Задание для группы СВ 310 по предмету Управление судном на 12.10.21

Задание для группы СВ 310 по предмету «управление судном»

https://deckofficer.ru/titul/study/item/teoriya-i-praktika-upravleniya-sudnom

Тема: 1.2. Средства обеспечения движения судна и его управляемости.

Движение морского судна относительно воды обеспечивается различного типа дви-

жителями, наиболее распространѐнными из которых является гребной винт - располагаемый

за кормой судна.

Устройство определения координат

Заданный алгоритм функционирования

системы управления движением

Устройство сравнения

Сигнал рассогласования

Информационно-управляющее устройство

Средства управления

Объект управления

Рис.1.7 . Структурная схема курсового по отклонению принципа управления движением судна

Устройство курсо-указания и скорости

Устройство решения задачи расхождения

Сила упора винта создаѐтся за счѐт реакции струи, отбрасываемой винтом назад или

вперѐд в зависимости от направления вращения.

Грузовые суда чаще бывают одновинтовыми, а пассажирские - двухвинтовыми.

Полезная сила упора движителя-сила тяги Ре- равна(при прямолинейном и равно-

мерном движении судна и отсутствии ветра) и прямо противоположна силе сопротивления

воды R, т.е.

Ре=R (1.1)

Эффективность движителя, создающего полезную мощность за счѐт подводимой к

нему мощности двигателя, измеряется величиной пропульсивного коэффициента

p

е

N

Р V

 

(1.2)

где Pe –сила тяги, кН; V-скорость судна, м/с; Np-подводимая к движителю мощ-

ность, кВт.

Силой тяги движителя и силой сопротивления воды определяется мореходное каче-

ство-ходкость судна, под которой подразумевается способность преодолевать сопротивление

внешней среды и двигаться с заданной скоростью.

Основным и наиболее распространѐнным средством управления (СУ) судном явля-

ется рулевое устройство, рабочим органом которого является руль(перо руля), располагае-

мый в корме судна.

Расположение руля в струе от винта повышает его эффективность. Так руль, распо-

ложенный в диаметральной плоскости на одновинтовом судне, более эффективен, чем на

двухвинтовом. Иногда двухвинтовые суда имеют два пера руля, располагаемые за винтами,

что резко повышает их эффективность.

Средства управления как движущий и управляющий, а, следовательно, неотъемлемый

элемент судна существуют столько времени, сколько существует судоходство и судострое-

ние. Первыми СУ были парус, весла, рули. С развитием судостроения появились новые типы

СУ, конструкции, и свойства которых связаны с типом и назначением судов, условиями их

эксплуатации, особенностями энергетических установок.

В настоящее время на транспортных судах применяются многие десятки различных ви-

дов СУ, а число запатентованных СУ исчисляется многими сотнями. Наибольшее число ви-

дов СУ используется на судах внутреннего и смешанного (река - море) плавания эксплуати-

руемых в сложных условиях ограниченного фарватера и требующих повышенных маневрен-

ных качеств.

СУ, обеспечивающие маневрирование судна, подразделяют на главные, вспомогатель-

ные и ограничивающие. Их классификация приведена на рис. 1.8.

Главные устройства управления. Главные СУ характерны тем, что для их использова-

ния необходима работа главных двигателей судна. К ним относятся главные движительные

устройства судна, рулевые устройства, главные движительно-рулевые устройства.

Главные движительные устройства создают силу, приближенно по направлению сов-

падающую с диаметральной плоскостью судна, поэтому они используются, когда цель

управления состоит в поддержании или изменении скорости судна. В качестве главных дви-

жительных устройств могут использоваться винты фиксированного шага (ВФШ), винты ре-

гулируемого шага (ВРШ), водометные движители и гребные колеса. ВФШ и ВРШ для по-

вышения их эффективности могут быть помещены в неподвижные или поворотные насадки.

Винты фиксированного шага (ВФШ). Наиболее распространенными главными движи-

телями водоизмещающих судов являются ВФШ. Объясняется это простотой конструкции

ВФШ, удобством его размещения на судне и передачи вращающего момента, малым весом,

надежностью и высоким к. п. д. (60—65%, иногда до 75%). На судне может быть установле-

на одновальная (одновинтовая), двухвальная (двухвинтовая) и более установки.

С точки зрения пропульсивных качеств наиболее эффективной является одновальная ме-

ханическая установка ВФШ. В этом случае можно максимально уменьшить выступающие

части и достигнуть наиболее высокого значения коэффициента влияния корпуса. Однако в

некоторых случаях (невозможность установки, например, винта большого диаметра) прихо-

дится отказываться от такой установки. Увеличение числа гребных винтов диктуется требо-

15

ванием повышения живучести судна, а также стремлением повысить его экономичность пу-

тем применения разных двигателей для малых и полных ходов. В последнем случае особен-

но удобна трехвальная компоновка, когда средний винт (или бортовые винты) обеспечивает

экономичный ход.

На больших пассажирских судах для достижения повышенной скорости требуемая

мощность столь велика, что затруднительно использование суммирующего редуктора боль-

шой мощности. Это обстоятельство обусловило применение на таких судах двухвальной

движительно-двигательной установки.

Трех- и четырехвальные установки применяются на быстроходных судах большого во-

доизмещения и ледоколах.

В одновальных гребных установках направление вращения гребного винта определяет-

ся направлением вращения двигателя. При следовании судна прямым курсом, когда руль

расположен в диаметральной плоскости, оно может уходить с курса: вправо - при правом

вращении гребного винта и влево - при левом его вращении (для некоторых судов в балласте

при оголении винта и руля имеет место обратная закономерность). Причина этого явления -

действие сил С (влияние работы гребного винта на перо руля; для винта правого вращения

стремится повернуть корму влево), b (сила, возникающая из-за неравномерности поля скоро-

стей, вызванной попутным потоком; для винта правого вращения стремится повернуть корму

влево) и D (возникающей вследствие возникновения на нижней лопасти винта большей силы

реакции чем на верхней; для винта правого вращения стремится повернуть корму вправо).

Неравенство этих сил приводит к появлению их результирующей, которая в итоге и влияет

на уклонение судна с курса. При установке на судне двух гребных винтов одинакового вра-

щения результирующие силы от каждого винта суммировались бы и для компенсации по-

требовалась бы значительная перекладка руля. Поэтому на двухвинтовых судах направление

вращения гребных винтов принимается противоположным. Наружное вращение гребных

винтов (лопасти в верхнем положении движутся к борту) предпочтительнее и с эксплуатаци-

онной точки зрения. При этом уменьшается вероятность повреждения лопастей винта пла-

вающими предметами, а также заклинивания гребного винта битым льдом. Исходя из этих

соображений, наружное направление вращения придают гребным винтам трех- и четырех-

вальных судов. Средний винт у трехвального судна может вращаться так же, как и у одно-

вального, т. е. в произвольную сторону.

Направление вращения внутренних гребных винтов четырехвального судна выбирается

исходя из модельных испытаний каждой серии судов отдельно.

Винты регулируемого шага (ВРШ). Одна из первых конструкций винта регулируемо-

го шага (ВРШ) была предложена в 1844 г. В то время пароходы еще сохраняли парусное

вооружение. Когда такое судно шло только под парусами, лопасти винта ставили во флюгер-

ное положение (по потоку). Это уменьшало сопротивление винта.

В дальнейшем, с применением в качестве главных двигателей дизелей, паровых турбин

и, особенно, с появлением нереверсивных газовых турбин снова возрос интерес к ВРШ, те-

перь уже как к реверсивному устройству.

Все более широкое распространение ВРШ на морских судах объясняется еще и сле-

дующим. Известно, что обычный винт фиксированного шага (ВФШ) может использовать

полную мощность двигателя только при определенном значении сопротивления движению

судна. Если это сопротивление в процессе эксплуатации судна изменяется (например, при

переходе со свободного хода на режим буксировки или траления), то винт будет соответст-

вовать двигателю лишь при каком-либо одном значении сопротивления, а при остальных его

значениях он будет либо «тяжелым» (двигатель не может развить полного числа оборотов

при полной мощности), либо «легким» (винт не использует при полном числе оборотов пол-

ной мощности двигателя).

Для полного использования мощности двигателя при всех значениях сопротивления

необходимо, чтобы каждому значению сопротивления соответствовал определенный шаг

гребного винта. Идея совмещения серии гребных винтов различного шага в одном движите-

ле и нашла воплощение в конструкциях ВРШ.

В настоящее время ВРШ устанавливают на судах различного назначения.

16

Состав установки ВРШ. Система управления всеми видами ВРШ принципиально оди-

накова. ВРШ проектируется так, чтобы поворот лопастей винта осуществлялся из рулевой

рубки. Обычно установка ВРШ состоит из следующих основных элементов (рис. 1.9.):

греб- ной

винт 1 с поворотными лопастями (ВПЛ); в ступице ВПЛ размещается механизм поворота

лопастей (МПЛ);

гребной вал 2;

механизм изменения шага 3 (МИШ), состоящий из сервомотора, создающего усилие

для поворота лопастей, устройства для подведения энергии к сервомотору и устройства,

управляющего положением лопастей;

силовая часть системы управления 4, которая служит для преобразования имеющейся

на судне энергии в такой вид, который наиболее удобен для подведения к сервомотору;

пост дистанционной системы управления 5, функции которого заключаются в непо-

средственном управлении регулирующим элементом силовой части (например, распредели-

тельным золотником в ВРШ с гидравлическим приводом).

Классификация ВРШ. ВРШ классифицируются по:

диапазону поворота лопастей:

всережимные - лопасти могут быть зафиксированы в любом положении внутри диапа-

зона «Полный вперед» - «Полный назад»,

многопозиционные, обеспечивающие несколько режимов (чаще всего три),

двухпозиционные - лопасти могут быть зафиксированы только в двух положениях, со-

ответствующих крайним точкам диапазона;

принципу создания усилия, необходимого для поворота лопастей, т. е. с приводом:

гидравлическим - усилие создается в гидравлическом сервомоторе,

электромеханическим - усилие создается электродвигателем,

механическим - усилие создается за счет энергии вращающегося гребного вала,

ручным - перекладка лопастей производится мускульной силой человека;

принципу построения системы управления винтом системы:

следящая - каждому положению управляющей рукоятки соответствует определенное

положение лопастей, т. е. лопасть как бы «следит» за управляющим органом;

не следящая - отклонение рукоятки от нейтрального положения влечет за собой пово-

рот лопасти, а возвращение ручки в нейтральное положение останавливает лопасть.

Наибольшее распространение получили всережимные ВРШ с гидравлическим приво-

дом и следящей системой управления.

Достоинства и недостатки ВРШ. Опыт многолетней эксплуатации ВРШ на судах

различного назначения в самых разнообразных условиях показывает, что движитель являет-

ся достаточно надежным механизмом, а применение его экономически вполне оправдано.

ВРШ обладают следующими преимуществами по сравнению с ВФШ:

обеспечение реверса судна без изменения направления вращения винта, что позволяет

обойтись без турбины заднего хода на судах с паровыми и газовыми турбинами;

получение при неизменном числе оборотов (в том числе и при максимальном) любого

значения скорости - от нулевой до наибольшей - за счет изменения шага лопастей путем их

поворота;

Рис.1.9. Схема установки ВРШ на судне

17

возможность установки при длительном ходовом режиме наивыгоднейшего сочетания

шага винта и оборотов главного двигателя;

сокращение на 30 - 40% времени реверса судна, причем сам реверс значительно упро-

щается;

существенное увеличение моторесурса главных дизелей благодаря резкому уменьше-

нию числа их пусков и остановок при швартовке или плавании в сложных условиях;

возможность дистанционного поворота лопастей винта с мостика без подачи команд в

машинное отделение;

облегчение швартовных и буксировочных операций, постановки и выборки сетей, тра-

ления благодаря большому диапазону изменения ходов;

уменьшение времени торможения и длины тормозного пути за счет ускоренного ревер-

са;

уменьшение нагрузки на якорную цепь при съемке с якоря благодаря широкому выбору

необходимого хода;

использование на электроходах с ВРШ в качестве гребных электромоторов наиболее

простых синхронных электродвигателей переменного тока;

снижение на двух-трех винтовых судах сопротивления неработающего винта разворо-

том его лопастей;

практически постоянное соответствие винта двигателю, чего нельзя достичь при нали-

чии ВФШ из-за возможного износа двигателя, обрастания корпуса и т. д.; в случае с ВРШ

несоответствие всегда может быть устранено небольшим изменением шага;

получение на швартовных испытаниях полной мощности при полных оборотах двига-

теля путем уменьшения шага винта.

Наряду с перечисленными достоинствами ВРШ не свободны и от недостатков, так:

ВРШ по сравнению с ВФШ имеют более сложную конструкцию, а следовательно, и

меньшую надежность;

диаметр ступицы ВРШ примерно в 1,5 раза больше, чем ВФШ, длина ступицы также

несколько больше, что усложняет задачу создания обтекаемого комплекса «дейдвуд - ступи-

ца - руль»;

масса ВРШ в 2-2,5 раза больше массы ВФШ с теми же геометрическими элементами

лопастей; это требует усиления подшипника кронштейна или дейдвуда;

коэффициент полезного действия (к. п. д.) ВРШ, как правило, несколько ниже к. п. д.

ВФШ (на 1 - 3%);

главный двигатель в установке с ВРШ должен иметь регулятор числа оборотов: при

проходе лопастей через положение «Стоп» винт снимает с двигателя очень малую нагрузку,

поэтому при отсутствии регулятора в указанном положении двигатель начнет работать

«вразнос».

ВФШ и ВРШ в неподвижных насадках. Направляющая насадка на гребной винт

впервые была предложена в 1887 г. русским ученым Ф. А. Бриксом. Цель ее применения -

повышение скорости, улучшение тяговых характеристик и маневренных качеств судов.

Направляющие насадки на гребные винты являются эффективным средством повыше-

ния пропульсивных качеств судов с тяжело нагруженными движителями. Направляющими

насадками оборудуются буксирные суда и промысловые траулеры. Значительное распро-

странение направляющие насадки различной конструкции получили также на транспортных

судах и крупнотоннажных танкерах. В отдельных случаях направляющие насадки на греб-

ные винты устанавливают для защиты лопастей от повреждений при плавании на мелково-

дье, во льдах и других специфических условиях.

По конструктивным особенностям и назначению направляющие насадки разделяют на

обычные осесимметричные и несимметричные. Обычная осесимметричная насадка образу-

ется вращением крылового профиля заданной формы вокруг оси гребного винта. Несиммет-

ричная насадка характерна тем, что профили каждого ее меридионального сечения имеют

различную форму, размеры и угол с осью гребного винта.

Неподвижная направляющая насадка жестко связана с корпусом судна и плавно сопря-

гается с ним.

18

Воздействие направляющей насадки на скорость потока в диске гребного винта явля-

ется определяющим фактором в ее влиянии на КПД этого движительного комплекса. Значе-

ние и направление дополнительной скорости, вызываемой насадкой в диске гребного винта,

зависят от ее геометрической формы. Для достижения наибольшего КПД комплекса и упора

насадки необходимо при ее конструировании стремится к максимальному увеличению ско-

рости протекания через диск гребного винта. Сложная картина формирования и отрыва

трехмерного пограничного слоя на поверхности насадки не позволяет в настоящее время

теоретически решить задачу выбора оптимальной геометрической формы ее профиля.

Направляющая насадка, увеличивая скорость протекания воды через гребной винт, раз-

гружает сечение винта, и это должно приводить к отдалению начала его кавитации. Однако

увеличение скорости протекания связано также с понижением давления вблизи гребного

винта, что приближает начало его кавитации. Исследования показывают, что второе обстоя-

тельство превалирует над первым и гребной винт комплекса, спроектированного на ту же

мощность, что и открытый винт, при одинаковой площади лопастей начинает кавитировать

раньше. Только на швартовном и близких к нему режимах наблюдается обратная картина, и

значение необходимого для обеспечения одинакового запаса против возникновения кавита-

ции дискового отношения гребного винта в насадке примерно на 5% меньше, чем для откры-

того винта. При этом развиваемый комплексом упор на 20-25% больше, чем у открытого

гребного винта.

ВФШ и ВРШ в поворотных насадках. Пропульсивные свойства гребного винта в по-

воротной направляющей насадке аналогичны пропульсивным свойствам гребного винта в

неподвижной насадке. Однако поворотная направляющая насадка обеспечивает также

управление судном как рулем. Поворотные направляющие насадки будут более подробно

рассмотрены ниже в разделе главных рулевых устройств. Здесь же следует еще указать на то,

что поворотные направляющие насадки обычно бывают со стабилизатором для уменьшения

момента на баллере и улучшения управляемости (рис. 1.10). По способу крепления к корпусу

различают подвесные и двух опорные поворотные насадки. Кроме кольцевых насадок су-

щеcтвуют и другие модификации (рис. 1.11).

Водометные движители. Водометный движитель (рис.1.12) включает следующие основ-

ные части:

Рис.1.12. Схема водометного движителя: 1-водозаборное устройство; 2-рабочее ко-

лесо; 3-сопло; 4-реверсивно-рулевое устройство.

Рис.1.10.Поворотные насадки: а) со стабилизатором; б)-подвесная; в) -двух опорная

Рис.1.11. Модификация поворотных насадок

19

водозаборное устройство, предназначенное для приема воды из свободного потока и

подачи к рабочему колесу;

рабочее колесо, которое передает энергию двигателя потоку, протекающему через

движитель;

сопло, формирующее струю, реактивная сила которой создает тягу движителя;

реверсивно-рулевое устройство, обеспечивающее изменение направления действия тя-

ги движителя без реверса приводного двигателя.

Коэффициент полезного действия водометного движителя и кавитационные качества

рабочего колеса в значительной степени обусловлены гидродинамическим и внешним со-

противлением водозаборника, степенью равномерности потока, подводимого водозаборни-

ком к рабочему колесу.

Гидравлическое и внешнее сопротивление водозаборника, а также структура потока

перед рабочим колесом зависят от конфигурации водоприемного патрубка и трубопровода,

их геометрических размеров, относительной скорости протекания воды через водозаборный

трубопровод, чистоты обработки поверхностей и т. п.

В качестве рабочих колес водометных движителей обычно применяют осевые и цен-

тробежные насосы. Путем комбинации нескольких насосов можно получить необходимое

для водометного движителя сочетание напора и расхода.

Если не удается обеспечить требуемый напор (или расход) одной ступенью, возможно

использование двух- и трехступенчатых рабочих колес (число ступеней может быть и боль-

ше). Полный напор рабочего колеса определяется как сумма напоров ступеней. Рассчитан-

ный как сумма напоров одноступенчатых насосов напор многоступенчатого рабочего колеса

в достаточно широком диапазоне поступи отличается от измеренного не более чем на 3-5 %.

Это справедливо также при работе лопастей осевого насоса в условиях развитой кавитации.

На кратковременных режимах работы (например, во время выхода судна на крылья)

для улучшения компоновки движителя иногда выгодно допустить кавитацию лопастей рабо-

чего колеса, если обеспечиваются требуемые тяговые характеристики. Напорные характери-

стики насосов при развитой кавитации можно определить только по данным модельных ис-

пытаний. Напор рабочих колес с кавитирующими лопастями в реальных условиях меньше,

чем в однородном потоке. Снижение напора зависит от характера неоднородности потока,

конструкции рабочего колеса, режима работы и должно быть в каждом конкретном случае

определено в результате испытания моделей. Модельные испытания показывают, что

уменьшение напора вследствие неоднородности потока может достигать 25 %; момент на

валу рабочего колеса снижается в меньшей степени. Эффективность рабочего колеса в этих

случаях уменьшается на 10 – 20 %.

Проблема стабильной работы движителей вблизи свободной поверхности воды, когда

попадание атмосферного воздуха в гидравлическое сечение движителя, особенно при волне-

нии, неизбежно, радикально решается использованием в движителях вентилируемых лопаст-

ных систем. При работе подобных движителей на лопастях образуются воздушные каверны,

полости которых соединены с атмосферой. Тяга вентилируемых водометных движителей

(ВВД) создается на основном режиме работы только за счет повышения давления на нагне-

тающей стороне лопасти. Поэтому такие движители практически не изменяют гидравличе-

ские характеристики во время работы в потоке, насыщенном воздушными пузырями, и в

случае частичного оголения гидравлического сечения. ВВД состоит из водозаборника, при-

водного вала с кронштейном и рабочего колеса, размещенного на выходном участке водоза-

борника. Для полной вентиляции лопастей, которая происходит при смыкании воздушной

каверны на лопастях с атмосферным воздухом, компоновка движителя на корпусе судна

должна предусматривать контакт струи с атмосферным воздухом, т. е. надводный или полу-

затопленный выброс струи. Пример компоновки ВВД с корпусом быстроходного судна по-

казан на рис. 1.14.

Сопло водометного движителя формирует струю, необходимую для обеспечения тяги.

Площадь на срезе сопла меньше, чем на входе в него, поскольку рабочее колесо создает из-

быточную потенциальную энергию - повышенное давление, которое необходимо преобразо-

20

вать в кинетическую энергию струи, т. е. получить приращение скорости. Поджать сечение

сопла можно в результате сужения наружного трубопровода, как это показано на рис.1.15.,

либо расширением центрального тела, которое является продолжением ступицы спрямляю-

щего аппарата. В этом случае струя, истекая из кольцевого отверстия, будет иметь форму

полого цилиндра. Второй вид оформления сопла рационален при большом диаметре ступицы

последней ступени рабочего колеса, так как позволяет значительно сократить длину сопла.

Водометные движители снабжаются реверсивными устройствами. Эти устройства от-

клоняют струю, истекающую из сопла движителя на ~180° что приводит к изменению на-

правления действия силы реакции струи, а значит и направления тяги движителя. Путем от-

клонения струи движителя с помощью рулевого устройства можно получить боковую силу

для управления судном. Обычно реверсивное и рулевое устройства совмещают в единую

конструкцию, которая получила названий реверсивно-рулевого устройства (РРУ).

Эффективность реверсивного устройства оценивается тягой заднего хода на швартовых,

которая измеряется в долях от тяги переднего хода при одинаковой мощности приводного

двигателя или одинаковой частоте вращения рабочих колес. Тяга заднего хода у лучших об-

разцов РРУ достигает 60-65%от тяги переднего хода; в среднем она составляет 45-55 %.

Водометные движители при умеренных скоростях судна уступают по КПД гребным

винтам и применяются, когда необходимы малая осадка и лучшая защищенность рабочего

органа. При больших скоростях судна эффективность водометных движителей близка к эф-

фективности гребных винтов и вследствие конструктивных преимуществ они широко при-

меняются на судах на воздушной подушке и подводных крыльях.

Гребные колеса. Гребное колесо представляет собой вращающуюся цилиндрическую

конструкцию с осью, расположенной поперек судна, и укрепленной на ней по окружности

прямоугольными лопастями – плицами. Относительно ватерлинии гребное колесо размеща-

ется так, что находящиеся в нижнем положении плицы погружены в воду. Упор гребного ко-

леса создают силы, возникающие на погруженных в воду плицах. Для уменьшения потерь

энергии из-за образования брызг при входе и выходе плиц из воды они шарнирно соединя-

ются с эксцентриковым механизмом, регулирующим положение плиц при повороте колеса.

Гребные колеса применялись на судах с начала XIX века. Первым колесным судном, совер-

шавшим регулярные рейсы, был п/х ―Клермонт‖ (США). В начале XX века на смену греб-

ным колесам пришли более эффективные движители – гребные винты.

Главные рулевые устройства. Рулевые устройства (РУ) отличаются тем, что их дейст-

вие проявляется только при наличии скорости судна. Рулевые устройства поэтому эффек-

тивны только при работе главных движителей (или в течение короткого времени после оста-

новки последних) и непригодны для обеспечения управляемости судна на предельно малых

скоростях хода и без хода.

Под термином «ход» понимается процесс перемещения судна в направлении ДП под

действием приложенной к судну тяги. Термин «без хода» не означает, что судно неподвиж-

Рис.1.14. Компоновка вентилируемого водометного движителя

Рис.1.15. Схема сопл водометного движителя: 1-поджатие стенкой во-

довода; 2- поджатие внутренним телом.

21

но, а свидетельствует лишь об отсутствии продольной тяги, либо об отсутствии продольной

проекции скорости движения судна. В последнем случае судно может двигаться лагом или

вращаться относительно точки, расположенной на ДП. Под термином «предельно малая ско-

рость хода» следует понимать скорость около 1 м/с и менее.

В качестве рабочих органов РУ применяются рули, рули повышенной эффективности,

много перьевые рулевые комплексы, поворотные насадки на гребные винты, сопла водомет-

ных движителей.

Рули. Руль представляет собой крыло, которое поворачивается вокруг вертикальной

оси и располагается в