Плавучесть судна. Уравнения равновесия плавающего судна. Понятие о грузовой марке

Плавучестью называется способность судна плавать в заданном положении относительно поверхности воды. Имеется в виду, что судно может плавать по поверхности, либо в полностью погруженном положении, при этом считается, что оно не имеет хода, либо его скорость настолько мала, что силами гидродинамической природы можно пренебречь. Здесь и в дальнейшем, в остальных разделах теории корабля, будем полагать судно бесконечно жестким, недеформируемым телом. Это очередное допущение, однако, как показывает практика, учет деформаций корпуса при изучении мореходных качеств судна, существенно усложняя расчеты, не повышает их точности, а тем более не вносит качественных изменений в их результаты.

На плавающее в покое судно действуют две вертикальные, равные между собой и противоположно направленные силы: сила тяжести G и сила плавучести гV:

G= гV (6.1)

где г=сg- удельный вес; с- плотность (р = 1 т/м3 для пресной и с = 1,025 т/м3 для морской) воды; g- ускорение свободного падения

Равенство (6.1) представляет собой выражение известного со школьной скамьи закона Архимеда, в связи с чем силу плавучести часто называют архимедовой.

Сила тяжести судна О приложена в центре его тяжести, а сила плавучести - в центре величины. Только равенства этих сил недостаточно для обеспечения равновесия судна, необходимо еще и равенство нулю суммы моментов этих сил относительно координатных осей:

(6.2)

(6.3)

где хg, уg -- координаты центра тяжести судна; хс, ус -- координаты центра величины

В силу симметрии корпуса относительно ДП ус = 0, соответственно для того, чтобы судно плавало прямо (и = 0), необходимо распределить нагрузку, составляющую силу его тяжести, таким образом, чтобы и

уg =0 (6.4)

Из (6.1) и (6.2) вытекает второе требование к положению центра тяжести судна, плавающего прямо и на ровный киль:

хg,= хc (6.5)

Координаты центра величины определяются только формой подводной части судна и для каждой заданной осадки (заданного водоизмещения) легко находятся, в частности, с помощью кривых элементов теоретического чертежа.

Сила тяжести судна рассчитывается путем суммирования отдельных статей нагрузки, включающих корпус, главные и. вспомогательные механизмы, оборудование, устройства, системы, запасы воды, топлива, экипаж судна и пассажиров, перевозимый груз и т. д.

(6.6)

где - сила тяжести отдельной статьи нагрузки

Координаты центра тяжести судна находят с использованием известных из курса теоретической механики зависимостей:

(6.7)

Отдельные грузы на судне должны размещаться таким образом, чтобы обеспечить выполнение условий (6.4) и (6.5). Положение центра тяжести по высоте (величина хg) также не может быть произвольным, его выбирают таким, чтобы оно отвечало требованиям обеспечения остойчивости.

Грузовой размер (рисунок 5.6) представляет собой однозначную зависимость водоизмещения от осадки для судна, сидящего на ровный киль (ц=0). В процессе эксплуатации, особенно в балластных пробегах, зачастую имеет место значительный дифферент. Для определения водоизмещения судна в этом случае служит диаграмма Г. А. Фирсова (рисунок 6.1). На ней по координатным осям отложены осадки носом и кормой, определяющие дифферент судна. Нанеся на диаграмму точку, отвечающую заданным (известным) значениям ТН и ТК, легко найти объемное водоизмещение V судна и соответствующую ему абсциссу центра величины хс. Диагональ диаграммы (пунктирная линия) относится к судну, сидящему на ровный киль (ц= 0), т.е. соответствует грузовому размеру.

Осадку судна определяют по маркам углублений (маркам осадки), которые наносят на оба борта в носу и корме судна, а также и в районе миделя. Осадки на этих марках отмечают через дециметр, отсчитываются они от нижней кромки горизонтального киля. Изменение осадки судна при грузовых операциях. Любое изменение нагрузки приводит к изменению левой части уравнения (1.19), что автоматически отражается как на величине объемного водоизмещения, так и на осадке судна.

Диаграмма Фирсова

Рисунок 6.1 Диаграмма Фирсова

Очевидно, что прием груза влечет за собой вхождение в воду дополнительного объема AV, удовлетворяющего условию, аналогичному (6.1):

с=гДV

В свою очередь, если груз не очень велик, то изменение осадки ДГ будет также небольшим, в пределах которого площадь ватерлинии S практически останется постоянной. Тогда дополнительно вошедший в воду объем

ДV=SДT (6.9)

и с учетом (6.8) получим элементарную зависимость изменения осадки при приеме (снятии) груза p

(6.10)

Выражения (6.9) и (6.10), строго говоря, справедливы лишь для прямобортного (когда S?f(T)) судна, однако практика показывает, что их использование не приводит к существенным ошибкам, если сила тяжести груза не превышает р = (10 12) % G.

Из (6.10), положив ДТ=1см = 0,01 м, легко получить выражение для так называемого числа тонн на сантиметр осадки:

(6.11)

где q -- масса груза, прием (снятие) которого приводит к изменению осадки на 1 см.

Тогда, вместо (1.28) для практических расчетов удобно использовать формулу

(6.12)

где ДТ -- изменение осадки, см; m -- масса принимаемого (снимаемого) груза, т

Из (6.10) и (6.11) следует, что для решения задач, связанных с грузовыми операциями, необходима строевая по ватерлиниям (рисунок 5.5).

Зависимости (6.10) и (6.12) используются для контроля осадки в процессе эксплуатации судна, учета влияния на осадку расходования топлива, воды и т. д.

Коэффициент полноты площади ватерлинии изменяется в достаточно узких пределах, поэтому, приняв его среднее значение б = 0,78, с учетом (6.1) и (6.11) вместо (6.12) запишем

(6.13)

где m- масса груза, т; L, В -- длина и ширина судна по рассматриваемую ВЛ, м

Формулу (6.13) можно использовать для экспресс-оценки изменения осадки при грузовых операциях.

Строго говоря, грузовая операция кроме изменения осадки в общем случае должна приводить и к появлению углов крена и дифферента, т. е. к изменению посадки в целом. Для определения этих углов мы пока не обладаем достаточной информацией, поэтому сформулируем задачу несколько иначе: какие условия должны быть выполнены, чтобы прием малого груза не сопровождался ни креном, ни дифферентом?

Очевидно, что крен не появится, если ордината центра тяжести груза ур = 0, т. е. находится в ДП. Чтобы не возник дифферент, моменты силы тяжести груза и дополнительной силы плавучести должны быть равны, или, другими словами, сила тяжести и сила плавучести должны лежать на одной вертикали. Поскольку дополнительный, входящий в воду объем, представляет собой призму, основанием которой является ватерлиния, то абсцисса центра тяжести этого объема равна абсциссе центра тяжести площади ВЛ. Таким образом, для отсутствия дифферента необходимо выполнение условия

xp=xF (6.14)

Сказанное выше справедливо для относительно небольшого груза. Когда груз велик, задачу можно решать в несколько этапов, разделив его на части, к которым применимы зависимости (6.10) и (6.12). Однако при этом не исключена ощутимая ошибка: формулы (6.10) и (6.12) приближенные, погрешность может накапливаться.

Проще и надежнее использовать грузовой размер, отложив на котором требуемое приращение подводного объема , сразу найдем изменение осадки ДГ (рисунок 6.2).

Определение изменения осадки при приеме груза

Рисунок 6.2 Определение изменения осадки при приеме груза

Эти же задачи, связанные с грузовыми операциями, могут эффективно решаться с помощью так называемой грузовой шкалы (рисунок 6.3). Она представляет собой номограмму, на вертикальных шкалах которой откладывают водоизмещение в соленой и пресной воде, дедвейт, осадку, и высоту надводного борта судна. Здесь же наносят и число тонн на сантиметр осадки, а также некоторые элементы поперечной и продольной остойчивости -- возвышение малого метацентра, момент, дифферентирующий на 1 см. По одной из известных величин (D, T, Dw и др.) находят все остальные, причем для этого не требуется производить никаких выкладок. В связи с этим грузовую шкалу широко используют в процессе эксплуатации, она входит в число штатных судовых документов.

Основанием для построения грузовой шкалы служат элементы теоретического чертежа, в частности, строевая по ватерлиниям, грузовой размер, кривые апликатцентра величины и метацентрических радиусов.

Изменение осадки судна при изменении плотности воды. Морским судам приходится плавать в разных морях, заходить в устья рек; осадка при этом, естественно, не остается постоянной.

При переходе судна из воды с удельным весом у (плотностью р) в воду с г11) в силу неизменности водоизмещения судна D = const имеем

Поскольку нет оснований ожидать большого изменения осадки, для его определения воспользуемся выражением (1.27)

(6.15)

С учетом (6.1) и (6.3), принимая за исходные объемное водоизмещение V и осадку Т, преобразуем (6.15) к виду

(6.16)

где ч -- коэффициент вертикальной полноты

Грузовая шкала

Рисунок 6.3 Грузовая шкала

Положив в (6.16) среднее значение ч ? 0,9 для случая перехода из соленой воды с=1,025 т/м3 в пресную с1 = 1,0 т/м3 получим формулу, пригодную для оценок изменения осадки:

ДT ? 0,022T (6.17)

Как следует из (6.17), для крупных судов увеличение осадки при переходе в пресную воду может быть значительным (при Т = 20 м ДТ ? 0,5 м). Пример 6.1. Для судна «Инженер» найдем число тонн на 1 см осадки, а также изменение осадки при следующих условиях: а) выгрузке 88 стандартных крупнотоннажных контейнеров общей массой 2680 т; б) переходе в пресную воду. По (6.12) определяем число тонн на 1 см осадки:

а по (6.13) --уменьшение осадки при снятии 26S0 т груза

По (6.14) рассчитываем увеличение осадки при переходе судна из соленой (р = 1,025 т/м3 ) пресную (pl = l,0 т/м3) воду:

т. е. для рассматриваемого судна погрешность составляет

Нормирование плавучести морских судов. Морская практика показала, что безопасная эксплуатация судна возможна только в том случае, когда оно обладает достаточным запасом плавучести. В качестве последнего принимается весь водонепроницаемый объем судна, расположенный выше его действующей ватерлинии. Фактически запас плавучести определяет то дополнительное количество груза, которое может принять судно до того, как оно утратит способность держаться на воде.

Запас плавучести выражают в процентах полного водоизмещения. Его величина зависит от типа и назначения судна, района плавания и т. д. Так, на сухогрузных судах он составляет (25 -- 50) %, на нефтеналивных (10 -- 25) %, на пассажирских до (80 -- 100) % объемного водоизмещения. Необходимый запас плавучести назначается «Правилами о грузовой марке морских судов» Регистра, аналогичные документы имеют классификационные общества и других стран -- все они составлены в соответствии с Международной конвенцией о грузовой марке. При этом фактически задается минимально допустимая высота надводного борта. С этой целью в районе миделя на оба борта судна наносят так называемую грузовую марку, регламентирующую максимальную осадку судна (минимальный надводный борт) в различных условиях плавания. Грузовая марка включает палубную линию, так называемый диск Плимсоля и гребенку с направленными в разные стороны зубьями (рисунок 6.4).

Палубная линия наносится на уровне верхней кромки водонепроницаемой палубы. Диск Плимсоля, названный так в честь английского инженера, предложившего его, представляет собой окружность, пересеченную горизонтальной чертой, верхняя кромка которой совпадает с допускаемой летней ватерлинией. В нос от центра круга наносится вертикальная черта с отходящими от нее грузовыми марками -- горизонтальными линиями. Каждая из этих линий относится к определенным условиям плавания и в соответствии с этим обозначается.

Грузовая марка

Рисунок 6.4 Грузовая марка

Так, буквой Л (на иностранных судах S) маркируется грузовая марка, находящаяся на одном уровне с горизонтальной линией в диске Плимсоля, т. е. соответствующая летней ватерлинии. Буква 3 (W) обозначает зимнюю ватерлинию -- минимальная высота надводного борта увеличена. Этим учитываются более тяжелые условия плавания. Еще ниже расположена грузовая марка, относящаяся к плаванию зимой в Северной Атлантике, -- ЗСА (WNA), т.е. особо тяжелых условиях. Для крупных (L > 100 м) судов грузовые марки 3 и ЗСА совпадают. Буква Т (Т) присваивается грузовой марке, соответствующей плаванию в тропических морях. Грузовые марки, отвечающие плаванию в пресной воде, отмечаются горизонтальными линиями, отходящими от вертикальной черты в сторону диска Плимсоля.

Например, грузовая марка П (F) отстоит от летней ВЛ на Расстояние, определяемое по (6.16), где принимается для соленой воды с = 1,025 т/м3, а для пресной - с = 1,0 т/м3.

Буквы ТП (ТБ) определяют высоту надводного борта при плавании судна в пресных тропических водах. По особым правилам наносят грузовые марки на борт специальных судов (например, лесовозов), однако их идея -- лимитирование минимального надводного борта, а следовательно и запаса плавучести -- остается неизменной.

В процессе всего периода эксплуатации осадка не может превышать максимальную, допускаемую грузовой маркой для конкретных условий плавания (сезон, район, соленость воды).

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   Загрузить   След >