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

Vн
– начальная скорость для конкретного маневра, м/с

Св
– к-т общей полноты

См
– к-т полноты мидельшпангоута

Сд
– к-т полноты ДП

Су
– 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

δр
– угол перекладки руля, град

θ – угол крена, град

ψ – угол дифферента, град

lр
– длина пера руля, м

hр
– высота пера руля, м

λр
– относительное удлинение пера руля

Ар
– площадь пера руля, м2

Ад
– площадь погруженной части ДП судна, м2

Ам
– площадь погруженной части мидельшпангоута, м2

Dв
– диаметр гребного винта, м

Hв
– шаг винта, м

n0
– частота вращения винта, 1/с

Ni
– индикаторная мощность главного двигателя, л.с.

Nе
– эффективная мощность, л.с.

Мш
– момент на швартовых

Рзх
– упор винта на швартовых на заднем ходу, тс

Т1
– время первого периода, с

Т2
– время второго периода, с

Тр
– время реакции судна на перекладку руля, с

Тц
– период циркуляции, с

Д0
– диаметр установившейся циркуляции, м

Дт
– тактический диаметр циркуляции, м

Дк
– диаметр циркуляции кормовой оконечности судна, м

l1
– выдвиг, м

l2
– прямое смещение, м

ΔS – ширина полосы движения на циркуляции, м

S0
– инерционная постоянная, м

Sт
– тормозной путь при активном торможении, м

tт
– время активного торможения, с

Sп
– тормозной путь при пассивном торможении, м

tп
– время пассивного торможения, с

Sр
– путь разгона судна, м

tр
– 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.

В грузу		В балласте
15	35	15	35
Д0 , м
Дт , м
l1 , м
l2 , м
β, °
Дк , м
Тц , мин
ΔS, м

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 Су
может быть найден по формуле:

,

где ;

(в расчете принимать ).

Тактический диаметр циркуляции можно определить по формулам:

– в грузу: ;

– в балласте: ,

где Дт
– 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 Rн
/Rц

Угол перекладки руля, град.	Угол поворота судна, град.
	5	10	30	60	90	120–160
35	2,20	1,80	1,30	1,15	1,10	1,06
15	4,40	3,20	1,90	1,60	1,40	1,30

где Rн
– 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 но

шение радиусов Rн
/Rц
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:

груз			балласт
ППХ	СПХ	МПХ	ППХ	СПХ	МПХ
Ам , м2	ххх	ххх	ххх	ххх
R0 , т	ххх	ххх	ххх	ххх
S1 , м
V2 , м/с
М1 , т	ххх	ххх	ххх	ххх
S2 , м
Мш	ххх	ххх	ххх	ххх	ххх
Рзх , т	ххх	ххх	ххх	ххх	ххх
S3 , м
Т3 , с
Sт , с
tт , с
Тср , с
Sсв , м
С	ххх	ххх	ххх	ххх
Тр , мин.	ххх	ххх	ххх	ххх
Sр , кб.	ххх	ххх	ххх	ххх

4.1 Методика определения инерционных характеристик судна

4.1.1 Активное торможение

Активное торможение рассчитывается в три периода.

Расчет ведется до полной остановки судна (Vк
= 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 ;

Nе
= η ∙ Ni
;

η может быть определена по формуле Эмерсона:

.

Путь, пройденный в первом периоде:

S1
= Vн
∙ 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:

Sт
= S1
+ S2
+ S3

tт
= t1
+ t2
+ t3

4.1.2 Пассивное торможение

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

Определяем время пассивного торможения:

,

.

4.2 Разгон судна

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

Определяем путь и время разгона по эмпирической формуле:

Sр
= 1,66 ∙ С

,

где С – коэффициент инерционности, определяемый по выражению:

,

где Vк
, узлы;

Nе
, 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:

L/B	4	5	6	7	8	9
k	1,35	1,03	0,80	0,62	0,55	0,48

Результаты расчета представляются в виде графика зависимости dк
= 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'

Ак /Ам	4	5	6	7	8	10	12
k'	0,98	0,61	0,44	0,35	0,24	0,18	0,15

Результаты расчета представляются в виде графика зависимости dк
= f(V) при соотношении h/d = 1,4 и Ак
/Ам
= 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 Тп
– время перекладки руля с борта на борт (Тп
= 30 сек);

Vср
– 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.