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:

Определение элементов циркуляции судна расчетным способом.

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

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

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

? - 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

? - пропульсивный коэффициент

?₁₁ - коэффициент присоединенной массы

? - угол поворота судна, град

? - угол дрейфа судна на циркуляции, град

?_р - угол перекладки руля, град

? - угол крена, град

? - угол дифферента, град

l_р - длина пера руля, м

h_р - высота пера руля, м

?_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

?S - 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.

	В грузу	В балласте
	15	35	15	35
Д0, м
Дт, м
l1, м
l2, м
?, °
Дк, м
Тц, мин
?S, 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 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

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 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:

	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 (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 = ? • N_i;

? 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:

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 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'

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 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 10?.

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 (?). Величина угла ? 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.