Режимы движения судов

Все силы, действующие на движущееся судно, могут быть приведены к главному вектору и главному моменту, которые располагаются в диаметральной плоскости (ДП). Последнее объясняется тем, что корпус симметричен относительно ДП, а движение установившееся.

Рис. 3.1. Силы, действующие на судно.

Схема сил, действующих на судно, приведена на рис. 3.1. Вертикальная составляющая главного вектора — сила поддержания R_: уравновешивает силу тяжести судна G, горизонтальная — сила сопротивления R_x — в свою очередь, уравновешивается создаваемой движите;

лем полезной тягой Т_с Главный момент М уравновешивает дифферентующие моменты, возникающие вследствие того, что вертикальные (й_;иС)и горизонтальные (R_x и Т_Е) силы противоположного направления в общем случае действуют вдоль разных линий.

При невысоких скоростях движения сила поддержания практически полностью определяется гидростатикой, посадка судна остается такой же, как и без хода.

По мере увеличения скорости все большую роль начинают играть гидродинамические силы. За счет их вклада в силу поддержани я водоизмещающий объем и осадка уменьшаются, судно подвсплывает, приобретает ходовой дифферент. Дальнейший рост скорости движения приводит к тому, что корпус практически полностью выходит из воды и судно начинает скользить по ее поверхности. При этом гидростатические силы постепенно уменьшаются до нуля, а сила тяжести судна уравновешивается гидродинамической силой поддержания.

В соответствии с природой действующих на судно сил поддержания и характером изменения ходовой посадки различают три режима движения: плавание, переходный и глиссирование. Как указывалось выше, режим движения определяется скоростью. Однако в размерном виде скорость может характеризовать режим движения лишь конкретного судна. Поэтому в качестве безразмерного критерия используется относительная скорость — число Фруда по водоизмещению, записываемое следующим образом:

где v — скорость движения м/с; g — 9,81 м/с² — ускорение свободного падения; D — водоизмещение (масса) судна, т; р — плотность воды, т/м³.

В (3.1) величина ^/D/p = ifv выступает в роли некоторого обобщенного линейного размера, который в силу неизменности массы судна (D — const) также остается неизменным при всех режимах движения. Число Фруда в традиционной записи.

здесь использовано быть не может — рост скорости приводит к уменьшению погруженного V объема корпуса, соответственно снижаются и его смоченная поверхность Q и длина L действующей ватерлинии, которая фигурирует в качестве характерного размера в (3.2).

Режим плавания наблюдается при невысоких относительных скоростях движения; условия, определяющие его, можно записать в виде.

где у = pg — удельный вес воды, кН/м³; V — объемное водоизмещение судна без хода (v = 0), м³.

В переходном режиме увеличивается относительная скорость движения, соответственно изменяется условие равновесия вертикальных сил:

где V_t < V— погруженный объем корпуса; Л_гл — гидродинамическая сила поддержания.

Режим глиссирования — скольжения по поверхности воды — наступает при высоких относительных скоростях и характеризуется условиями.

Выходу на режим глиссирования в значительной степени способствует дифферент на корму, возникающий еще в переходном режиме. Дальнейший рост скорости сопровождается уменьшением угла дифферента и снижением смоченной поверхности корпуса.

При больших относительных скоростях Fr_D «3 начинается рикошетирование, когда скольжение по воде чередуется с подлетами (как плоский камень, брошенный параллельно поверхности воды). Подобный режим может наступить у высокоскоростных спортивных судов. Для того чтобы не допустить отрыва их корпуса от воды, принимаются специальные меры.

Границы между режимами достаточно условны; качественного изменения характера движения при достижении соответствующих относительных скоростей (Fr₀ = 1,0 и Fr₀ = 3,0) не происходит.

Основная часть современных кораблей и судов морского флота движется в режиме плавания, их называют водоизмещающими. В эту категорию, наряду с прогулочной весельной лодкой водоизмещением D = 0,5 т и речным буксиром D- 20 т, входят самые крупные военные корабли — ударные авианосцы США (например, «Энтерпрайз», D — 91 000 т) и самые крупные суда (например, сверхкрупнотоннажный танкер «Батиллус», D = 630 000 т).

Переходный режим характерен для не очень больших, относительно быстроходных судов и кораблей. Так, например, знаменитые русские миноносцы типа «Новик» двигались в этом режиме; соответствующее максимальной скорости число Фруда Fr_D = 1,8. Близки к ним в этом плане и современные фрегаты (табл. 3.1). В режиме глиссирования движутся высокоскоростные катера, относящиеся к судам с динамическим поддержанием (СДП). К тому же классу относятся и другие быстроходные транспортные средства, у которых в расчетном режиме движения сила тяжести судна уравновешивается динамической силой поддержания. Это — суда на подводных крыльях (СПК), суда на воздушной подушке (СВП) и суда — экранопланы (СЭП). Все СДП — сравнительно небольшие суда, водоизмещение которых на сегодня не превышает 500 т. Это объясняется тем, что за скорость приходится очень дорого платить — энергозатраты стремительно возрастают с увеличением числа Фруда. Так, в табл. 3.1 для некоторых судов и кораблей приведены относительные скорости — Fr_D и соответствующие им значения энерговооруженности, или удельной мощности, т. с. мощности, приходящейся на тонну водоизмещения v₅ ~ P_s/D (P_s— мощность главной энергетической установки, ЭУ; D — водоизмещение).

Таблица 3.1

Характеристики некоторых судов

На основании анализа данных табл. 3.1 можно прийти к выводу, что создание высокоскоростных крупнотоннажных СДП — задача на сегодняшний день совершенно нереальная. Подтверждением тому служит и пример 3.1.

Пример 3.1. Оценим мощность механической установки и ее массу, необходимые для того, чтобы навалочное судно водоизмещением D — 230 000 т (см. табл. 3.1) двигалось в режиме глиссирования.

Определим запасы топлива, обеспечивающие дальность плавания 5= 16 000 миль. Примем Fr₀ = 3,5, v_s = 65 кВт/т, найдем требуемую мощность энергетической установки (ЭУ):

Принимая для оценки удельную массу у_м = 40 кг/кВт, что соответствует современным паротурбинным и дизельным установкам большой мощности, определим массу ЭУ:

Приняв удельный расход топлива q_T * 0,2 кг/кВт ч и рассчитав скорость движения судна.

определим запас топлива, необходимый для преодоления заданной дальности плавания:

Таким образом, суммарная масса ЭУ и запасов топлива почти в 4 раза должна превысить полное водоизмещение рассматриваемого судна.