Ходкость

ДИНАМИКА КОРАБЛЯ

Ходкость - это способность судна перемещаться по воде с заданной скоростью, которую для морских судов принято измерять в узлах. 1 узел = 1 морская миля (1852 м) в час, причем морская миля равна длине дуги меридиана в 1 угловую минуту. В единицах СИ 1 узел = 0,5144 м/с. Подразумевается, что мощность главных механизмов будет минимально необходимой. От данного мореходного качества очень сильно зависит экономичность эксплуатации судна, которая во многом определяется расходом топлива.

На судно, которое движется с постоянной скоростью по поверхности воды, действуют две равные по величине, но противоположные по направлению силы: сопротивление движению (преимущественно сопротивление воды, воздушное сопротивление в десятки раз меньше) и тяга движителя (чаще всего - гребного винта). У несамоходных судов движущая сила может создаваться натяжением буксирного троса и другими способами. Сопротивление движению зависит от размеров, формы судна и его скорости.

Силу сопротивления воды представляют в виде суммы трех основных составляющих, которые считаются независимыми друг от друга: сопротивления трения, сопротивления формы и волнового сопротивления. Могут существовать и другие составляющие сопротивления, которые мы не рассматриваем. Разделение полного сопротивления на составляющие позволяет определять его более просто и точно. При практических расчетах полное сопротивление обычно делят на две части: сопротивление трения и остаточное (схема I) или сопротивление вязкостное и волновое (схема II). Для расчета используется общая формула, которая получается из теории подобия и имеет вид:

где R - сопротивление (или его составляющая), кН;

C - безразмерный коэффициент сопротивления;

r - массовая плотность воды, для морской воды r = 1,025 т/м³;

v - скорость движения судна, м/с;

W - площадь его смоченной поверхности, м². Ее можно рассчитать по теоретическому чертежу или по приближенным формулам.

Сопротивление трения обусловлено трением воды, обладающей некоторой вязкостью, об обшивку судна. Свойство вязкости заключается в том, что жидкости и газы оказывают сопротивление перемещению их слоев относительно друг друга. Коэффициент сопротивления трения зависит от безразмерного параметра, который называется числом Рейнольдса и определяется по формуле:

где n - кинематический коэффициент вязкости; для морской воды обычно принимают n = 1,61*10^-6 м²/с.

С ростом скорости (числа Рейнольдса) коэффициент сопротивления трения медленно падает.

Вязкость воды приводит не только к появлению сил внутреннего трения, но и к изменению давлений по длине судна. В корме давление оказывается меньше, чем в носу. В результате образующегося перепада давлений возникает сопротивление, называемое сопротивлением формы. Оно очень сильно зависит от формы тела (судна) и у плохо обтекаемых тел может возрастать в десятки и даже в сотни раз. Сопротивление формы трудно поддается определению как экспериментальным, так и расчетным путем.

Волновое сопротивление возникает при движении тел по поверхности или вблизи поверхности воды. Оно связано не с вязкостью, а с весомостью воды: при движении судна изменяются давления вблизи его обшивки, поверхность воды выходит из равновесия, искривляется, после чего под действием сил тяжести и инерции происходят колебательные движения. Волны обладают определенной энергией, которую они получают от движущегося судна. В свою очередь, судно, образуя при движении систему волн, испытывает сопротивление от них. С ростом скорости волновое сопротивление растет быстрее, чем другие составляющие, причем зависимость его от скорости имеет сложный вид. Ориентировочно считают, что оно в среднем пропорционально скорости в четвертой степени. Вот почему так медленно растут скорости судов.

Первую практическую методику расчета сопротивления воды движению судов предложил известный английский кораблестроитель В. Фруд в 1870 г. В соответствии с ней, сопротивление трения рассчитывалось по им же предложенной формуле, основанной на результатах обработки многочисленных его опытов по буксировке плоских досок; другая часть сопротивления, названная остаточным сопротивлением, моделировалась в специальном опытовом бассейне. Эта схема (называемая сейчас «схема I»), с доработками, основанными на современных представлениях о сопротивлении, используется до сих пор. Около 1970 г. была предложена схема II, согласно которой, как указано выше, полное сопротивление делится на вязкостное и волновое. Принципиальным отличием здесь является то, что сопротивление формы присоединяется к сопротивлению трения, а не к волновому, что соответствует теории подобия. Как и в схеме I, сопротивление трения рассчитывается, другие слагаемые моделируются, хотя вычисляются раздельно.

Теоретический расчет сопротивления движению очень сложен. Теория волнового сопротивления существует уже несколько десятилетий, хотя не всегда дает правильные результаты. Сравнительно недавно, в связи с развитием теории сопротивления воды и успехами вычислительной техники, появилась возможность рассчитывать и вязкостное сопротивление, но при проектировании судов, как правило, стремятся провести испытания их моделей с последующим пересчетом на судно по одной из вышеназванных схем. Теоретической основой расчета сопротивления движению является наука «гидродинамика», описывающая движение жидкостей с помощью сложных дифференциальных уравнений. Аналитически эти уравнения можно решить только в простейших случаях, для более сложных расчетов используют численные методы.

Модельные испытания проводятся в специальных лабораториях, называемых опытовыми бассейнами. Такой бассейн состоит из канала с водой, длина которого составляет примерно от 30 м до 1 км, и оборудования, обеспечивающего проведение испытаний. Модели приводятся в движение либо силой тяжести падающего груза (в малых бассейнах), либо специальной тележкой, которая катится по рельсам, уложенным по бортам бассейна. Модели обычно делают из парафина на деревянном каркасе, длина их в больших бассейнах принимается равной 6 - 7 м, в отдельных случаях - еще больше, что требуется для выполнения условий динамического подобия.

В начальных стадиях проектирования судна, когда приходится отыскивать оптимальный вариант, пользуются специальными графиками или приближенными формулами, которые позволяют оценить сопротивление и требуемую мощность главного двигателя с погрешностью 10 - 15 %. Широко известна, в частности, формула адмиралтейских коэффициентов:

где N_e - эффективная мощность главного двигателя;

v_s - скорость судна в узлах;

C_a - адмиралтейский коэффициент, который или выбирается по данным, полученным для близких судов, или подсчитывается для судна-прототипа, характеристики которого близки к характеристикам проектируемого судна. Погрешность этой формулы может быть невелика при удачном выборе прототипа, но достигает десятков процентов, если выбор неудачен.

С давних пор кораблестроители стремились совершенствовать формы судовых корпусов с целью снижения сопротивления. Долгие годы это было искусством, которое передавалось из поколения в поколение, или повторением известных (хороших) образцов. В настоящее время поиск наилучших форм поставлен на научную основу. Известно, что с ростом быстроходности (относительной скорости - безразмерного числа Фруда ) формы судов закономерным образом изменяются: до некоторого предела растет относительная длина, ЦВ перемещается от носа к корме, меняются обводы. Появились многочисленные способы уменьшения сопротивления, в том числе довольно экзотические, например, с помощью упругих покрытий типа кожи дельфина, подачи в пограничный слой, прилегающий к обшивке, специальных жидкостей («неньютоновских»), обладающих особыми свойствами, воздуха или других газов и т.д. Для сравнительно небольших скоростных судов один из эффективных способов снижения сопротивления - переход к динамическим принципам поддержания, когда судно поддерживается не архимедовой силой плавучести, а подъемной силой, создаваемой специальными устройствами. К таким судам (СДПП) относятся глиссеры, суда на подводных крыльях (СПК) и на воздушной подушке (СВП), экранопланы.

Глиссер скользит по поверхности воды, на его днище возникает подъемная сила, которая почти полностью выталкивает корпус из воды. Для этого необходима достаточная скорость, которая определяется так называемым «числом Фруда по водоизмещению» где g = 9,81 м/с² - ускорение свободного падения.

У СПК имеются крылья, которые могут быть полностью погруженными в воду или пересекать свободную поверхность, что существенно влияет на эксплуатационные качества судна (при глубоко погруженных крыльях требуется автоматическая система управления, обеспечивающая плавучесть и остойчивость, но мореходность значительно лучше, чем у судов с малопогруженными крыльями, которые чутко реагируют на любую волну). Для СПК характерны скорости 30 - 40 узлов. Еще большие скорости (около 60 уз.) имеют СВП, которые опираются не на воду, а на воздушную подушку, создаваемую специальным вентилятором, который нагнетает воздух под корпус. Существуют амфибийные СВП, которые могут выходить на берег по пологому склону, и неамфибийные, которые имеют элементы, контактирующие с водой, например, жесткие бортовые ограждения - скеги. Сравнительно недавно появились экранопланы - транспортные средства, внешне похожие на самолет, которые используют «эффект экрана» - повышение подъемной силы крыла, летящего вблизи поверхности. Скорости экранопланов превышают 100 узлов (достигают 200 - 300 уз.) и приближаются к скоростям пассажирских самолетов.

При проектировании обычного транспортного судна, как правило, его скорость бывает задана, водоизмещение приблизительно известно, что дает возможность рассчитать сопротивление движению. После этого необходимо определить тип и количество движителей (почти всегда это один гребной винт), рассчитать движитель, найти требуемую мощность и частоту вращения главного двигателя (у гражданских судов - как правило, дизель) и подобрать двигатель из числа выпускаемых промышленностью.

Судовые движители очень разнообразны по конструкциям и принципу действия. Они подразделяются на реактивные и активные. В реактивных движущая сила (упор) получается как реакция отброшенной струи воды (или воздуха) - таких движителей большинство. Активные движители развивают упор за счет изменения скоростей внешней среды (воздуха или воды). Среди реактивных движителей назовем гребные винты, гребные колеса, водометные движители (имеющие систему водопроточных каналов, в частном случае один канал, в котором работает насос, часто в виде гребного винта - осевой насос), крыльчатые движители (несколько вертикальных лопастей, прикрепленных к вращающемуся барабану, установленному заподлицо с днищем судна, и совершающих колебательные движения относительно собственных вертикальных осей); древнейший из реактивных движителей - гребное весло. К активным движителям, прежде всего, следует отнести парус. В начале ХХ века на некоторых судах были установлены роторные движители (башенные движители, роторы Флеттнера) в виде вращающихся цилиндров, вертикально установленных на палубе и создающих упор при боковом ветре. Другие движители, пожалуй, менее известны.

Среди реактивных движителей гребные винты - наиболее простые, легкие и обладающие наивысшим к.п.д. - до 70 - 80 %, чаще около 60 % (у некоторых судов более высокий к.п.д. достигается с движителями других типов). Винт состоит из ступицы, вращающейся на гребном валу, и закрепленных на ней лопастей, количество которых бывает от 2 (у мелких судов) до 8. На большинстве судов гребные винты цельнолитые, но получили распространение также винты со съемными лопастями и винты регулируемого шага (ВРШ) с поворотными лопастями.

Лопасть гребного винта образуется по винтовой поверхности и по принципу действия подобна крылу самолета. При вращении винта на ней возникает подъемная сила, которая, с одной стороны, толкает судно вперед, с другой, создает сопротивление вращению винта. Силы, возникающие при работе винта, можно определять экспериментально на моделях или рассчитывать теоретически.

Основные геометрические характеристики винта: диаметр D, число лопастей z, шаговое отношение P/D, дисковое отношение A_e/A₀. Диаметр винта зависит, в первую очередь, от размеров судна (осадки) и достигает 10 м при массе 70 и более тонн. Теоретически доказано, что с ростом размеров движителя его к.п.д. растет, но чрезмерно большие винты очень трудно изготовить, к тому же они требуют огромных и тяжелых малооборотных двигателей. Число лопастей чаще всего принимают равным 3 или 4, но при большой мощности главного двигателя увеличивают, чтобы избежать сильной вибрации. Шаговое отношение равно отношению шага винта (винтовой поверхности, по которой образована лопасть) к его диаметру и может изменяться примерно от 0,6 до 1,5, иногда до 2, возрастая с ростом скорости. То же относится и к дисковому отношению, которое равно отношению площади всех лопастей к площади диска винта, т.е. круга с диаметром, равным диаметру винта. Дисковое отношение может лежать в пределах 0,3 - 1,2.

При вращении в воде гребной винт не ввинчивается в нее, как винт в гайку, а несколько «проскальзывает», т.е. за один оборот проходит расстояние, меньшее шага P - оно называется поступью h. При расчетах обычно используют безразмерные характеристики: относительную поступь J = h/D и относительное скольжение s = (P - h)/P = 1 - J / (P/D). Эти величины являются кинематическими характеристиками гребного винта, они характеризуют режим его работы - чем больше скольжение и меньше поступь, тем тяжелее нагружен винт.

Особенно важны гидродинамические характеристики винта, к которым относятся упор Т, крутящий момент Q и к.п.д. h. Здесь также удобно использовать безразмерные характеристики, которыми являются коэффициент упора K_T и коэффициент момента K_Q; для их определения служат формулы:

Кривые зависимости этих характеристик от относительной поступи J носят название «кривые действия гребного винта»; примерный их вид показан на рис. 6.

Рис. 6. Кривые действия гребного винта (P/D = 1,00)

Для практических расчетов винтов часто используют специальные диаграммы, которые объединяют в себе кривые действия для серии винтов (моделей), отличающихся шаговым отношением, или по результатам модельных испытаний, или по данным систематических расчетов. Они позволяют спроектировать гребной винт, который развивал бы требуемый для движения судна с заданной скоростью упор и при этом имел бы наивысший к.п.д. Такие диаграммы в нашей стране впервые были предложены Э.Э. Папмелем и нередко называются его именем.

Условия работы гребного винта за корпусом судна отличаются от условий работы в свободной воде, для которых строятся кривые действия и диаграммы. Основных отличий два. Во-первых, к обшивке судна примыкает некоторый объем воды, который вовлекается в движение судном, т.е. гребной винт работает в так называемом «попутном потоке», в результате чего скорость обтекания винта за корпусом меньше, чем в свободной воде. Во-вторых, перед работающим винтом создается область пониженного давления, что приводит к появлению дополнительного сопротивления - силы засасывания. Эти обстоятельства учитываются введением поправочных коэффициентов: коэффициента попутного потока y и засасывания t. Вместо скорости движения судна v вводится скорость потока, набегающего на винт, а вместо полезной тяги Т_Е, уравновешивающей сопротивление движению, - упор винта Влияние корпуса судна на работу гребного винта неоднозначное, хотя в целом отрицательное.

При проектировании гребных винтов обычно стремятся получить диаметр, близкий к предельно допустимому (ориентировочно 3/4 осадки - у одновинтового судна и 2/3 осадки - у двухвинтового), что обеспечивает наибольший к.п.д., но иногда приходится уменьшать диаметр с учетом возможностей изготовления винта требуемых размеров, минимальной частоты вращения гребного вала (двигателя), осадки судна кормой в балластном переходе и других соображений. В зависимости от конкретных условий, могут оказаться выгодными винты регулируемого шага, в неподвижных или поворотных насадках, соосные и др., а также иные типы движителей. Например, на скоростных судах нередко применяют водометные движители, поскольку у обычных винтов наблюдается нежелательное явление кавитации (вскипание воды при обычной температуре и пониженном давлении); у судов на воздушной подушке целесообразны воздушные винты; на плавкранах, буксирах, не развивающих большие скорости, встречаются крыльчатые движители, которые обеспечивают судну исключительную манёвренность, но плохо работают при скоростях свыше 18 - 20 уз. в связи с кавитацией (закипанием воды) на лопастях.

Важная задача при проектировании движителя - обеспечить согласование характеристик корпуса, движителя и двигателя, в противном случае двигатель не сможет развить полную мощность (как известно, обычные гребные винты бывают «тяжелыми» и «легкими» для двигателя). Проверка работы двигательно-движительного комплекса построенного судна производится во время пропульсивных (ходовых) испытаний на мерной миле (мерной линии). При этом проверяется работа главного двигателя на различных режимах, от минимальной до максимальной частоты вращения, и измеряется достигнутая скорость хода судна. Судно при испытаниях должно быть свежеокрашенным, море - спокойным, а глубина воды на мерной миле - достаточной, чтобы не было влияния мелководья на сопротивление.