ОЦЕНКА УСЛОВИЙ БЕЗОПАСНОГО МАНЕВРИРОВАНИЯ СУДНА ПРИ ВЕТРЕ НА МАЛЫХ СКОРОСТЯХ ХОДА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 656.62.052

Токарев Павел Николаевич, к.т.н., доцент кафедры судовождения и безопасности судоходства ФГБОУВО «ВГУВТ», e-mail: [email protected]

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «ВГУВТ») 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

ОЦЕНКА УСЛОВИЙ БЕЗОПАСНОГО МАНЕВРИРОВАНИЯ СУДНА ПРИ ВЕТРЕ НА МАЛЫХ СКОРОСТЯХ ХОДА

Ключевые слова: судно, стесненная акватория, ветер, подруливающее устройство, работа движителей «враздрай», удержание судна «на месте», прямолинейное движение, расчет.

Аннотация. В работе приведены исследования безопасных условий маневрирования судов при ветре на ограниченной по габаритам акватории. Получены расчетные зависимости по определению допустимых скоростей ветра, при которых возможно удержание судна «на месте». Углов ветрового дрейфа и углов перекладки рулевого органа при прямолинейном движении с использованием носового подруливающего устройства и режима работы движителей «враздрай», а так же маневра отворота судна с линии пути при ветре.

Анализ транспортных происшествий показывает, что аварийность судов на малых скоростях хода при ветре свыше пяти баллов в четыре раза выше, чем при ветре до трех баллов [1], то есть ветер является фактором, который существенным образом влияет на безопасность движения и маневрирования судов. Поэтому вопросы оценки безопасности маневрирования судов на рейдах, выполнения привально-отвальных операций и прохождения зон судоходных гидротехнических сооружений необходимо рассматривать с учетом влияния ветра. Исследование безопасных условий маневрирования судов и составов при ветре сводится к оценке управляемости под воздействием ветра [2, 3, 4, 5]. Для выполнения маневров на предельно малых скоростях хода в условиях ветра требуется, как правило, применение всех судовых средств управления, включая работу подруливающего устройства и работу движителей «враздрай». Опыт эксплуатации судов речного флота и данные натурных испытаний показывают, что к наиболее неблагоприятным маневрам, при которых возможна потеря управляемости судна, относятся отвальные маневры и разворот на месте [2, 5, 6].

В связи с этим оценка безопасных условий маневрирования на малых скоростях сводится к оценке управляемости, способности судна противостоять действию ветра и совершать поворот «на ветер» на малом ходу и без хода. В качестве расчетного маневра в этом случае может быть принят расчет маневра по удержанию судна на месте [6, 7].

Процесс удержания судна на месте при использовании носового подруливающего устройства, работы движителей «враздрай» и перекладки рулевого органа с учетом схемы усилий, действующих на судно (рис. 1), может быть описан следующей системой уравнений:

ТЕ1 - ТЕ 2 - ХА - 0;

У - У + 1 - 0-

УЯ 1 А + 1 ШВ 0>

Мр + МР - МЛ - Мр - 0.

(1)

где ТЕ1, ТЕ2, ХА - полезная тяга винтов, работающих на передний и задний ход и продольная составляющая аэродинамической силы; Уя, УА, Ршв - боковая составляющая рулевой силы, боковая составляющая аэродинамической силы и силы от подруливающего устройства; Мр МР, МА, Мк - моменты от работы движителей «враздрай», подруливающего устройства, ветра и рулевой силы соответственно.

Компенсация продольной составляющей ветрового усилия может быть всегда достигнута выбором частоты вращения винтов, работающих на передний и задний ход.

Рис. 1. Схема сил и моментов, действующих на судно при удержании судна на месте в условиях ветра

Совместное решение второго и третьего уравнения системы (1) позволяет получить выражение для определения максимальной скорости ветра, при которой возможно удержание судна на месте при заданном режиме работы движителей

УА -

ё (ТЕ1 + ТЕ 2 ) + 21У ШВ (1 ПУ + ¡Я )

СУА РАРП (¡Я +^МА)

(2)

С

УА

где ё , ¡ду и ¡^ - относительное расстояние между валами гребных винтов, подруливающего устройства и рулевого органа;

СУА и СМА

- коэффициенты аэродинамической силы и момента;

¥п - боковая площадь парусности судна.

Выражение (2) справедливо для судов, имеющих в качестве рулевого органа рули или поворотные насадки с раздельным управлением. Если на судне установлены синхронные поворотные насадки, то удержание судна на месте возможно лишь при определенном угле натекания воздушного потока на судно.

Величину перекладки рулевого органа можно определить из выражений: для рулей

2

ак = А + В' - С'СМА^А

(3)

где Л, В , С' - коэффициенты, определяемые по формулам: А' =

ру шв 1 пу

кТЕ11к

д,_ 1 (ТЕ1 + ТЕ2^' .

2кТЕ11Я '

с, _ РАрПV

2кТЕ1^Я

для насадок при их раздельной перекладке «наружу»

(4)

д^ан = А" + В" - С"смлу2Л , где А",В", С" - коэффициенты, определяемые по выражениям

(5)

А" =

ру шв 1 пу

(ТЕ1 + ТЕ 2 У Я

В" =

2/с

С "=-

Р АРП

(6)

2(ТЕ1 + ТЕ 2 У Я

Расчет величин V А и а по формулам (2), (3) и (5) в зависимости от направления ветра для теплохода пр. 507 в грузу и в балласте приведен на рис. 2. При значениях скоростей ветра выше ограничительной кривой уа = /(уА) судно будет дрейфовать под действием ветра.

>

Рис. 2. Скорость выдерживаемого судном ветра и углы перекладки насадок «наружу» теплохода проекта 1565 в грузу и балласте при выполнении маневра «удержание на месте»

- в грузу;

в балласте.

Важное практическое значение для судоводителей имеет оценка возможности прямолинейного движения при воздействии ветра на малых скоростях при использовании ПУ и работы движителей «враздрай». Уравнения прямолинейного равномерного движения в этом случае с учетом схемы действия усилий (рис. 3) запишутся в следующем виде:

ТЕ1 - ТЕ2 - ХГ - ХА - ХЯ - 0; УГ + ¥у (V) - ¥к - ТА + Ур - 0;

М^ + М^ + М^ - М^ + Мр - 0.

(7)

Система уравнений (7) относительно р и а^ при заданных значениях V^ и уд

частоты вращения винтов щ и п2 может быть решена на ЭВМ методом итераций.

Решение системы уравнений (7) в аналитическом виде возможно, если принять

допущение о малости величин X и Ур и считать, что полезный упор ДРК не зависит

от ветрового воздействия [8]. Тогда из первого уравнения системы (7), задаваясь скоростью движения судна и частотой вращения винта, работающего на передний ход, можно определить частоту вращения винта, работающего на задний ход..

п2 -

тЕ1 - ЯМ

пкШВ п4

Р кТ ? ^ 1 а

(8)

хТЗХ1в

где Я{у) - сопротивление воды движению судна при скорости V.

Рис. 3. Схема сил и моментов, действующих на судно при прямолинейном движении с углом дрейфа

Совместное решение второго и третьего уравнений системы (7) позволяет получить выражения для определения углов дрейфа р и угла перекладки рулевого органа а л в следующем виде:

р = -р + р2 + Л^! .

а я = В1СМА| —! - С1Р-О' - О 2,

(9)

где U, Al, D\, B\, О', D2 - коэффициенты, определяемые по выражениям:

2

U -

с1'я + (т\ + 0,5т2)

л -

В -

Р АРП

С А

С +-МА-

р $оС2 I. 1Я

2^у (Х)(1пу + 1д) + (ТЕ1 + ТЕ 2 )*

Р С21К$оЛ'

В --

р АРП

В' -

А -

$ р1 Я1 Я (2т1 + т2 ^о гк

¿я^Ь 2 $ р1К г

2РУ ШВ 1ПУРМ

1гЯгУ $р1Я

(ТЕ1 + ТЕ 2 )*

(10)

В выражениях (10) 1 я - количество рулей, расположенных за винтами, работающими на передний ход. На рис. 4 приведены результаты расчетов р и ая для теплохода типа «Волгонефть» при работе винтов на передний ход без подруливающего устройства, работы винтов «враздрай» и использовании подруливающего устройства. Результаты расчетов показывают, что использование работы винтов «враздрай» и работы носового подруливающего устройства позволяют несколько снизить величину угла ветрового дрейфа, но необходим несколько больший угол перекладки руля.

Рис. 4. Зависимость угла ветрового дрейфа и угла перекладки рулей теплохода проекта 1577 (в балласте) и скорости кажущегося ветра (^ - 10 м/с) при скорости движения судна, равной 2 м/с

-при работе винтов на передний ход без носового подруливающего устройства;

---при работе винтов «враздрай» и использовании носового подруливающего

устройства.

С

Как показывает анализ аварийности судов, практический интерес представляет расчет маневра отворота с первоначальной линии пути в условиях ветра. В работах Н.Ф. Соларева [9] и Л.М. Рыжова [10] показано, что безопасность маневрирования судна при выполнении указанного маневра должна определяться элементами, характеризующими положение кормового перпендикуляра в различные моменты времени. Для оценки безопасности движения судов при выполнении маневра отворота необходимо рассмотреть следующие элементы (рис. 5):

- максимальное обратное смещение кормового перпендикуляра относительно первоначальной линии пути, характеризуемое величинами /ос, 11 и ^ (точка А);

- смещение кормового перпендикуляра в момент ухода его с первоначальной линии пути, характеризуемое величинами /2, /2 и ©с (точка С);

- максимальное прямое смещение кормового перпендикуляра вдоль первоначальной линии пути (13 и ) и выдвиг кормового перпендикуляра, характеризуемый величинами 1в и 4 (точка В), когда угол курса © = 90° (в случае выполнения оборота судна).

Расчет параметров указанного маневра выполняется с использованием выражений, приведенных в работе [11]. Начальными условиями интегрирования дифференциальных уравнений являются параметры прямолинейного движения при ветре р, V , ак получаемые из решения системы уравнений (7).

Рис. 5. Маневр отворот на ветер теплохода проекта 1565 в балласте при опасном направлении ветра по углу дрейфа (щ = щ = 190 об/мин; ан =35°)

= 18 м/с; I_I - vA6 = 6 м/с

За начало отсчета времени принимается момент начала перекладки рулевого органа. В табл. 1 и 2 показаны значения характеристик маневра оборота теплохода пр.1565 в балласте при движении со скоростью V = 2,95 м/с и перекладки насадок на угол ан =35° «на ветер» и «под ветер» при опасном направлении истинного ветра по углу дрейфа и углу перекладки рулевого органа ан. За величину сравнения приняты

- V

соответствующие характеристики элементов циркуляционного движения судна в штилевых условиях, /ос, 11, /ь /2, /2, ©с, /3, /3, /в, Ьв.

Рис. 6. Отворот на ветер (А) и под ветер (В) теплохода проекта 1565 в балласте при ветре опасного направления по углу дрейфа судна (п - П = 190 об/мин; а =35°) 0; 1;...4 - положение судна на 0; 1;...4 мин. маневрирования

Таблица 1

Сравнительные характеристики элементов отворота теплохода проекта 1565 в балласте при ветре опасного направления по углу дрейфа судна

Характеристики Скорости истинного ветра V^ ,м/с

6 12 18

Оборот «на ветер»

1( 0,89 0,82 0,65

о 1,07 1,24 1,41

12 1,04 1,07 1,19

1/ 1,02 1,05 1,15

1В 0,97 0,91 0,77

% 0,98 0,85 0,71

12 1,00 1,05 1,27

% 1,00 1,04 1,23

1,00 1,02 1,15

1,01 1,05 1,16

Характеристики Скорости истинного ветра V ^ ,м/с

6 12 18

Оборот «под ветер»

'К 1,00 1,04 -

0,86 0,35 -

13 0,99 0,98 -

13 1,00 1,24 1,80

1/ 1,00 1,27 1,92

% 1,00 1,14 -

0,95 1,04 -

¡3 1,09 1,23 1,67

1,00 1,29 2,00

0,95 0,69 -

Таблица 2

Сравнительные характеристики элементов отворота теплохода проекта 1565 в балласте при ветре опасного направления по углу перекладки рулевого органа

Характеристики Скорости истинного ветра , м/с

6 12 18

Оборот «на ветер»

'13 1,00 1,43 2,10

чс 1,10 0,55 0,93

1/ 1,03 1,16 1,73

1/ 1,03 1,26 2,12

13 1,00 1,18 1,53

? 1,00 1,29 1,71

1,05 1,09 1,54

£ 1,10 1,29 2,43

1,00 1,10 1,29

©3 1,00 0,91 1,00

Оборот «под ветер»

13 1,00 0,80 0,79

1,00 1,24 1,41

1/ 1,00 1,08 1,29

Характеристики Скорости истинного ветра , м/с

6 12 18

13 1,00 1,05 1,72

1/ 1,00 0,96 0,89

1: 1,00 0,86 0,85

I/ 1,00 1,05 1,27

I/ 1,00 1,10 2,19

I/ 1,00 0,96 0,93

©с 1,00 1,14 1,30

Данные табл. 1 и 2 и рис.6 позволяют сделать следующие выводы. Величины, характеризующие элементы отворота при ветре в разной степени зависят от скорости и направления ветра, кроме того, прослеживается нелинейный характер этих зависимостей.

Наибольшая акватория требуется судну при выполнении отворота «под ветер» при опасном направлении ветра по углу перекладки рулевого органа. Причем, в большей мере в этом случае от скорости ветра зависят величины /ь 12, /3, /2, /3, в меньшей - величина 1ос и © .

Результаты исследований характеристик движения и элементов маневрирования позволяют оценить возможность безопасного движения и маневрирования судов при ветре в различных условиях плавания.

Список литературы:

[1] Токарев П.Н. Анализ аварийности судов на рейдах /Горьков. ин - т инж. водн. трансп. (ГИИВТ). - Горький, 1984. - 12 с. Деп. в ЦБНТИ Минречфлота РСФСР 3.12.84 № 66 РФ - Д -64.

[2] Гофман А.Д. Теория и расчет поворотливости судов внутреннего плавания, - Л.: Судостроение, 1971. - 256 с.

[3] Павленко В.Г. Маневренные качества судов и составов (Управляемость судов и составов). -М.: Транспорт, 1979. - 184 с.

[4] Першиц Р.Я. Управляемость и управление судном. - Л.: Судостроение, 1983. - 272 с.

[5] Справочник по теории корабля. Т. 3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания / Под ред. Я.И.Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985. - 544 с.

[6] Лебедев Э.П. и др. Средства активного управления судами. - Л.: Судостроение, 1969. -264 с.

[7] Аганин Е.В., Гофман А.Д. Требования к эффективности подруливающих устройств судов //Повышение технического уровня и качества судов речного флота. - Ленинград, 1982. - С. 112 - 118.

[8] Павленко В.Г, Элементы теории судовождения на внутренних водных путях. Ч.Ш. - М.: Транспорт, 1971. - 144 с.

[9] Соларев Н.Ф. Безопасность маневрирования речных судов и составов. - М.: Транспорт, 1980, - 215 с.

[10] Рыжов Л.М. Управляемость толкаемых составов. - М.: Транспорт, 1969. - 128 с.

[11] Токарев П.Н. Математическая модель произвольного движения и маневрирования судна // Н.Новгород. Вестник «ВГАВТ» №56, 2018. - С. 198 - 214.

ESTIMATION OF SAFETY MANEURING CONDITIONS OF THE VESSEL IN WIND AT LOW SPEEDS

Tokarev Pavel N., Candidat of Engineering Science, Associate Professor of the Department of Ship Handling and Safety of Navigation Volga State University of Water Transport, 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951

Keywords: ship, a limited area, wind, thruster, propellers «vrazdray» possible to hold the vessel «in place», straight-line motion, calculated.

The paper presents studies of safe conditions for maneuvering ships in the wind on a limited size of the water area. The calculated dependences on the definition of permissible wind speeds at which it is possible to hold the vessel «in place». The angles of wind drift and the angles of the steering body shift in rectilinear motion using the bow thruster and the mode of operation «vrazdray», as well as the maneuver of the ship's lapel from the path line in the wind are obtained

References

[1] Tokarev P.N. Analiz avariynosti sudov na reydakh /Gor'kov. in - t inzh. vodn. transp. (GIIVT). -Gor'kiy, 1984. - 12 s. Dep. v TsBNTI Minrechflota RSFSR 3.12.84 № 66 RF - D - 64.

[2] Gofman A.D. Teoriya i raschet povorotlivosti sudov vnutrennego plavaniya, - L.: Sudostroenie, 1971. - 256 s.

[3] Pavlenko V.G. Manevrennye kachestva sudov i sostavov (Upravlyaemost' sudov i sostavov). - M.: Transport, 1979. - 184 s.

[4] Pershits R.Ya. Upravlyaemost' i upravlenie sudnom. - L.: Sudostroenie, 1983. - 272 s.

[5] Spravochnik po teorii korablya. T.3. Upravlyaemost' vodoizmeshchayushchikh sudov. Gidrodinamika sudov s dinamicheskimi printsipami podderzhaniya / Pod red. Ya.I.Voytkunskogo. -L.: Sudostroenie, 1985. - 544 s.

[6] Lebedev E.P. i dr. Sredstva aktivnogo upravleniya sudami. - L.: Sudostroenie, 1969. - 264 s.

[7] Aganin E.V., Gofman A.D. Trebovaniya k effektivnosti podrulivayushchikh ustroystv sudov //Povyshenie tekhnicheskogo urovnya i kachestva sudov rechnogo flota. - Leningrad, 1982. - S.112 -118.

[8] Pavlenko V.G, Elementy teorii sudovozhdeniya na vnutrennikh vodnykh putyakh. Ch.III. - M.: Transport, 1971. - 144 s.

[9] Solarev N.F. Bezopasnost' manevrirovaniya rechnykh sudov i sostavov. - M.: Transport, 1980, -215 s.

[10] Ryzhov L.M. Upravlyaemost' tolkaemykh sostavov. - M.: Transport, 1969. - 128 s.

[11] Tokarev P.N. Matematicheskaya model' proizvol'nogo dvizheniya i manevrirovaniya sudna // N.Novgorod. Vestnik «VGAVT» №56,2018.- S.198 - 214.

Статья поступила в редакцию 20.06.2019 г.