Если на ходу судна вывести руль из диаметральной плоскости – его нулевого положения, т.е. переложить его на какой-либо угол вправо или влево, то судно начнет описывать на поверхности воды кривую, называемую циркуляцией.

Циркуляцией называется криволинейная траектория, которую описывает центр тяжести судна при изменении курса.

В первом приближении кривая циркуляции представляет собой дугу окружности с определенным диаметром (радиусом), зависящим для данного судна от угла перекладки руля, скорости хода и осадки судна (его загрузки).

Циркуляция судна характеризуется следующими основными элементами (рис. 7.4):

1. Тактическим диаметром циркуляции.
2. Полупериодом циркуляции.

Рис. 7.4. Основные элементы циркуляции судна

Тактическим диаметром циркуляции называется кратчайшее расстояние между линией первоначального курса судна и линией его курса после поворота на 180° измеренное в кабельтовых.

Обозначается как – d Ц или Д Ц .

Тактический радиус циркуляции – есть половина d Ц (Д Ц ) и обозначается как – R Ц .

Полупериод циркуляции ® время, в течении которого судно совершает поворот на 180°. Измеряется в минутах и обозначается – t 180 ° .

Элементы циркуляции определяются в сроки, предусмотренные руководящими документами по правилам, изложенным в ПОМЭС.

Сторона поворота и угол перекладки руля обозначается:

При повороте судна вправо – П-5°, П-10° … П-20°… П-30°;

При повороте судна влево – Л-5°, Л-10° … Л-20°… Л-30°.

7.3.2. Способы определения элементов циркуляции судна

Рассмотрим некоторые способы определения элементов циркуляции судна .

1. По траверзным расстояниям , измеренным судовой РЛС (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Определение элементов циркуляции судна по траверзным расстояниям

В районе специального буя с РЛП судно развивает необходимую скорость и ложится на курс (КК 1 ) с расчетом пройти траверз буя в расстоянии 2¸3 кб.

Когда буй окажется на траверзе, подается команда «Ноль!», по которой:

® включается секундомер(ы) – Т Н ;

® замеряется по РЛС расстояние до буя (D Р1 );

® руль перекладывается на заданное число градусов (П-10° … П-20°) в сторону от буя.

В момент прихода судна на обратный курс (КК 2 = КК 1 ± 180°) снова подается команда «Ноль!», по которой:

Т К ;

® повторно замеряется по РЛС расстояние до буя (D Р2 );

® руль отводится на «0» (в ДП).

Рассчитывается:

(7.12)

2. По створу и горизонтальному углу (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Определение элементов циркуляции судна по створу и горизонтальному углу

Судно развивает заданную скорость и ложится на курс (КК 1 ), перпендикулярный линии створа С .

В момент пересечения линии створа подается команда «Ноль!», по которой:

1) ® включается секундомер(ы) ® Т Н ;

2) ® руль перекладывается на заданное число градусов (П-…° или Л-…°);

3) ® навигационным секстаном измеряется горизонтальный угол (a 1 ) между линией створа С и ориентиром (А ).

В момент пересечения линии створа и прихода судна на обратный курс (КК 2 = КК 1 ± 180°) снова подается команда, по которой:

1) ® останавливается секундомер(ы) – Т К ;

2) ® руль отводится на «0» (в ДП судна);

3) ® повторно навигационным секстаном измеряется горизонтальный угол (a 2 ) между линией створа С и ориентиром (А ).

Рассчитывается:

где d – длина перпендикуляра, опущенного из т. А на линию створа.

3. По длинам судна (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Определение элементов циркуляции по длинам судна

Этот способ основан на измерении расстояния между кильватерным следом до начала циркуляции (КК 1 ) и кильватерным следом после циркуляции судна на 180° (КК 2 =КК 1 ± 180°).

Есть и другие способы определения элементов поворотливости:

Ø способ прямых синхронных засечек (2 береговых теодолитных поста);

Ø с помощью аэрофотосъемки;

Ø с помощью автопрокладчика (при самом крупном масштабе);

Ø по гирокомпасу и лагу (S Л = К Л × (ОЛ 2 – ОЛ 1 ) и

(7.16)

a – угол поворота судна.

Элементы циркуляции определяются для различного положения руля (П или Л 5°, 10°, 20°, 30°).

Таблица циркуляции (учебная)

Таблица 7.1.

V Л , узлы	Угол перекладки руля
П (Л) – 10°	П (Л) – 20°	П (Л) – 30°
R Ц , кб.	t 180 ° ,мин.	d 180 ° ,мили	R Ц , кб.	t 180 ° ,мин.	d 180 ° ,мили	R Ц , кб.	t 180 ° ,мин.	d 180 ° ,мили
			2,5			2,2			1,9
			2,5			2,2			1,9
			2,5			2,2			1,6
			2,2			1,9			1,6
			2,2			1,9			1,6
			2,2			1,9			1,3
			1,9			1,6			1,3
			1,9			1,6			1,3
			1,9			1,6			0,9

По определенным значениям элементов поворотливости (d Ц или R Ц и t 180 ° ) для различных значений скорости хода судна и угла перекладки руля заполняются таблицы циркуляции РТШ и формуляр судна (табл. 7.1)

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, м 3

D – весовое водоизмещение судна, т

L – длина судна между перпендикулярами, м

В – ширина судна, м

d – осадка, м

V 0 – 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

η – пропульсивный коэффициент

λ 11 – коэффициент присоединенной массы

α – угол поворота судна, град

β – угол дрейфа судна на циркуляции, град

δ р – угол перекладки руля, град

θ – угол крена, град

ψ – угол дифферента, град

l р – длина пера руля, м

h р – высота пера руля, м

λ р – относительное удлинение пера руля

А р – площадь пера руля, м 2

А д – площадь погруженной части ДП судна, м 2

А м – площадь погруженной части мидельшпангоута, м 2

D в – диаметр гребного винта, м

H в – шаг винта, м

n 0 – 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

Т 1 – время первого периода, с

Т 2 – время второго периода, с

Т р – время реакции судна на перекладку руля, с

Т ц – период циркуляции, с

Д 0 – диаметр установившейся циркуляции, м

Д т – тактический диаметр циркуляции, м

Д к – диаметр циркуляции кормовой оконечности судна, м

l 1 – выдвиг, м

l 2 – прямое смещение, м

ΔS – ширина полосы движения на циркуляции, м

S 0 – 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/с 2

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.

3.1 Методика расчета элементов циркуляции

Диаметр установившейся циркуляции с некоторыми допущениями рассчитывается по эмпирической формуле Шенхера .

где К 1 – эмпирический коэффициент, зависящий от отношения ;

.

Таблица значений коэффициента К 1

	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,10	0,11	0,12	0,13	0,14	0,15
К 1	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:

,

(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 К 2 – 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:

,

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

где R н – радиус неустановившейся циркуляции;

R 0 – 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.

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
А м, м 2	ххх	ххх	ххх	ххх
R 0 , т	ххх	ххх	ххх	ххх
S 1 , м
V 2 , м/с
М 1 , т	ххх	ххх	ххх	ххх
S 2 , м
М ш	ххх	ххх	ххх	ххх	ххх
Р зх, т	ххх	ххх	ххх	ххх	ххх
S 3 , м
Т 3 , с
S т, с
t т, с
Т ср, с
S св, м
С	ххх	ххх	ххх	ххх
Т р, мин.	ххх	ххх	ххх	ххх
S р, 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 m 1 – масса судна с учетом присоединенной массы:

Упор винта на заднем ходу:

,

где ;

N е = η ∙ N i ;

η может быть определена по формуле Эмерсона:

.

Путь, пройденный в первом периоде:

S 1 = V н ∙ Т 1

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 = S 1 + S 2 + S 3

t т = t 1 + t 2 + t 3

4.1.2 Пассивное торможение

Расчет ведется до скорости V к = 0,2 ∙ V 0 .

Определяем время пассивного торможения:

,

4.2 Разгон судна

Расчет судна ведется до скорости V к = 0,9 ∙ V 0

Определяем путь и время разгона по эмпирической формуле:

S р = 1,66 ∙ С

где С – коэффициент инерционности, определяемый по выражению:

,

где V к, узлы;

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 :

при

где – отношение глубины моря к средней осадке;

k– коэффициент, зависящий от отношения длины к ширине судна.

Таблица для определений k:

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 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 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.

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.

Циркуляция судна.

Циркуляция и ее периоды.

Циркуляцией называется процесс изменения кинематических параметров двигавшегося прямолинейно равномерно судна в ответ на ступенчатую перекладку руля, начиная с момента ее задания для отработки. Траектория, которую описывает ЦМ судна в этом процессе, также носит название циркуляции.

Циркуляционное движение по времени принято разделять на три периода: маневренный, эволюционный (переходной), установившийся. Прежде чем давать определения этих периодов, уточним, что понимается под установившимся криволинейным движением судна.

Установившимся прямолинейным движением судна называется его перемещение одним курсом с постоянной скоростью.

Установившееся вращательное движение представляет собой вращение судна относительно ЦМ с неизменной угловой скоростью.

Криволинейное перемещение судна складывается из поступательного и вращательного. Под установившимся криволинейным перемещением понимается движение судна, при котором с течением времени угловая и линейная скорость ЦМ судна не изменяются ни по величине, ни по направлению относительно осей, жестко связанных с судном. Таким образом, установившееся криволинейное движение судна характеризуется постоянством угловой скорости , угла дрейфа и путевой скорости судна.

В процессе циркуляционного движения дольше всего приходит к установившемуся значению линейная скорость судна. На конечном этапе приближение линейной скорости судна к установившемуся значению является монотонным и медленным. У крупнотоннажных судов на циркуляции линейная скорость может достигать постоянного значения после поворота на угол, больший 270°. Кроме того, на установившейся циркуляции у судна могут наблюдаться малые колебания в угле дрейфа и в угловой скорости. Поэтому возникает вопрос, с какого момента времени движение судна на циркуляции считать установившимся.

Ориентируясь на принятую в теории автоматического управления границу между эволюционным и установившимся перемещением, можно считать, что циркуляционное движение судна устанавливается, когда текущие значения , , начинают отличаться от своих установившихся значений
меньше, чем на 3-5%.

Ввиду того, что угол дрейфа на циркуляции не измеряется, а линейная скорость судна измеряется с большой погрешностью, за начало установившегося периода циркуляции обычно принимается момент, после которого изменение курса становится практически равномерным. Для среднетоннажных судов этот момент наступает после поворота судна примерно на 130°. Однако исследования показывают, что при циркуляционном движении угловая скорость устанавливается быстрее, чем и . Угол дрейфа и особенно линейная скорость судна достигают 3-ь5% приближения к своим установившимся значениям позднее.

Теперь можно дать определения периодов циркуляции.

Маневренный период (
) - период перекладки руля от нуля до выбранного значения, начиная с момента задания рулевому устройству для отработки выбранного значения.

Эволюционный период () - интервал времени с момента окончания перекладки руля, до момента, когда криволинейное движение судна становится установившимся.

Установившийся период начинается с момента окончания второго периода и продолжается до тех пор, пока руль остается в заданном переложенном положении.

Для оценки и сравнения управляемости судов используются циркуляции при эталонных условиях. Начало циркуляции соответствует моменту задания перекладки руля, а конец - моменту поворота ДП судна на угол 360°. Схематически траектория такой циркуляции показана на рис 3.1

Рис.3.1 Схема циркуляции судна.

Параметры циркуляции.

При рассмотрении циркуляции выделяют основные и дополнительные ее элементы.

Основными являются такие параметры циркуляции.

Диаметр установившейся циркуляции - расстояние между положениями ДП судна на противоположных курсах при установившемся движении на циркуляции, обычно между ДП в момент поворота на 180° и ДП в момент поворота на 360°

Тактический диаметр циркуляции - расстояние между линией первоначального курса и ДП судна после поворота его на 180 . Тактический диаметр может составлять (0,9-1,2)

Выдвиг - расстояние между положениями ЦМ судна в момент начала перекладки руля и в момент после поворота ДП на 90 , измеренное в направлении первоначального курса. Приближенно

Прямое смещение - расстояние от линии первоначального курса до ЦМ судна, развернувшегося на 90°. Оно составляет порядка
.

Обратное смещение - наибольшее отклонение ЦМ судна от линии первоначального курса в сторону, противоположную перекладке руля. Обратное смещение мало и составляет
.

Угол дрейфа - угол между ДП и вектором скорости судна.

Период циркуляции - интервал времени с момента начала перекладки руля до момента поворота судна на 360°.

Из дополнительных параметров циркуляции наиболее важными с точки зрения обеспечения безопасности маневрирования являются.

Полуширина выметаемой полосы - расстояние от циркуляционной траектории, на котором находятся наиболее удаленные от нее точки корпуса при совершении циркуляции;

Расстояние - расстояние от положения ЦМ судна в начальный момент циркуляции до точки, в которой корпус судна уходит с линии первоначального курса;

Максимальный выдвиг оконечности судна - наибольшее расстояние вдоль начального курса от положения ЦМ судна в начальный момент циркуляции до крайней оконечности судна в процессе маневра (аналогично может быть определен максимальный выдвиг центра массы судна, называемый просто максимальным выдвигом);

Максимальное прямое смещение оконечности судна - наибольшее боковое отклонение от линии начального курса до крайней оконечности судна в процессе циркуляции (аналогично может быть определено максимальное прямое смещение центра массы судна, называемое просто максимальным прямым смещением).

Основной параметр поворотливости судна, диаметр установившейся циркуляции , мало зависит от скорости судна перед началом маневра. Это обстоятельство подтверждено многочисленными натурными испытаниями. Однако выдвиг судна не обладает этим свойством и зависит от начальной скорости судна. При циркуляции с малого хода выдвиг порядка на 10-5-20% меньше выдвига с полного хода. Поэтому на ограниченной акватории при отсутствии ветра перед выполнением поворота на большой угол целесообразно сбавить ход.

Для количественной оценки циркуляции используют геометрические и временно-скоростные характеристики.

К геометрическим характеристикам относятся следующие величины:

1. Диаметр установившейся циркуляции – D ц = 2R ц .

Диаметр установившейся циркуляции – это диаметр траектории движения Ц.Т. судна на установившемся периоде циркуляции.

Для сравнительной оценки поворотливости различных судов величину D ц (или R ц ) обычно выражают в длинах корпуса судна L. Это отношение называют основной мерой поворотливости судна и эта величина является относительным диаметром циркуляции (D ЦОТ ).

Для судов внутреннего плавания D ЦОТ лежит в пределах 2,5 3,5.

2. Тактический диаметр циркуляции D Т - расстояние между диаметральной плоскостью судна на прямом курсе и положением ее при повороте на 180 о.

D Т = (6.5)

где L – длина судна, м;

Т – осадка судна, м;

S Р - площадь руля, м 2 ;

К ОП – опытный коэффициент.

обычно величина D Т = (0,9 – 1,2) D ц.

Рис. 6.3 Схема циркуляции судна

3. Выдвиг l 1 –Расстояние, на которое смещается цент тяжести судна в направлении первоначального курса от точки начала циркуляции до точки, соответствующей изменению курса судна на 90 о. Для различных судов l 1 колеблется в пределах l 1 = (0,6 -1,5) D Ц .

4. Прямое смещение l 2 – кратчайшее расстояние от линии первоначального курса судна до точки, с которой совпадает центр тяжести (ц.т.) в момент изменения курса на 90 о; обычно l 2 = (0,25 -0,50) D ц .

5. Обратное смещение l 3 – наибольшее расстояние, на которое смещается ц.т. судна в сторону, обратную направлению поворота; обычно l 3 = (0,01 – 0,1) D ц .

К скоростно-временным характеристика относятся:

1. Период циркуляции Т Ц - время поворота судна на 360 о.

2. Линейная скорость движения Ц.Т. судна на установившейся циркуляции – V ц.

3. Угловая скорость вращения судна на установившейся циркуляции ω.

Угол дрейфа судна на циркуляции определяется по Ц.Т. по корме и по носу соответственно β Ц , β К и β Ц. .

Оценка реакции судна на перекладку рулевого органа определятся коэффициентом отзываемости k отз , который выражается отношением времени t o от начала перекладки рулевого устройства судна до требуемой величины перекладки, к моменту времени начала поворота судна.

К отз = (6.7)

Для одиночных судов этот коэффициент, как правило, стремится к единице, а для толкаемых составов – значительно меньше, так как толкаемые составы после окончания перекладки органа управления некоторое время еще продолжают двигаться прежним курсом.

Необходимая для движения ширина судового хода определяется параметрами циркуляции по кормовой оконечности судов и составов, так как кормовая оконечность судна движется по кривой большего радиуса, чем его Ц.Т.

В соответствии с (рис. 6.4) элементы траектории движения кормовой оконечности судна на циркуляции, целесообразно оценивать максимальным обратным смещением кормовой оконечности. Наибольший диаметр, называемый диаметром циркуляции по корме судна , будет характеризовать циркуляционное движение крайней точки кормовой оконечности судна. Диаметр циркуляции по корме судна будет

D К = D Ц + L Р sinβ (6.8)

где L Р – расстояние от Ц.Т. судна до точки приложения сил Р Р (до кормы).

Зная величину D К , судоводитель может оценивать величину акватории, необходимой для оборота.

Рис.6.4. Изменение угла дрейфа по длине судна и радиуса циркуляции.

В таблице 6.1. приведены данные об относительных радиусах установившейся циркуляции некоторых судов внутреннего плавания.

Таблица 6.1.

6.2.3 Крен судна при циркуляции .

В процессе циркуляции судно получает крен (рис.6.5). Величина и сторона угла крена зависит от того в каком периоде циркуляции находится судно. В маневренном периоде циркуляции под действием рулевой силы (Р У) крен направлен в сторону борта, на который переложен руль. В эволюционный период судно вначале выпрямляется, в результате действия восстанавливающего момента остойчивости, а затем приобретает максимальный динамический крен наружу циркуляции, так как начинает действовать цетростремительная сила. После одного - двух колебаний судно к началу периода установившейся циркуляции приобретает статический крен, направленный наружу циркуляции, который может быть определен по формуле Г.А.Фирсова

θ о max = 1,4 (6.9)

где θ о max – максимальное значение угла крена на установившейся циркуляции;

V o – скорость движения судна на прямом курсе, м/сек;

Z Д – ордината центра тяжести судна относительно основной плоскости, м;

h - начальная метацентрическая высота судна, м;

Т и L – осадка и длина судна, м.

Метоцентрическая высота (h ) – расстояние между метоцентром и центром тяжести (Ц.Т.) судна

Метоцентр (М ) – точка пересечения равнодействующих сил давления воды с ДП.

Наиболее опасный крен возникает при циркуляции на полном ходу, когда руль переложен на борт.

Динамический крен в эволюционный период циркуляции по своей величине может превосходить крен в установившийся период более чем в 2 раза.

У судов с малой остойчивостью, крен на циркуляции на полном ходу может достигать 12 – 15 о. На пассажирских судах крен на циркуляции более 7 о не желателен, а более 12 о считается недопустимым.

Для уменьшения угла крена судна на циркуляции необходимо снизить скорость движения перед выходом на циркуляцию. Пределы изменения скорости движения судна перед выходом на циркуляцию судоводитель может определить по имеющейся на судне Информации об остойчивости.

Рис.6.5 Крен судна при циркуляции.

Не учет этих факторов может привести к трагическим последствиям и катастрофам. В качестве примера можно привести катастрофу теплохода «Булгария», которая произошла на Куйбышевском водохранилище.

Теплоход «Булгария», совершавший круиз по маршруту Казань – Болгар- Казань, 10 июля 2011 года затонул в Волге в районе села Сюкеево Камско-Устинского района Татарстана.

Согласно отчету «Ространснадзора», «около 12:25 10 июля судно попало под воздействие сильного порыва ветра с левого борта, начался сильный ливень с грозой. В этот момент Д/Э «Булгария» вошел в левый поворот. Следует отметить, что при перекладке рулей влево все теплоходы приобретают дополнительный динамический крен на правый борт.

В результате угол крена составил 9 градусов. «При таком крене иллюминаторы правого борта вошли в воду, вследствие чего через открытые иллюминаторы за 1 минуту в отсеки судна поступило около 50 тонн забортной воды. Чтобы уменьшить площадь воздействия ветра на левый борт, капитан решил лечь курсом «на ветер». Для этого рули были положены на 15 влево». В результате крен увеличился и суммарное количество поступающей в отсек судна воды достигло 125 тонн в минуту. После этого все иллюминаторы и часть главной палубы правого борта погрузились в воду. За последние 5-7 секунд произошло резкое увеличение крена от 15 до 20 градусов, в результате чего судно опрокинулось на правый борт и затонуло.

Комиссией был сделан вывод, что одной из причин аварии был фактор того, что маневр поворота влево был осуществлен без учета особенностей остойчивости судна, уже имевшего крен в 4 о на правый борт; дополнительно возникающего крена на правый борт, вызванного центробежной силой при циркуляции влево; дующего в левый борт крепкого ветра и большой парусности судна.

Изменения скорости движения судна на циркуляции можно достигнуть путем регулирования режима работы судовых движителей с помощью уменьшения частоты вращения движителя перед циркуляцией и в ее процессе, а также с помощью работы движителей в различных направлениях – «враздрай» (что возможно при многовальной установке на судне).

Снижение скорости движения судна перед циркуляцией вызывает уменьшение выдвига циркуляции l 1 и ее тактического диаметра D Т , что наглядно иллюстрирует (рис. 6.6) .

Рис.6.6. Циркуляция теплохода при различных первоначальных скоростях хода.

После того как судно вошло в установившуюся циркуляцию, для увеличения интенсивности поворота частота вращения движителей может быть увеличена, что существенно не изменит геометрические характеристики циркуляции.

Значительное уменьшение потребной акватории для производства циркуляции может быть достигнуто применением маневра, называемого «оборот с места». При этом судно перед началом маневра останавливают, рули перекладывают на максимальный угол соответствующего борта и дают полные обороты движителям на передний ход. Судно сразу входить в циркуляцию, размеры которой меньше, чем при движении малым ходом, а время маневра уменьшается.

На величину диаметра циркуляции влияют:

а) площадь пера руля; чем она больше, тем меньше диаметр циркуляции.

Для увеличения площади руля устанавливают несколько рулей, используют активные рули и рулевые насадки.

б) распределение грузов на судне; если грузы сосредоточены в средней части судна, то оно поворачивается быстрее, с меньшим диаметром циркуляции, а если в оконечностях – медленнее, с большим диаметром циркуляции;

в) в отношении длины судна к его ширине; чем больше отношение , тем больше диаметр циркуляции;

г) площадь погружной части диаметральной плоскости; чем она больше, тем больше диаметр циркуляции;

д) дифферент судна; при дифференте на нос судно имеет несколько лучшую поворотливость чем при дифференте на корму.

Как вывод можно сказать, что при плавании по ВВП судно постоянно движется по криволинейным траекториям и совершает большое количество циркуляций. Поэтому знание элементов циркуляции имеет большое значение для обеспечения безопасности плавания судов.

Для суждения о поворотливости судна обычно производится анализ циркуляции, как наиболее простого вида криволинейного движения судна.

Циркуляцией судна называют его движение с отклоненным на постоянный угол органом управления, а также траекторию, описываемую центром тяжести судна.

По времени циркуляционное движение судна разделяется на три периода:

1. Маневренный период − в течение его осуществляется перекладка органа управления на заданный угол; при дальнейшем движении угол перекладки остается неизменным. В маневренный период одиночные суда только начинают поворот, а толкаемые составы часто продолжают двигаться прямолинейно.

2. Эволюционный период (эволюция) начинается с момента окончания перекладки органа управления и продолжается до момента, когда все параметры установятся, и центр тяжести судна или состава начнет описывать траекторию в виде окружности.

3. Установившийся период циркуляции начинается с момента окончания эволюционного периода и продолжается до тех пор, пока угол перекладки органа управления судном остается постоянным.

Траекторию движения судна в третьем периоде циркуляции принято называть установившейся циркуляцией. Отличительная особенность установившейся циркуляции − постоянство характеристик движения и малая их зависимость от начальных условий.

На схеме показаны следующие характеристики циркуляции, применяемые для ее количественной оценки:

− диаметр установившейся циркуляции по ЦТ судна или состава;

−диаметр установившейся циркуляции по корме судна или состава;

− тактический диаметр циркуляции (расстояние между ДП судна на прямом курсе и после поворота его на 180°);

− выдвиг (поступь) циркуляции (смещение ЦТ судна в направлении первоначального прямолинейного движения до момента поворота судна на 90°);

− прямое смещение судна на циркуляции (расстояние от линии первоначального прямолинейного курса до ЦТ судна, развернувшегося на 90°);

− обратное смещение судна на циркуляции (наибольшее расстояние, на которое смещается ЦТ судна в сторону, противоположную перекладке руля);

− угол дрейфа судна на циркуляции (угол между ДП судна и вектором скорости на циркуляции);

− полюс поворота судна (точка на ДП судна или ее продолжении, в которой = 0).

В общем виде картина движения судна по периодам циркуляции сводится к следующему. Если на движущемся прямолинейно судне переложить органы управления на некоторый угол, то на рулях или поворотных насадках возникает гидродинамическая сила, одна из составляющих которой будет направлена нормально к диаметральной плоскости судна (боковая сила).

Под действием боковой силы судно смещается в сторону, противоположную направлению перекладки органа управления. Возникает обратное смещение судна, наибольшее значение которого будет наблюдаться в точке кормового перпендикуляра. Обратное смещение судна приводит к появлению угла дрейфа, и поток, первоначально набегавший вдоль диаметральной плоскости, начинает натекать на борт, противоположный направлению перекладки органов управления. Это приводит к образованию боковой гидродинамической силы на корпусе судна, направленной в сторону перекладки органов управления и приложенной, как правило, в нос от ЦТ судна.

Под действием моментов от боковых сил на органах управления и корпусе судно поворачивается вокруг вертикальной оси в направлении переложенного органа управления. Возникающая при этом центробежная сила инерции уравновешивается боковыми рулевыми и корпусными силами, а момент этих сил уравновешивается моментом сил инерции.

В эволюционный период наблюдается интенсивное увеличение угла дрейфа, что приводит к уменьшению угла атаки руля или поворотной насадки и соответствующему снижению величины рулевой силы. Одновременно с ростом угла дрейфа увеличивается сила, действующая на корпус, а точка ее приложения постепенно смещается в направлении кормы. В этот же период наблюдается увеличение угловой скорости поворота и уменьшение радиуса кривизны траектории, что, несмотря на снижение линейной скорости движения, вызывает рост центробежной силы инерции.

Установившаяся циркуляция наступает тогда, когда силы и моменты, действующие на органы управления, корпус судна, а также инерционные силы и моменты уравновешиваются и перестают изменяться во времени. Это и обусловливает стабилизацию параметров движения судна, которые принимают постоянные значения при угле поворота от линии первоначального курса на 90÷130° для одиночных судов и 60÷80° − для толкаемых составов.

Китай