебаний корпуса не менее 3,5 м/с. Днищевой слемннг появляется при осадке носом менее 0,04 - 0,05 длины судна.
Для судоводителя важно объективно оце-нить интенсивность удара вря слемииге для решения вопроса о поддержании скорости без опасения повредить корпус.
Регулирование и контроль за обеспечени-ем местной прочности палубных перекрытий, платформ, двойного дна, люковых закрытий осуществляется: путем назначения для каждого перекрытия допускаемых удельных нагрузок. Величины этих нагрузок указаны на чертежах палуб судовой документации и обычно лежат в пределах 1,0--10 тс/м2.
Ходкость--способность судна развивать с помощью движителей за-данную скорость, преодолевая сопротивление окружающей среды -- воды и воздуха. Сила сопротивления движению судна зависит от физических свойств среды. Важнейшими физическими характеристика-ми жидкости являются плотность и вязкость.
Плотностью называется величина, определяемая отношением мас-сы вещества к занимаемому им объему, т/м3
r = m/V1
где т -- масса жидкости, т;
V1 -- объем, м8.
Вязкость (внутреннее трение) -- свойство жидкостей оказывать со-противление перемещению одной их части относительно другой. При течении вязкой жидкости в трубе ее скорость возрастает от нулевого значения у стенки трубы до максимального значения на оси. Между слоями, движущимися с разными скоростями, действуют касатель-ные силы внутреннего трения: слой, перемещающийся быстрее, увле-кает за собой слой, движущийся медленнее, а тот в свою очередь тор-мозит первый. Вязкость жидкостей увеличивается с понижением тем-пературы; она характеризуется коэффициентами динамической h и кинематической v вязкости.
Вязкость жидкости, а также шероховатость поверхности вызывают изменение скорости обтекания вблизи поверхности корпуса. Благодаря молекулярным силам сцепления частицы воды, непосредственно сопри-касающиеся с обшивкой корпуса, как бы прилипают к ней и движутся со скоростью, равной скорости судна. По мере удаления от поверхно-сти корпуса скорость частиц в слое воды уменьшается. На некотором удалении частицы имеют скорость невозмущенного потока. Зона, в ко-торой наблюдается изменение скоростей движения частиц жидкости, называется пограничным слоем.
Относительное смещение слоев воды в пограничном слое и измене-ние при этом гидродинамического давления вдоль смоченной поверх-ности корпуса вызывают сопротивление движению судна.
Полное сопротивление движению судна складывается из пяти основ-ных составляющих:
R = RT + RФ + RB + RBЧ + Rвозд
Сопротивление трения RT -- равнодействующая сил трения, возни-кающих вследствие вязкости воды между корпусом движущегося суд-на и ближайшими к нему слоями воды пограничного слоя. Сопротив-ление трения зависит от скорости судна, размеров и формы смоченной поверхности корпуса и степени ее шероховатости:
RT = xT (r/2) v2 W
где xT -- безразмерный коэффициент сопротивления трения;
v -- скорость судна, м/с;
------------W -- площадь смоченной поверхности корпуса, м2.
Площадь смоченной поверхности определяют по теоретическому
чертежу или эмпирической формуле:
----------------------------------------------------------------------W = L(1,36T + 1,13dВ),
где L, В, Т -- главные размерения судна, м;
d -- коэффициент полноты во-доизмещения корпуса.
Снижение сопротивления трения на практике достигают устране-нием шероховатости наружной обшивки, периодическими очисткой и окраской подводной части корпуса стойкими и самополирующимися красками мелкой зернистости, планомерной борьбой с обрастанием корпуса водорослями и ракушками у судов смешанного плавания.
Сопротивление формы RФ образуется при понижении давления во-ды за кормой судна и появлении добавочных сил, препятствующих его движению. Равнодействующая сил, возникающих вследствие разности гидродинамических давлений вдоль корпуса и зависящих от его фор-мы, называется сопротивлением формы:
RФ = xФ(r/2) v2 W
где xФ -- безразмерный коэффициент сопротивления формы.
Сопротивление формы может быть уменьшено при проектировании корпуса судна путем улучшения его обтекаемости, увеличения отноше-ния L/B и обеспечения примыкания кормовых ветвей ватерлинии к ДП в подводной части корпуса под возможно меньшими углами.
Волновое сопротивление RB обусловлено влиянием волн на распре-деление гидродинамических давлений вдоль смоченной поверхности судна:
RВ = xВ(r/2) v2 W
где xВ -- безразмерный коэффициент волнового сопротивления (находят по специальным графикам, составленным по результатам модельных испытаний судна).
Для уменьшения волнового сопротивления задаются возможно большими значениями отношения L/B и коэффициента продольной пол-ноты. При прочих равных условиях достигается значительное умень-шение волнового сопротивления у катамаранов. С целью снижения волнового сопротивления корпуса морских судов изготовляют с носо-выми бульбами.
Сопротивление формы и волно-вое сопротивление образуют оста-точное сопротивление, определяе-мое по модельным испытаниям судна в опытовом бассейне:
RO = RФ + RB
Сопротивление выступающих частей RBЧ образуется сопротивлением рулей, насадок, кронштейнов гребного вала и других выступающих частей корпуса. Конструкторы стремятся уменьшить сопротивление выступающих частей, придавая им хорошо обтекаемую форму и сокра-щая их число.
Сопротивление воздуха RВ03Д характеризует воздействие на судно воздушной среды. При проектировании судна для уменьшения сопро-тивления воздуха надстройкам придают обтекаемую форму и макси-мально уменьшают их размеры.
Двигатели, с помощью которых судно приво-дится в движение, называются главными. Главные двигатели вме-сте с оборудованием, необходимым для их работы, составляют главную энергетическую установку судна.
На морских судах в качестве главных двигателей устанавли-вают двигатели внутреннего сгорания (дизели), реже -- паровые и газовые турбины. На судах старой постройки сохранились паро-вые машины. Все перечисленные двигатели являются тепловыми, т. е. вырабатывают механическую энергию из тепловой. Теплота выделяется при сгорании нефтяного топлива или, в атомных уста-новках, при делении атомных ядер.
Тепловые двигатели различают по роду рабочего тела, при рас-ширении которого теплота превращается в работу. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах рабочим телом служит смесь газов, получаемая при сгорании топлива. В паровых маши-нах и турбинах рабочим телом служит водяной пар.
Судовые дизели. Двигатель, в котором топливо сгорает непо-средственно внутри рабочего цилиндра, называется двигателем внутреннего сгорания. Если при этом воспламенение топлива осу-ществляется за счет температуры сжатия воздушного заряда, дви-гатель называется дизелем. Смесь газов, образующихся при сго-рании топлива, имеет высокое давление и температуру. Расширя-ясь внутри цилиндра, газы перемещают поршень и движение его передается через кривошипно-шатунный механизм коленчатому валу. Для получения большей мощности и равномерного вращения вала двигатели делаются многоцилиндровыми. Мощ-ность судовых дизелей бывает самой различной: от нескольких десятков лошадиных сил -- на небольших катерах до 30--40 тыс. л. с.-- на крупнотоннажных судах.
Основные достоинства дизеля перед другими двигателями -- наименьший расход топлива (150--180 г/л с.-ч) и сравнительно небольшое вспомогательное оборудование. За счет меньших запа-сов топлива и меньших размеров машинного отделения увеличива-ется полезная грузоподъемность судна. Однако при мощности свы-ше 10--20 тыс. л. с. установка становится громоздкой и не всегда выгоднее турбинной.
Судовые паровые турбины работают на ином принципе. Свежий пар подводится в направляющий аппарат (сопло), где расширяется и приобретает большую скорость. Из сопла струя па-ра направляется на рабочие лопатки турбинного диска, который жестко закреплен на валу. Передавая лопаткам свою энергию, пар заставляет диск, а вместе с ним и вал вращаться со скоростью нескольких тысяч оборотов в минуту. Направляющий аппарат и диск с лопатками называются ступенью турбины. Рассмотренная простейшая турбина является одноступенчатой.
Главные турбины делаются многоступенчатыми. Ступени обыч-но размещают в двух корпусах -- турбине высокого дав-ления (ТВД) и турбине низкого давления (ТНД). Отработав последовательно во всех ступенях, пар выпускается из ТНД в кон-денсатор. Полученная пресная вода снова направляется в глав-ные котлы для образования пара. Мощность обеих турбин пере-дается на гребной винт через зубчатый редуктор, с которым тур-бины образуют единый главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА). Для осуществления реверса в корпусе ТНД установлена турбина заднего хода (ТЗХ).
Паротурбинные установки уступают дизельным в экономично-сти (расход топлива 180--250 г/л. с.-ч.), но могут быть построены на большую мощность при сравнительно небольших габаритах. Благодаря равномерному вращению вала турбины отличаются ис-ключительно малым износом деталей.
Паровые турбины применяют в основном на крупных судах, где требуется мощность более 10--20 тыс. л. с, а также на судах с атомными реакторами. Мощность существующих ГТЗА достигает 70--80 тыс. л. с, причем на судне иногда устанавливают до четы-рех таких агрегатов.
Судовые газовые турбины. Воздух из атмо-сферы засасывается компрессором, сжимается и затем подается в камеру сгорания, куда одновременно впрыскивается топливо. Об-разующиеся при сгорании топлива газы поступают в турбину и приводят ее в движение. Турбина вращает компрессор и гребной винт.
Компрессор, камера сгорания и турбина собираются в единый агрегат. Для первоначального раскручивания турбины служит пусковой электродвигатель, питающийся током от вспомогатель-ного дизель-генератора. Реверс осуществляется обычно с помощью винта регулируемого шага.
Судовые ГТУ по экономичности близки к паровым турбинам, а по весу и габаритам -- наиболее легкие и компактные из всех применяемых двигателей. Мощность судовых ГТУ достигает 30 тыс. л. с. в агрегате. На морских судах ГТУ стали применять сравнительно недавно, по мере накопления опыта эксплуатации и совершенствования конструкций они должны получить значи-тельное распространение.
Судовые атомные установки. Источником тепловой энергии в этих установках служит атомный реактор, в котором происходит деление ядер урана и других расщепляющихся материалов. Установка выполнена двухконтурной. В первом кон-туре теплоносителем служит обычная дистиллированная вода под высоким давлением, циркулирующая через
реактор. Теплота, вы-деленная в результате атомной реакции, непрерывно отводится этой водой в парогенераторы, где вырабатывается пар второго контура, используемый для работы четырех главных турбин мощ-ностью по 11 тыс. л. с.
Каждая турбина приводит в действие через редуктор два гене-ратора постоянного тока напряжением 600 В. Через главный рас-пределительный щит электроэнергия питает средний гребной элект-родвигатель мощностью 19,6 тыс. л. с. и два бортовых по 9,8 тыс. л. с. Для защиты экипажа от вредных излучений реакторы и все агрегаты первого контура окружены надежной биологической за-щитой из слоя воды и стальных плит.
Основное преимущество судов с атомными установками -- практически неограниченная дальность плавания без пополнения запасов топлива. Суточный расход ядерного горючего не превы-шает нескольких десятков граммов, а смену тепловыделяющих элементов в реакторах можно производить один раз в два-три года.
Судовым движителем называется специальное устройство для пре-образования работы главного двигателя или другого источника энер-гии в полезную тягу, которая обеспечивает поступательное движение судна.
К судовым движителям относят гребные винты, гребные колеса, водометные и крыльчатые движители.
Гребной винт представляет собой гидравлический механизм, лопа-сти которого захватывают забортную воду и сообщают ей дополнитель-ную скорость в направлении, противоположном движению судна. При этом гидродинамические силы, возникающие на лопастях, создают осе-вую равнодействующую силу, называемую упором движителя. Упор движителя передается корпусу судна через жестко связанный с ним упорный подшипник.
Основными характеристиками винта являются:
диаметр -- диаметр окружности, описываемой наиболее уда-ленными от оси точками лопастей; у крупных судов диаметр вин-тов может достигать 8--10 м;
шаг -- расстояние, которое прошел бы винт за один оборот в плотной среде, при отсутствии скольжения. По величине шаг вин-та близок его диаметру;
частота вращения -- число оборотов в минуту на расчетном режиме, при котором винт имеет наибольший к. п. д.; у крупных и средних судов -- 100--200 об/мин, у небольших -- 500 об/мин и более.
По направлению вращения различают винты правого и левого вращения. Винт правого вращения при переднем ходе вращает-ся по часовой стрелке (если смотреть с кормы в нос). У такого винта, если взгляд наблюдателя направлен перпендикулярно дис-ку винта, правые кромки верхних лопастей расположены дальше, чем левые. У винта левого вращения -- наоборот.
Одновинтовые суда чаще имеют винт правого вращения. Двух-винтовые суда для лучшей управляемости оборудуются винтами разного вращения.
По конструкции гребные винты делятся на винты фиксирован-ного и регулируемого шага.
Винты фиксированного шага (ВФШ) -- это обычные винты с неизменяемым шагом. Они бывают цельнолитыми или со съемны-ми лопастями. Цельнолитые винты проще в изготовлении, имеют более высокий к. п. д., а потому и самые распространенные. Вин-ты со съемными лопастями применяют главным образом у судов ледового плавания, у которых возможны более частые поломки лопастей. Ступицы и лопасти таких винтов делают стальными.
Винты регулируемого шага (ВРШ) в отличие от ВФШ имеют полую ступицу увеличенного диаметра; в ней размещен механизм, с помощью которого можно поворачивать лопасти вокруг их вер-тикальной оси и тем самым изменять шаг винта. Управляют ме-ханизмом поворота лопастей с мостика посредством привода, рас-положенного в валопроводе.
Конструкция ВРШ позволяет, не изменяя направление и час-тоту вращения винта, осуществлять реверс (задний ход), удержи-вать судно на месте, устанавливать наиболее выгодный шаг винта для разных режимов работы судна. Все это делает судно более маневренным, значительно снижает расход топлива на перемен-ных режимах. Важным достоинством является и то, что ВРШ позволяет применить на судне нереверсивный главный двигатель.
Поэтому, несмотря на сложность конструкции, ВРШ широко используются на промысловых судах, буксирах, паромах, а в по-следние годы --и на крупных транспортных судах. На новых тан-керах типа «Крым» установлен ВРШ диаметром 7,5 м.
Если скорость набегающего на винт потока vр (рис. 5), а радиаль-ная скорость юг, то угол атаки данного элемента сечения лопасти aл оп-ределяется углом между результирующей скоростью v1 и линией нулевой подъемной силы (ЛНПС). Подъемная сила и сила лобового со-противления сводятся к результирующей силе Yв. Одна из ее проекций дает силу полезного упора винта РВ, а вторая -- силу сопротивления вращению RBP. Момент силы RBP относительно оси гребного винта пре-одолевается главным двигателем судна.
Гребные винты имеют относительно малую массу, небольшие разме-ры, надежны в эксплуатации, недороги в изготовлении и позволяют ис-пользовать большинство малооборотных главных двигателей без редукторных передач; их КПД достигает 70 %.
Рис. 5. Схема действия гребного винта
ЛИТЕРАТУРА
1. Н.Г. Смирнов «Теория и устройство судна», М., 1992.
2. А.А. Антонов «Устройство морского судна», М., 1974
3. А.Д. Дидык и др. «Управление судном и его техническая эксплуатация», М., 1990.
4. Г.Г. Ермолаева «Справочник капитана дальнего плавания», М., 1988.
Страницы: 1, 2
