Разгон гребного винта и двигателя

Вследствие качки судна непрерывно изменяется погружение гребного винта под поверхность воды. Если погружение изменится настолько, что концы лопастей в их верхнем положении выйдут из воды, то произойдут подсос воздуха (атмо­сферная кавитация) и падение упора и момента гребного винта. Это может привес­ти к разгону винта и вызвать большие динамические нагрузки на двигатель. Погружение оси гребного винта под поверхность воды

h(t) = h₀-z_B(x_B, t), (7.108)

где h₀ - погружение оси винта на тихой воде при стоянке судна; ^zb(*b'0 ^{= 2}(^хв> 0 ⁺ Ср(^хв> 0 ~ ^колебания уровня поверхности воды в месте рас­положения гребного винта, которые складываются из: z(x_B, t) - колебаний уров­ня, определяемых выражением (7.94) при х = х_винха; 4" р(^хв> 0 - дополнительного

изменения уровня от волны, порождаемой гребным винтом.

Оголение лопасти гребного винта произойдет при выполнении условия

h(t) = h₀-z* < R, (7.109)

где - амплитуда колебаний уровня z_B(x_B, t); R - радиус гребного винта.

Обеспеченность такой величины, т. е. вероятность оголения винта, опре­делится выражением

(л²

W₀r = М > h~ *)= е ^ ' • (^7Л

По найденной обеспеченности определяется среднее число оголений лопа­стей за промежуток времени t

(7-111)

а средний период колебаний погружения винта

' (7-112)

Однако интенсивный подсос воздуха возникает только тогда, когда нагрузка гребного винта превышает некоторое пороговое значение. Поэтому вероятность разгона винта определяется как вероятность превышения его нагрузки порогового значения. По этой вероятности определяется наибольший заброс частоты враще­ния гребного винта при разгоне во время оголения лопастей. Предельно допусти­мая частота вращения двигателя и винта регламентируется нормами технической эксплуатации, и непревышение ее защищается соответствующей регулировкой уровня настройки всережимного регулятора частоты вращения так, чтобы частота срабатывания защиты не превышала выбранного значения при данных условиях плавания.

7.4.4. Штормовые диаграммы

В. Б. Липисом и Д. В. Кондриковым предложены штормовые диаграммы, которые помогают капитану принимать обоснованное решение о режиме плава­ния судна при различных загрузках и разных состояниях моря.

Для каждой серии судов строятся два комплекта однотипных диаграмм, один из которых соответствует плаванию при больших осадках, другой - при ма­лых. Отдельные диаграммы комплекта относятся к разным курсовым углам ветра и волн при допущении, что их направления совпадают.

На рис. 7.24 приведена штормовая диаграмма универсального сухогрузного судна типа «Выборг» при плавании с малой осадкой для случая курсового угла ветра и волнения q = 0, а на рис. 7.25 - аналогичная диаграмма при плавании с большой осадкой при тех же условиях.

Рисунок 7.24. - Штормовая диаграмма сухогрузного судна при плавании с малой осадкой

По горизонтальной оси отложена интенсивность волнения, выраженная вы­сотами волн 3%-ной обеспеченности и наблюдаемых волн fy/з, по вертикали от­ложена частота вращения винта. На диаграмме нанесены следующие кривые:

- кривые 1 зависимости частоты вращения винта от интенсивности волнения при постоянных скоростях судна, выраженных в узлах;

- верхняя кривая А, ограничивающая максимально допустимые скорости и час­тоты вращения винта из условий длительной работы двигателя без перегрузки;

- кривые В, ограничивающие допустимые скорости судна и соответствующие частоты вращения винта из условия отсутствия опасного слеминга при различ­ных осадках носом;

- кривые С, ограничивающие допустимые скорости и соответствующие частоты вращения винта из условия отсутствия разгона винта при различных осадках кормой (пунктирные кривые).

п,

об/мин

На диаграмме для больших осадок вместо ограничительных кривых В по слемингу наносятся ограничительные кривые по заливаемости, поскольку при значительных осадках явление заливаемости становится ₄ лимитирующим режим плавания, а слеминг не проявляется.

Рассмотрим пользование штормовыми диаграммами на примерах решения задач по диаграмме, приведенной на рис. 7.24.

Если осадки носом и кормой превышают наибольшие их значения, имею­щиеся на диаграмме, то слеминга и разгона винта не будет. В этом случае ско­рость судна и частота вращения гребного винта определяются по кривой А и ли­митируются работой двигателя без перегрузки. Например, если интенсивность волнения характеризуется высотой наблюдаемых волн кц 3 =4, 5 м (/23% =6, 0м), то режим движения судна изобразится точкой М_х и наибольшая возможная ско­рость составит и = 13, 4 уз при частоте вращения винта и = 121 об/мин. Если же осадки оконечностями меньше соответствующих точке М\, то режим движения при той же интенсивности волнения следует определять по кривым В или С в за­висимости от того, какое из явлений накладывает большее ограничение. При этом точка М, изображающая допустимый режим, переместится по вертикали вниз. Так, например, если осадка носом будет Т_н =3, 6 м, то при той же интенсивности, соответствующей h\ / 3 = 4, 5 м, допустимый режим изобразится точкой М2, кото­рая определяет скорость v = 11, 2 уз и частоту вращения п = 106 об/мин. Такое изменение режима обусловлено избежанием опасного слеминга. Если же осадка носом не менее 3, 9 м, а осадка кормой Т_к = 7, 0 м, то допустимый режим изобра­зится точкой М3, которой соответствуют скорость и = 12, 3 уз и частота вращения п = 114 об/мин. Причем этот режим будет лимитироваться условием разгона вин-

203

та. При изменении интенсивности волнения точка, изображающая допустимый режим, смещается вправо при его возрастании и влево - при его затухании. Одна­ко смещение этой точки будет происходить вдоль разных кривых в зависимости от того, какое из явлений будет лимитирующим.

Если осадки судна превышают значения, нанесенные на кривых диаграммы, то при изменении интенсивности волнения режимная точка перемещается по кри­вой А, ограничивающей двигатель без перегрузки. Например, если интенсивность волнения возросла с кц 3 = 4, 5 м до h\ / 3 = 5, 5 м, то точка М\ сместится в точку

М4 и режим движения будет характеризоваться скоростью и = 10, 6 уз и частотой

вращения винта и = 113, 5 об/мин.

Если же ходовой режим при кц^ = 4, 5 м лимитировался слемингом и изо­бражался точкой А/2 при Г_н = 3, 6 м, то при h\/2 = 5, 5 м допустимый режим будет изображаться точкой А/5, получающейся смещением точки М₂ вдоль кривой,

соответствующей указанной осадке носом и ограничивающей режим движения по слемингу.

Аналогично, если первоначальный режим ограничивался по разгону винта и изображался, например, точкой М3, соответствующей Г_к = 7, 0 м, то с ростом ин­тенсивности волнения допустимый режим движения будет изображаться точкой, смещающейся вдоль кривой Т_к = 7, 0 м, и при h\ / 3 = 5, 5 м изобразится точкой М₆.

Могут быть также случаи, когда режим движения судна, лимитирующийся при некоторой интенсивности волнения одним явлением, при другой интенсивно­сти будет лимитироваться другой причиной. Так, например, если судно имеет Г_н=4, 0м и Г_к=7, 0м, то при интенсивности волнения, характеризуемой / 3 ⁼ 4, 5 м, допустимый режим изображается точкой М3, а при возрастании волнения до /zj / 3 =5, 5м изображающая точка сначала будет перемещаться по кривой Т_к = 7, 0 м, лимитирующей режим по разгону винта, до точки пересечения с кривой Г_н = 4, 0 м и далее по этой кривой до точки М7 и режим движения будет лимитироваться уже явлением слеминга.

Пользование диаграммой, относящейся к плаванию судов при больших осадках, совершенно аналогично предыдущему, только здесь допустимые осадки носом лимитируются условием заливаемости палубы, а угрозы опасного слеминга не возникает. Диаграммы для косых курсовых углов позволяют оценивать влия­ние изменения курса судна на допустимую скорость исходя из тех же ограничи­тельных условий, которые рассматривались выше.

В основу ограничительных кривых штормовых диаграмм В.Б. Липиса и Д.В. Кондрикова положены следующие нормы критериев мореходности:

а) среднее число опасных ударов при слеминге - 0, 2 за 100 периодов киле­вой качки;

б) среднее число случаев опасного струйно-брызгового заливания - 3, 0 за 100 периодов килевой качки;

в) среднее число срабатывания защиты двигателя по частоте вращения при разгоне винта - 0, 1 за один час.

Кроме отмеченных, принимались во внимание данные натурных наблюде­ний заливаемости, опасной с точки зрения порчи груза и максимально допустимо­го давления на палубный груз, а также наибольшие ускорения от качки на носо­вом перпендикуляре.

Особую опасность представляет штормование судна на попутном волнении при курсовых углах волнения q = 180° ±45°. В этом случае рекомендуется поль­зоваться штормовыми диаграммами А.И. Богданова.

Плавание судна в условиях попутного волнения существенно изменяет его остойчивость, качку и управляемость, что может привести к аварийной ситуации или даже к опрокидыванию судна.

Основные явления, возникающие при плавании на попутном волнении, ко­торые могут привести к аварийной ситуации и признаки их появления состоят в следующем:

а) уменьшение поперечной остойчивости при прохождении вершины волны вдоль судна в районе миделя. Это особенно опасно, когда длина волны и её ско­рость близки к длине и скорости судна, при этом время пребывания судна с по­ниженной остойчивостью может быть достаточным для наклонения судна на опасный угол или до опрокидывания. Признаком приближения такого явления служит неожиданное увеличение крена существенно превышающего обычные амплитуды качки, появляющееся при прохождении вершин отдельных волн вбли­зи миделя и медленное возвращение судна в исходное положение; такие наклоне­ния из-за смещения грузов или внешних условий могут быть несимметричными.

б) попадание судна в условия основного или параметрического резонанса, когда кажущийся период будет соответственно равен или вдвое меньше собст­венного периода бортовой качки (п.7.3.4.)

в) потеря управляемости, захват судна волной и разворот судна лагом к волне (брочинг), это явление особо опасно на переднем склоне волны. Явлению брочинга подвержены в основном малые и быстроходные суда при числах Фруда Fr > 0, 23.

Признаком приближающегося брочинга является существенное изменение скорости при прохождении волны вдоль судна, его стремление к разгону на пе­реднем склоне волны, ухудшение устойчивости на курсе и стремление судна раз­вернуться лагом к волне, увеличение частоты и амплитуд перекладки руля для удержания судна на курсе. Для предотвращения брочинга рекомендуется иметь скорость ниже чем 0, 6-0, 7 от скорости распространения опасных волн, т.е. волн длиной более 0, 8 длины судна, не допускать статического дифферента на нос, а в случае опасности захвата судна волной уменьшить скорость, не теряя при этом способности управляться.

Штормовые диаграммы А.И. Богданова разработаны на основе комплексно­го подхода к выбору безопасной скорости и курса судна при штормовом плавле­нии на попутном волнении. Эти диаграммы строятся для формы конкретного суд­на с учетом его особенностей и могут использоваться только на судах одной се­рии; в этом смысле они не являются универсальными и приводимые ниже приме­ры диаграмм предназначены только для иллюстрации их содержания и пользова­ния ими.

Рисунок 7.26. - Области отношений Из%Ihy/^расч и Л/L, при которых плавание судов на попутном волнении считается неблагоприятным или опасным

Первым вопросом возникающим при плавании на попутном волнении явля­ется определение характеристик волнения, при которых ставится заметным его неблагоприятное влияние на судно и необходимо пользоваться диаграммами для проверки безопасности плавания. Область таких параметров волнения ограничена внешним многоугольником на рис. 7.26, на котором по горизонтали отложена средняя длина волны Л, а по вертикали высота волн /23% трехпроцентной обес­печенности. Заштрихованный многоугольник ограничивает область параметров волн наиболее неблагоприятных и опасных. Диаграмма рис.7, 26 построена для судна длиной £ = 96 м. Если точка, соответствующая параметрам волнения распо­лагается на рис.7, 26 за пределами внешнего многоугольника, то плавание на та­ком попутном волнении считается благоприятным и проверки по штормовой диа­грамме не требуется. Если же соответствующая точка попадает во внешний мно­гоугольник или в заштрихованную область, то требуется проверка безопасности по штормовой диаграмме, особенно во втором случае, когда плавание на попут­ном волнении особенно неблагоприятно, а также опасно при у_т = 0, 7 -г-1, 3.

судна. Эти режимы не зависят от высоты волн, поэтому разные случаи нагрузки представляются на одной диаграмме рис.7.28.

Поправка

к V,

на глубину моря Н

Дг>, (НД), уз 16

ВВШШ ЮШ1

аши

■ в9Ш\1

О 15 30 45 60 75 90

----- Р. град

глубокая вода

г4(нд, р) = гин=»л, р> -дгун, х.)

Рисунок 7.28. - Диаграмма штормового плавания на попутном волнении (дополнительная, для длин волн Я = 40, 80, 120 160 м). Курсовой угол к волне ср = 180° ± (3

, Да поле диаграммы нанесены пары кривых ограничивающих зоны 2 основ­ного резонанса и заштрихованные зоны 3 параметрического резонанса, для волн длиной 2=40м; 80м; 120м и 160м. Особая опасность параметрического резонанса бортовой качки заключается в том, что интенсивные колебания большой ампли­туды могут возникнуть неожиданно при прохождении группы неблагоприятных волн (близких к регулярным на фоне общей благополучной предшествующей картины качки.)

Плавание в 3-й зоне не рекомендуется всем судам.

На дополнительных диаграммах вертикальные оси u_s (Н) заменены на оси поправок Av_s(H, fl) к скоростям судна v_s на глубину моря, которые приведены для длин волн в диапазоне Я = 40 200м, и добавлены горизонтальные оси h (Г),

для разных осадок судна.

Имея набор основных диаграмм (рис.7.27) для ряда выбранных характерных случаев нагрузки и дополнительные диаграммы (рис.7.28) судоводитель может во всех случаях штормового плавания на попутном волнении оценить степень его опасности при фактических параметрах волнения, глубины моря, состояния на­грузки и остойчивости и в случае необходимости обоснованно выбрать безопас­ный режим плавания.