Вы можете заказать свой вариант курсового проекта по дисциплине управление судном на нашем сайте. Только проверенные авторы. Гарантия. Круглосуточная поддержка. Заказ курсовой работы за 5 минут онлайн на сайте.
Содержание проекта
1.Исходные данные
2.Расчет маневренных характеристик судна
2.1.Расчет управляемости судна
2.2.Расчет инерционных характеристик судна
3.Специальные вопросы управления судна
3.1.Крен судна при движении с отклоненным рулем
3.2.Влияние мелководья на движение судна
3.3.Расчет якорной стоянки
3.4.Нормирование габаритов судов в плане
3.5.Расчет непросматриваемой зоны
3.6.Расчет чувствительности створ и опасного уклонения при движении по линейным створам
Список литературы
1. Исходные данные по проекту
Таблица 2.1
№ Наименование величины Условное обозначение Размерность Значение
1 Номер проекта судна 2-95А
2 Тип судна сухогрузный теплоход
3 Весовое водоизмещение D т 4062
4 Мощность Ne Квт 2 х 515
5 Скорость полного хода V0 м/с 5.55
6 Корпус
6.1 Расчетная длина корпуса L м 110.0
6.2 Расчетная ширина корпуса B м 13.0
6.3 Расчетная осадка корпуса T м 3.44
6.4 Коэффициент полноты водоизмещения δ — 0.825
7 Движитель
7.1 Тип движителя Гребной винт
7.2 Число винтов nв шт 2
7.3 Диаметр винта Dв м 1.65
7.4 Шаг винта Hв м 2.013
7.5 Дисковое отношение Ѳ — 0.58
8 Рулевой орган
8.1 Тип рулевого органа Поворотная насадка
8.2 Максимальный угол перекладки руля αr град 34
9 Руль Балансирный
9.1 Высота пера руля hr м 3.00
9.2 Длина пера руля lr м 2.14
9.3 Число рулей nr шт 1
10 Насадка
10.1 Тип насадки Поворотная
10.2 Диаметр насадки Dн м 1.67
10.3 Длина насадки lн м 1.36
10.4 Коэффициент расширения βн — 1
10.5 Число насадок nн шт 2
11 Якорное снабжение
11.1 Тип якоря Холла
11.2 Масса станового якоря mя кг 1750
11.3 Калибр якорной цепи dц мм 43
11.4 Длина якорной цепи lц м 225
2.Расчет маневренных качеств судна
2.1.Расчет управляемости судна
Под управляемостью судна понимается совокупность двух важнейших навигационных качеств – устойчивости на курсе и поворотливости. Исчерпывающую информацию о поворотливости судна дает диаграмма управляемости, которая представляет собой изображение зависимости безразмерных кинематических характеристик циркуляции от угла перекладки рулевого органа.
Допускается нанесение на диаграмме зависимостей размерного угла дрейфа, вместо безразмерного, а также радиуса или диаметра установившейся циркуляции от угла перекладки рулевого органа. При решении практических задач требуется определить основные параметры движения судна не только на установившейся циркуляции, но и при не установившемся эволюционном движении. Поэтому в расчет управляемости включены расчет и построение траектории движения судна с отклоненным рулевым органом на максимальный угол, как частный случай.
Расчет управляемости сводится к поэтапному выполнению следующих пунктов:
-определение коэффициентов корпусных усилий;
-определение гидродинамических характеристик боковых сил на движительно-рулевом комплексе;
-расчет и построение диаграммы управляемости;
-расчет и построение траектории движения судна при заданном угле перекладки рулевого органа.
2.1.1.Определение коэффициентов корпусных усилий
Силы, действующие на корпус судна при установившемся круговом движении и включающие в себя инерционные составляющие от присоединенных масс жидкости, определяются с использованием выражений:
X_k^’=С_xk^’ ρ/2 LTV^2
Y_k^’=С_yk^’ ρ/2 LTV^2
M_k^’=С_mk^’ ρ/2 L^2 TV^2
Экспериментальные данные дают основание утверждать, что при пологих циркуляциях коэффициент С_xk^’ изменяется слабо. Поэтому при установившемся движении, применяя упрощающие допущения, первое из вышеприведенных уравнений не рассматривается.
Коэффициент боковой корпусной силы С_yk^’ и корпусного момента С_mk^’ имеют следующую структуру:
С_yk^’=С_1 β+С_2 β[β]+С_3 Ω+С_4 βΩ
С_mk^’=С_5 β+С_6 Ω
На данном этапе угол дрейфа β и безразмерная угловая скорость Ω неизвестны, поэтому величины С_yk^’ и С_mk^’ определены быть не могут. Расчет сводится к определению коэффициентов С_1÷С_6
Коэффициенты корпусных усилий С_1÷С_6 грузовых судов внтуреннего и смешанного плавания определяются по формулам вида:
C_i=C_i∞∙C ̅_i^
C_i∞ — коэффициенты корпусных усилий на глубокой воде;
C ̅_i^ — коэффициенты влияния мелководья.
Коэффициенты корпусных усилий на глубокой воде определяются по выражениям:
C_1∞=3.14T/L=(3.14∙3.44)/110=0.098
C_2∞=0.02(B/T)^2-0.24(B/T)+13(T/L)+0.024(L/T)=
=0.02〖(13/3.44)〗^2-0.24(13/3.44)+13(3.44/110)+0.024(110/3.44)=0.553
σ ̅_k=(0.5LT-S_1)/0.5LT=(0.5∙110∙3.44-35)/(0.5∙110∙3.44)=0.815
C_3∞=0.02+0.37(1-(σ_к ) ̅ )-12〖(1-(σ_к ) ̅)〗^2==0.02+0.37(1-0.815)-12〖(1-0.815)〗^2=-0.3222
C_4∞=0.12+1.20(1-(σ_к ) ̅ )=0.12+1.20(1-0.815)=0.342
C_5∞=[5.80(T/L)+0.084](1.25-(σ_к ) ̅ )=
=[5.80(3.44/110)+0.084](1.25-0.815)=0.1154
C_6∞=1/[15(B/T)-37.5] =1/[15(13/3.44)-37.5] =0.0521
Коэффициенты влияния мелководья определяются по следующим выражениям:
(C_1 ) ̅=1+[2.38-11 T/L] 〖(T/H)〗^3=1+[2.38-11 3.44/110] 〖(3.44/10)〗^3=1.0835
(C_2 ) ̅=1+3.4〖(T/H)〗^2.25=1+3.4〖(3.44/10)〗^2.25=1.3081
(C_3 ) ̅=1+[280((σ_к ) ̅-0.88)^2-1] (T/H)^2==1+[280(0.815-0.88)^2-1] (3.44/10)^2=1.0216
(C_4 ) ̅=1+(65∙(σ_к ) ̅-38) (T/H)^3=1+(65∙0.815-38) (3.44/10)^3=1.6139
(C_5 ) ̅=1+[0.55+58.1(1-(σ_к ) ̅ )-203(1-(σ_к ) ̅ )^2 ] (T/H)^2==1+[0.55+58.1(1-0.815)-203(1-0.815)^2 ] (3.44/10)^2==1.5147
(C_6 ) ̅=1+0.0181(B/T-1.2)^2 (T/H)+1.17[1+0.214(B/T-3.4)^2 ] (T/H)^3=
=1+0.0181(13/3.44-1.2)^2 (3.44/10)+1.17[1+0.214(13/3.44-3.4)^2 ] (3.44/10)^3==1.0909
C_1=C_1∞∙C ̅_1^ =0.098∙1.0835=0.106
C_2=C_2∞∙C ̅_2^ =0.553∙1.3081=0.723
C_3=C_3∞∙C ̅_3^ =-0.322∙1.0216=-0.329
C_4=C_4∞∙C ̅_4^ =0.342∙1.6139=0.552
C_5=C_5∞∙C ̅_5^ =0.1154∙1.5147=0.175
C_6=C_6∞∙C ̅_6^ =0.0521∙1.0909=0.057
2.1.2.Расчет силы сопротивления воды движению судна.
Сила сопротивления воды движению судна определяется по выражению:
R=C(ρ/2)ΩV_0^2
C – коэффициент полного сопротивления;
Ω – площадь смоченной поверхности, м2;
V0 – скорость судна относительно воды, м/с.
Площадь смоченной поверхности для речных грузовых теплоходов без тоннелей определяется по формуле Карпова, м2:
Ω=V^(2/3) [5.1+0.074(L/T)-0.4δ]
Ω=〖(110∙13∙3.44∙0.825)〗^(2/3) [5.1+0.074(110/3.44)-0.4∙0.825]=1718
Коэффициент полного сопротивления определяется по формуле:
C=(1+k)(C_F0+∆C_F )+C_AP+C_W+C_TR
∆C_F – надбавка за шероховатость, выбирается из таблицы П.1.1 для металлических среднескоростных и тихоходных судов 0.35∙10-3
C_AP – коэффициент сопротивления выступающих частей, выбирнается из таблицы П.1.2. для двухвинтового судна без скуловых килей 0.20∙10-3
C_F0 – коэффициент сопротивления трения гладкой эквивалентной пластины, который определяется по формуле Прандтля-Шлихтинга:
C_F0=0.455〖(lgRe)〗^(-2.58)=0.0018
Коэффициент влияния формы:
k=[22(T/L)-0.10][0.132+(δ-0.40)^2.5 ]=
=[22(3.44/110)-0.10][0.132+(0.825-0.40)^2.5 ]=0.147
Число Фруда:
F_r=V_0/√gL=5.55/√(9.8∙110)=0.169
Число Рейнольдца:
R_e=(V_0 L)/∪=(5.55∙110)/(1.57∙〖10〗^(-6) )=3.889∙〖10〗^8
Коэффициент волнового сопротивления определяется по формулам:
C_W=C_W1 (C_W2+C_W3 )
C_W1=[2.23-0.325(B/T)+0.02〖(B/T)〗^2 ]==[2.23-0.325(13/3.44)+0.02〖(13/3.44)〗^2 ]=1.288
C_W2=[0.606-1.88(δ-0.40)^2 ] (F_r-0.10)^(4.2-9.6(δ-0.4)(δ-0.4) )=
=[0.606-1.88(0.825-0.40)^2 ] (〖0.169〗_ -0.10)^(4.2-9.6(0.825-0.4)(0.825-0.4) )=3.63∙〖10〗^(-4)
C_W3=〖10〗^(-3) (F_r-0.10)[15.5-3.53(L/B)+0.188(L/B)^2 ]=
=〖10〗^(-3) (〖0.169〗_ -0.10)[15.5-3.53(110/13)+0.188(110/13)^2 ]=-0.63∙〖10〗^(-4)
C_W=1.288(3.63∙〖10〗^(-4)-0.63∙〖10〗^(-4) )=-3.86∙〖10〗^(-4)
C_TR — коэффициент сопротивления кормового транца определяется при его наличии.
C=(1+k)(C_F0+∆C_F )+C_AP+C_W+C_TR=
=(1+0.147)(1.8∙〖10〗^(-3)+0.35∙〖10〗^(-3) )+0.20∙〖10〗^(-3)-0.386∙〖10〗^(-3)=2.28∙〖10〗^(-3)
R=C(ρ/2)ΩV_0^2=2.28∙〖10〗^(-3) (1.025/2)∙1718∙〖5.55〗^2=61.8 кН
2.1.3.Определение гидродинамических характеристик боковых сил на движительно-рулевом комплексе
К гидродинамическим характеристикам боковой силы на движительно-рулевом комплексе относятся:
μ1- угловой коэффициент силы;
Sr – приведенная площадь ДРК;
ӕr – обобщенный коэффициент трансформации потока в месте расположения ДРК;
Е – эффективность ДРК.
Все эти величины определяются в зависимости от типа ДРК.
Коэффициент попутного потока:
ѱ=0.11+0.16/x δ^x √(∛V/D_в )
где x – коэффициент х=2 для бортовых винтов;
δ – коэффициент полноты водоизмещения;
V – объемное водоизмещение, м3;
Dв – диаметр винта, м.
ѱ=0.11+0.16/2 〖0.825〗^2 √(∛(110∙13∙3.44∙0.825)/1.65)=0.279
Скорость подтекания воды к комплексу:
Vpн=V0(1-C_fѱ)
V0 – скорость движения судна, м/с;
Ѱ – коэффициент попутного потока;
C_f — коэффициент C_f=0.6 для винтов, расположенных по бортам.
Vpн=5.55(1-0.6∙0.279)=4.62 м/с
Площадь диска винта:
F_р=(πD_в^2)/4=(3.14∙〖1.65〗^2)/4=2.137 м2
Полезная тяга комплекса винт-насадка:
P_e=R/x=61.8/2=30.9 кН
x – число винтов;
R – общее сопротивление судна движению воды, определенное ранее в п.2.1.2. при движении со скоростью V0.
Полный упор комплекса винт-насадка:
Р_к=Р_е/(1-t_з )=30.9/(1-0.2)=38.6 кН
Ре – полезная тяга винта при движении со скоростью V0;
tз – коэффициент засасывания, принимаемый равным 0.2.
Коэффициент нагрузки комплекса винт-насадка определяется по формуле:
σ_к=Р_к/(ρ/2 V_рн^2 F_р )=38.6/(1.025/2 〖4.62〗^2∙2.137)=1.65
2.1.3.1.Определение гидродинамических характеристик боковых сил на повортоных насадках.
Коэффициент подъемной силы насадки определяется по выражению:
μ_2=(12(l_н ) ̅)/(1+1.56(l_н ) ̅ )=(12∙0.81)/(1+1.56∙0.81)=4.29
Где (l_н ) ̅ — относительная длина насадки, т.е. отношение длины насадки к ее диаметру
(l_н ) ̅=1.36/1.67=0.81
Отношение осевой скорости потока к скорости подтекания воды к комплексу винт-насадка:
w_a/v_e =0.5(√(1+2 σ_к/β_н )-1)=0.5(√(1+2 1.65/1)-1)=0.537
Где σ_к — коэффициент нагрузки комплекса винт-насадка, определенный ранее;
β_н — коэффициент расширения насадки.
Угловой коэффициент подъемной силы комплекса винт-насадка:
μ_1=μ_н=μ_2+2β_н (〖1+w_a/v_e )〗^2=4.29+2(〖1+0.537)〗^2=6.441
Коэффициент трансформации потока насадкой:
ӕ_r=ӕ_н=(ӕ_к [μ_2+2β_а (1+w_a/v_e ) ])/[μ_2+2β_а (〖1+w_a/v_e )〗^2 ] =
=0.95[4.29+2∙1(1+0.537) ]/[4.29+2∙1(〖1+0.537)〗^2 ] =0.776
Где ӕ_к=0.95 – коэффициент трансформации потока корпусом судна, влияющий на величину угла дрейфа в корме.
Приведенная площадь ДРК:
(S_r ) ̅=Z_p F_p=2∙2.137=4.274
Эффективность ДРК:
E=(μ_н (S_r ) ̅φ^2)/LT=(6.441∙4.274∙〖0.95〗^2)/(110∙3.44)=0.0657
Где φ=0.95 – коэффициент трансформации потока корпусом судна, влияющий на величину скорости набегающего потока.
2.1.3.2.Определение гидродинамических характеристик боковых
сил на руле вне струи насадок.
Угловой коэффициент подъемной силы комплекса винт-насадка:
μ_1=2π[1+b ̅(0.288+0.20/λ ̅ ) ]/(1+2.2/(λ^(2/3) ) ̅ )=
=(2∙3.14[1+0(0.288+0.20/0.71)])/(1+2.2/(〖0.71〗^(2/3) ) ̅ )=1.671
Где λ ̅ — относительное удлинение пера руля, отношение высоты пера руля к длине пера руля. λ ̅=2.14/3=0.71
При отсутствии данных о ширине шайб величину b следует принять равной 0.
Коэффициент трансформации потока:
ӕ_r=ӕ_k+(μ_н (ӕ_н+0.15ӕ_k ) Z_p F_p)/(μ_1 Z_p S_r )=
=0.95+(6.441(0.776+0.15∙0.95)2∙〖2.137〗_ )/(1.167∙2∙6.42)=2.638
Где ӕ_к=0.95 – коэффициент трансформации потока корпусом судна, влияющий на величину угла дрейфа в корме.
Приведенная площадь ДРК:
(S_r ) ̅=Z_r S_r=1∙6.42=6.42
Эффективность ДРК:
E=(μ_1 (S_r ) ̅φ^2)/LT=(1.671∙6.42∙〖0.95〗^2)/(110∙3.44)=0.0256
Где φ=0.95 – коэффициент трансформации потока корпусом судна, влияющий на величину скорости набегающего потока.
Характеристики ДРК теплохода проекта
μ_1 ӕ_r (S_r ) ̅ E
Руль 1.671 2.638 6.420 0.0256
Насадка 6.441 0.776 4.274 0.0657
∑E 0.0913
∑Eӕ_r 0.1185
2.1.3.Расчет и построение диаграммы управляемости
Для расчета зависимостей, входящих в диаграмму управляемости, первоначально следует определить ряд вспомогательных величин, полученных в результате преобразования уравнений движения к виду, удобному для расчетов. Указанные величины определяются по выражениям:
a_2=C_3-m+Eӕ_r χ=-0.329-0.195+0.1185∙0.464=-0.469
b_2=C_1+Eӕ_r=0.106+0.1185=0.2245
a_3=χ ̅C_6+χ ̅C_7 β_^2+Eӕ_r χ=
=2.155∙0.057+2.155∙0+0.1185∙0.464=0.1778
b_3=-χ ̅C_7+Eӕ_r χ=-2.155∙0+0.1185∙0.464=0.0549
Где С1-С7 – коэффициенты корпусных усилий, C7=0;
m – безразмерная масса судна;
Е – эффективность ДРК;
ӕ_r — обобщенный коэффициент трансформации потока;
χ – относительное отстояние ДРК от центра тяжести судна;
χ ̅ — величина, обратная χ;
LДРК – отстояние ДРК от центра тяжести судна, м.
m=2δB/L=(2∙0.825∙13)/110=0.195
χ=L_ДРК/L=51/110=0.464
χ ̅=1/χ=1/0.464=2.155
Определяем величины:
P=(a_3 b_2-a_2 b_3)/2(C_2 a_3-C_4 b_3 ) =(0.1778∙0.2245+0.469∙0.0549)/(2(0.723∙0.1778-0.552∙0.0549))=0.334
Q=(C_4 E)/2(C_2 a_3-C_4 b_3 ) =(0.552∙0.0913)/(2(0.723∙0.1778-0.552∙0.0549))=0.257
S=(E(a_3-a_2))/((C_2 a_3-C_4 b_3 ) )=(0.0913(0.1778+0.469))/(0.723∙0.1778-0.552∙0.0549)=0.601
Расчет характеристик установившейся циркуляции может быть произведен по следующей цепочкен формул:
β=-P-Qα_r+√(〖(P+Qα_r)〗^2+Sα_r )
Ω=[(C_1+χ ̅C_5 )β+C_2 β^2 ]/(m-C_3+χ ̅C_6-C_4 β)
θ=1/〖(∛((1+2.7Ω^2 ))〗^2
α_r град 1 5 10 15 20 25 30 35
α_r рад 0,017 0,087 0,175 0,262 0,349 0,436 0,524 0,611
β рад 0,015 0,067 0,120 0,163 0,200 0,233 0,262 0,289
Ω 0,012 0,059 0,117 0,176 0,234 0,293 0,352 0,410
θ 1,000 0,994 0,976 0,948 0,913 0,871 0,827 0,781
β град 0,868 3,852 6,851 9,337 11,473 13,352 15,032 16,552
R=L/Ω м 9379,224 1876,083 938,168 625,520 469,191 375,390 312,855 268,186
V=V0θ м/с 5,549 5,516 5,418 5,264 5,066 4,836 4,589 4,335
T=2πR/V с 10615,488 2135,831 1087,411 746,266 581,673 487,433 428,120 388,544
Где α_r — угол перекладки рулевого выражения в радианах.
Рис.1 Зависимость угловой скорости от угла перекладки
Рис.2 Зависимость угла дрейфа от угла перекладки
2.1.4.Расчет и построение траектории движения судна
с отклоненным рулем
Положение судна в любой момент времени t определяется двумя обобщенными координатами X0 и Y0 и углом курса ѱ.
X_0=L∫_0^τ▒〖θcosφ_s dτ〗
Y_0=L∫_0^τ▒〖θsinφ_s dτ〗
ѱ=φ_s+β
где φ_s — текущий угол скорости;
L – длина корпуса судна, м;
τ=vt/L – безразмерное время;
t – размерное время, с.
Эмпирические выражения для определения кинематических характеристик эволюционного движения имеют вид:
β=β_ц χ(τ)
θ=1-(1-θ_ц )ѱ(τ)
Где β,θ — соответственно угол дрейфа и падение скорости в данный момент времени эволюционного периода движения судна;
β_ц,θ_ц — соответственно угол дрейфа и падение скорости на установившейся циркуляции при заданном угле перекладки руля.
χ(τ)=〖th〗^1.75 (0.76τ)
ѱ(τ)=〖th〗^3.25 (0.43τ)
Рис.3 Циркуляция судна
Диаметр установившейся циркуляции Дц=268 м — диаметр окружности, описываемой судном в установившийся период циркуляции, который начинается после поворота судна на 90-180°;
Тактический диаметp циркуляции Дт=200 м — кратчайшее расстояние между положением диаметральной плоскоскости судна в начале поворота и после изменения первоначального курса на 180°;
Выдвиг L1=89 м — расстояние, на которое смещается центр тяжести судна в направлении первоначального курса от точки начала циркуляции до точки, соответствующей изменению курса судна на 90°;
Прямое смещение L2 =110 м — расстояние от первоначального курса судна до точки положения центра тяжести в момент поворота судна на 90°;
Обратное cмещение L3 =25 м — наибольшее расстояние, на которое смещается центр тяжести судна от линии первоначального курса в сторону противоположную повороту.
Расчет циркуляции судна
τ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
χ(τ) 0,000 0,459 0,846 0,964 0,992 0,998 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000
ϕ(τ) 0,000 0,005 0,033 0,048 0,052 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053 0,053
β 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289 0,289
θ 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781 0,781
ϕ1 0,000 0,320 0,639 0,959 1,278 1,598 1,917 2,237 2,556 2,876 3,196 3,515 3,835 4,154 4,474 4,793 5,113 5,432 5,752
ϕ2 0,000 -0,155 -0,225 -0,257 -0,271 -0,277 -0,280 -0,281 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282 -0,282
ϕ3 0,000 0,079 0,080 0,044 0,015 0,004 0,001 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
ϕs 0,000 0,396 0,784 1,172 1,534 1,871 2,197 2,518 2,838 3,158 3,478 3,797 4,117 4,436 4,756 5,076 5,395 5,715 6,034
Ψ рад 0,289 0,684 1,073 1,461 1,823 2,160 2,486 2,807 3,127 3,447 3,767 4,086 4,406 4,725 5,045 5,364 5,684 6,004 6,323
Ψ град 17 39 61 84 104 124 142 161 179 197 216 234 252 271 289 307 326 344 362
cos ϕs 1,000 0,923 0,708 0,389 0,037 -0,296 -0,586 -0,812 -0,954 -1,000 -0,944 -0,793 -0,561 -0,272 0,044 0,355 0,631 0,843 0,969
θcosϕs 0,781 0,721 0,553 0,304 0,029 -0,231 -0,458 -0,634 -0,745 -0,781 -0,737 -0,619 -0,438 -0,213 0,034 0,277 0,493 0,658 0,757
∑ 0,781 1,502 2,055 2,358 2,387 2,156 1,698 1,064 0,319 -0,462 -1,199 -1,818 -2,256 -2,469 -2,435 -2,158 -1,665 -1,007 -0,250
X0=kL∑1 42,96 82,59 113,01 129,71 131,29 118,57 93,41 58,54 17,54 -25,41 -65,96 -100,01 -124,10 -135,81 -133,93 -118,67 -91,57 -55,37 -13,74
sinϕs 0 0,385 0,706 0,921 0,999 0,955 0,810 0,584 0,299 -0,016 -0,330 -0,610 -0,828 -0,962 -0,999 -0,935 -0,776 -0,538 -0,246
θsinϕs 0 0,301 0,551 0,720 0,780 0,746 0,633 0,456 0,233 -0,013 -0,258 -0,476 -0,647 -0,751 -0,780 -0,730 -0,606 -0,420 -0,192
∑2 0 0,301 0,852 1,572 2,353 3,099 3,732 4,188 4,421 4,408 4,150 3,674 3,028 2,276 1,496 0,766 0,160 -0,261 -0,453
Y0=kL∑2 0,0 16,6 46,9 86,5 129,4 170,4 205,2 230,3 243,1 242,4 228,3 202,1 166,5 125,2 82,3 42,1 8,8 -14,3 -24,9
2.2.Расчет инерционных характеристик судна
Под инерционными характеристиками судна понимаются путь и время основных маневров при нестационарном движении. К основным маневрам относятся:
Разгон – движение со скорости равной нулю до скорости полного переднего хода;
Свободное торможение — движение судна с его неработающими двигателями от скорости полного переднего хода до скорости, равной нулю относительно воды;
Активное торможение – движение судна от скорости полного переднего хода до скорости, равной нулю относительно берега за счет работы движителей в режиме полного заднего хода.
2.2.1.Расчет характеристик разгона
Расчет пути и времени разгона судна производится по выражениям:
Т_раз=a_t E/V_0∞
S_раз=a_s E
Где a_t,a_s – вспомогательные величины;
E – модуль инерционности, м;
V_0∞- скорость полного хода на глубокой воде, м/с.
Величина Е определяется:
E=(DV_0∞^2)/R=(4062*〖5.55〗^2)/61.8=2024
Где D – весовое водоизмещение судна, т;
V_0∞- скорость полного хода на глубокой воде, м/с;
R – сопротивление воды движению судна на глубокой воде в режиме полного хода, Н.
Для судов с комплексами винт-насадка
a_t=1.13-0.47(〖t_н)〗^2
a_s=0.64-0.47(〖t_н)〗^2
Где tн – относительная осадка судна, т.е. отношение осадки судна к глубине хода.
Расчет параметров разгона
tн 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8
Н м 34,40 17,20 8,60 5,73 4,30
at 1,13 1,11 1,05 0,96 0,83
as 0,64 0,62 0,56 0,47 0,34
Tраз с 410 405 385 350 302
Sраз м 1286 1257 1143 953 687
Рис.4 Графики параметров разгона Т=f(H) синим цветом
и S=f(H) красным цветом
2.2.2.Расчет характеристик свободного торможения
Путь и время свободного торможения определяются по выражениям:
T_св=b_t E/V_0∞
S_св=b_s E
Где b_t,b_s – вспомогательные величины;
E – модуль инерционности;
V_0∞- скорость полного хода на глубокой воде, м/с.
b_t=b_0t/(ξ+ξ_p)
b_s=2.65/(ξ+ξ_p)
Где b_0t — вспомогательная величина определяется по выражению:
b_0t=10.1+5.4〖(t_н)〗^2
ξ — коэффициент пропорциональности сопротивления корпуса на данной глубине сопротивлению на глубокой воде определяется по выражению:
ξ=1+0.33t_н+1.1〖(t_н)〗^3
ξ_р –коэффициент пропорциональности сопротивления движителей сопротивлению корпуса на глубокой воде определяется по формуле:
ξ_р=(k_p k_x k_δ D^2)/V^(2/3) =(6.9∙1∙0.578∙〖1.65〗^2)/〖(110∙13∙3.44∙0.825)〗^0.66 =0.045
Где t_н – относительная осадка;
D – диаметр винта, м;
V – объемное водоизмещение, м3;
k_p — коэффициент, определяемый типом движителя и наличием реверс-редуктора, принимается по таблице 3.2 равным 6.9;
k_x — коэффициент, принимаемый равным единице для двух винтовых судов;
k_δ=4δ(1-δ)=4∙0.825(1-0.825)=0.578
Расчет характеристик свободного торможения
tн 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8
Н м 34,40 17,20 8,60 5,73 4,30
b0t 10,15 10,32 10,96 12,04 13,56
ξ 1,03 1,07 1,20 1,44 1,83
bt 9,41 9,21 8,79 8,13 7,24
bs 2,46 2,37 2,12 1,79 1,42
Tраз с 3432 3360 3205 2967 2641
Sраз м 4970 4790 4300 3623 2865
Рис.5 Графики параметров свободного торможения Т=f(H) синим цветом
и S=f(H) красным цветом
2.2.3.Расчет характеристик активного торможения
Время и путь активного торможения определяются по выражениям:
T_акт=t_1+t_2
S_акт=S_1+S_2+S_3
Где t1=25 – время первого периода активного торможения (периода реверса движителей), с;
t2 – время второго периода торможения, с;
S1 – величина сноса судна течением, м;
S2 – путь, проходимый судном за первый период торможения, м;
S3 – путь, проходимый судном во второй период торможения, м.
t_2=G_1 E(V_1+c)/V_0∞^2
S_1=ct_акт
S_2=μ_2 V_0∞ t_1 (1-3.63t_1/t_св )
S_3=G_2 E(V_1^2-c^2)/V_0∞^2
Для судов с комплексом винт-насадка:
μ_2=1-0.137t_н-0.365t_н^3
G_1=0.836+0.033t_н
G_2=0.407+0.020t_н
Где Е – модуль инерционности, м;
V_0∞ — скорость полного переднего хода на глубокой воде, м/с;
t_св – время свободного торможения судна на данной глубине, с;
с – скорость течения, м/с;
V1 – скорость движения судна в конце первого периода активного торможения, определяемая по формуле:
V_1=μ_2 V_0∞/(1+8.54t_1/t_св )
Расчет характеристик активного торможения
tн 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8
Н м 34,40 17,20 8,60 5,73 4,30
μ2 0,99 0,97 0,92 0,84 0,70
G1 0,84 0,84 0,85 0,86 0,86
G2 0,41 0,41 0,42 0,42 0,42
tсв с 3525 3360 3205 2967 2641
S2 м 133 131 124 113 94
c=0
t2 с 285 280 268 244 205
Tакт с 310 305 293 269 230
S1 м 0 0 0 0 0
S3 м 715 692 627 519 363
Sакт м 849 822 752 632 457
c=+0,5
t2 с 312 308 296 272 233
Tакт с 337 333 321 297 258
S1 м 169 166 160 149 129
S3 м 709 685 621 513 356
Sакт м 1011 982 905 774 579
c=-0,5
t2 с 257 252 240 216 176
Tакт с 282 277 265 241 201
S1 м -141 -139 -132 -121 -101
S3 м 709 685 621 513 356
Sакт м 701 677 613 505 349
Рис.6 Графики параметров активного торможения Т=f(H) синим цветом и S=f(H) красным цветом без течения
Рис.7 Графики параметров активного торможения Т=f(H) синим цветом и S=f(H) красным цветом на попутном течении 0.5 м/с
Рис.8 Графики параметров активного торможения Т=f(H) синим цветом и S=f(H) красным цветом на встречном течении 0.5 м/с
3.Специальные вопросы управления судном
3.1.Крен судна при движении с отклоненным рулем
Угол крена на установившейся циркуляции определяется по формуле:
θ_max=0.252〖F_r〗_^2 (z_g-z_k)/h
Где F_r – число Фруда для движения судна на прямом курсе;
z_g – апликата центра тяжести судна над основной линией, м;
z_k – апликата точки приложения поперченой корпусной силы над основной линией, м;
h – поперечная метацентрическая высота, м.
z_k=T(4-B/T+0.02(〖〖B/T-5.35〗^ )〗^3=
=3.44(4-13/3.44+0.02(〖〖13/3.44-5.35〗^ )〗^3=0.494 м
z_g=3.77 м
θ_max=0.252∙(〖0.169〗^2 (3.77-0.494))/2.13=0.011рад=0.6⁰
Где T – осадка судна, м;
В – ширина судна, м.
3.2.Влияние мелководья на движение судна
3.2.1.Расчет просадки судна
Величина приращения осадки судна по корме при движении по мелководному участку пути может быть определена по формуле:
∆Т_к=aV^2/g
Где а – числовой коэффициент;
V – скорость движения судна на глубокой воде, м/с;
g – ускорение свободного падения.
Величина a определяется в зависимости от величины водоизмещения судна по выражению:
a=0.04[16.5-(L/B)] √(T/H_э )
Где L, B, T – главные размерения судна, м;
Нэ – эквивалентная глубина, учитывающая влияние течения, определяется по формуле:
Н_э=Н[1∓0.08〖(c/V)〗^0.4 ]^2
Где Н – глубина судового хода, м;
С – скорость течения, м/с;
V – скорость движения судна на спокойной воде, м/с.
Расчет величины просадки кормы судна обычно ведется для нескольких режимов движения судна при заданной скорости течения. Режимы движения рекомендуется приянть следующие:
Полный передний ход – V=V0;
Средний передний ход – V=0.75V0;
Малый передний ход V=0.50V0.
Расчет просадки на мелководье
tH 0,25 0,4 0,6 0,8 0,9
H м 13,76 8,60 5,73 4,30 3,82
Режим ППХ, скорость течения с=0
Hэ м 13,76 8,60 5,73 4,30 3,82
a 0,16 0,20 0,25 0,29 0,31
ΔT м 0,50 0,64 0,78 0,90 0,96
Режим СПХ, движение по течению с=0.5 м/с
Hэ м 12,83 8,02 5,35 4,01 3,56
a 0,17 0,21 0,26 0,30 0,32
ΔT м 0,52 0,66 0,81 0,94 0,99
Режим МПХ, движение против течения с=0.5 м/с
Hэ м 14,89 9,31 6,20 4,65 4,14
a 0,15 0,20 0,24 0,28 0,29
ΔT м 0,49 0,61 0,75 0,87 0,92
Рис.9 Графики просадки кормы на мелководье Т=f(H,с,V)
синим цветом – режим ППХ без течения;
красным цветом – режим СПХ на попутном течении 0.5 м/с;
зеленым цветом – режим МПХ на встречном течении 0.5 м/с.
3.2.2.Расчет безопасной скорости
Величины бехопасной скорости движения определяется в зависимости от величины водоизмещения судна и запасов воды под днищем.
Для малых запасов воды под днищем, предусмотренных Правилами плавания при определении безопасных скоростей движения судов по мелководью, можно использовать следующую формулу:
V_без=22.2√((∆h_ст-∆h_д)/(16.5-L/B))
Где ∆h_ст — статический запас воды под днищем, равный разнице между глубиной и осадкой, м;
∆h_д – динамический запас воды под днищем, представляющий собой величину суммарной ошибки в определении глубины судового хода и осадки судна, может быть принят равный 0.11 м;
L, B, T – главные размерения судна, м.
Расчет безопасной скорости.
tH 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9
Н м 4,91 4,59 4,30 4,05 3,82
Движение по течению с=0.5 м/с
Нэ м 4,62 4,31 4,04 3,80 3,59
Δhcт м 1,18 0,87 0,60 0,36 0,15
Vбез м/с 8,09 6,83 5,49 3,94 1,61
Движение по спокойной воде
Нэ м 4,91 4,59 4,30 4,05 3,82
Δhcт м 1,47 1,15 0,86 0,61 0,38
Vбез м/с 9,15 7,97 6,78 5,52 4,09
Движение против течения с=0.5 м/с
Нэ м 5,22 4,87 4,57 4,30 4,06
Δhcт м 1,78 1,43 1,13 0,86 0,62
Vбез м/с 10,12 9,00 7,90 6,77 5,59
Рис.10 Графики безопасной скорости движения на мелководье Т=f(H,с)
синим цветом – движение по течению 0.5 м/с;
красным цветом – движение без течения;
зеленым цветом – движение против течения 0.5 м/с.
3.3.Расчет якорной стоянки
Минимальная глубина места якорной стоянки определяется по формуле:
H_я=T+∆H_1+(2/3) H_в+∆H_2
Где Т – осадка судна, м;
∆H_1 — запас воды под днищем судна при отсутствии волнения, м;
H_в -высота волны, м;
∆H_2 -высота якорного клюза над действующей ватерлинией, м.
Действующая внешняя нагрузка определяется для наиболее неблагоприятного случая, т.е. для момента, когда все силы совпадают по направлению и результирующая достигает своего наибольшего значения.
Р_вн=Р_т+Р_в+Р_с+Р_волн
Где Р_т – сила давления водяного потока, Н;
Р_в — сила давления воздушного потока, Н;
Р_с — сила соскальзывания под уклон речного русла, Н;
Р_волн — сила удара волн, Н.
Сила давления воздушного потока:
Р_в=0.618К_об F_п V_в=0.618∙0.7∙130∙15=844 Н
Где К_об — коэффициент обтекаемости надстроек может быть принят в пределах от 0.6 до 1;
F_п — площадь проекции надводной част исудна на миделевую плоскость, м2;
V_в — скорость ветра, в расчетах может быть принята максимально возможная при шквале в озерных и мосрких условиях 20 м/с, в речных условиях 15 м/с.
Сила соскальзывания под уклон речного русла определяется по формуле:
Р_с=9.81∙I∙D=9.81∙0.04∙〖10〗^(-3)∙4062000=1594 H
Где I – уклон речного русла;
D – весовое водоизмещение судна, кг.
Сила удара волн может определена по приближенной формуле:
Р_волн=0.185ρh_в В=0.185∙1.025∙0.50∙13=1 Н
Где ρ – плотность воды, т/м3;
h_в — высота волны, м;
В – ширина корпуса судна, м.
Р_вн=Р_т+Р_в+Р_с+Р_волн=61800+844+1594+1=64239 Н
Полученное значение внешней нагрузки следует сравнить с величиной наибольшей удерживающей силы якоря, которая может быть определена по формуле:
Q_я=9.81k_п k_я m_я
Где k_п – коэффициент, учитывающий потерю веса в воде и может быть принят равным 0.87;
k_я — коэффициент удельной держащей способности якоря. Для якоря Холла на песчаном грунте равным 3;
m_я — масса якоря, кг.
Q_я=9.81k_п k_я m_я=9.81∙0.87∙3∙1750=44807 Н
Так как Q_я<Р_вн, то для удержания судна на якоре требуется большая длина вытравленной цепи, которая может быть определена по формуле:
L_яц=L_яц1+L_яц2
Где L_яц1 — длина вытравленной цепи, лежащая на грунте и создаваемой силой трения о грунт компенсирует разницк между Q_я иР_вн , м;
L_яц2 — длина провисающей части вытравленной цепи, м.
L_яц2=H_к √((2Р_вн)/(m_я H_я )+1)
Вес одного погонного метра якорной цепи в воде:
m_яц=0.0185d^2∙9.81
Где d – калибр цепи, мм.
m_яц=0.0185〖∙43〗^2∙9.81=336 Н
L_яц1=(P_вн-Q_я)/(f_т m_яц )
Где f_т — коэффициент трения якорной цепи о грунт. Для песчаного грунта можно принять равным 0.38.
L_яц1=(P_вн-Q_я)/(f_т m_яц )=(64239-44807)/(0.38*336)=152 м
Длина вытравленной якорь-цепи при различных глубинах
H м 5 10 20 30
Qя Н 44807 44807 44807 44807
Рвн Н 64239 64239 64239 64239
Lяц м 208 224 249 269
Rя м 346 334 359 379
Рис.11 График зависимости длины вытравленной якорь-цепи от глубины места якорной стоянки
При постановке судна на два носовых якоря и при условии, что внешняя нагрузка распределяется по цепям равномерно, усилие, действующее на каждую цепь, определяется по формуле:
Р_пл=Р_вн/(2cos α/2)
Длина якорной цепи при стоянке на двух якорях на глубине 10 метров
Угол разноса якорей
20 30 45
Рвн Н 64239 64239 64239
Рпл Н 32615 33252 34765
Lяц м 204 204 205
Рис.12 График зависимости длина якорной цепи при стоянке на двух якорях на глубине 10 метров от угла разноса якорей
3.5.Расчет непросматриваемой зоны
Величина непросматриваемой зоны влюбом направлении может быть определена по формуле:
L_нз=(h_н l)/(h_г-h_н )-l_н
Где h_н – высота точки, ограничивающей видимость, над ватерлинией судна, м;
l – раастояние от глаза судоводителя до точки, огрнаичивающей видимость, м;
h_г — высота глаза судоводителя над ватерлинией, м;
l_н — расстояние от точки, ограничивающей видимость до копуса судна, м.
L_нз=(h_н l)/(h_г-h_н )-l_н=(2.06∙87)/(8-2.06)-0=30 м
3.6.Расчет характеристик линейного створа
К характеристикам линейного створа в первую очередь относится чувствительность ствоар. Под чувствительностью створа понимается наименьшая величина отклонения судна от оси створа, которое обнаруживает глаз судоводителя. При любом отклонеии от оси створа в пределах чувствительности судоводитель будет видеть знаки совмещенности и считать, что судно находится на оси створа.
Величины чувствительности может быть определена по выражению:
р_к=1/3.44 θL_к (L_к/L_з +1)
Где θ – минимально допустимая разрешающая способность глаза по углу, равная 2;
L_к — расстояние от поста управления до переднего знака створа, км;
L_з — расстояние между знаками створа, км.
Расчет чувствительности створа
Lз
Lк 0,02 0,05 0,10 0,20
0,50 7,6 3,2 1,7 1,0
1,00 29,7 12,2 6,4 3,5
2,00 117,4 47,7 24,4 12,8
5,00 729,7 293,6 148,3 75,6
Рис.13 График чувствительности свора pк=f(Lк, Lз)
При обнаружении отклоения судна от оси створа судоводитель принимает меры к устранению этого уклонения, перекладывает руль в необходимую сторону на угол до 10-15 градусов. Возвращаясь на нужный курс, судно получит некоторое дополнительное отклонение, назваемое опасным уклонением.
Величина опасного уклонения может быть определена:
р_оу=Vtsin(ω)+R(1-cos(ω) )+kL
Где V – скорость движения судна относительно берега при движении вниз по течению, м/с;
t – время движения по неправильному курсу, с;
ω – угол зарыскивания, град;
R – радиус циркуляции при данной перекладке руля, м;
k – коэффициент положения центра тяжести судна по длине, принимаемый равным 0.5;
L – длина судна, м.
Расчет опасного уклонения
Угол зарыска
Время 2 5 10 15
5 56 58 64 71
10 57 61 68 78
15 58 63 73 85
20 59 66 78 92
Рис.14 График величины опасного уклонения pоу=f(t, ω)
Список литературы
1.МРФ РСФСР. Справочник по серийным транспортным судам. Том1-11.М.: Транспорт.
2.Павленко В.Г. Маневренные качества речных судов. М.: Транспорт, 1979. 179 с.
3.Павленко В.Г. Элементы теории судовождения на внутренних водных путях. Инерционные качества речных судов и составов. М.: Транспорт, 1971. 144 с.
4.Павленко В.Г. Ходкость и управляемость судов. М.: Транспорт, 1991. 397 с.
5.Саленек В.В. Методические указания по выполению курсового проекта для студентов судоводительской специальности очного и заочного обучения. НИИВТ, Новосибирс, 1987. 50 с.
6.Соларев Н.Ф. Управление судами и составами. М.: Транспорт, 1983. 396 с.