Учебное пособие: Расчет элементов циркуляции и инерционных характеристик судна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по выполнению курсовой работы по дисциплине «Управление судном»

Тема: « Расчет элементов циркуляции и инерционных характеристик судна »

1. Общие положения курсовой работы

В соответствии с Резолюцией ИМО А.160 (ES.IV) и параграфа 10 Правила II/I Международной конвенции о подготовке и дипломировании моряков и несению вахты 1978 г. на каждом судне должна быть представлена информация о маневренных характеристиках.

Выполнение курсовой работы по дисциплине «Управление судном» предусматривает более глубокое изучение вопросов, связанных с определением маневренных элементов судна.

Задание по КР включает в себя расчеты элементов циркуляции и инерционны свойств судна, а также составление типовой таблицы маневренных элементов по полученным результатам.

Курсовая работа выполняется курсантами 5 курса судоводительского факультета в 10 семестре после изучения Раздела 3 (темя 13–17) типовой программы дисциплины «Управление судном».

Курсовая работа включает следующие темы:

1. Определение элементов циркуляции судна расчетным способом.

2. Расчет инерционных характеристик судна, включающих в себя пассивное торможение, активное торможение и разгон судна при различных режимах движения.

3. Расчет увеличения осадки судна при плавании на мелководье и в каналах.

4. Составление таблицы маневренных элементов судна на основании результатов расчета (расчетно-графическая часть работы).

Курсовая работа оформляется в соответствие с существующими требованиями.

Размерность физических величин в используемых формулах должна соответствовать приведенной в разделе «Условные обозначения», если в тексте МУ не оговорено иное.

После проверки курсовой работы преподавателем учащийся в назначенный срок защищает ее на кафедре.

2. Условные обозначения

Δ – объемное водоизмещение, м³

D – весовое водоизмещение судна, т

L – длина судна между перпендикулярами, м

В – ширина судна, м

d – осадка, м

V₀ – скорость полного хода, м/с

V_н – начальная скорость для конкретного маневра, м/с

С_в – к-т общей полноты

С_м – к-т полноты мидельшпангоута

С_д – к-т полноты ДП

С_у – к-т подъемной силы пера руля

η – пропульсивный коэффициент

λ₁₁ – коэффициент присоединенной массы

α – угол поворота судна, град

β – угол дрейфа судна на циркуляции, град

δ_р – угол перекладки руля, град

θ – угол крена, град

ψ – угол дифферента, град

l_р – длина пера руля, м

h_р – высота пера руля, м

λ_р – относительное удлинение пера руля

А_р – площадь пера руля, м²

А_д – площадь погруженной части ДП судна, м²

А_м – площадь погруженной части мидельшпангоута, м²

D_в – диаметр гребного винта, м

H_в – шаг винта, м

n₀ – частота вращения винта, 1/с

N_i – индикаторная мощность главного двигателя, л.с.

N_е – эффективная мощность, л.с.

М_ш – момент на швартовых

Р_зх – упор винта на швартовых на заднем ходу, тс

Т₁ – время первого периода, с

Т₂ – время второго периода, с

Т_р – время реакции судна на перекладку руля, с

Т_ц – период циркуляции, с

Д₀ – диаметр установившейся циркуляции, м

Д_т – тактический диаметр циркуляции, м

Д_к – диаметр циркуляции кормовой оконечности судна, м

l₁ – выдвиг, м

l₂ – прямое смещение, м

ΔS – ширина полосы движения на циркуляции, м

S₀ – инерционная постоянная, м

S_т – тормозной путь при активном торможении, м

t_т – время активного торможения, с

S_п – тормозной путь при пассивном торможении, м

t_п – время пассивного торможения, с

S_р – путь разгона судна, м

t_р – время разгона судна, мин

g – ускорение свободного падения, м/с²

3. Задание по разделу «Определение элементов циркуляции судна»

Все элементы циркуляции определяются для двух водоизмещений судна (в грузу и в балласте) с полного переднего хода с положением руля «на борт» (35°) и «полборта» (15°).

Результаты расчета сводятся в таблицу и по ним строится кривая циркуляции для двух водоизмещений и двух перекладок руля.

3.1 Методика расчета элементов циркуляции

Диаметр установившейся циркуляции с некоторыми допущениями рассчитывается по эмпирической формуле Шенхера [3].

,

где К₁ – эмпирический коэффициент, зависящий от отношения ;

.

Таблица значений коэффициента К₁

	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,10	0,11	0,12	0,13	0,14	0,15
К1	1,41	1,10	0,85	0,67	0,55	0,46	0,40	0,37	0,36	0,35	0,34

Площадь пера руля определяется по формуле:

,

где А – эмпирический коэффициент, определяемый по формуле:

.

Коэффициент подъемной силы пера руля С_у может быть найден по формуле:

,

где ;

(в расчете принимать ).

Тактический диаметр циркуляции можно определить по формулам:

– в грузу: ;

– в балласте: ,

где Д_т – тактический диаметр циркуляции при перекладке руля «на борт».

Зависимость тактического диаметра циркуляции от угла перекладки руля выражается формулой:

.

Выдвиг и прямое смещение рассчитываются по формулам:

,

,

где К₂ – эмпирический коэффициент, определяемый по формуле:

,

где – относительная площадь пера руля, выраженная в процентах от площади погруженной части ДП:

.

Угол дифферента определяется по формуле:

.

Диаметр циркуляции кормовой оконечности судна можно определить по формуле:

,

где .

Поступательная скорость на установившейся циркуляции определяется по приближенным формулам:

при перекладке руля «на борт» ;

при перекладке руля «пол борта»

Период установившейся циркуляции определяется по формуле:

.

Ширина полосы движения судна на циркуляции определяется по формуле:

.

3.2 Методика построения циркуляции судна

Кривую эволюционного периода циркуляции можно построить из дуг окружностей переменных радиусов. После поворота судна на угол 180° радиус циркуляции считается постоянной величиной.

Величина радиуса циркуляции постоянно уменьшается от наибольшего значения в начале поворота до значения поворота радиуса установившейся циркуляции.

Относительные значения радиусов неустановившейся циркуляции в зависимости от угла поворота судна и угла перекладки руля показаны в таблице:

Таблица значений R_н /R_ц

где R_н – радиус неустановившейся циркуляции;

R₀ – радиус установившейся циркуляции.

Порядок построения циркуляции:

1. Проводим линию первоначального курса и откладываем на ней в выбранном масштабе отрезок пути судна, пройденного за маневренный период:

.

2. Рассчитываем средний радиус поворота судна на угол 10° по данным таблицы. Для этого, например, выбираем из таблицы от ношение радиусов R_н /R_ц при углах поворота на 5° и 10° при р = 35. Эти значения будут равны 4,4 и 3,2.

Отсюда: .

Затем рассчитываем средние радиусы поворота судна в интервалах от 10° до 30° и т.д.

3. Кривую циркуляции судна строим (аппроксимируем) из ряда дуг окружностей различных радиусов до угла поворота на 180°.

4. Построив кривую циркуляции в эволюционном периоде завершаем построение, описав окружность радиусом установившейся циркуляции до угла поворота на 360° (рис. 1)

Рис. 1. Схема построения циркуляции судна

4. Задание по разделу «Определение инерционных характеристик судна»

Инерционные характеристики должны быть рассчитаны при маневрах ППХ-ПЗХ, СПХ-ПЗХ, МПХ-ПЗХ, ППХ-СТОП, СПХ-СТОП, МПХ-СТОП, разгон из положения СТОП-ППХ.

Перечисленные характеристики представляются в виде графиков для водоизмещений судна в грузу и в балласте. Результаты расчета сводятся в таблицу:

4.1 Методика определения инерционных характеристик судна

4.1.1 Активное торможение

Активное торможение рассчитывается в три периода.

Расчет ведется до полной остановки судна (V_к = 0).

Принимаем , .

Определяем сопротивление воды движению судна на полном ходу по формуле Рабиновича:

,

где .

Инерционная постоянная:

,

где m₁ – масса судна с учетом присоединенной массы:

Упор винта на заднем ходу:

,

где ;

N_е = η ∙ N_i ;

η может быть определена по формуле Эмерсона:

.

Путь, пройденный в первом периоде:

S₁ = V_н ∙ Т₁

Скорость судна в конце второго периода:

.

Путь, пройденный судном во втором периоде:

.

Путь, проходимый судном в третьем периоде:

.

Время третьего периода:

Общий путь и время торможения:

S_т = S₁ + S₂ + S₃

t_т = t₁ + t₂ + t₃

4.1.2 Пассивное торможение

Расчет ведется до скорости V_к = 0,2 ∙ V₀ .

Определяем время пассивного торможения:

,

.

4.2 Разгон судна

Расчет судна ведется до скорости V_к = 0,9 ∙ V₀

Определяем путь и время разгона по эмпирической формуле:

S_р = 1,66 ∙ С

,

где С – коэффициент инерционности, определяемый по выражению:

,

где V_к , узлы;

N_е , л.с.

5. Расчет дополнительных данных для таблицы маневренных элементов

5.1 Увеличение осадки судна на мелководье

Величина увеличения осадки судна на мелководье может быть рассчитана по формулам института гидрологии и гидромеханики Украины (формула Г.И. Сухомела), модифицированным А.П. Ковалевым [13]:

при

при

где – отношение глубины моря к средней осадке;

k– коэффициент, зависящий от отношения длины к ширине судна.

Таблица для определений k:

Результаты расчета представляются в виде графика зависимости d_к = f(V) при соотношении h/d = 1,4; 2,0; 3,0.

Дополнительное приращение осадки при плавании в канале:

,

где k' – коэффициент, зависящий от отношения площадей сечения канала и погруженной части мидельшпангоута.

Таблица для определения k'

Результаты расчета представляются в виде графика зависимости d_к = f(V) при соотношении h/d = 1,4 и А_к /А_м = 4; 6; 8.

5.2 Увеличение осадки судна от крена

Увеличение осадки при различных углах крена рассчитывается по формуле:

Результаты расчета представлены в табличной форме для углов крена до 10º.

5.3 Определение запаса глубины на ветровое волнение

Волновой запас глубины определяется в соответствии с приложением 3 РШС‑89 для высот волн до 4 метров и представляется в табличной форме.

5.4 Маневр «Человек за бортом»

Одним из видов маневра судна «Человек за бортом» является разворот с выходом на контркурс. Выполнение этого маневра зависит от выбора угла отклонения судна от первоначального курса (α). Величина угла α определяется по формуле:

где Т_п – время перекладки руля с борта на борт (Т_п = 30 сек);

V_ср – средняя скорость на циркуляции, определяемая из выражения:

Построение схемы маневра выполняется по данным циркуляции, рассчитанным в разделе 3.

Литература

1. Войткунский Я.И. и др. Справочник по теории корабля. – Л.: Судостроение, 1983.

2. Демин С.И. Приближенное аналитическое определение элементов циркуляции судна. – ЦБНТИ ММФ, экспресс-информация, серия «Судовождение и связь», вып. 7 (162), 1983, с. 14–18.

3. Знамеровский В.П. Теоретические основы управления судном. – Л.: Издательство ЛВИМУ, 1974.

4. Карапузов А.И. Результаты натурных испытаний и расчет маневренных элементов судна типа «Прометей». Сб. Безопасность мореплавания и ведения промысла, вып. 79. – Л.: Транспорт, 1987.

5. Мастушкин Ю.М. Управляемость промысловых судов. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.

6. Рекомендаций по организации штурманской службы на судах Минморфлота СССР (РШС‑89). – М.: Мортехинформреклама, 1990.

7. Справочник капитана (под общей редакцией Хабура Б.П.). – М.: Транспорт, 1973.

8. Судовые устройства (под общей редакцией Александрова М.Н.): Учебник. – Л.: Судостроение, 1988.

9. Цурбан А.И. Определение маневренных элементов судна. – М.: Транспорт, 1977.

10.Управление судном и его техническая эксплуатация (под общей редакцией Щетининой А.И.). – М.: Транспорт, 1982.

11.Управление судами и составами (Соларев Н.Ф. и др.). – М.: Транспорт, 1983.

12.Управление крупнотоннажными судами (Удалов В.И., Массанюк И.Ф., Матевосян В.Г., Ольшамовский С.Б.). – М.: Транспорт, 1986.

13.Ковалев А.П. К вопросу о «проседании» судна на мелководье и в канале. Экспресс-информация, серия «Безопасность мореплавания», вып 5,1934. – М.: Мортехинформреклама.

14.Гире И.В. и др. Испытания мореходных качеств судов. – Л.: Судостроение, 1977.

15.Ольшамовский С.Б., Миронов А.В., Маричев И.В. Совершенствование маневрирования крупнотоннажными судами. Экспресс-информация, серия «Судовождение связь и безопасность мореплавания», вып. 11 (240). – М.: Мортехинформреклама, 1990.

16.Экспериментальное и теоретическое определение маневренных элементов судов НМП для составления формуляров маневренных характеристик. Отчет о НИР УДК. 629.12.072/076. – Новороссийск, 1989.