Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Хорошими делами прославиться нельзя! 8 - Лариска! Ко мне! 9 - Мы не хотим в живой уголок....полностью>>
'Урок'
Какую форму имеет мешочек? (Прямоугольную). Какие швы применяют при пошиве мешочка? (Стачной, шов в вподгибку с закрытым срезом)....полностью>>
'Документ'
» Набор 45ЛЛ- 4 шт. 150 7 наб. 143 , 1 «100 цветов города» 45ЛЛ-15 8 шт. 150 1 наб. 100 8,30 5 ЛХ 1,5* 3 0 00 13,7 980 14,40 15,10 500 171,0 1 0/84 15...полностью>>
'Документ'
Коммунальное консалтинговое унитарное предприятие «Витебский областной центр маркетинга» приглашает Вас принять участие в межрегиональной универсально...полностью>>

Главная > Документ

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ

  1. Общие понятия и определения

Управляемость - способность судна двигаться по заданной траектории, т.е. удерживать заданное направление движения или изменять его под действием управляющих устройств. Главными управляющими устройствами на судне являются средства управления рулем, средства управления движителем, средства активного управления.

Управляемость объединяет два свойства: устойчивость на курсе и поворотливость.

Устойчивость на курсе - это способность судна сохранять направление прямолинейного движения.

Поворотливость - способность судна изменять направление движения и описывать траекторию заданной кривизны.

Тяга винта.

Чтобы судно двигалось с определенной скоростью, к нему необходимо приложить движущую силу, преодолевающую сопротивление движению. Полезная мощность, необходимая для преодоления сопротивления, определяется формулой : Nп = R V, где R - сила сопротивления; V - скорость движения.

Движущая сила создается работающим винтом, который, как и всякий механизм, часть энергии тратит непроизводительно. Затрачиваемая мощность на вращение винта составляет: Nз= M n, где М - момент сопротивления вращению винта; n- частота вращения винта.

Отношение полезной мощности к затрачиваемой называется пропульсивным коэффициентом комплекса корпус-движитель:

 = RV/ M n

Пропульсивный коэффициент характеризует потребность судна в энергии, необходимой для поддержания заданной скорости движения. Мощность же силовой установки ( эффективная мощность Ne ) судна должна быть больше затрачиваемой мощности на вращение винта, поскольку имеются потери в валопроводе и редукторе:

Ne = RV/  в р,

где в, р - коэффициенты полезного действия валопровода и редуктора. Поскольку при равномерном прямолинейном движении сила тяги винта равна силе сопротивления, приведенную формулу можно использовать для ориентировочной оценки тяги винта в режиме полного хода (Vo):

Ре = Ne  в р / Vo,


где пропульсивный коэффициент определяется по формуле Лаппа:

где L - длина судна между перпендикулярами.

Максимальная тяга винта развивается в швартовном режиме - примерно на 10% больше тяги винта в режиме полного хода.

Сила тяги винта при работе на задний ход примерно составляет 70-80% от тяги винта в режиме полного хода.

Сопротивление движению судна.

Вода обладает свойствами вязкости и весомости, которые вызывают два вида сопротивления при движении судна: вязкостное и волновое. Вязкостное сопротивление имеет две составляющих: трения и формы. Сопротивление трения зависит от площади и шероховатости смоченной поверхности корпуса. Сопротивление формы зависит от обводов корпуса. Волновое сопротивление связано с образованием судовых волн при взаимодействия корпуса движущегося судна с окружающей его водой. Для решения практических задач сопротивление воды движению судна принимают пропорциональным квадрату скорости:

R = k V² ,

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от осадки судна и степени обрастания корпуса.

Как указано в предыдущем разделе, силу сопротивления на полном ходу можно рассчитать по следующей формуле:

Ro = Ne  в р / Vo.

Промежуточные значения сопротивления ( R ) для любой скорости хода определяются:



Инерция судна и присоединенных масс воды.

Равенство сил сопротивления среды движению судна и тяги винта определяет равномерное поступательное движение судна. При изменении частоты вращения винта это равенство сил нарушается. С увеличением тяги скорость судна возрастает, с уменьшением - падает. Изменение скорости происходит продолжительное время, до тех пор, пока не будет преодолена инерция судна и силы тяги винта и сопротивления не уравняются вновь. Мерой инерции является масса. Однако инерция судна, движущегося в водной среде, зависит не только от массы самого судна. Корпус судна вовлекает в движение прилегающие к нему частицы воды, на что тратится дополнительная энергия. В результате, чтобы придать судну некоторую скорость потребуется более длительная работа силовой установки. При торможении необходимо погасить не только кинетическую энергию, накопленную судном, но и энергию вовлеченных в движение частиц воды. Такое взаимодействие частиц воды с корпусом аналогично увеличению массы судна. Эта добавочная масса ( присоединенная масса воды) у транспортных судов составляет от 5 до 10 % от их водоизмещения при продольном движении судна и примерно 80% от водоизмещения при поперечном перемещении.

2. Силы и моменты, действующие на судно при его движении

При рассмотрении движения судна используется связанная с центром тяжести судна прямоугольная система координат XYZ. Положительное направление осей: Х - в нос; Y - в сторону правого борта; Z - вниз.

Все силы, действующие на судно, разделяются на три группы: движущие, внешние и реактивные.

К движущим относятся силы, создаваемые средствами управления: сила тяги винта , боковая сила руля, силы,создаваемые средствами активного управления.

К внешним силам относятся силы давления ветра, волнения моря, течения.

К реактивным относятся силы, возникающие в результате движения судна под действием движущих и внешних сил. Они разделяются на инерционные - обусловленные инертностью судна и присоединенных масс воды и возникающие только при наличии ускорений. Направление действия инерционных сил всегда противоположно действующему ускорению. Неинерционные силы обусловлены вязкостью воды и являются гидродинамическими силами.

При анализе сил, действующих на судно, оно рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля относительно диаметральной плоскости (ДП). Применительно к судну, основные свойства крыла формулируются следующим образом:


  • если судно перемещается прямолинейно в потоке воды или воздуха под некоторым углом атаки, то помимо силы лобового сопротивления, направленной противоположно движению, возникает подъемная сила, направленная перпендикулярно набегающему потоку. В результате равнодействующая этих сил не совпадает с направлением потока. Величина равнодействующей сил пропорциональна углу атаки и квадрату скорости набегающего потока;

  • точка приложения равнодействующей силы смещена по ДП от центра площади крыла навстречу потоку. Величина этого смещения тем боьше, чем острее угол атаки. При углах атаки близких к 90 градусам, точка приложения равнодействующей силы совпадает с центром парусности (для надводной части судна) и центром бокового сопротивления (для подводной части);

  • применительно к подводной части корпуса судна: угол атаки является углом дрейфа, а для надводной части - кусовым углом (КУ) кажущегося ветра;

  • центр бокового сопротивления обычно совпадает с центром тяжести судна, а положение центра парусности зависит от расположения надстроек.


Силы, действующие на судно при прямолинейном движении

П
ри отсутствии ветра и прямом положении руля первое диффенциальное уравнение движения судна можно представить в виде:

где Мх - масса судна с учетом присоединенной массы воды.

Равномерное движение: ускорений нет, поэтому инерционная сила Мх dV/dt=0. На судно действуют две равные и противоположно направленные силы: сила сопротивления воды и сила тяги винта.

При изменении силы тяги винта нарушается равенство сил тяги винта и сопротивления движения судна; это вызывает появление инерционных сил, появляется ускорение и судно начинает двигаться ускоренно или замедленно . Инерционные силы направлены против ускорения, т.е.препятствуют изменению скорости движения.

При увеличении силы тяги на судно действует 3 силы: сила тяги винта - вперед, сила сопротивления - назад, сила инерции - назад.

При уменьшении силы тяги : сила тяги - вперед; сила сопротивления - назад; сила инерции - вперед

При маневре стоп: сила сопротивления - назад; сила инерции - вперед;

При реверсе: а) до остановки судна: сила сопротивления - назад; сила тяги - назад; сила инерции - вперед.

б) после остановки и начале движения назад: сила сопротивления - вперед; сила тяги - назад; сила инерции - вперед.

Примечание: вперед - направление к носу судна; назад - направление к корме судна.

Силы, действующие на судно при поворотах

Повороты судна происходят под действием переложенного руля. Если удерживать переложенный на борт руль в течении определеного промежутка времени, то судно будет совершать движение, называемое циркуляцией. При этом центр тяжести судна будет описывать циркуляционную кривую, по форме близкую к окружности. За начало циркуляции принимается момент начала перекладки руля. Циркуляция характеризуется линейной и угловой скоростями, радиусом кривизны и углом дрейфа. Процесс циркуляции принято делить на три периода: маневренный -продолжается в течении времени перекладки руля; эволюционный - начинается с момента окончания перекладки руля и заканчивается когда характеристики циркуляции примут установившиеся значения; установившийся - начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в переложенном положении.

Силы, действующие в маневренный период циркуляции.

Р
уль судна рассматривается как вертикальное крыло симметричного профиля. Поэтому при его перекладке возникает подъемная сила - боковая сила руля Рр.

Приложим к центру тяжести судна две равные Рру и противоположно направленные силы Р'ру и Р''ру. Эти две силы взаимно компенсируются, т.е. не оказывают влияния на корпус судна. Тогда на судно действуют следующие силы и моменты:

  • сила лобового сопротивления руля Ррх - уменьшает скорость судна;

  • момент сил Рру Р''ру - разворачивает судно в сторону переложенного руля;

  • сила Р'ру - перемещает центр тяжести в сторону, обратную повороту.

С
илы, действующие на судно в эволюционный период циркуляции.

Разворот судна под действием момента сил Рру Р''ру приводит к появлению угла дрейфа. Корпус судна начинает работать как крыло. Появляется подъемная сила - гидродинамическая сила R. Приложим к ЦТ судна две равные Ry и противоположно направленные силы R'y R''y . Тогда дополнительно к силам и моментам, действующим в маневренном режиме циркуляции появляются:

  • сила лобового сопротивления Rx - еще более уменьшает скорость судна;

  • момент сил Ry R'y - способствует развороту; угловая скорость поворота увеличивается;

  • сила R''y - компенсирует силу Р'ру и траектория искривляется в сторону поворота.


Силы, действующие в установившийся период циркуляции.

Как только судно начало движение по криволинейной траектории появляется центробежная сила Rц. Каждая точка по длине судна описывает относительно общего центра О свою траекторию. При этом каждая точка имеет свой угол дрейфа, значения которого возрастают по мере удаления в сторону кормы. В соответствии со свойствами крыла, точка приложения гидродинамической силы R смещается в корму за центр тяжести судна. В результате:

  • сила Рцх - уменьшает скорость судна;

  • сила Рцу - препятствует изменению радиуса циркуляции;

  • момент, создаваемый гидродинамической силой Rу - препятствует увеличению угловой скорости поворота;

  • все параметры циркуляции стремятся к своим установившимся значениям.

Г
еометрически траектория циркуляции характеризуется:

Управляемость судна на заднем ходу.

П
ри движении судна задним ходом с переложенным рулем на судно действуют следующие силы и моменты:

  • поперечная сила руля Рру;

  • момент сил Рру и Рру разворачивает судно в сторону, обратную переложенному рулю;

  • гидродинамическая сила Rу образует момент, препятствующий развороту;

  • косое натекание воды на руль уменьшает эффективный угол перекладки руля на величину, равную углу дрейфа и, следовательно, уменьшается значение боковой силы руля.

Приведенные факторы обусловливают худшую управляемость судна на заднем ходу по сравнению с передним.

Силы и моменты, связанные с воздействием ветра.

При рассмотрении сил и моментов, связанных с воздействием ветра, используется кажущаяся скорость ветра.

В
соответствии со свойством крыла, при воздействии ветра появляется аэродинамическая сила А.

Раскладывая аэродинамическую силу на продольную и поперечную составляющие и приложив к ЦТ две равные и противоположно направленные силы Ау и А'у получим:

  • сила Ах - увеличивает скорость судна;

  • момент сил Ау и А'у - разворачивает судно в правую сторону;

  • сила А''у - вызывает боковое перемещение, что приводит к появлению угла дрейфа  и гидродинамической силы R;

  • продольная составляющая гидродинамической силы Rх - уменьшает скорость судна;

  • момент сил Ry R''y, действуя в одном направлении с моментом сил Ау и А'у , еще более разворачивает судно;

  • сила R'у вызывает боковое перемещение, противоположное перемещению от силы А''у.

Для удержания судна на курсе необходимо перекладывать руль на некоторый угол для создания момента боковой силы руля Рру, компенсирующего моменты аэро и гидродинамических сил.

  1. Влияние гребного винта на управляемость судна

Работающий гребной винт совершает одновременно поступательное движение со скоростью судна V относительно невозмущенной воды и вращательное движение с угловой скоростью = 2 n. Каждая лопасть винта рассматривается как отдельное крыло.

П
ри натекании водяного потока на винт, на каждой его лопасти создается сила, пропорциональная квадрату скорости потока и величине угла атаки. Раскладывая эту силу по двум взамно перпендикулярнам направлениям, получим: силу тяги, направленную вдоль оси вращения винта и силу лобового сопротивления, действующую в плоскости диска винта по касательной к окружности, которую описывают точки на лопасти винта при его вращении.

Поскольку работающий винт расположен за корпусом судна, то при его движении водяной поток натекает на лопасти винта с неодинаковыми скоростями и под различными углами. В результате наблюдается неравенство сил тяги и лобового сопротивления для каждой лопасти, что приводит к появлению помимо тяги винта нескомпенсированных боковых сил, влияющих на управляемость одновинтового судна. Основными причинами появления боковых сил являются:

  • попутный поток воды, увлекаемый корпусом при его движении;

  • реакция воды на работающий винт;

  • неравномерное натекание водяной струи от работающего винта на руль или корпус судна.

Рассмотрим влияние этих причин на работу винтов фиксированного (ВФШ) и регулируемого (ВРШ) шага правого вращения.

Судно движется вперед, винт вращается вперед.

Влияние попутного потока.

В верхней части винта скорость попутного потока воды из-за формы обводов корпуса будет больше, чем в нижней его части, что приводит к увеличению угла атаки потока воды на верхнюю лопасть. Это можно показать, рассмотрев движение элемента л
опасти, расположенного на радиусе r от оси вращения винта.

Элемент лопасти при работе винта принимает участие во вращательном движении со скороcтью 2rn и поступательном движении со скоростью судна V.

Фактическая скорость поступательного движения участка лопости винта уменьшается на величину V скорости попутного потока. В результате увеличивается угол атаки до значения ф, что приводит к возрастанию сил dРх и dРу. Проинтегрировав dРх и dРу по длине лопасти получим значения сил тяги (Р1) и лобового сопротивления (Q1), создаваемых лопастью винта в верхнем положении. Эти силы будут больше сил Р3 и Q3, создаваемых лопастью в нижнем положении. Неравенство сил Q1 и Q3 вызывает появление боковой силы Q = Q1 - Q3, которая стремится развернуть корму судна влево в сторону большей из сил.

Реакция воды на винт.

На работу винта оказывает влияние близость поверхности воды. В результате наблюдается подсос воздуха к лопастям в верхней половине диска винта. При этом лопасти в верхем положении испытывают меньшую силу реакции воды, чем в нижнем. Вследствии этого возникает боковая сила реакции воды, которая всегда направлена в сторону вращения винта - в рассматриваемом случае вправо.

Взаимодействие винтовой струи с рулем.

П
ри вращении винта закрученный поток воды натекает на перо руля в его нижней и верхней части под разными углами атаки. В нижней части утол атаки меньше, чем в верхней.

В результате возникает боковая сила, которая стремится повернуть корму вправо.

Общее влияние винта: для большинства судов с ВФШ и ВРШ силы или взаимно компенсируются или корма имеет слабо выраженную тенденцию к смещению влево.

Судно движется вперед, винт вращается назад (реверс).

В этом случае попутный поток сохраняется. Однако в отличие от рассмотренного выше случая попутный поток уменьшает угол атаки.



Следовательно уменьшается сила лобового сопротивления dPy на каждом элементе лопасти. В верхнем положении такое уменьшение выражено сильнее, чем в нижнем, т.к. в нижней части скорость попутного потока меньше. Поэтому результирущая сила лобового сопротивления лопастей для ВФШ будет направлена влево.

Для ВРШ при перемене режима работы с переднего на задний ход направление вращения сохраняется, изменяется только шаг винта: винт правого шага становится винтом левого шага и наоборот. Следовательно, результирущая сила лобового сопротивления лопастей будет направлена вправо.

Реакция воды на винт

Боковая сила реакции воды на винт, как было сказано выше, всегда направлена в сторону вращения винта: для ВФШ - влево; для ВРШ - вправо.

Взаимодействие винтовой струи с корпусом.

В
интовая струя набрасывается на кормовую часть судна.

В результате создается повышенное гидродинамическое давление и корма будет смещаться: для ВФШ - влево; для ВРШ - враво.

Общее влияние винта: ВФШ - корма идет влево; ВРШ - корма идет вправо.

Судно движется назад, винт вращается назад.

С началом движения судна назад попутный поток исчезает.

Реакция воды на винт : ВФШ - влево; ВРШ -вправо .

Взаимодействие винтовой струи с корпусом : ВФШ - влево; ВРШ - вправо.

Общее влияние винта: ВФШ - корма идет влево; ВРШ - корма идет вправо.

  1. Влияние гребных винтов на управляемость многовинтового судна.

Большинство современных пассажирских судов, ледоколов, а также быстроходных судов крупного тоннажа оснащаются двух- или трехвальными силовыми установками. Главная особенность многовинтовых судов по сравнению с одновинтовыми - это их лучшая управляемость. Гребные винты у двухвинтовых, а также бортовые винты у трехвинтовых судов расположены симметрично относительно диаметральной плоскости и имеют противоположное направление вращения, обычно одноименное с бортом. Рассмотрим управляемость многовинтовых судов на примере двухвинтового судна.

Действие сил при работе машин двухвинтового судна.

При одновременной работе винтов вперед или назад боковые силы, вызванные попутным потоком, реакцией воды на винт и струей от винтов, набрасываемой на руль или корпус взаимно компенсируются, поскольку винты имеют противоположное направление вращения. Поэтому отсутствует

тенденция уклонения кормы в ту или иную сторону, как у одновинтового судна.

О
дин винт работает вперед, другой стоп.

Воспользовавшись известным приемом, приложить к ЦТ две равных силе тяги винта Рл (на рисунке работает винт левого борта ) и противоположно направленных силы, получим:

  • сила Р''л вызывает движение судна вперед;

  • момент сил Рл и Р'л разворачивает корму в сторону работающего винта;

  • из гидродинамики известно, что работающий винт ускоряет поток воды, обтекающей кормовые обводы, и гидродинамическое давление со стороны работающего винта падает. За счет разницы давлений образуется сила Рд. Приложив к Цт судна две равные Рд и противоположно направленные силы Р'д и Р''д , получим: - момент сил Рд и Р''д разворачивает корму в сторону работающего винта; сила Р'д - смещает ЦТ судна в сторону работающего винта.

Таким образом, рассматриваемое движение двухвинтового судна примерно аналогично движению одновинтового судна с переложенным рулем.

О
дин винт работает назад, другой стоп.

Проведя аналогичные предыдущему разделу постоения и рассуждения, можно получить общий вывод о том, что корма судна уклоняется в сторону противоположную работаюшему назад винту. При этом необходимо отметить, что сила Рд в рассматриваемом случае создается за счет струи от работающего назад винта, набрасываемой на кормовую часть корпуса.

Разворот судна на месте при работе винтов враздрай.

Двухвинтовое судно может разворачиваться практически на месте при работе винтов враздрай ( один винт работает передним, а другой задним ходом). Частота вращения подбирается таким образом, чтобы силы тяги винтов были одинаковыми по величине. Примерное равенство сил достигается, когда на машине, работающей вперед, дают ход на одну ступень меньше, чем на машине, работающей назад. Например: малый ход вперед - средний ход назад. Разворачивающий момент создается не только за счет расположения винтов по разные стороны от ДП, но и за счет разности давлений воды у бортов кормового подзора, создаваемой противоположно направленными струями от винтов.

К недостаткам двухвинтовых судов следует отнести пониженную эффективность расположенного в ДП руля. Поэтому на малых скоростях, когда основная часть силы, возникающей на руле при его перекладке, создается за счет струи воды, набрасываемой винтом на руль, главным способом управления является маневр машинами.

Трехвинтовые суда объединяют в себе положительные маневренные качества одно- и двухвинтовых судов и имеют более высокую маневренность в том числе и на малых скоростях. На переднем ходу средний винт повышает эффективность руля за счет набрасываемой на него винтовой струи. На заднем ходу средний винт обеспечивает поступательное движение, а развороты осуществляются работой бортовых винтов.



Похожие документы:

  1. К 1933 г на вооружение поступили торпеды тан-12 для низкого торпедометания (с бреющего полета) и тав- 15 для сброса с парашютами, а также авиационная мина мав

    Документ
    ... объектов совершенно оригинальных конструкций. На курсах ГИРД в общественном порядке обучаются ... не может компен сировать поворотливостью ограниченный угол обстрела своих ... 1933 года 2 полета на устойчивость на 1500 м. Полет на зубцы с летнабом. Все ...
  2. Заводе №8 чужим пушкам (заводов "Большевик", Гочкиса, Максима, "Рейнметалл" и др.) присваивали собственные заводские индексы, таким образом и система Лендера

    Документ
    ... зованию предкрылков улучшилась попереч ная устойчивость на малых скоростях, одна ... производств на других заводах. На заводе созданы профтехнические курсы на которых ... имеет хорошую поворотливость, что позволяет частям, имеющим на вооружении означенные ...
  3. К 1927 г позиции Амторга (то есть, фактически, ссср) на американском рынке выглядели двояко. Советский экспорт в США составлял всего 0,3% импорта Соединённых

    Документ
    ... выводы показали хорошую устойчивость на всех режимах и только на МУ-2 пришлось ... , "Первенец" продемонстрировал и неплохую поворотливость, но мореходные его качества оставляли ... 1927 года В.П. Чкалова направили на курсы усовершенствования в город Липецк, а ...
  4. Пособие для студентов факультетов дошкольного образования и коррекционной педагогики

    Документ
    ... рекомендуется повторить соответствующий раздел курса русского языка. Большую помощь ... поворотов - Какая дорога поворотливая! (5) ПРИЦВЕТОЧИТЬСЯ опуститься на цветок - Какая ... или сочетания элементов в новый устойчивый элемент языка, функционирующий в ...
  5. Учебник судоводителя любителя

    Учебник
    ... лучше поворотливость судна, тем оно менее устойчиво на курсе, и, наоборот, чем более устойчиво судно на курсе, тем ... оно менее поворотливо. Неустойчивое на курсе судно ...

Другие похожие документы..