|
Особенности ходкости и управляемости судов внутреннего плавания
В учении о ходкости и управляемости судов являющемся составной частью теории корабля, рассматриваются задачи обеспечения целена прав ленного движения судов в горизонтальной плоскости.
Под ходкостью понимается способность судна или группы судов объе динеиных в состав, перемещаться с заданной скоростью под действием дви жущей силы, создаваемой обычно судовыми движителями, преодолевая сопротивление среды (воды и воздуха). Управляемость — способность судна двигаться по заданной прямолинейной или криволинейной траектории выбираемой судоводителем.
Эти два навигационные качества совершенно необходимы каждому движущемуся плавучему транспортному средству Хорошая ходкость — способность обеспечивать заданную скорость при минимальной мощности энергетической установки или при заданной мощности развивать максималь ную скорость — является одним из факторов обеспечения высоких технико экономических показателей работы флота. Высокая управляемость необ ходима для обеспечения безопасности плавания судов в различных путевых условиях.
Ходкость и управляемость транспортных средств речного флота отли чаются рядом характерных особенностей от аналогичных качеств морских судов, определяемых прежде всего спецификой путевых условий. На свободных реках составляющих большую часть протяженности внутренних водных путей, суда движутся по мелководному, узкому н извилистому фар ватеру при наличии течения. На водохранилищах, устьевых участках крупных рек, озерах и морских участках суда могут подвергаться действию штормового волнения Наконец, в условиях продленной навигации возни кает необходимость обеспечения ходкости и управляемости транспортных судов при движении. в битом льду.
Специфика путевых условий определила и характерные особенности самих транспортных средств, их движителей и рулевых органов. Большая часть грузов на речном транспорте нашей страны перевозится в толкаемых составах в то время как иа морском флоте толкание не вышло из стадии от дельных экспериментов). Наряду с этим на ряде рек еще применяется буксировка иа тросе несамоходных судов и плотов. Получила значительное распространение перевозка грузов на теплоходах смешанного (река — море) пла вания. Для пассажирских перевозок наряду с традиционными однокорпус ными водризмещающнми судами, эксплуатируемыми в основном на турист ских экскурсионных линиях широко используются суда с динамическими принципами поддержания — глиссирующие, на подводных крыльях и на воздушной подушке, а также водоизмещающие катамараны
Весьма разнообразны н движительно~рулевые комплексы речных судов В качестве движителей наряду с открытыми гребными винтами (которыми оснащено абсолютное большинство морских судов) на речном флоте широко применяйте двйжительные комплексы гребной винт — направляющая насадка, которыми оборудованы практически все буксировщики-толкачи и большая часть грузовых теплоходов. На флоте малых рек находят также применение водометные движители и гребные колеса
Рулевые органы речных судов для обеспечения безопасности плавания в условиях узкого н извилистого судового хода должны обладать значительно большей относительной эффективностью по отношению к рулям морских судов. Находят широкое применение поворотные направляющие насадки и многоперьевые рулевые комплексы за открытыми винтами или гребными винтами в неподвижных насадках. На кильватерных толкаемых составах в ряде случаев применяются изгибающие устройства, меняющие форму состава в плане, а также носовые опускающие рули на передней барже состава. На крупных пассажирских и грузовых теплоходах для облегчения привально-отвальных маневров применяются подруливающие устройства На судах с водометными движителями для обеспечения управляемости используются специальные реверсивно-рулевые комплексы
Все эти характерные особенности находят отражение в курсе ходкости и управляемости судов внутреннего плавания.
Краткий исторический очерк
Первым по времени возникло учение о сопротивлении среды перемеще нию в ней тел Предыстория этого учения связана с воззрениями Аристо теля (IV в до н э.), согласно которым всякое движение требует непрерыв ного приложения к телу внешней среды Такая сила, согласно учению Арн стотел я, возникает за счет смыкания жидкости за телом и приложена к кор мовой оконечности тела.
Эти представления просуществовали до XVII столетия, до работ осново положника высшей математики и классической механики Исаака Ньюто на. Ньютон в своих Математических началах натуральной философии при водит теоретический вывод квадратичного закона сопротивления, как ре акции от удара жидкости о лобовую часть тела. Другая часть сопротивле ния, по Ньютону, происходит от вязкого трения жидкости о поверхность тела. Повышение давления в кормовой оконечности, предсказанное еще Аристотелем, Ньютоном не учитывается. Отсюда следовал парадоксальный вывод о том, что форма кормовой оконечности не влияет на сопротивление тела, что противоречило накопленному к тому времени опыту мореплава ния.
Настоящая история учения о ходкости и управляемости судов началась с работ основоположника теоретической гидромеханики и теории корабля, члена Петербургской Академии наук Леонарда Эйлера (1707 — 1783 гг.). Толчок развитию гидродинамики дало введенное нм представление о жидкости и rase как о сплошных средах. Из полученных Эйлером уравнении гидродинамики идеальной жидкости математическим путем выводится и знаменитый парадокс д’ Аламбера (1744 г.), согласно которому сопротивление при равномерном движении тела в безграничной идеальной жидкости равно нулю. Объяснение парадокса было дано Эйлером, который подчеркнул от личие действительной жидкости обладающей внутренним трением (вяз костью), от идеальной
Леонардом Эйлером были получены и первые уравнения дЬйженйя Суд на по криволинейной траектории, опубликованные в его капитальном труде «Полное умозрение строения и вождения кораблей», русское издание которого датируется 1776 г Это время можно считать началом возникнове ння учения об управляемости судов.
Современник Эйлера Даниил Бернулли получил известное уравнение связи между скоростью и давлением в идеальной жидкости. Им же введен и сам термин «гидродинамика». Со времен Эйлера и Бернулли гидродина мика становится фундаментом учения о ходкости и управляемости судов В свою очередь, необходимость решения задач ходкости в связи с появле нием на флоте паровых двигателей стимулировала развитие гидродинамики
В первой половине XIX столетия трудами О Коши и его последователей создана теория волн малой амплитуды, на базе которой в дальнейшем разви валась теория волнового сопротивления судов Д. Стоксом и другими ис следователями получены уравнения движения вязкой жидкости. В 70-х годах К- Кирхгофом разработана теория произвольного движения тел в идеальной жидкости Трудами У Томсона и Г. Гельмгольца установлены основные закономерности вихревых движений жидкости
Параллельно развивалась и экспериментальная гидродинамика — об щая и судовая. Осборном Рейнольдсом обстоятельно изучены два режима движения вязкой жидкости (ламинарный и турбулентный), установлена роль критерия, носящего его имя, положено начало теории турбулентных движений жидкости. Уильямом Фрудом разработана методика моделирования сопротивления воды движению судов в опытовых бассейнах. Им показано что особенности создаваемой судном системы волн и закономерности волно вого сопротивления зависят от значения относительной скорости (в дальнейшем числа Фруда), дан эмпирический метод расчета сопротивления трения судна и его модели Его сыном Реджимоном Фрудом в конце-90-х годов выявлены основные особенности влияния мелководья на сопротивле ние судов
К 60-м годам прошлого столетия гребной винт становится преобладаю щим типом движителя морских судов. В те же годы У. Ренкином создается первая теория гидрореактивного движителя, оформившаяся позднее (1882 — 1886 гг.) благодаря трудам Н Е Жуковского в законченную теорию Идеального движителя.
Бурный толчок развитию гидро и аэродинамики дало появление ка гра ни XIX и XX столетий авиации. Николаем Егоровичем Жуковским совме стно с его учеником и соратником С. А. Чаплыгиным в 1904 — 1910 гг. за ложены основы теории несущего крыла Эта теория получила дальнейшее развитие в созданной Н. Е. Жуковским вихревой теории гребного винта Людвигом Прандтлем и его сотрудниками (Карман, Никурадзе) разработа на теория пограничного слоя — научная основа определения вязкостного сопротивления судна. Л, Прандтль внес значительный вклад в разработку теории крыла конечного размаха (теория несущей линии)
В 1896 г. австралийцем Мичеллом опубликована первая приближенная теория волнового сопротивления судна. Позднее эта теория использована Г. Е. Павленко дли определения волнового сопротивления корпуса судна заданного теоретическим чертежом, для решения задач о форме судна минимального волнового сопротивлении и о выгодных и невыгодных ско ростях судна. В 30-е годы Н. Е. Кочиным решена задача о волновом сопро тивлении тела произвольной конфигурации, погруженного под свободной поверхностью жидкости. Л. Н. Сретенский распространил решение Мичел ла на случай движения судна на мелководье и в прямоугольном канале 6
Несмотря на последующие успехи теории волнового сопротивления, до настоящего времени основным и наиболее надежным методом его определе ния остаются испытания моделей в опытовом бассейне. На основе результатов систематических модельных испытаний учеными нашей страны созданы методы прогнозирования сопротивления воды движению речных судов и толкаемых составов.
Трудами ряда советских и зарубежных ученых из которых в первую очередь необходимо отметить Н. Н. Полякова и В М Лаврентьева, детально разработаны вихревая теория гребного винта и основанные на ней методы расчета. В то же время на практике широко используются диаграммы для расчетов гребных винтов, построенные по результатам систематических мо дельных испытаний. Удачная форма таких диаграмм предложена в 1934 г Э Э. Папмелем. Диаграммы по типу Э. Э. Папмеля построены в настоя щее время для нескольких серий гребных винтов различной геометрии.
Теория работы гребного, винта в направляющей насадке разработана в 40-е годы В. М. Лаврентьевым. На ее основе под руководством А. М. Басина был разработан метод расчета комплекса винт — насадка по методу эквивалентного винта. В настоящее время этот громоздкий метод вытесняется прямым расчетом по диаграммам типа Э Э Папмеля, построенным для комплексов винт — насадка.
Разработкой вопросов теории и расчета гребных колес занимались в конце 30 х годов М. Я Алферьев и А М Басин. В 1936 — 1938 гг. в Одесском опытовом бассейне В. Н.Шушкнным проведены систематические испытания моделей гребных колес с поворотными плицами, на основе которых разработан атлас диаграмм для практического расчета гребных колес
Вопросами ходкости судов при неустановившемся движении занималась большая группа исследователей. Начвло этому направлению положено в трудах Нордстрема и Г Е Павленко (1928 — 1934 гг.). Из более поздних работ следует отметить труды И. Я. Миниовнча, а также В. И. Небеснова и его учеников. Метод расчета характеристик разгона и торможения речных судов и толкаемых составов с учетом мелководья и течения разработан в на чале 70-х годов
На развитие учения об управляемости судов большое влияние оказали успехи гидро- и аэродинамики, в частности работы Н. Е. Жуковского и его последователей в области теории крыла, а также работы Г. Кирхгофа по теории движения тел в идеальной жидкости. Многие понятия и методы были перенесены в область управляемости судов из аэродинамики воздушных кораблей, особенно дирижаблей (работы К. К. Федяевского и др.).
Наиболее полного развития линейная теория управляемости достигла в 1946 — 1949 гг. в трудах А. М. Басина и К- Дэвидсона. Была получена корректная структура уравнений движения, уточнены основные понятия и выявлены качественные закономерности криволинейного движения судов, с достаточной полнотой изучена теоретическая устойчивость на курсе и разработана теория движения судна, управляемого авторулевым. В то же время линейная теория не могла дать удовлетворительного описания поведения судна при движении по резко искривленной траектории, когда зависимость гидродинамических усилий от кинематических параметров движения имеет ярко выраженный нелинейный характер.
Поворотным моментом, приведшим к созданию современной теории управляемости, явилось появление в конце 50-х годов нелинейной теории управляемости. В основу этой теории были положены результаты систематических модельных испытаний Р Я Першнца, а также применение цирку-ляцнонно-отрывиой теории крыла малого удлинения в работах К К Фе дяевского и Г. В Соболева
Практика речногб судоходства в первую очередь широкое внедрение толкания несамоходных судов, обусловила необходимость углубленного изучения маневренных качеств флота. В связи с этим в последние два деся тилетия советскими учеными на базе нелинейной теории управляемости модельных и натурных испытаний созданы методы расчета управляемости судов и толкаемых составов в речных условиях плавания
Современное учение о ходкости н управляемости судов и составов вну треннего плавания — научная дисциплина, способная решать многие прак тические задачи, жизненно важные для научно обоснованных проектиро вания и эксплуатации судов речного флота
Изучение курса ходкости и управляемости судов преследует три основ ные цели:
выработать у будущего кораблестроителя четкие физические представ ления о сложных явлениях, имеющих место при движении судна (состава) в жидкости, в гидродинамике движителей и рулевых органов о влиянии на движение судна путевых условий;
ознакомить студента с современными методами анализа этих явлений и дать представление о практических способах решения разнообразных задач ходкости и управляемости судов;
подготовить теоретическую базу для прикладных кораблестроительных дисциплин, в первую очередь для проектирования судов
Изложение курса опирается на знания, полученные при изучении выс шей математики теоретической механики и гидромеханики.
Инженер-кораблестроитель, специализирующийся в области проекта роваиия судов, использует знания, полученные им в результате изучения курса ходкости и управляемости, при определении основных характеристик проектируемого судна (главных размерений, коэффициентов полноты, мощ ности энергетической установки), в выборе формы обводов и построения те оретического чертежа, при конструировании движителей, выборе типа и в разработке конструкции рулевых органов. В конструкторских бюро реч ного флота начинает широко внедряться система автоматизированного про ектировання судов (САПР), в которую в качестве неотъемлемых элементов входят подсистемы «Ходкость и движители» и «Управляемость».
Инженерам, работающим на судостроительных и судоремонтных пред приягиях, знание вопросов ходкости и управляемости также необходимо для решения ряда задач при: выборе материалов для покрытия корпу са определении сроков профилактического докования, разработке техно логии изготовления и ремонта гребных винтов и направляющих наса док и т. д
С вопросами обеспечения ходкости и управляемости в производственных организациях приходится сталкиваться и при модернизации флота. Такая модернизация выполняется на судах, проекты которых либо морально устарели, либо не соответствуют условиям эксплуатации в данном бнсеей не. В ряде случаев на находящихся длительное время в эксплуатации судах производится замена главных двигателей, в результате которой необходи мо изменение параметров гребных винтов. Во всех этих случаях невоз можно обойтись без квалифицированных расчетов ходкости и управляемости.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
