Полное сопротивление движению судна складывается из пяти основных составляющих:
R = RT + RФ + RB + RBЧ + Rвозд
Сопротивление трения RT — равнодействующая сил трения, возникающих вследствие вязкости воды между корпусом движущегося судна и ближайшими к нему слоями воды пограничного слоя. Сопротивление 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 водоизмещения корпуса.
Снижение сопротивления трения на практике достигают устранением 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 воды за кормой судна и появлении добавочных сил, препятствующих его движению. Равнодействующая сил, возникающих вследствие разности гидродинамических давлений вдоль корпуса и зависящих от его формы, 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 отношения 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 распределение гидродинамических давлений вдоль смоченной поверхности судна:
RВ = xВ(r/2) v2 W
где В — 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 полноты. При прочих равных условиях достигается значительное уменьшение волнового сопротивления у катамаранов. С целью снижения волнового сопротивления корпуса морских судов изготовляют с носовыми бульбами.
Сопротивление формы и волновое сопротивление образуют остаточное сопротивление, определяемое 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 сокращая их число.
Сопротивление воздуха RВ03Д характеризует воздействие на судно воздушной среды. При проектировании судна для уменьшения сопротивления воздуха надстройкам придают обтекаемую форму и максимально уменьшают их размеры.
6.1. Двигатели и движители.
Двигатели, с помощью которых судно приводится в движение, называются главными. Главные двигатели вместе с оборудованием, необходимым для их работы, составляют главную энергетическую установку судна.
На морских судах в качестве главных двигателей устанавливают двигатели внутреннего сгорания (дизели), реже — паровые и газовые турбины. На судах старой постройки сохранились паровые машины. Все перечисленные двигатели являются тепловыми, т. е. вырабатывают механическую энергию из тепловой. Теплота выделяется при сгорании нефтяного топлива или, в атомных установках, при делении атомных ядер.
Тепловые двигатели различают по роду рабочего тела, при расширении которого теплота превращается в работу. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах рабочим телом служит смесь газов, получаемая при сгорании топлива. В паровых машинах и турбинах рабочим телом служит водяной пар.
Судовые дизели. Двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра, называется двигателем внутреннего сгорания. Если при этом воспламенение топлива осуществляется за счет температуры сжатия воздушного заряда, двигатель называется дизелем. Смесь газов, образующихся при сгорании топлива, имеет высокое давление и температуру. Расширяясь 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. Мощность 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 запасов топлива и меньших размеров машинного отделения увеличивается полезная грузоподъемность судна. Однако при мощности свыше 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 пара 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 обычно размещают в двух корпусах — турбине высокого давления (ТВД) и турбине низкого давления (ТНД). Отработав последовательно во всех ступенях, пар выпускается из ТНД в конденсатор. Полученная пресная вода снова направляется в главные котлы для образования пара. Мощность обеих турбин передается на гребной винт через зубчатый редуктор, с которым турбины образуют единый главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА). Для осуществления реверса в корпусе ТНД установлена турбина заднего хода (ТЗХ).
Паротурбинные установки уступают дизельным в экономичности (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 исключительно 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 четырех таких агрегатов.
Судовые газовые турбины. Принцип работы простейшей газотурбинной установки (ГТУ) показан на рис. 25. Воздух из атмосферы засасывается компрессором, сжимается и затем подается в камеру сгорания, куда одновременно впрыскивается топливо. Образующиеся 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 вспомогательного 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 значительное распространение.
Судовые атомные установки. Источником тепловой энергии в этих установках служит атомный реактор, в котором происходит деление ядер урана и других расщепляющихся материалов. На рис. 26 показана схема атомной энергетической установки ледокола «Ленин». Установка выполнена двухконтурной. В первом контуре теплоносителем служит обычная дистиллированная вода под высоким давлением, циркулирующая через реактор. Теплота, выделенная в результате атомной реакции, непрерывно отводится этой водой в парогенераторы, где вырабатывается пар второго контура, используемый для работы четырех главных турбин мощностью по 11 тыс. л. с.
Каждая турбина приводит в действие через редуктор два генератора постоянного тока напряжением 600 В. Через главный распределительный щит электроэнергия питает средний гребной электродвигатель 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 защитой 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 превышает нескольких десятков граммов, а смену тепловыделяющих элементов в реакторах можно производить один раз в два-три года.
Передачи. Мощность главных двигателей может передаваться на гребной винт посредством прямой, зубчатой или электрической передачи (рис. 27).
Прямая передача представляет собой валопровод, состоящий из нескольких соединенных в одну линию валов, лежащих в опорных подшипниках. Наиболее ответственные узлы валопровода — главный упорный подшипник и дейдвудное устройство. Главный упорный подшипник воспринимает упорное давление, создаваемое гребным винтом, и передает его корпусу судна. Дейдвудное устройство служит опорой для концевого (дейдвудного) вала и одновременно уплотнением места выхода вала наружу.
Прямая передача самая простая и распространенная. Однако она применима в основном при малооборотных двигателях, так как у большинства судов наибольший к. п. д. "гребного винта достигается при частоте вращения 100—200 об/мин.
Если дизель или турбина имеет большую частоту вращения, чем требуется для винта, применяют зубчатую передачу, при которой между двигателем и валопроводом включен понижающий зубчатый редуктор. Быстроходные двигатели при равной мощности имеют меньшие размеры и массу, поэтому, несмотря на наличие редуктора, установка в целом получается более компактной и легкой. Достоинством передачи является и то, что она позволяет работать на один винт нескольким двигателям, часть из которых можно при желании отключать с помощью гидромуфт. Однако в зубчатой передаче теряется 2—3% полезной мощности.
При электрической передаче главные дизели или турбины приводят в движение генераторы, а электроэнергия от них питает гребные электродвигатели, которые вращают винты. Электропередача обеспечивает судну высокие маневренные качества, поэтому широко применяется на ледоколах, ледокольно-транспортных судах, паромах, буксирах-спасателях, на некоторых пассажирских судах. Недостаток передачи — сложность оборудования, значительная потеря мощности (10—15%).
Судовым движителем называется специальное устройство для преобразования работы главного двигателя или другого источника энергии 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, лопасти которого захватывают забортную воду и сообщают ей дополнительную скорость в направлении, противоположном движению судна. При этом гидродинамические силы, возникающие на лопастях, создают осевую 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 удаленными от оси точками лопастей; у крупных судов диаметр винтов может достигать 8—10 м;
шаг — расстояние, которое прошел бы винт за один оборот в плотной среде, при отсутствии скольжения. По величине шаг винта 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 вращается по часовой стрелке (если смотреть с кормы в нос). У такого винта, если взгляд наблюдателя направлен перпендикулярно диску винта, правые кромки верхних лопастей расположены дальше, чем левые. У винта левого вращения — наоборот.
Одновинтовые суда чаще имеют винт правого вращения. Двухвинтовые суда для лучшей управляемости оборудуются винтами разного вращения.
По конструкции гребные винты делятся на винты фиксированного и регулируемого шага.
Винты фиксированного шага (ВФШ) — это обычные винты с неизменяемым шагом. Они бывают цельнолитыми или со съемными лопастями. Цельнолитые винты проще в изготовлении, имеют более высокий к. п. д., а потому и самые распространенные. Винты 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 вертикальной оси и тем самым изменять шаг винта. Управляют механизмом поворота лопастей с мостика посредством привода, расположенного в валопроводе.
Конструкция ВРШ позволяет, не изменяя направление и частоту вращения винта, осуществлять реверс (задний ход), удерживать судно на месте, устанавливать наиболее выгодный шаг винта для разных режимов работы судна. Все это делает судно более маневренным, значительно снижает расход топлива на переменных 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 последние годы —и на крупных транспортных судах. На новых танкерах типа «Крым» установлен ВРШ диаметром 7,5 м.
Если скорость набегающего на винт потока vр (рис. 20), а радиальная скорость юг, то угол атаки данного элемента сечения лопасти л определяется углом между результатирующей скоростью v1 и линией нулевой подъемной силы (ЛНПС). Подъемная сила и сила лобового сопротивления 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 преодолевается главным двигателем судна.
Гребные винты имеют относительно малую массу, небольшие размеры, надежны в эксплуатации, недороги в изготовлении и позволяют использовать большинство малооборотных главных двигателей без редукторных передач; их КПД достигает 70 %.
Рис. 20. Схема действия гребного винта
7. Заключение
«Информация об остойчивости» является судовым документом, предназначенным для капитана и судового командного состава в качестве руководства при решении вопросов связанных с практической оценкой безопасности плавания судна при перевозке навалочных грузов.
Данная работа показывает мореходные качества т/х «Андрей Бубнов» и мероприятия по обеспечению безопасного плавания. При данной загрузке судна произведен расчет статической и динамической остойчивости, расчет амплитуды качки, определение опрокидывающего момента, расчет общей продольной остойчивости, рассчитана посадка судна.
|
Ход судна |
n, об/мин |
мощность ГД, кВт |
V, уз. в грузу |
|
ПСМ |
50 |
318 |
4,3 |
|
ПМ |
70 |
458 |
6,2 |
|
ПС |
90 |
643 |
8,7 |
|
ППм |
120 |
872 |
11,8 |
|
ПП |
140 |
1020 |
13,8 |
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, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
