Всего на сайте:
248 тыс. 773 статей

Главная | Военное дело

ДИНАМИКА КОРАБЛЯ.  Просмотрен 108

 

1.1. Ходкость

 

Ходкостью называется способность корабля в заданных условиях плавания развивать требуемую скорость под действием движущей силы, создаваемой внутренним или внешним источником энергии.

Это мореходное качество имеет первостепенное значение для корабля и является результатом трех совместно действующих факторов:

- мощности главной энергетической установки (двигателей);

- эффективности преобразования энергии двигателей в движущую силу;

- сопротивления движению корабля.

Для сравнительной оценки ходовых качеств надводных кораблей обычно избирается режим движения на прямом курсе с постоянной скоростью на тихой глубокой воде.

При движении корабля с постоянной скоростью встречаемое им буксировочное сопротивление преодолевается равной ему и противоположно направленной силой тяги двигателя. В этом случае буксирочная (эффективная) мощность NR, затрачиваемая на преодоление сопротивления, определяется зависимостью:

(1.1)
NR = RV/1000, кВт

Мощность, которую необходимо подвести от двигателей к движителям для создания ими требуемой тяги, называется валовой мощностью:

(1.2)
NP = NR/?

где ? < 1 - пропульсивный коэффициент, характеризующий эффективность процесса преобразования мощности двигателя в полезную тягу двигателя, у современных кораблей =0,5...0,7.

Суммарная мощность двигателей:

(1.3)
Nl = NR/?B

где ?B = 0.96..0,98 - КПД валоприводов, учитывающий потери мощности при передаче ее двигателям от двигателей. Таким образом, скорость корабля:

(1.4)
V = ??B E/R

где R = R/M - удельное буксирочное сопротивление корабля;

E = Nl/M - энерговооруженность корабля; M - масса корабля.

Таким образом, скорость корабля определяется его энерговооруженностью E (у кораблей она до 10 раз выше, чем у судов), гидродинамическими качествами корабля и движителей, которые учитываются соотношением ?/R и обычно называются пропульсивными качествами корабля.

Чем выше пропульсивные качества корабля, тем меньшая энерговооруженность требуется для поддержания заданной скорости хода, тем меньшие запасы топлива необходимы для обеспечения заданной дальности плавания, а, следовательно, тем совершеннее корабль с точки зрения ходкости.

Сопротивление движению корабля обусловлено двумя свойствами водной среды: вязкостью и тяжестью, а также воздушным (аэродинамическим) сопротивлением надводной части корабля.

(1.5)
Свойство вязкости воды определяет вязкостное сопротивление

Rвязк= Rтр+Rф+Rвч,

где Rтр – сопротивление трения;

Rф - сопротивление формы (вихревое сопротивление), обусловленное влиянием вязкости воды на распределение гидродинамических давлений по смоченной поверхности корабля;

Rвч - сопротивление выступающих частей. Свойство тяжести воды определяет волновое сопротивление Rв.

Суммарное сопротивление движению корабля:

(1.6)
R=Rтр+Rф+Rвч+Rв+Rвх

Воздушное сопротивление Rвх при движении водоизмещающего корабля на малых скоростях хода и в безветренную погоду невелика по сравнению с сопротивлением воды, это объясняется прежде всего тем, что плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды. Однако на полном ходу Rвх может достигать 10% от R.

Корабли имеют хорошо обтекаемые корпуса, а количество и объем выступающих частей сведены к минимуму, Rф и Rвч у них малы, поэтому вязкостное сопротивление в основном зависит от Rтр:

(1.7)
RTP = (KTP + KM) ?(?V2)/2

где Ктр - коэффициент сопротивления трения гидродинамически гладкой поверхности корпуса;

Км - коэффициент сопротивления шероховатости поверхности корпуса;

? - плотность воды, кг/м3;

V - скорость хода, м/с;

? - площадь смоченной поверхности корпуса корабля (как правило, без выступающих частей).

(1.8)
Для определения площади смоченной поверхности корпуса рекомендуется формула:

? = LT (1.36+1.13 ?B/T)

где L,В, Т - длина, ширина и осадка корабля; ?- коэффициент общей полноты.

Таким образом, для снижения Rвязк и Rтр прибегают к сокращению площади смоченной поверхности и уменьшению ее шероховатости.

Основную часть сопротивления шероховатости сварной обшивки составляет сопротивление; от окраски 40-60%, сварных швов 10-25%, вырезов и ниш 20-30%, волнистость поверхности 10%. Значительное увеличение (дополнительное) трения дает коррозия и обрастание корпуса.

На малых скоростях хода Rвязк составляет до 85-90% от полного сопротивления, на полном ходу Rвязк равно до 60-65%, а Rв возрастает до 35-40% и более.

Волновое сопротивление зависит от формы подводной части корпуса и соотношения главных размерений корабля и представляет собой затрату части мощности энергетической установки на образование системы волн, сопровождающих корабль на ходу. Снижение волнового сопротивления достигается:

- увеличением относительного удлинения корпуса L/B до 10-12%;

- заострением носовых ветвей конструктивной ватерлинии до 10о;

- установкой бульбовой наделки в носовой оконечности;

- оптимизацией формы кормовой оконечности.

Возможности улучшения ходкости корабля за счет повышения его энерговооруженности весьма ограничены, так как мощность энергоустановок у водоизмещающих кораблей возрастает приблизительно пропорционально кубу скорости.

Существует некоторые возможности, хотя и весьма ограниченные, для увеличения КПД энергоустановок, двигателей и уменьшения потерь при передаче мощности от двигателя к движителю.

Таким образом, очевидно, что целесообразно для значительного увеличения скорости уменьшать сопротивление воды путем вывода корпуса корабля из воды за счет использования гидро- или аэродинамических сил поддержания. Этот принцип реализуется при строительстве глиссирующих кораблей (торпедные и ракетные катера), кораблей на подводных крыльях (малые ракетные и противолодочные корабли, торпедные катера), кораблей на воздушной подушке.

1.2. Управляемость корабля

Управляемостью называется способность корабля сохранять или изменять направление своего движения с помощью средств управления. Понятие "управляемость" объединяет два свойства корабля - устойчивость на курсе и поворотливость. Первое свойство состоит в способности корабля сохранять заданный курс, а второе - в способности изменять его. Оба эти свойства по своей природе противоречивы, поэтому при проектировании корабля важно правильно определить оптимальное соотношение между требованиями к устойчивости на курсе и поворотливости.

Устойчивость на курсе зависит не только от внешних возмущений, но и от опыта рулевого. Показателями хорошей устойчивости корабля на курсе являются: малая рыскливость (самопроизвольный уход корабля с курса) и малое число перекладок руля в единицу времени для удержания корабля на курсе. Практически ни один корабль не обладает абсолютной устойчивостью на курсе и для сохранения его курса требуется постоянное вмешательство рулевого или автоматических устройств. Обычно считают, что корабль обладает удовлетворительной устойчивостью на курсе, если при волнении моря 3 - 5 баллов руль приходится перекладывать 4 - 6 раз в минуту на углы не более 3 - 4 градусов на борт. Углы рыскания при этом не должны превышать 2 - 3 градуса.

Поворотливость корабля обеспечивается перекладкой руля или при помощи машин, или того и другого вместе. Она характеризуется временем изменения курса и циркуляцией.

Циркуляцией называется траектория, по которой движется центр масс корабля при перекладке руля на некоторый угол с последующим удержанием его в этом положении. При перекладке руля, который можно рассматривать как крыло малого удлинения, возникает сила Р - результирующая всех сил давления и трения, действующих на руль (Рис. 1).

 

Рис. 1 Схема действия руля на корпус корабля

 

Величина силы Р зависит от угла перекладки руля (?), скорости набегающего потока (V), характеристики и площади руля. Проекция этой силы на ось х, параллельную потоку, называется силой лобового сопротивления (Рx), а проекция на ось у - боковой силой руля (Рy); точка с - центр давления.

Сила Рх несколько увеличивает сопротивление воды движению корабля, а сила создает Ру относительно ЦМ корабля момент М=аРy, который обеспечивает поворот и некоторое боковое смещение корабля в сторону, противоположную повороту.

В циркуляции корабля различают три периода: маневренный, совпадающий по времени с продолжительностью перекладки руля; эволюционный - от окончания перекладки руля до начала движения корабля по окружности (примерно до поворота на 100 - 120 градусов) и период установившейся циркуляции, который длится до тех пор, пока руль находится в переложенном положении. В период установившейся циркуляции корабль получает крен, как правило, в сторону, противоположную повороту.

Рис. 2

В первых двух периодах кривизна циркуляции - переменная, в третьем периоде - окружность. Типичная циркуляция корабля представлена на рис. 2. Она характеризуется следующими элементами: Dц - диаметр установившейся циркуляции, Dт - тактический диаметр циркуляции (поворот на 180о); l1 - выдвиг; l2 - прямое смещение; l3 - обратное смещение.

Отношение Dц/L есть мера поворотливости корабля. Для кораблей большого и среднего водоизмещения это отношение равно 5 - 7, для малых кораблей - 2 - 3.

Промежуток времени от момента отдачи приказания о перекладке руля до момента прихода корабля на заданный курс называется временем изменения курса. Время изменения курса на 360 градусов называется периодом циркуляции. Эти величины в основном зависят от скорости корабля и угла перекладки руля.

 

1.3. Качка корабля. Успокоители качки.

 

Качкой называется совокупность колебательных движений относительно положения равновесия, совершаемых кораблем под действием внешних сил (в первую очередь волнения моря и ветра). Различают бортовую, килевую и вертикальную качки. Однако следует иметь в виду, что указанное деление является условным и на практике корабль обычно испытывает все три вида качки одновременно.

Качка является отрицательным качеством корабля и может иметь целый ряд вредных последствий. Например, возможно появление опасных кренов корабля; снижение точности стрельб; ухудшение условий обслуживания и работы механизмов и приборов; снижение скорости корабля и увеличение расхода топлива; возникновение опасных напряжений в корпусе, деформация или даже разрушение корпуса и т. п. Кроме того, качка отрицательно сказывается на физиологическом состоянии личного состава, вызывая так называемую морскую болезнь.

Качка характеризуется амплитудой, т. е. максимальным отклонением от положения равновесия, и периодом, представляющим время в секундах, в течение которого совершается полное колебание. В качке корабля различают свободные и вынужденные колебания. Свободные колебания совершаются на тихой воде под действием восстанавливающего момента. Так как вода оказывает сопротивление наклонениям корабля, колебания будут затухающими. Периоды свободных колебаний в секундах могут быть определены по приближенным эмпирическим формулам. Для бортовой качки период

(1.9)
T? = kB/? h ,c

где В - ширина корабля, м; k - коэффициент, равный 0,65-0,75;

h - начальная поперечная метацентрическая высота, м.

Периоды килевой и вертикальной качки примерно одинаковы и равны

(1.10)
T? ? Tz ? 2.5? T ,c

где Т - осадка корабля, м.

Из формулы (1.9) видно, что Т? уменьшается при увеличении h, т. е. по мере увеличения остойчивости качка становится более стремительной. Стремительная качка тяжело переносится личным составом и вызывает значительные напряжения в корпусе. Поэтому при проектировании корабля стремятся достигнуть достаточной остойчивости при умеренной плавности качки. Периоды бортовой качки на тихой воде для крейсеров находятся в пределах 10 - 15 с, эскадренных миноносцев - 7 - 10 с, тральщиков - 4 - 6 с.

Используя формулу (1.9), можно определить начальную остойчивость корабля (величину h) по периоду свободных колебаний:

(1.11)
h = kB2/ Т?2

В этом случае период свободных колебаний определяется на основе кренований корабля, проводимых после его постройки, модернизаций и ремонтов, связанных с изменением постоянной нагрузки, а также в случаях, когда остойчивость корабля вызывает сомнение. На волнении качка корабля складывается из колебаний двух типов – свободных и вынужденных.

Основное влияние на амплитуду качки оказывает отношение периода собственных колебаний к периоду волны ( Т?/? ). Если Т?/? очень мало, т. е. период собственных колебаний значительно меньше периода волны, амплитуда качки невелика и корабль не зарывается в воду. Это возможно при очень большой h или очень большой длине волны.

Если отношение Т?/? велико, то амплитуда качки также мала. Это возможно при малой h или малой длине волны.

При отношении Т?/? ? 1 наступает явление резонанса, углы крена корабля резко возрастают и он может опрокинуться. Чтобы вывести корабль из резонанса, следует изменить либо курс, либо скорость корабля, однако не оба параметра вместе, так как при этом возможно новое попадание в резонанс. В настоящее время на кораблях существуют диаграммы, с помощью которых легко определяются курсы и скорости, исключающие попадание корабля в резонансные колебания.

Что касается килевой качки, то для нее практическое значение имеют лишь вынужденные колебания, так как из-за высокой продольной остойчивости свободные колебания сразу затухают. При килевой качке имеет значение не столько величина амплитуды, сколько обусловленная ею заливаемость корабля. Анализ килевой качки показывает, что при отсутствии хода наибольшая заливаемость корабля обычно имеет место на волнах, равных его длине или несколько больших (на 10 - 15%) ее.

Чтобы уменьшить неблагоприятные воздействия качки применяют успокоители качки. В настоящее время существуют только успокоители бортовой качки как наиболее опасной и вредной.

В общих чертах принцип действия успокоителя качки заключается в том, что им создается стабилизирующий момент, направленный противоположно возмущающему моменту волны. Этот стабилизирующий момент и уменьшает амплитуду качки корабля.

Рис. 3

По принципу управления стабилизирующим моментом успокоители качки разделяются на пассивные и активные.

В пассивных успокоителях стабилизирующий момент создается в виде непосредственной реакции на качку корабля. Из пассивных успокоителей широкое применение получили боковые кили, которые увеличивают сопротивление воды бортовой качке на 25 - 40% и уменьшают тем самым амплитуду качки корабля.

Активные успокоители качки требуют для своей работы внешнего источника энергии. Стабилизирующий момент в таких успокоителях создается принудительно. Наиболее эффективными активными успокоителями яв­ляются бортовые управляемые рули. Указанные рули подобны обычным балансирным рулям, но размещаются в середине длины корабля в районе скул перпендикулярно к наружной обшивке (рис. 3).

Внутри корпуса размещаются автоматизированные рулевые приводы, которые позволяют перекладывать рули вверх или вниз и создавать стабилизирующие моменты. Так как силы давления воды на рули пропорциональны квадрату скорости набегающего на них потока, то их эффективность очень сильно зависит от скорости корабля. На стоянке эти рули не могут уменьшать качку корабля. К недостаткам бортовых рулей следует также отнести сравнительную сложность конструкции и системы автоматического управления ими. При отсутствии качки бортовые рули убираются внутрь корпуса в специальные ниши.

 

Предыдущая статья:Тестовая группа. Основная задача – выполнить с должным качеством задачи, поставленные М.. Следующая статья:ОСНОВЫ УСТРОЙСТВА КОРАБЛЯ
page speed (0.0137 sec, direct)