Get Adobe Flash player

Понятие об эксплуатационных и мореходных качествах судна

Массовые и объѐмные характеристики судна

Массовое (объемное) водоизмещение - это масса (объем) вытесненной судном воды. Следует помнить, что масса вытесненной воды (массовое водоизмещение) равно массе судна. Поэтому, обычно, и массу судна называют массовым водоизмещением.

Различают водоизмещение в грузу (при осадке по грузовую марку) и водоизмещение порожнем - массу судна, полностью готового к эксплуатации без запасов, груза и экипажа.

Дедвейт - это то количество груза и запасов, которые может взять судно при осадке по грузовую марку.

Грузоподъемность - количество тонн груза, которое может принять судно в данном рейсе.

Грузовместимость - объем грузовых помещений судна. Различают грузовместимость киповую - полезный объем (в м3) грузовых помещений для штучных грузов и грузовместимость зерновую - объем (м3) для сыпучих грузов, которые могут разместиться в грузовых помещениях. Конечно, зерновая вместимость больше, чем киповая, так как сыпучий груз может занять те объемы, которые не доступны для штучного груза (между шпангоутами, стойками, выгородками…).

 

Регистровая вместимость

Международная конвенция по обмеру судов 1969 года установила новые правила обмера судов. Долгое время эта Конвенция не входила в силу, так как необходимое число стран с необходимым общим валовым объѐмом судов не присоединялись к Конвенции, но в настоящее время эта Конвенция действует. В соответствие с этой конвенцией, валовая вместимость (GT) означает величину наибольшего объѐма закрытых помещений судна, которые определены в соответствие с правилами Конвенции; а чистая вместимость (NT) соответствует величине полезных объѐмов и числу пассажирских мест (то, что даѐт доход) и определяется в соответствие с положениями Конвенции. В зависимости от величины вместимости с судна взимаются различные сборы (причальные, рейдовые, буксирные, лоцманские и т.).

 

Формула класса судна

Государственным учреждением, проводящим освидетельствование и классификацию гражданских судов, является Регистр.

Регистр устанавливает технические требования в отношении:

  • обеспечения условий безопасного плавания судов в соответствии с их назначением; охраны человеческой жизни;
  • надлежащей перевозки грузов на море и на внутренних водных путях;
  • предотвращения загрязнения с судов. Регистр устанавливает валовую и чистую вместимость судов.

Класс судна - это разряд, к которому относится конкретное судно, согласно правилам классификации и постройки того или иного классификационного общества. Присвоение судну определённого класса означает, что судно удовлетворяет требованиям регистра, а его техническое состояние - условиям эксплуатации. Класс присваивается (или возобновляется) на определенный срок с выдачей классификационного свидетельства, в котором, удостоверяется, что судно отвечает требованиям, предъявляемым к его прочности и мореходности.

Класс судна записывается в виде символа и различных дополнительных знаков.

 

Посадка судна; параметры определяющие посадку

Посадкой называется положение судна относительно поверхности воды. Судно, как твердое тело, имеет 3 степени свободы относительно поверхности (плоскости) воды. Поэтому посадку судна должны определять 3 параметра. Обычно используются следующие варианты параметров:

 

а) осадка носом: (Тн), осадка кормой (Тк) и угол крена (θ )

(осадка носом - заглубление носа, осадка кормой - заглубление кормы, угол крена - угол наклонения судна в поперечной плоскости);

б) осадка на миделе (Тм), угол крена (θ ), угол дифферента  ( ѱ) или дифферент (d= Тн- Тк). Угол дифферента - угол наклонения судна в продольной плоскости - ѱ = d/L/

Дифферент на нос и крен на правый борт считают положительными.

 

 

Рис.1. Марки углубления.

Варианты посадки судна:

а) судно с креном и дифферентом (θ ≠ 0, ѱ ≠ 0);

б) судно сидит прямо и на ровный киль ( θ = 0, ѱ = 0);

в) судно сидит прямо, но с дифферентом ( θ = 0, ѱ ≠ 0);

г) судно сидит на ровный киль, но с креном ( θ ≠ 0, ѱ = 0).

Осадки судна определяют по маркам осадок, которые наносят на правом и левом бортах судна в носу, корме и на миделе, как можно ближе к перпендикулярам и миделю судна соответственно (рис.1).

 

Запас плавучести. Надводный борт. Грузовая марка

Запасом плавучести называется объем водонепроницаемой прочной части корпуса судна, расположенной выше ватерлинии.

Зависимость безопасности судна от запаса плавучести мореплаватели понимали еще в 13 веке. Так в Венеции и Генуе были разработаны правила нанесения на бортах судна марок (полос), которые не допускалось затоплять при погрузке судна.

В следующие века это направление обеспечения безопасности судна было забыто под давлением судовладельцев, которые пытались добиться увеличения прибыли за счет перегрузки судов.

Это привело к тому, что в Англии в начале 19 века не было ни старых судов, ни старых моряков. Это объяснялось чрезмерной перегрузкой судов, что приводило к недопустимо малому запасу плавучести и затоплению судна в тяжелых штормовых условиях (попадание больших масс воды на палубу, срыв люковых закрытий, затопление помещений).

На эти явления обратил внимание член Палаты представителей Английского Парламента - Самуэль Плимсоль.

Он выступил в Парламенте с обоснованным требованием о разработке соответствующего закона. Но судовладельцы, которые обладали большинством в Парламенте представителей, встретили это предложение "в штыки". И только в результате энергичной борьбы Самуэля Плимсоля в течении десятилетий с привлечением общественности и печати в конце 19 века был принят соответствующий закон о грузовой марке.

Грузовая марка устанавливается на бортах судна и определяет минимально допустимую величину надводного борта и, следовательно, минимально допустимый запас плавучести.

Первая Международная конвенция о грузовой марке была принята в 1930 г.

В настоящее время действует Международная конвенция о грузовой марке 1966 г.

Знаки грузовой марки наносятся на обоих бортах судна на миделе.

Диск с горизонтальной полосой называется диском Плимсоля, в честь того, что Самуэль Плимсоль очень много сделал для внедрения грузовой марки.

 

Над горизонтальной полосой у краев наносятся символы того классификационного общества, под наблюдением которого находится судно:

Р-С - Регистр судоходства (Россия);

L-R - Ллойд регистр (Великобритания);

B-V - Бюро Веритас (Франция);   и т. д.

 

 

Рис.2. Знак грузовой марки и линии палубы.

В средних условиях плавания допускается загружать судно по верхнюю кромку горизонтальной полосы диска.

Для того, чтобы можно было учесть конкретные условия плавания, в нос от диска наносят "гребенку" - вертикальную полосу с отходящими от нее горизонтальными полосами - марками допустимых осадок в различных условиях плавания.

Так как в зимних условиях плавания более вероятны штормовые условия плавания, то необходимо увеличение надводного борта (запаса плавучести) и уменьшение допустимой осадки, как это требует зимняя марка (W).

Особо тяжелы условия для плавания сравнительно небольших судов зимой в северной Атлантике, поэтому  для судов, длиной менее 100 м, вводится Североатлантическая марка (WNA).

В тропиках наиболее благоприятны условия плавания, поэтому для плавания в этих районах вводится тропическая марка (T).

При переходе судна в пресную воду его осадка увеличивается и уменьшается запас плавучести. Но такое уменьшение запаса плавучести можно допустить, так как пресная вода может быть только в районе устья рек и вблизи берега, где обычно имеются спасательные службы (F, TF).

При перевозке судном лесных грузов, лес создаѐт дополнительный запас плавучести, что позволяет увеличить допускаемую осадку для всех районов плавания. В этом случае допускается загрузка судна по лесные марки в соответствии с лесной «гребѐнкой», которую располагают в корму от диска Плимсоля. К символам сезонных марок впереди добавляется буква «Л».

Символ Расшифровка (англ.)
Расшифровка (рус.)
TF  Tropical Fresh  Water  Пресная вода в тропиках
F  Fresh Water  Пресная вода
T  Tropical Seawater  Морская вода в тропиках
S  Summer Seawater  Летняя морская вода
W  Winter Seawater  Зимняя морская вода
WNA  Winter North Atlantic  Зимняя Североатлантическая

 

Условия равновесия плавающего судна. Силы действующие на судно

На свободно плавающее на спокойной воде судно действуют две системы сил: силы тяжести и силы гидростатического давления воды. Каждая из этих систем сил приводится к вертикальной равнодействующей, эти равнодействующие всегда противоположно направлены. Равнодействующая сил тяжести называется силой тяжести судна и обозначается Р. Точка приложения этой равдействующей - центр тяжести G(xg,yg ,zg). (рис.3).

Равнодействующая сил гидростатического давления воды (Архимедова сила) называется силой поддержания или силой плавучести и обозначается – Q

Точка приложения силы поддержания совпадает с центром тяжести вытесненной воды (центром объѐма) и называется центром величины C(xc,yc,zc).

Рис. 3. Условие равновесия.

Таким образом, действующие на судно силы приводятся к двум силам (равнодействующим). Из теоретической механики известно, что равновесие в этом случае возможно только тогда, когда :

- эти силы равны по модулю (P=Q);

- противоположны по направлению;

- действуют вдоль одной кривой.

Если судно находится в равновесии, то эти условия выполняются.

Согласно закону Архимеда сила плавучести по модулю равна силе тяжести воды, вытесненной погруженной частью судна:

P = Q = g*D = g*ρ *V .

D - масса вытесненой судном воды (массовое водоизмещение);

V - объѐм подводной части судна (объѐмное водоизмещение);

ρ - массовая плотность воды;

g - гравитационное ускорение.

Тогда условие – 1 – можно записать в виде:

P = g*D  или  P/ g = D.

То есть масса судна (P/ g = М)равна массе вытесненной судном (массовому водоизмещению) воды, если судно находится в равновесии.

Условие - 2 - всегда выполняется, так как сила тяжести и поддержания всегда противоположно направлены.

Если судно находится в равновесии, то сила тяжести и поддержания действуют вдоль одной прямой. Поэтому, если судно сидит прямо и на ровный киль, то xg = xc и , yg = yc. А при дифференте (но без крена) cоотношение между координатами центра тяжести и центра величины (удовлетворяющее условию  3 - ) может быть определено из рассмотрения треугольника ACG (рис.3)

             AC        xс - xg

tgѱ = ------- = ----------

           AG         zg -  zc

 или:

xc = xg - (zc - zg)*tgѱ.

Таким образом, при равновесии судна с дифферентом соотношение между координатами центра тяжести и центра величины должно удовлетворять уравнению.

 

Понятие об остойчивости. Виды остойчивости судна

Остойчивостью называется способность судна сопротивляться воздействию внешнего кренящего момента и возвращаться в исходное положение равновесия после прекращения действия момента, вызвавшего наклонение.

Понятие остойчивости связывается с действием на судно только моментов (пар сил) и, следовательно, равнообъемными наклонениями - наклонениями, при которых не меняется объем подводной части судна.

Если кренящий момент, приложенный к судну, возрастает постепенно и не вызывает угловых ускорений и, следовательно, и сил инерции, то при рассмотрении равновесия судна можно пользоваться условиями статического равновесия. Остойчивость при таких наклонениях называется статической.

В динамической остойчивости рассматривается мгновенное приложение кренящего момента с учѐтом возникающих инерционных сил.

В зависимости от того, какие наклонения рассматриваются, различают поперечную и продольную остойчивость.

В зависимости от величины угла крена поперечную остойчивость разделяют на остойчивость при малых углах наклонения ( <10°) или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах крена.

 

Условие остойчивости судна

Остойчивостью называется способность судна сопротивляться воздействию внешнего кренящего момента Mкр и возвращаться в исходное положение равновесия после прекращения действия момента, вызвавшего наклонение под действием восстанавливающего момента Mв.

Понятие остойчивости связывается с действием на судно только моментов (пар сил) и, следовательно, равнообъемными наклонениями - наклонениями, при которых не меняется объем подводной части судна, а только его форма.

Если кренящий момент, приложенный к судну, возрастает постепенно и не вызывает угловых ускорений, а следовательно сил инерции, то при рассмотрении равновесия судна можно пользоваться условиями статического равновесия. Остойчивость при таких наклонениях называется статической.

Остойчивость судна при мгновенно приложенном кренящем моменте называется динамической.

В зависимости от того, какие наклонения рассматриваются, различают поперечную и продольную остойчивость.

В зависимости от величины угла крена поперечную остойчивость разделяют на остойчивость при малых углах наклонения (θ ≈10 ) или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах крена.

При наклонении судна изменяется положение центра подводного объема судна (центра величины наклоненного судна), следовательно, равнодействующая сил поддержания будет приложена в точке C 1 . Для оценки остойчивости судна введено понятие метацентрической высоты h , которая представляет возвышение метацентра (точка «m») над центром тяжести (точка «G») и может быть положительным или отрицательным. Если равнодействующие сил тяжести P и поддержания Q образуют момент Mв стремящийся увеличить угол крена судна - то судно не остойчиво h ≤0(рис.4).

Если возникает момент Мв , стремящийся вернуть судно в исходное прямое положение, то судно остойчиво h ≥ 0, (рис. 5).

Момент Мв называется восстанавливающим моментом и равен он произведению одной из сил пары на плечо  l cm 

Mв =  Р  l cm = D  l cm  =  ρ  l cm  = Q  l cm 

где

Р – сила тяжести, т;

D – весовое водоизмещение, т;

ρ – плотность забортной воды, т/м3;

V – объемное водоизмещение, т;

Q – сила поддержания, т;

l сm = h sin θº – плечо статического угла крена, м.

               Рис. 4. Неостойчивое судно                            Рис.5. Остойчивое судно.

 

Основные понятия о непотопляемости

Непотопляемостью называется способность судна при затоплении одного или нескольких судовых отсеков сохранять остойчивость и плавучесть в необходимых пределах. При обеспечении непотопляемости предпочтение отдаѐтся обеспечению аварийной остойчивости, так как потеря плавучести обычно происходит сравнительно медленно и есть время для принятия мер по спасению судна и его экипажа, а при потере остойчивости судно опрокидывается очень быстро.

В обеспечении непотопляемости можно выделить три комплекса мероприятий:

1. Конструктивные мероприятия, которые проводятся при проектировании, постройке и ремонте судна.

2. Организационно-технические мероприятия, которые являются предупредительными и проводятся во время эксплуатации судна.

3. Оперативные мероприятия по борьбе за непотопляемость после аварии, направленные на борьбу с поступлением воды, восстанавливание остойчивости и спрямление повреждѐнного судна. Если оценка ситуации свидетельствует о невозможности обеспечения непотопляемости, принимаются меры по спасению экипажа с помощью спасательных средств.

При наличии на судне программ расчѐта непотопляемости оценку ситуации при авариях желательно производить до выхода в рейс и уточнять при аварии. При отсутствии программы и наличии информации - до выхода в рейс.

При оценке аварийной ситуации необходимо определять аварийную осадку, тенденцию в изменении осадки, аварийную остойчивость, меры по спрямлению судна.

Расчѐты в судовых условиях обычно выполняются методом приѐма груза, то есть влившуюся воду считают принятым жидким грузом. Если отсек сообщается с забортной водой и уровень воды в отсеке соответствует уровню забортной воды и количество влившейся воды изменяется, то в этом случае решение находят методом последовательных приближений. Условно принимают некоторый уровень влившейся воды, исходя из этого определяют количество влившейся воды и расчѐтную осадку при этом.

Если при этой посадке принятый уровень забортной воды совпадает с уровнем забортной воды в районе отсека, то расчѐт закончен.

В противном случае новый уровень с учѐтом расчѐтной посадки и повторяют расчѐты до совпадения принятого уровня воды в отсеке с уровнем забортной воды.

Количество влившейся воды зависит от заполнений помещений грузом, оборудованием и т. д.

Отношение объѐма влившейся vв к теоретическому объѐму помещения по уровень затопления vт называется коэффициентом проницаемости ( μ = vв / vт).

Масса влившейся воды  т в =  μ * vт.

Для генерального груза  μ = 0,6 ;

 для МО  μ = 0,85 ;

лесной груз - 0,35;

для жилых помещений - 0,95.

 

Конструктивные меры и организационно-технические мероприятия по обеспечению непотопляемости.

Непотопляемость судна обеспечивается за счѐт запаса его плавучести, под которым понимается объѐм прочной водонепроницаемой части корпуса, расположенной выше ватерлинии.

Кроме запаса плавучести для обеспечения непотопляемости необходимо разделить корпус судна на отсеки водонепроницаемыми поперечными переборками, чтобы исключить распространение воды по всему судну при пробоине. Таким образом запас плавучести и поперечные переборки являются необходимыми конструктивными мерами для обеспечения непотопляемости.

Дополнительными конструктивными мерами являются двойное дно и двойные борта, которые могут ограничивать распространение воды по судну в случае не глубокой пробоины.

К организационно-техническим мероприятиям относятся:

- правильная организация и систематическая подготовка личного состава к борьбе за непотопляемость (учения, расписания по тревогам);

- систематическое наблюдение за корпусом с целью предупреждения недопустимых износов;

- борьба с коррозией корпуса (окраска, электрохимическая защита);

- поддержание непроницаемости дверей, иллюминаторов, сходных лючков, люковых крышек;

- поддержание в исправном состоянии запорных устройств вентиляционных каналов;

- контроль забортных отверстий (в доке);

- раскрепление грузов для предотвращения смещения;

- контроль за свободными поверхностями жидких грузов и возможное их сокращение.

 

Таблица.  Зависимость числа водонепроницаемых переборок от длины судна

Зависимость числа водонепроницаемых переборок от длины судна
Длина судна, м Общее число переборок при расположении МП
в средней части судна в кормовой части судна
До 65 4 3
65-85 4 4
85 - 100 5 5
105 -125 6 6
125 - 145 7 6
145- 165 8 7
165 - 185 9 8
Более 185 По согласованию с Регистром По согласованию с Регистром

 

Нормирование непотопляемости.

В соответствие с Кодексом ИМО должна быть обеспечена непотопляемость всех пассажирских судов (судов, у которых более 12 человек не членов экипажа).

В соответствие с требованиями Регистра судоходства непотопляемость должна быть обеспечена также:

- судов типа УЛА и УЛ при L>90 м и самостоятельном плавании в Арктике (велика вероятность пробоины);

- суда типа ро-ро длиной более 170 м (в грузовых помещениях мало поперечных переборок и поэтому опасна пробоина);

- ледоколы при длине более 50 м, буксиры-спасатели (велика вероятность пробоины);

- суда с атомной силовой установкой и суда, перевозящие радиоактивные материалы (очень опасно затопление из-за загрязнения моря).

Расчѐтная пробоина - длиной 3+3% L или 11 м или11% L в зависимости от того, что меньше; глубина пробоины 1/5 В, а по высоте – от киля до верхней палубы.

Аварийная ватерлиния без учѐта крена не должна проходить выше палубы вне зоны затопления и не менее, чем в 0,3м от открытых отверстий. Крен после затопления должен быть не более 15º для пассажирских судов и 20º для непассажирских судов, после спрямления и 12º соответственно.

Аварийная метацентрическая высота должна быть не менее 0,05м, и протяженность положительных плеч диаграммы аварийной остойчивости должна быть не менее 20º.

 

Понятие о движителе

Движителем называется устройство, преобразующее работу главного двигателя в работу по преодолению сопротивления воды движению судна.

Движители бывают:

  • активные - использующие энергию ветра (парус, крыло, ротор);
  • реактивные - использующие реакцию отбрасываемой воды (весло, гребное колесо, винт, водомѐт, крыльчатый движитель).

Крыльчатые движители устанавливаются на портовых судах, для которых необходима высокая маневренность. Диск, на котором расположены вертикальные лопасти, устанавливается заподлицо с горизонтальным участком обшивки судна. Диск с лопастями вращается относительно вертикальной оси и лопасти разворачиваются относительно своей оси так, чтобы создавать упор в нужном направлении. Благодаря этому судно может перемещаться назад, вперѐд, лагом и поворачивать без изменения числа оборотов и реверсов двигателей.

На многих портовых буксирах установлены крыльчатые движители. Но, к сожалению, крыльчатые движители имеют и недостатки: высокая стоимость, КПД ниже чем у винтов, значительно теряют эффективность на волнении.

Простота конструкции и передачи крутящего момента на движитель, малое влияние волнения на его эффективность и ряд других преимуществ гребных винтов явились причинами наибольшего распространения их на морских судах.

Гребной винт представляет собой конструкцию в виде ступицы с размещенными на ней лопастями, которые расположены радиально на равных угловых расстояниях друг от друга. Гребные винты изготовляют цельнолитыми или со съѐмными лопастями.

Различают винты фиксированного шага (ВФШ) и регулируемого шага (ВРШ).

Основными геометрическими характеристиками гребного винта являются:

шаг - Hp;

диаметр - Dp;

θ - дисковое отношение;

шаговое отношение - Hp / Dp .

Лопости винта образованы сложными винтовыми поверхностями переменного шага по оси и по радиусу, поэтому можно говорить только об усредненном или номинальном шаге (шаг - перемещение винта за один оборот в твѐрдой среде).

Дисковым отношением называется отношение спрямленных площадей лопастей винта к площади диска винта   θ = z*A / ( π*D2 / 4) .

К кинематическим характеристикам винта относятся поступь, относительная поступь и скольжение. Поступь - hp называется перемещение винта за один оборот в жидкой среде. Относительная поступь λp =  hp/Dp, скольжение - S = Hp-hp .

Чем больше скольжение, тем больше винт отбрасывает воды и тем больше упор винта. Важнейшей динамической характеристикой винта является его КПД.

 

Понятие об управляемости

Управляемостью называется способность судна поддерживать заданное направление движения (устойчивость на курсе) или изменять направление по желанию судоводителя (поворотливость). Устойчивость на кусе и поворотливость антагонистичные свойства.

Поворотливые портовые суда не устойчивы на курсе но поворотливы, а устойчивые на курсе морские суда имеют сравнительно плохую поворотливость.

Эксплуатационно устойчивым считаются судно, если при ~ 4-х кладках руля в минуту удаѐтся обеспечить рыскание не более 2...3º.

Поворотливость оценивается маневром судна «циркуляция» (рис.6) и отношением абсолютных величин диаметра циркуляции (Dц), выдвига - l1 , прямого и обратного смещения - ( l2 ,l3) к длине судна.

Примерные соотношения между этими величинами:

l1 = (0,6…1,2)*Dц;

l2 = (0,5…0,6)*Dц;

l3 = (0…0,1)*Dц;

Dц = (4…7)*L;  

β = 7..15º.

 

Угол дрейфа - β - это угол между касательной к траектории движения судна и ДП судна.

 

Рис. 6. Маневр циркуляция.

 

Основные маневренные элементы судна

Ходкость - способность судна развивать определенную скорость при заданной мощности главных механизмов.

Из двух подобных судов наибольшей ходкостью будет обладать тот, который разовьет наиболее высокую скорость хода при наименьшей затрате мощности главных двигателей.

Судно в зависимости от обстановки и выполняемых задач может развивать различную скорость: наибольшую (максимальную), экономическую, наименьшую.

Наибольшая (максимальная) скорость, достигаемая при форсировании главных и вспомогательных механизмов.

Экономическая скорость - скорость, достигаемая при наименьшем расходе топлива на милю плавания при условии действия только тех механизмов, которые необходимы для поддержания заданной экономической скорости судна и обеспечения бытовых нужд экипажа.

Наименьшая скорость - скорость при которой судно способно управляться (слушаться руля) при устойчивом режиме работы механизмов.

Поворотливость - способность судна изменять направление своего движения (курс) с помощью руля. Поворотливость характеризуется временем, необходимым для изменения курса, и циркуляцией (кривой, которую описывает судно под воздействием переложенного на определенный угол руля). Время перекладки руля с 300 одного борта на  300  другого борта, должно составлять 28 сек.

Инерция - способность судна сохранять движение, соответствующее первоначальному режиму работы двигателей после изменения этого режима. Определяется инерция судна по времени и расстоянию, проходимому судном с момента остановки двигателей до полной остановки (или приобретения другой заданной скорости при изменении режима работы двигателей). Иногда инерцию измеряют в длинах корпуса судна.

Маневренные элементы судна могут изменяться при изменении водоизмещения, осадки, а также под воздействием ветра, глубины моря, крена и дифферента судна.

При проведении заводских и государственных испытаний все маневренные элементы судна определяются по специальной программе, а в период эксплуатации судна наиболее быстро изменяющиеся – ежегодно, а остальные – по необходимости. Данные испытаний вносятся в тактический формуляр судна, а также сводятся в таблицы, вывешиваемые на ГКП (ходовой рубке) и, в МО.